裝備保障通信網(wǎng)絡仿真與建模研究*

王 琳，杜曉明，孫 曉，劉向陽

（軍械工程學院裝備指揮與管理系, 河北 石家莊 050003）

歷次戰(zhàn)爭表明，戰(zhàn)時裝備保障效能的高低直接制約著戰(zhàn)爭進程，甚至決定著戰(zhàn)爭的結(jié)果。實施準確、合理、高效的裝備保障行動，是建立在對戰(zhàn)場態(tài)勢的實時感知和裝備保障指控信息順利傳遞的基礎(chǔ)之上的，加之信息化條件下信息量巨增，使得裝備保障通信的地位和作用更加突出。由于戰(zhàn)時各種武器平臺需要在運動中通信，無線通信無疑是指控信息傳遞、態(tài)勢感知的主要手段。

信息化條件下的裝備保障仿真必須考慮戰(zhàn)場復雜的電磁環(huán)境，為了更加準確地對裝備保障效能進行評估，裝備保障網(wǎng)絡通信的仿真是裝備保障仿真中不可回避的、也是其基本的內(nèi)容之一。

在無線通信及其干擾建模與仿真方面，美軍研究開發(fā)的軟件和成果較多，如在 TIMS[1]套裝軟件 CES（通信效果服務器）中有SINCGARS、EPLARS等無線電臺仿真模型和C4I干擾分析模型CJAM；M IT林肯實驗室的BCN /TES[2]中開發(fā)了通信服務器，反映了地形對戰(zhàn)術(shù)移動通信模型的影響?？偟膩碚f,美軍有比較成熟的無線網(wǎng)絡及干擾的建模仿真工具和基礎(chǔ)仿真平臺。

相對而言，國內(nèi)的戰(zhàn)役/戰(zhàn)術(shù)無線網(wǎng)絡通信及干擾的建模仿真工具和基礎(chǔ)仿真平臺還處于不斷發(fā)展中，軍事無線通信及干擾仿真主要集中在鏈路級和網(wǎng)絡級，以及對通信協(xié)議的研究，并取得了一些成果[11]。對無線通信及干擾的系統(tǒng)級仿真和作戰(zhàn)效能評估的研究還較少，在裝備保障仿真平臺中的應用還處在起步階段。

1 通信模型主體設(shè)計

對裝備保障通信進行仿真，需要在模型中體現(xiàn)以下幾方面:1）通信裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能指標；2）地形、植被、天氣、噪聲及環(huán)境噪聲等戰(zhàn)場動態(tài)因素的影響；3）裝備保障業(yè)務的執(zhí)行流程；4）敵方電子戰(zhàn)對通信干擾的影響情況。

仿真過程中，關(guān)心的是保障信息能否及時、準確地被接收者收到，也就是連通性和通信時延等指標。

從建模的角度來說，通信裝備不同的技戰(zhàn)術(shù)性能指標主要區(qū)別在于給系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)不同，因而影響著傳播方式（天波、地波、直射波等）以及無線信號傳播模型的選擇，但模型總的結(jié)構(gòu)是相同或者相近的。

保障信息傳遞時經(jīng)歷的節(jié)點以及節(jié)點之間的連接關(guān)系直觀而準確地反映出了裝備保障業(yè)務的執(zhí)行過程，為分析保障業(yè)務流程和有關(guān)單位的重要性提供了有力依據(jù)。

通信阻斷主要有兩種[3]:一種是阻止敵方獲取己方的信息，另一種是阻止敵方獲取敵方自身的信息。前一種成為信息防護，后一種成為信息進攻。在模型中主要模擬敵方對我進行的信息進攻。

1.1 通信模型與仿真系統(tǒng)的關(guān)系

考慮到現(xiàn)實中的信息處理中心并非指揮控制中心，而且要為以后更進一步分析裝備保障通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)提供支撐，本文采用分離式[4]的仿真方法，將其作為一個獨立的邦員進行仿真，如圖1所示。

圖1 通信模型與仿真系統(tǒng)的關(guān)系

當系統(tǒng)需要通信時，通過與RTI進行交互啟動通信模型，通信模型對通信的情況進行仿真，并以仿真結(jié)果影響系統(tǒng)和驅(qū)動其它模型的運行，如圖2所示。

圖2 通信模型的驅(qū)動關(guān)系

仿真系統(tǒng)為通信模型提供基本信息，其它模型為其提供運行信息，同時通信模型通過通信仿真的結(jié)果又影響其它模型的運行。

基本信息主要包括:1）所有的通信節(jié)點（通信裝備的映射）；2）通信路徑（通信業(yè)務或者編制的關(guān)系）；3）通信節(jié)點的位置信息、裝備信息（包括裝備型號、損傷情況等）。

