采用Simulink/Stateflow的隱身數(shù)據(jù)鏈仿真及性能評估框架實現(xiàn)

趙春芬

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

射頻隱身是未來先進戰(zhàn)機隱身要求的重要方面，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是隱身平臺主要輻射源傳感器系統(tǒng)之一。滿足隱身需求的數(shù)據(jù)鏈主要通過定向組網(wǎng)、功率控制、采用窄波束低副瓣天線、采用隱身波形幾種技術(shù)途徑來實現(xiàn)。對隱身數(shù)據(jù)鏈的隱身性能評估，精確的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)議和波形仿真都是非常必要的。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈仿真可分為網(wǎng)絡(luò)仿真和波形仿真，兩類仿真一般都是分開獨立進行的，仿真技術(shù)已經(jīng)非常成熟。網(wǎng)絡(luò)仿真一般采用諸如OPNET、QUALNET、NS2等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來完成[1-5]，對系統(tǒng)的通信性能進行評估。數(shù)據(jù)鏈波形仿真一般基于Matlab/Simulink/Systemview/SPW進行，研究波形的抗干擾性能[6-7]。網(wǎng)絡(luò)仿真軟件重點是對通信系統(tǒng)的協(xié)議進行建模并對網(wǎng)絡(luò)性能進行評估，而通信系統(tǒng)物理層的抗干擾特性，例如信噪比和誤碼率對應(yīng)關(guān)系，一般是通過寫成數(shù)據(jù)表格的方式作為仿真系統(tǒng)的輸入，網(wǎng)絡(luò)仿真軟件一般不提供波形處理算法函數(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)仿真軟件不支持/不適合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)波形級仿真。目前還沒有一種比較成熟的仿真框架和仿真環(huán)境同時支持數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真和波形仿真，有必要探索并開發(fā)能夠同時支持這兩種仿真的平臺，進行隱身數(shù)據(jù)鏈仿真以及通信性能、隱身性能評估。

本文以Simulink/Stateflow作為開發(fā)平臺，搭建了典型隱身數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真框架，為今后數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真與波形仿真的結(jié)合、評估隱身數(shù)據(jù)鏈性能奠定基礎(chǔ)并提供參考。

2 隱身數(shù)據(jù)鏈性能評估框架原理

本文主要解決的問題：探索在Simulink/Stateflow環(huán)境下進行隱身數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)仿真的可行性，即探索Simulink/Stateflow是否具有雷達、機動、組網(wǎng)協(xié)議、物理層、天線、無線信道、信號截獲的建模、性能指標統(tǒng)計及顯示能力。

外軍典型的具有隱身特性的數(shù)據(jù)鏈包括機間數(shù)據(jù)鏈(IFDL)和多功能先進數(shù)據(jù)鏈(MADL)[8]。IFDL和MADL均采用定向組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參與平臺之間的網(wǎng)絡(luò)組建和互相通信。目前美軍應(yīng)用定向通信技術(shù)的系統(tǒng)除IFDL和MADL外，還包括協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)[2]。本文提取典型隱身數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的體制特點，搭建隱身數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真及性能評估框架,如圖1所示。

圖1 隱身數(shù)據(jù)鏈仿真框架Fig.1 Framework of stealth data link simulation

仿真框架包括如下模型：

(1)雷達:產(chǎn)生雷達探測信息；

(2)機動:產(chǎn)生平臺位置信息；

(3)組網(wǎng)協(xié)議:實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈TDMA組網(wǎng)協(xié)議、信息處理、波束指向控制；

(4)物理層處理:實現(xiàn)信息傳輸和實際傳輸設(shè)備帶來的信息延遲；

(5)天線處理:將數(shù)據(jù)鏈消息攜帶天線指向信息送至無線信道；

(6)無線信道:實現(xiàn)信號的無線傳播延遲、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)(至有效接收端)；

(7)信號截獲:輸出截獲信號的仿真時刻以及截獲目標。

仿真統(tǒng)計的指標包括：

(1)數(shù)據(jù)鏈參與平臺接入信道仿真時刻,考察組網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)情況；

(2)數(shù)據(jù)鏈消息流經(jīng)源平臺、無線信道、目的平臺仿真時刻,考察仿真框架對信息處理邏輯順序及時延是否正確；

(3)數(shù)據(jù)鏈消息端到端時延隨仿真時刻變化關(guān)系,考察仿真框架對數(shù)據(jù)鏈典型通信性能統(tǒng)計能力；

(4)作戰(zhàn)平臺從無線信道收到/截獲數(shù)據(jù)鏈消息(通信對端平臺)/輻射信號(截獲平臺)的仿真時刻,考察無線信道模型的功能及仿真框架對隱身數(shù)據(jù)鏈的典型隱身性能統(tǒng)計能力。

仿真框架的典型仿真應(yīng)用場景如圖2所示。

圖2 典型仿真應(yīng)用場景Fig.2 Typical scenario of simulation application

3 仿真實現(xiàn)

模型建模采用Stateflow完成，仿真框架采用Simulink搭建。仿真框架中的雷達模型、機動模型、物理層處理模型、天線處理模型、截獲平臺中的信號截獲模型的實現(xiàn)相對簡單。組網(wǎng)協(xié)議模型、無線信道模型是本文建模的關(guān)鍵技術(shù)，下面分別介紹。

