微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計?

王博寧，尹樹華，肖勝利（西安通信學(xué)院，西安710065）

微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)設(shè)計?

王博寧，尹樹華，肖勝利
（西安通信學(xué)院，西安710065）

針對通信保障方案生成方式及評估手段落后的問題，設(shè)計了微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以模塊化的形式設(shè)計了體系結(jié)構(gòu)，采用層次分析法構(gòu)建了通信裝備建?？蚣?，通過流程圖描述了仿真過程并提出仿真實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理，給出了通信效果評估依據(jù)及評估實現(xiàn)方法。最后通過日常組網(wǎng)訓(xùn)練仿真驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性。系統(tǒng)通過虛擬評估手段為用戶提供較精確的數(shù)據(jù)支撐和結(jié)果分析，可對通信保障方案生成起輔助決策作用，有效提高應(yīng)急通信保障效率。關(guān)鍵詞：微波通信；應(yīng)急組網(wǎng)；仿真系統(tǒng)；虛擬評估；層次分析法

1 引言

近幾年來，信息化條件下的局部戰(zhàn)爭及各種非戰(zhàn)爭軍事行動頻發(fā)，事件突發(fā)性強(qiáng)，處置時間緊迫，參與行動的力量成分多，決策下達(dá)速度快，指揮控制實時性強(qiáng)，大量信息必須在較短時間內(nèi)完成［1］，而傳統(tǒng)的通信保障方案生成與評估模式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前和未來的通信保障需求。在需求牽引和技術(shù)的推動下，各國普遍采取建立裝備的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，計算機(jī)仿真系統(tǒng)在通信保障中的應(yīng)用成本小、硬件要求低、開發(fā)周期短、操作簡單、攜帶方便，并且能夠解決通信保障中場地受限、時間短、效費比低、評估手段落后等問題，計算機(jī)仿真在地理信息可視化及電磁環(huán)境可視化中已經(jīng)顯示出了良好的應(yīng)用前景［2-7］。但是由于系統(tǒng)仿真與國外相比起步較晚，在系統(tǒng)的逼真度、聯(lián)動性和訓(xùn)練效果上還存在很多不足，而且針對通信保障分隊通信方案輔助決策的仿真系統(tǒng)較少，特別是還沒有關(guān)于地域通信樞紐應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的相關(guān)報道。

在此背景下，本文以Visual Studio為開發(fā)平臺，用C＃和Matlab混合編程，以SQL Server2003為數(shù)據(jù)庫，通過調(diào)用MapX控件，目的在于設(shè)計一套易于操作、功能完善的微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)，使其能夠模擬裝備、地形、氣候等要素［3］，顯示通信節(jié)點在地理環(huán)境中的位置［4］；能夠進(jìn)行節(jié)點間通信效果評估，為判斷通信組網(wǎng)方案的合理性提供支撐，并能夠給出合理的組網(wǎng)建議，有效提高通信保障的效率及質(zhì)量。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)從通信保障的實際需要出發(fā)，采用面向?qū)ο蠓治龅某绦蛟O(shè)計方法，結(jié)合通信裝備的機(jī)動、技術(shù)性能及操作特點，將整個系統(tǒng)分為地理信息設(shè)置、環(huán)境設(shè)置、機(jī)動配置、技術(shù)參數(shù)輸入及仿真結(jié)果顯示5個模塊，利用工程軟件管理工具完成各模塊與數(shù)據(jù)庫的連接，如圖1所示。

（1）地理信息設(shè)置模塊

地理信息是應(yīng)急條件下組網(wǎng)考慮的主要因素，包括地形、地物、經(jīng)緯度、高程等。導(dǎo)入地理信息時，根據(jù)需要通過添加或減少圖層來增減地物。如果地圖為柵格化文件且無經(jīng)緯度或高程等信息，通過此模塊進(jìn)行設(shè)置，可測量距離、面積等參數(shù)。

（2）環(huán)境設(shè)置模塊

環(huán)境通過地形、地物、氣候及電磁環(huán)境等要素影響信號的傳輸。地理信息設(shè)置完畢后，根據(jù)實際天氣、地物等情況設(shè)置氣候和電磁環(huán)境，通過地形、地質(zhì)、地空大氣層等因素量化其對通信參數(shù)產(chǎn)生的影響。