運行信息主要包括:1）其它模型為通信模型提供通信雙方的通信裝備碼、通信時間、通信內(nèi)容、通信類型等；2）通信模型將輸出通信情況的仿真結(jié)果（包括信息傳遞的時間、信息傳遞經(jīng)歷的通信節(jié)點和邊等），從而影響或控制其它模型的運行。

通信仿真模型主要包括:通信想定模型、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)模型、鏈路生成模型和無線通信及干擾模型。

各模型主要功能如下:

通信想定模型:讀取仿真想定，并初始化通信網(wǎng)絡；

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)模型:維護、更新通信網(wǎng)絡的節(jié)點和邊的相關(guān)信息；

鏈路生成模型:根據(jù)保障業(yè)務及節(jié)點之間的連接關(guān)系，生成可能的通信鏈路；

無線通信及干擾模型:對生成的每一條通信鏈路，計算其上有用信號及干擾信號的強度，進而判斷該鏈路上無線通信的結(jié)果。

1.2 通信邦員運行流程

通信仿真邦員隨仿真系統(tǒng)一同啟動。首先根據(jù)仿真想定初始化拓撲結(jié)構(gòu)，生成通信節(jié)點以及節(jié)點之間的連接關(guān)系并存入數(shù)據(jù)庫，爾后隨著仿真步長的推進，實時對節(jié)點信息和通信干擾信息進行維護更新（由數(shù)據(jù)庫支持），同時每步長檢測是否有待發(fā)的信息，如果有則進行無線通信的仿真，然后輸出仿真結(jié)果。當仿真結(jié)束時退出聯(lián)邦，否則返回檢驗是否有待發(fā)信息。通信邦員的運行流程如圖3所示。

圖3 通信邦員運行流程圖

1.3 無線通信及干擾仿真流程

現(xiàn)以一次數(shù)據(jù)傳輸為例分析整個通信過程及各模型之間的關(guān)系。發(fā)信機將有用信息轉(zhuǎn)化為電磁波并通過天線發(fā)送出去；電磁波傳播損耗由傳播損耗模型計算得到；接收機通過接收天線獲取電磁波能量，得到接收功率，同時天線還接收到空間環(huán)境中的噪聲和敵方的干擾功率，根據(jù)收信機的信噪比和接收到的信號電平，判斷此次通信的結(jié)果，并計算整個通信過程的通信延時，并作為結(jié)果一同輸出。這就是一次通信過程的基本描述。無線通信及干擾的仿真流程圖如圖 4所示。

2 無線通信及干擾模型

由于關(guān)心的重點是通斷問題，模型中不再包含無線信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、誤碼、糾錯等方面的模型，重點考慮傳輸天線、無線信號的傳輸損耗、接收信號強度、干擾信號強度、靈敏度及信噪比的建模。

圖4 無線通信仿真流程圖

2.1 天線模型

天線的三個重要參數(shù)分別是[3]:響應頻率、方向性和阻抗特性。響應頻率決定天線可以有效信號發(fā)射的帶寬；方向性體現(xiàn)天線在特定方位上對能量的聚集能力；阻抗特性的重要性在于，當負載與源之間的阻抗共軛匹配時，可以保證從源向包括天線在內(nèi)的負載傳輸功率最大。其中，最值得關(guān)注的是天線的方向性參數(shù)，因為它在特定方位上的增益影響著無線信號的傳輸強度。

天線的方向性由增益方向圖給定,增益方向圖表示天線的相對增益隨視軸與信號到達方向之間夾角的變化關(guān)系。常見的天線增益圖有全向圖、扇形、sinxx形，cos2形和 cosec2形等，由天線制造廠測量和公布[5]。不同的天線種類，其有效面積、增益效果也都不同，常見的天線主要有全向天線，無線天線、有源天線，日徑天線等，其中無線天線又包括單極天線、偶極天線、環(huán)形天線、八木天線等。日徑天線包括拋物面天線和天線陣[3]。

建模中主要考慮天線的主瓣與旁瓣的方向性、有效面積、天線仰角等參數(shù)，計算任一時刻坐標系中空間點（時間、位置、方向）上的增益值。軍用的短波、超短波電臺使用鞭狀天線（whip antenna），鞭狀天線在窄頻段范圍內(nèi)提供全方位不變的2dB增益。對于無線干擾機來說，天線在主瓣方向上對干擾信號具有最大的增益。

