DDS在侦察情报系统中的应用研究

李鹏伟 杨海涛

侦察情报系统依托战术通信网络,连接各级情报处理节点和空中地面多种侦察探测装备,集侦察监视、情报处理、分发应用为一体,为联合作战指挥决策、部队作战行动、实施联合火力打击和防空作战等提供及时可靠情报保障和信息支持[1].在侦察情报系统中,情报信息种类众多,包括文字、图像、影像等;侦察探测装备数量大、状态更新快,会随时加入或者退出系统;情报处理节点需要及时按需获取情报信息,这些都对侦察情报系统中的数据分发提出了更高要求.

数据分发服务(Data distribution service,DDS)[2]规范是对象管理组织(Object management group,OMG)于2004年12月颁布的分布式系统中数据分发的一个最新规范.DDS可以满足分布式系统的实时和高速数据交换,实现分布式网络环境下的动态管理和按需多点分发,目前被广泛应用于军事、航空、通信、交通运输、工业自动化、金融等领域.

本文首先分析了侦察情报系统对于数据分发的需求,并利用开源DDS中间件提出了基于DDS的侦察情报系统的设计思路,最后通过测试分析了基于DDS的侦察情报系统的性能.

1 侦察情报系统中数据分发需求分析

侦察情报系统具有侦察监视、情报处理、分发应用的功能,本文重点分析其在情报数据分发方面的需求.图1中是一个简化的机步团侦察情报系统.

在如图1所示的侦察情报系统中,机步营情报处理单元通过侦察分队以及近、中、远程无人机获取敌方地面部队的目标信息,将这些目标信息发送给机步团情报处理单元;防空雷达探测到敌方飞机,将敌方飞机目标信息发送给防空团情报处理单元,防空团情报处理单元生成空情战场态势信息;机步团情报处理单元根据机步营情报处理单元发送的目标信息以及友邻部队发送的空情战场态势信息,生成敌情综合态势,并将敌情综合态势信息向机步营情报处理单元和上级情报处理单元分发.在这个过程中,每一个环节都要求有很强的实时性和可靠性,这就对数据分发提出了如下要求.

1)可靠性.只有获得准确可靠的目标信息和空情战场态势信息,机步团情报处理单元才能形成正确的敌情综合态势,指挥员才能做出正确决策,下达作战命令.在战场环境条件下,通信条件比较恶劣,通信带宽有限,如何保证数据的可靠性是数据分发要解决的关键问题.

图1 机步团侦察情报系统示意图

2)实时性.在战场中,情报的时效性尤为明显,一条至关重要的情报当时机已过,且不相关决策已定,则该情报将变得毫无价值,因此,侦察情报系统也对数据分发提出了实时性要求.

3)复杂性.复杂性主要体现在两个方面:一是用户复杂性,在侦察情报系统中有许多探测侦察装备和情报处理单元,这些探测侦察装备和情报处理单元是动态变化的(如随时加入或退出),这要求数据分发系统能够动态管理这些探测侦察装备和情报处理单元;二是情报数据复杂性,不同情报处理单元对不同的情报数据感兴趣,比如师情报处理单元主要关心整个战场环境内己方和敌方部队的整体动向,连情报处理单元主要关注作战区域内敌方准确的武器部署、活动信息,只有将用户感兴趣的数据进行按需分发,才能真正对决策起到支持作用,同时节省通信资源.

2 DDS在侦察情报系统中应用方式设计

2.1 DDS体系结构及实现

DDS规范采用一种以数据为中心的发布/订阅(Data centered publish subscribe,DCPS)机制,提供一个与平台无关的数据模型.DDS由2层组成,分别是数据本地重构层(Data local reconstruction layer,DLRL)和DCPS.DCPS是DDS的核心和基础,提供了基本的通信服务,负责数据传输以及相关服务质量的控制保证等.DLRL将DCPS提供的服务进行了抽象,在DLRL建立了与底层服务的映射[3].

自2004年12月发布DDS规范以来,多家公司和组织开发了遵循DDS规范的DDS中间件产品,其中比较常见的主要有RTI DDS中间件、OpenSplice DDS中间件、OpenDDS中间件、CoreDX DDS中间件以及MicroDDS中间件,这些DDS中间件都遵循DDS规范,适用于不同的应用环境.需要说明的是,OpenDDS中间件是开源程序,本文正是基于OpenDDS中间件开展相关研究.

目前国内对DDS的研究才刚刚起步,其中国防科学技术大学开发了DDS规范实现,研究人员出版了相关专著[4];电子与通信研究院开发了DDS规范核心实现;北京神州普惠公司开发了AppDDS产品,实现了DDS规范.

2.2 基于DDS的侦察情报系统体系结构

本文根据DDS规范,基于DDS中间件设计了侦察情报系统体系结构,如图2所示.

在该系统中,为了描述方便,本文将侦察探测装备、情报处理单元统称为情报单元.各情报单元之间的数据交互通过发布和订阅相应主题来完成,每个情报单元向DDS中间件提交所要发布或订阅的主题列表,DDS中间件记录每个情报单元提供的主题列表,并进行匹配.当主题匹配成功时,DDS中间件会在主题发布情报单元和主题订阅情报单元之间建立数据传输连接,完成数据传输.各情报单元可随时新增或者取消要发布或订阅的主题,从而实现动态加入或者退出.