（3）機(jī)動配置模塊

機(jī)動配置是通信保障中臺站在相應(yīng)地域的位置設(shè)置。按照上級指示和通信保障要求，根據(jù)地形、地物及電磁等環(huán)境的影響，用戶應(yīng)合理設(shè)置通信節(jié)點的位置。系統(tǒng)將節(jié)點設(shè)置情況及節(jié)點信息自動存取到數(shù)據(jù)庫，可視情修改節(jié)點具體信息，并根據(jù)設(shè)置情況自行判斷通信裝備內(nèi)部有無交叉干擾。

（4）技術(shù)參數(shù)輸入模塊

技術(shù)參數(shù)是臺站工作必不可少的要素。模塊通過系統(tǒng)生成的通信裝備模型，輸入臺站、設(shè)備及天線等相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)界面按照裝備的操作和技術(shù)特點設(shè)計，使用者能夠按照實際的運用進(jìn)行操作，提高系統(tǒng)的操作性。

（5）仿真結(jié)果顯示模塊

仿真結(jié)果是通信效果的評估依據(jù)，包括信道傳輸?shù)穆窂健⒌匦螌π盘杺鬏數(shù)淖璧K及電磁在空間的分布情況。模塊按照微波通信原理建立數(shù)學(xué)模型，將環(huán)境修正的參數(shù)及所需的技術(shù)參數(shù)等輸入到數(shù)學(xué)模型，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行組網(wǎng)驗證，計算并顯示臺站通信覆蓋范圍，向使用者提供組網(wǎng)建議。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 層次化通信裝備建?？蚣茉O(shè)計

系統(tǒng)需要通信裝備建模工具來支撐其通用性和擴(kuò)展性，以便系統(tǒng)使用者在不同仿真級別和不同類型通信裝備模型的仿真應(yīng)用中，提高模型的開發(fā)效率和系統(tǒng)的使用效率，從而加強(qiáng)模型間的互操作性和重用性［8］。為了提高組網(wǎng)仿真的高效性，設(shè)計了可擴(kuò)展的建?？蚣堋?/p>

構(gòu)建統(tǒng)一建?？蚣懿⒔⒁?guī)范化模型數(shù)據(jù)庫，可為裝備建模奠定模型基礎(chǔ)。本設(shè)計根據(jù)通信裝備的硬件組成及其功能需求，采用層次分析法，建立了一套規(guī)范的模型構(gòu)建模式。其創(chuàng)建Submodel.cs和Submodelfactory.cs兩個公共類來收集裝備相關(guān)數(shù)據(jù)，通過Model.cs類調(diào)用兩個公共類支持仿真實體的構(gòu)建。層次化模型設(shè)計模板如圖2所示。

用戶按照操作步驟在裝備模型框架中輸入設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，便可生成相應(yīng)的通信裝備模型。該模型框架可實現(xiàn)建模的公共底層功能，盡量向用戶屏蔽與建模相關(guān)的細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)具有一定的通用性、易用性、可重用性和可擴(kuò)展性，以減少用戶的負(fù)擔(dān)。

3.2 仿真過程描述及仿真實現(xiàn)

3.2.1 仿真過程描述

仿真過程按照通信裝備的機(jī)動性能和操作特點設(shè)計，不但降低了使用難度，還可以幫助用戶熟悉裝備的組網(wǎng)與操作運用。仿真過程以任務(wù)為牽引，依托各功能模塊進(jìn)行描述。本文以流程圖的方式表達(dá)各模塊的相互聯(lián)系，如圖3所示。

3.2.2 仿真實現(xiàn)

微波通信為視距通信，系統(tǒng)主要對通信傳輸剖面及電磁環(huán)境進(jìn)行仿真。通過Visual Studio調(diào)用Matlab文件，采用C＃與Matlab混合編程的方法，根據(jù)臺站的位置、功率、天線方向性、頻率等數(shù)據(jù)，結(jié)合傳播路徑上的地理及環(huán)境信息，運用對應(yīng)頻率段上的電波傳播模型，計算出通信傳輸中的相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)用Matlab繪制通信傳輸剖面圖，顯示傳輸路徑中菲涅爾區(qū)受地形的阻礙情況。計算臺站產(chǎn)生的空間電磁場強(qiáng)覆蓋，得到覆蓋地域內(nèi)每個空間點上的電磁場強(qiáng)分布數(shù)據(jù)，根據(jù)等值線的原理，用顏色填充等值線中間的區(qū)域，進(jìn)行電磁態(tài)勢二維云圖渲染，將場強(qiáng)覆蓋范圍可視化。