2.2 傳輸損耗與接收功率模型

無線信號在介質(zhì)中傳輸、經(jīng)過障礙物都會產(chǎn)生不同程度的損耗，其損耗值一般在幾十分貝到200分貝之間。無線信號的損耗與傳播的方式、路徑、經(jīng)歷的介質(zhì)、天氣情況等都有密切聯(lián)系，因此無線信號傳輸損耗模型也有許多，文獻[6]中詳細地描述了反射、繞射、散射、陰影衰落及地形影響等電波傳播模型，給出了Longley-Rice, Durkin, Okumuna, Hata, LEE, Egli,Carey和TIREM等無線傳播模型，文獻[3-5]a和b也提供了許多相通或相似的模型，我們可根據(jù)研究的需要選擇相應模型進行開發(fā)。由于低VHF頻段是地面移動軍事部隊通信使用最頻繁的頻段，而且大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)無線電臺都工作在該頻段，因此主要考慮該頻段無線電波的傳輸方式，選取 Rn模型[7]來計算。

與發(fā)射機相距R處的平均路徑損失由式（1）計算:

其中，R0是參考距離，室外傳播條件下經(jīng)常選為1km，室內(nèi)傳播條件下選為1m； )(RL0表示參考距離上的路徑損耗，通常由測量得出，也可由式（2）估計:

N為衰減指數(shù),由發(fā)射機到接收機路徑上的地形、地面建筑和植被等障礙對電波的影響決定，參考文獻[3]中給出了各種傳播條件下測量得到的平均值N，統(tǒng)計值服從對數(shù)正態(tài)分布，N的取值范圍為2～16(例如:空對空,或自由空間,或近距離(第1菲涅耳區(qū))靠近地球表面?zhèn)鬏敃r，N =2；空對地，地對空，典型值為2～4之間；靠近地球表面時，信號強度減弱快，經(jīng)常用N=4)。

2.3 干擾功率模型

一般認為當清晰度小于50%時，則通信被阻斷。對于模擬FM，通常認為-6dB或者更高的干信比便足以阻斷通信傳輸，對于 AM，產(chǎn)生同樣效果則需要大約-15dB的干信比[3]。不論是數(shù)字信號還是模擬信號，干擾效果都是由接收機端的干擾信號強度決定的。敵各種干擾源干擾信號到達接收機的功率[8]:

其中， Pti為第i個干擾源的發(fā)射功率；Gti為第i個干擾源的天線增益；L干i為第i個干擾源的傳播路徑損耗； Gri為受指揮飛機第i個干擾源方向上的接收天線增益。

接收機受到的干擾總功率為

其中，干擾功率的傳輸損耗L干i，同樣可以用Rn模型進行計算。

2.4 信噪比模型

通過計算獲得的接收功率、噪聲功率、干擾功率等參數(shù)來計算信噪比（SNR）[9-10]。信噪比用分貝表示為

式中，Pr為接收功率； Pb為噪聲功率； Pi為干擾功率，單位均為瓦（W）。

有效信噪比為

式中，Gp為接收機的有效處理增益（dB）。

對語音通信則采用接收機靈敏度的高低來判斷是否能正確接收，一般認為語音清晰度在70%以上可以完全接收。在30%以下不能接收；在30%～70%之間基本上還能接收。

接收機靈敏度是指其能接收到的并仍能正常工作的最小信號,接收信號電平[5]為

其中，NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)（dB）；SNR為信噪比，k是玻爾茲曼常熟，k=1.38×10-23(K·Hz)，T=開氏絕對溫度值，地球大氣中常假定為 290oK，B是接收機有效帶寬。

式中，kTB的單位是dBM；BW是接收機的有效帶寬，單位是MHz。

將接收信號電平S與電臺靈敏度指標S0進行比較，當S≥S0時，能接收；否則不能接收。

3 無線通信及干擾仿真示例

為驗證模型的合理性，基于 Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)了無線通信模型及干擾的仿真程序。通過簡單的試驗設(shè)計，以瑞典StarCom戰(zhàn)斗網(wǎng)無線電系統(tǒng)為例，在典型的中等起伏的地形上，無電磁干擾，一個電臺發(fā)送數(shù)據(jù)，一個電臺接受數(shù)據(jù)，試驗發(fā)射功率相同條件下通信距離對通信效果的影響情況。試驗使用設(shè)備及其它仿真參數(shù)為:車載5W電臺，使用頻率為80MHz，帶寬25kHz，鞭狀天線增益為2dB，傳播衰減指數(shù)為4，背景及其它噪聲功率為10-12mW。

