作者：赵玉亭 戴冠中 张治 慕德俊 陈旿
    单位：西北工业大学自动化学院
    Email：zhaoyuting77@gmail.com

    摘要：开发了一种新的研究大规模网络的实时半实物仿真方法，并对无线Ad Hoc网络上的视频传输进行了成功仿真，证明该方法对研究通信网络具有实时性、可扩展性和高保真性。

    1. 仿真及半实物仿真

    仿真方法的应用最早可追溯到1773年，法国自然学家用仿真方法做物理实验估计π值。经过200多年的发展，仿真技术已经成为科学实验的有效手段，对科学技术的发展起到了巨大的推动作用。1992年美国提出22项国家关键技术，仿真技术列第16项；提出21项国防关键技术，仿真技术列第6项。近年来美国更加重视仿真，将发展“合成仿真环境”作为国际科技发展的7个科技推动领域之一。

   1.1 仿真分类

    根据仿真过程中所建立模型对象的方式不同，可以将系统仿真分为三种模式：

   (1)计算机仿真。其特点是系统用严格的数学模型表示，不使用实际系统的任何部件。计算机仿真的模型抽象程度最高，仿真费用最省，仿真所花的时间最少，作各种变量控制试验也最方便。但它有一个最致命的弱点，即仿真结果的可信度较差。

   (2)实物仿真。即系统原型方法，特点是全部使用实际系统的子系统或部件，系统原型可以任意接近最后的系统配置。实物仿真与实际系统最接近，仿真结果最可信，但费用高，执行起来所花时间长，作变量控制试验也不方便。

   (3)半实物仿真，又称为硬件在回路（Hardware-In-Loop，HWIL）仿真。被仿真系统有一部分用与实际系统相同或相近的实物，其它部分则采用计算机仿真形式。半实物仿真是一种将控制器(实物)与在计算机上实现的控制对象的仿真模型（数学仿真）联接在一起进行实验的技术。在这种实验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实际的仿真实验技术。这种仿真技术可用于修改控制器设计，同时也广泛用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。

   1.2 半实物仿真及其特点

    半实物仿真技术自20世纪60年代问世直到目前美国研制航天飞机，始终盛行不衰。美国大多数国防承包商都有一个或多个半实物仿真实验室，这些实验室代表了当前世界先进水平。其先进性体现在：

    (1)有高速高精度的仿真机；

    (2)有先进完备的环境模拟设备。

    国内半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等应用研究方面也达到了较高水平。自20世纪80年代开始，我国建设了一批高水平、大规模的半实物仿真系统，如射频、红外制导导弹、歼击机、驱逐舰半实物仿真系统等。

    半实物仿真的特点是：

    ①在回路中接入实物，必须实时运行，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同。

    ②需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题。

    ③半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。

    2. 半实物网络仿真

    2.1 半实物网络仿真的要求

    网络的半实物仿真是一种重要的网络研究方法。它允许现实世界的网络分组流量和仿真器中模拟的流量进行交互，经受用户定义的分组延时、丢失、重排序和复制。利用网络仿真，用户能够测试现实网络设备在各种不同模拟的网络环境中的功能和性能，而无需获得、了解或修改它的内部协议栈。正由于此，半实物仿真被广泛应用于测试网络协议和设备。

    实时模拟IP网络对于网络仿真引擎来说是一个很大的挑战和负担。网络仿真器必须同时监视实际运行的网络作为输入数据流量、仿真流量并将仿真结果重新递交给实际运行的IP网络。网络仿真器必须具有下列的特性才能够进行上述的网络模拟：

    速度快（Fast）——仿真器处理单个分组的时候必须比实际的网络要快。如果分组在模拟网络内部需要10ms，那么就要将分组在10ms以内重新递交给目的端IP电话所在的实际网络。如果这个时间增加到了50ms或者更多，那么模拟IP网络就不称职了——实际的网络设备将经历很高的端到端延时，这与实际网络情况出入太大，没有反映出真实性。

    扩展性强（Scalable）——即使在网络规模达到数以千计的时候，仿真器也要执行得比实际网络运行要快。一个模拟的IP网络如果只能支持小规模网络，那么它的有用性就大打折扣了。

    高保真度（High-Fidelity）——仿真器必须对模拟IP网络进行精确建模的情况下满足前面的两个要求。

    这样就对网络仿真提出了很高的要求，我们需要开发能够实现实时IP网络模拟的网络半实物仿真方法。

    2.2 半实物网络仿真的原理

    IP网络模拟应该允许真实的网络设备（例如VoIP电话和计算机程序）通过模拟的网络进行通信[4]。这个功能是通过从实际的网络当中读取实际的IP流量，并将读取到的数据流量添加到仿真当