3.3 數(shù)據(jù)庫管理

在數(shù)據(jù)庫管理和維護(hù)中，主要實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)所需各種數(shù)據(jù)庫的管理和維護(hù)，為各子系統(tǒng)提供對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存取與訪問控制［9］。仿真系統(tǒng)以Visual Studio為平臺，通過ADO. NET與SQL Server數(shù)據(jù)庫建立連接，其功能主要包括數(shù)據(jù)存儲與修改、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫連接配置及特定格式數(shù)據(jù)的導(dǎo)入等。

系統(tǒng)包括裝備模型、地圖、臺站配置、節(jié)點參數(shù)及評估結(jié)果5個數(shù)據(jù)庫。裝備模型數(shù)據(jù)庫存儲通信裝備模型框架生成的模型，以提高裝備模型的重用性；地圖數(shù)據(jù)庫是MapX自帶數(shù)據(jù)庫，通過Visual Studio調(diào)用MapX控件實現(xiàn)，主要存儲地形、地物、高程及經(jīng)緯度等地理信息，Mapx除支持*.gst、*.tab等格式，還可支持其他的柵格和方格格式，包括*. sid、*.ecw、*.grd、*.grc、*.dem等；臺站配置數(shù)據(jù)庫主要存儲臺站布局及區(qū)域態(tài)勢等信息，包括臺站名稱、屬性、經(jīng)緯度及高程等，并可根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修改；節(jié)點參數(shù)數(shù)據(jù)庫存儲臺站參數(shù)及所處環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，臺站參數(shù)包括收發(fā)頻率、功率及天線相關(guān)參數(shù)等，環(huán)境數(shù)據(jù)包括大氣衰減率、大氣折射率、地表電導(dǎo)率及地表相對介電常數(shù)等；評估結(jié)果數(shù)據(jù)庫存儲余隙、菲涅爾半徑、接收功率、輸入信噪比和接收機(jī)靈敏度等數(shù)據(jù)以及通信效果評估結(jié)果，為用戶提供直觀的建議。

4 系統(tǒng)評估

4.1 節(jié)點間通信效果評估

為保證通信保障方案的可行性與可靠性，依據(jù)任務(wù)目標(biāo)以及現(xiàn)有裝備和技術(shù)條件，對所生成的方案進(jìn)行效果評估。效果評估的準(zhǔn)確性影響訓(xùn)練效果和輔助決策的正確性。節(jié)點間通信效果評估條件如下。

（1）當(dāng)Hc≥F1≥F0時，不存在菲涅爾區(qū)受障礙物阻擋引起的損耗，符合微波傳輸?shù)臈l件［10］。

式中，Hc為傳播余隙；Ht和Hr分別為發(fā)射、接收兩端天線的高度；Hs為自地面或海平面起的地形最高點的高度；K為等效地球半徑因子，在地球溫帶的中值為K=4／3，此時最小菲涅爾半徑F0=0.577 F1；R0為地球半徑。

（2）接收信號強(qiáng)度不低于接收機(jī)靈敏度，接收信噪比不低于額定信噪比，即：

式中，Es為接收信號場強(qiáng)；EN1，EN2，…，ENn為不相關(guān)的且落入接收機(jī)寬帶內(nèi)的有效噪聲和干擾場強(qiáng)；SNRR為接收機(jī)指定業(yè)務(wù)的最低輸入信噪比；VR為接收機(jī)天線感應(yīng)電壓；LE為接收天線有效長度；GR為接收天線增益；VSEN為以電壓形式表示的接收機(jī)靈敏度。

（3）根據(jù)接收機(jī)自動增益控制（AGC）的設(shè)計范圍，接收功率滿足接收機(jī)對輸入功率的要求［10］。

式中，Pr和Pt分別為接收功率和發(fā)射功率，Gt和Gr分別為發(fā)射天線增益和接收天線增益，Ld為空間損耗，Lf為波導(dǎo)損耗。

4.2 評估實現(xiàn)