3 基于DDS的侦察情报系统数据分发性能分析

基于DDS的侦察情报系统通过新增或者取消主题,能够实现情报单元的动态加入和退出,通过订阅不同的主题实现对情报的按需索取,能够满足复杂性需求.本节进一步分析基于DDS的侦察情报系统数据分发的实时性和可靠性.

图2 基于DDS的侦察情报系统

3.1 指标的选取

通常情况下,时延和丢包率是评价实时性和可靠性的常用指标[5],本文也选取这两个指标对基于DDS的侦察情报系统的数据分发性能进行分析.

在时延测试中,即使使用了网络时钟协议(Network time protocol,NTP),也很难同步网络中分布式节点的本地时钟.为了避免因分布式节点本地时钟不同步带来的误差,本文采用单端计时的方法测试往返时延,取往返时延值的一半为端到端时延值.假设第i数据包发送时的时间为Tsi,返回时的时间为Tei,则该数据包的端到端时延为

通过测试一段时间内的数据包的端到端时延,取平均值,则数据传输的平均时延为

式中,G为一段时间内数据包的总数.

丢包率可以用一段时间内接收到的数据包总量与发送数据包总量之比来衡量,即

式中,GR为一段时间内接收到的数据包个数,GT为一段时间内发送的数据包个数.

3.2 测试方案

该测试方案选择独立的100 Mbit局域网环境,采用“一对一”和“一对多”2种模式,数据包大小从22∼214Byte,网络丢包率从0%∼5%,数据包发送速率为100次/s.

数据传输的效果与上层的QoS策略配置以及底层的传输协议性能有关,在对上层QoS策略进行合适配置基础上,本文主要测试底层传输协议性能对数据传输的影响.

DDS中集成了TCP、UDP和组播协议这3种形式,其中组播协议支持“尽力而为”和“可靠传输”两种模式.本文主要选择TCP、UDP和可靠组播协议.

3.3 测试结果及分析

首先测试“一对一”模式下,数据包大小从22∼214Byte,数据包发送速率为100次/s,逐渐增大网络负载,得到传输协议时延平均值如图3所示.

图3 “一对一”模式下数据包大小对传输协议平均时延的影响

从图3中可以看出,在数据包小于1024Byte时,3种传输协议的平均时延值相差不大,且基本保持不变,保持在900µs左右;当数据包长度大于2048Byte时,3种传输协议的平均时延值逐渐增大,这是因为在DDS中,MTU(Maximum transmission unit)值为1400Byte,当数据包长度大于1400Byte时,会对数据包进行分割,从而带来额外时延.

在“一对多”模式,设置20个节点接收数据,网络丢包率为0%,数据包大小从22∼213Byte,数据包发送速率为100次/s,逐渐增大网络负载,得到传输协议时延平均值如图4所示.

图4 “一对多”模式下数据包大小对传输协议平均时延的影响

从图4中可以看出,和一个接收节点相比,20个接收节点对应的3种传输协议的平均时延整体有所增加,增加幅度在200µs左右,可靠组播协议的整体时延值要小于TCP和UDP;当数据包小于1024Byte时,3种传输协议的平均时延值基本保持不变;当数据包长度大于4096Byte时,TCP和UDP协议的平均时延值急剧增大,这是由于此时网络的拥塞而导致的较大时延.

结合图3和图4可以看出,基于3种传输协议的数据传输都具有低时延的特点,并且当接收节点增加到20个时,平均时延无明显变化,这说明了DDS具有很好的扩展性.需要说明的是,在接收节点数量增加时,与采用可靠组播协议相比,采用单播协议(TCP和UDP)会占用大量的网络带宽.

分别设置网络丢包率为0%、1%、3%和5%,测试不同数量接收节点(从1∼20个)时,各传输协议成功传输数据包的数量.测试结果表明,TCP和可靠组播协议均能接收到所有数据包,可靠性很高;在网络丢包率不为0%时,UDP协议不能接收到所有数据包,可靠性较低.图5为接收节点数量为20时,不同丢包率下各传输协议数据传输成功率.

3.4 小结

图5 20个接收节点时不同丢包率对传输协议可靠性影响

通过对DDS中间的数据分发性能进行测试分析,可以看出,DDS中间件的数据分发具有实时性和可靠性,能满足侦察情报系统数据分发需求.在测试中发现,在不同环境条件下(如接收节点数量、网络丢包率),各传输协议的性能不同.在实际应用中,战场环境是动态变化的,需要根据环境条件为侦察情报系统配置合适的传输协议.然而,手动配置和切换,既不能满足实时性要求,也不能保证配置的准确性,因此需要一种自适应调整机制自动为侦察情报系统配置合适的传输协议,以保证数据分发的实时可靠.

4 总结

本文针对侦察情报系统中数据分发需求,提出了基于DDS的侦察情报系统设计思路,并在不同条件下对DDS中间件的性能进行了测试.测试分析结果表明,基于DDS中间件的数据分发具有低时延和高可靠性特点,能够为侦察情报系统的数据分发提供有力支持.

下一步工作将会研究自适应调整机制,开发具有传输协议自适应调整功能的DDS中间件,以实现侦察情报系统在战场环境中的自适应调整和配置,最大程度地保证数据传输的实时可靠.