試驗內(nèi)容:傳輸距離從1km增加到到35km時，仿真結(jié)果的變化。計算得出傳輸損耗、接收功率、信噪比和連通性（“1”表示通，“0”表示斷）等，部分仿真結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)射功率不變時不同通信距離的仿真結(jié)果

從表1中可以看出，隨著距離的增加，傳輸損耗 增大，接收功率減小，信噪比減小，連通性逐步從能連通變化為不能連通。車載電臺在5w的發(fā)射功率下，通信距離達到30km。仿真結(jié)果與實際設(shè)備性能較為吻合。同樣，可以通過改變仿真參數(shù)（如不同發(fā)送功率、傳輸速率、調(diào)制方式和天線增益等）進行各種試驗，模擬戰(zhàn)場上各種情況下的通信狀況。

增加一個通信干擾源，采用一個裝甲通信車，裝載有超短波干擾機1臺，以1 MHz步進間隔，停1 ms，在 30～90MHz超短波頻段實施阻塞式干擾，干擾機發(fā)送功率為 100w，干擾天線增益為 10dB，試驗從100km處，向接收機移動過程中對電臺通信效能的影響。電臺發(fā)射功率仍為5w，與發(fā)射機相距15km，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 通信距離不變時不同干擾距離下通信的仿真結(jié)果

表2是只有一個干擾源的情況，為更加接近戰(zhàn)場實際，可以增加多個不同的干擾源，也可以改變干擾源的移動線路，或改變發(fā)射功率等參數(shù)來模擬更復雜條件下的通信情況。

以上建立的模型，能從效果上較好地模擬出戰(zhàn)場無線通信的結(jié)果以及通信干擾帶來的影響。

4 結(jié)束語

無線通信及其干擾的分析建模是模擬信息化條件下裝備保障不可回避的內(nèi)容，對信息化條件下的裝備保障效能進行評估必須考慮戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境對裝備保障指揮的影響。

裝備保障指控網(wǎng)絡中最基本的就是保障分隊、保障對象與各級保障指揮機構(gòu)之間點對點或者一點對多點的無線通信。戰(zhàn)場上實際的通信效果不僅與使用的通信裝備及其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能參數(shù)有關(guān)，還與各保障分隊的地理位置、通信使用頻率、地形通視判斷和戰(zhàn)場環(huán)境因素（如天氣、時間、植被等）緊密相關(guān)。只有準確、合理的對無線通信鏈路及其干擾進行描述，才能準確的模擬實際戰(zhàn)場中裝備保障指控網(wǎng)絡的運行情況，進而更加準確地進行裝備保障效能的評估。

[1]John Peace, EricWood. The TIM Suite—A Federation forLive Virtual Simulation of C4I Systems [ EB /OL ].2000, 00F2SIW2066. http:/ /www. sisostds. Org.

[2]Kolek Stephen R, RakPaul Steven J, Christensen J.Battlefield Communication Network Modeling [ EB/OL ]. 1998, 982SIW2143. http:/ /www. sisostds. Org.

[3]Richard A.,Poisel. 通信電子戰(zhàn)系統(tǒng)導論[M]. 吳漢平,等譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2003.

[4]李志強, 胡曉峰, 司光亞,等. 作戰(zhàn)模擬中通信系統(tǒng)連通性仿真算法研究[J]. 計算機仿真, 2006, 23(4):124-127.

[5]David L., Adamy. 電子戰(zhàn)建模與仿真導論[M]. 吳漢平,等譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[6]楊大成. 移動傳播環(huán)境理論基礎(chǔ)、分析方法和建模技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2003.

[7]Richard A. Poisel 現(xiàn)代通信干擾原理與技術(shù)[M].陳鼎鼎等譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2005.

[8]霍文俊,曲毅,許家萬. 地空通信系統(tǒng)的建模與仿真[J].計算機仿真, 2002, 19(3):18-20.

[9]陳敏. OPNET網(wǎng)絡仿真[M]. 北京:清華大學出社,2004.

[10]OPNET Technologies Inc. OPNETModeler Documentation12. 0[ Z/OL ]. 2007, http:/ /www. opnet.com / support.

[11]賴儀一, 朱自強. 軍事通信系統(tǒng)抗干擾仿真效能評估方法[J].現(xiàn)代軍事通信,1998,6(3):14-17.