評估實現(xiàn)主要解決仿真信息實時記錄和存儲、評估算法程序設(shè)計、結(jié)果數(shù)據(jù)分析及評估報告生成等問題。在評估過程中，將地圖、設(shè)備、臺站配置及節(jié)點參數(shù)等信息實時記錄，系統(tǒng)按照評估條件分析仿真數(shù)據(jù)，將結(jié)果以不同傳輸線的形式顯示出來。當(dāng)接收功率滿足條件時，根據(jù)信噪比的不同，可將通信質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差4個等級，分別用紅、綠、藍(lán)、黑表示。最后將評估結(jié)果顯示于評估報告中。

4.3 組網(wǎng)實例

以日常組網(wǎng)訓(xùn)練仿真為例，在標(biāo)準(zhǔn)化模型框架中輸入裝備技術(shù)參數(shù)生成裝備模型，設(shè)置地形、氣候等地理環(huán)境信息及通信裝備機(jī)動位置，機(jī)動配置如圖4所示。按照要求輸入頻率、速率、功率及天線等相關(guān)參數(shù)，在戰(zhàn)場環(huán)境模塊中讀取距離等參數(shù)信息。最后運行系統(tǒng)進(jìn)行仿真，基址1與前指傳輸剖面視圖如圖5所示。圖中直線為傳輸射線，曲線分別為第一、第二菲涅爾區(qū)，F(xiàn)1=8.85 m，F(xiàn)2=13.27 m，余隙Hc=25 m，余隙均大于第一、第二菲涅爾半徑；接收機(jī)AGC設(shè)計范圍為10 dB，要求輸入信號功率為-41～-51 dBmW，接收功率為-44.1 dBmW，符合要求；信噪比為27 dB，大于額定信噪比20 dB。綜上所述，系統(tǒng)將傳輸線繪制為藍(lán)線，表示通信質(zhì)量等級為中，雖有較小雜音，但符合通信要求，與實際通信效果一致。

5 結(jié)語

本文提出了微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案，系統(tǒng)能夠?qū)⑼ㄐ叛b備實體、環(huán)境等納入一個仿真聯(lián)邦中，為用戶提供便于操作、功能完善的仿真平臺。建立層次化通信裝備建模框架，為裝備仿真建模奠定了實體和功能模型基礎(chǔ)，提高裝備模型的互操作性與重用性，實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，并給出了通信效果評估依據(jù)及實現(xiàn)方法。本研究在Visual Studio中初步完成了微波通信應(yīng)急組網(wǎng)仿真系統(tǒng)的設(shè)計，驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性，可對制定通信保障方案起輔助決策作用。然而，我們的研究只對微波通信應(yīng)急組網(wǎng)進(jìn)行了仿真，為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)，應(yīng)對整個通信樞紐應(yīng)急組網(wǎng)進(jìn)行仿真。

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WANG Bo-ning was born in Baoding，Hebei Province，in 1984.He is now a graduate student.His research concerns technology and training of new military communication equipment.

尹樹華（1952—），男，黑龍江巴彥人，教授，主要從事通信裝備與光接入網(wǎng)絡(luò)研究；

YIN Shu-hua was born in Bayan，Heilongjiang Province，in 1952.He is now a professor.His research concerns communication equipment and optical access network.

Email：shuhua-y＠126.com

肖勝利（1962—），男，陜西西安人，副教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。

XIAO Sheng-li was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1962.He is now an associate professor.His research concerns network technology.

Design of a Simulation System for Microwave Communication Networking in Emergent Condition

WANG Bo-ning，YIN Shu-hua，XIAO Sheng-li
（Xi′an Communication Insititute，Xi′an 710065，China）

For the backwards of communication guarantee scheme generation and assessment measure，a simulation system for microwave communication networking in emergent condition is designed.The system architecture is designed in modular form，modeling framework for communication equipment is established by analytic hierarchy process，simulation process is described through the flow chart and the simulation realization method is presented.The database management is realized，the evaluation basis ofcommunication effectand realization method for evaluation are provided.Finally，the feasibility and reliability of the system are tested through the daily network training simulation.The system can provide accurate data support and result analysis for the users through virtual evaluation methods.It plays an assistant decision role in communication guarantee scheme generation and improves the efficiency of emergency communication guarantee effectively.

microwave communication；emergency network；simulation system；virtual evaluation；analytic hierarchy process

TN925；TP391.9

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.031

王博寧（1984—），男，河北保定人，西安通信學(xué)院碩士研究生，主要研究方向為軍事通信新裝備技術(shù)應(yīng)用與組織訓(xùn)練；

1001-893X（2012）03-0404-05

2011-11-01；

2012-01-19