3.1 組網(wǎng)協(xié)議模型

如圖1所示，組網(wǎng)協(xié)議模型與機動模型、雷達模型、物理層模型有信息鉸鏈關(guān)系，具體為：接收機動模型、雷達模型產(chǎn)生的信息；接收來自物理層的數(shù)據(jù)鏈消息；向物理層模型發(fā)送數(shù)據(jù)鏈消息。 圖3為組網(wǎng)協(xié)議模型外部接口圖,表1為組網(wǎng)協(xié)議模型的外部接口描述,其中模型接口的事件類型數(shù)據(jù)均為雙邊沿，即上升沿和下降沿均代表事件到達。

圖3 組網(wǎng)協(xié)議模型外部接口Fig.3 External interface of network protocol model

類型接口名稱描述輸入MillisecEvent毫秒脈沖事件,組網(wǎng)協(xié)議根據(jù)配置的時隙大小,確定相鄰兩次接入信道的時間間隔,此事件用于觸發(fā)下次接入信道。PositionFrmApp本平臺位置信息PositionFrmAppEvent本平臺位置信息到達事件DetectinfoFrmApp本平臺雷達探測信息DetectinfoFrmAppEvent本平臺雷達探測信息到達事件MsgFrmPhyEvent來自物理層模型的信息到達事件MsgFrmPhy來自物理層模型的信息輸出MacToPhy送至物理層模型的信息MacToPhyEvent有信息送至物理層模型事件SumT組網(wǎng)協(xié)議模型發(fā)送(即接入信道)次數(shù)SumR組網(wǎng)協(xié)議模型接收信息(來自物理層的信息)次數(shù)DelayPosition接收來自通信對端的平臺位置信息端到端延遲DelayDetection接收來自通信對端的雷達探測信息端到端延遲

表2為組網(wǎng)協(xié)議模型的配置參數(shù)。組網(wǎng)協(xié)議根據(jù)配置的天線對準時間，按照主從順序有序地接入信道，占用信道的時間為配置的時隙大小。

表2 組網(wǎng)協(xié)議模型配置參數(shù)Table 2 Configuration of network protocol model

組網(wǎng)協(xié)議模型包括如下4個并行狀態(tài)：

(1)接收本平臺機動模型產(chǎn)生的位置信息。當“PositionFrmAppEvent”事件(如圖3所示，當機動模型有新的位置信息產(chǎn)生時，向組網(wǎng)協(xié)議模型觸發(fā)此事件)到達時，接收并保存平臺位置信息；

(2)接收本平臺雷達探測信息。當“DetectinfoFrmAppEvent”事件(如圖3所示，當雷達模型有新的探測信息時，向組網(wǎng)協(xié)議模型觸發(fā)此事件)到達時，接收并保存雷達探測信息；

(3)接收來自物理層的消息。當“MsgFrmPhyEvent”事件(如圖3所示，當物理層模型收到新的數(shù)據(jù)鏈消息時，向組網(wǎng)協(xié)議模型觸發(fā)此事件)到達時，接收并處理來自物理層模型的消息，計算并更新仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù);

(4)信道接入。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)參與平臺按照固定時隙分配方式接入信道；平臺接入信道時，發(fā)送數(shù)據(jù)鏈消息(雷達探測信息和平臺位置信息)；此狀態(tài)包括如下4個互斥子狀態(tài)：

1)天線對準。仿真啟動后，默認進入此狀態(tài)，啟動記時器；每當“MilliSecEvent”事件到達時，計數(shù)器增1；當計數(shù)器值等于“天線對準時間”時，如果平臺身份是主站，則進入“主站發(fā)送”狀態(tài)，否則進入“從站第一次發(fā)送”狀態(tài)；

2)主站發(fā)送。經(jīng)歷“天線對準”時間后，主站第一次啟動發(fā)送，接入信道，每間隔2個時隙時間長度后，重新進入此狀態(tài)，循環(huán)進行;

3)從站第一次發(fā)送。從站第一次啟動發(fā)送與主站第一次啟動發(fā)送的時間間隔為一個時隙時間長度，并且主站發(fā)送在前、從站發(fā)送在后。發(fā)送處理完成后進入“從站發(fā)送”狀態(tài);

4)從站發(fā)送。在此狀態(tài)下，從站啟動發(fā)送；每隔2個時隙長度的時間間隔，重新進入此狀態(tài)，循環(huán)進行。

3.2 無線信道模型

平臺間交換的數(shù)據(jù)鏈消息在無線信道部分匯集并完成分發(fā)。無線信道模型完成如下功能：一是數(shù)據(jù)鏈通信平臺間在滿足通信距離和天線覆蓋條件下的信息交換；二是數(shù)據(jù)鏈平臺發(fā)射信號在滿足截獲距離及天線覆蓋條件下被截獲接收平臺截獲；三是信號在無線信道的傳播延遲。表3和表4分別為無線信道模型外部接口、無線信道模型配置參數(shù),其中模型接口的事件類型數(shù)據(jù)均為雙邊沿，即上升沿和下降沿均代表事件到達。

表3 無線信道模型外部接口Table 3 External interface of wireless channel model

表4 無線信道模型配置參數(shù)Table 4 Configuration of wireless channel model

無線信道模型包括如下3個互斥狀態(tài)：

(1)空閑(Idle)狀態(tài)：仿真初始默認進入此狀態(tài)；當有平臺A消息進入信道事件到達時，進入“MessageInFrmA”狀態(tài)；當有平臺B消息進入信道事件到達時，進入“MessageInFrmB”狀態(tài)；模型跳出此狀態(tài)時，計算平臺A、B、C之間的距離以及之間的無線傳播延遲，計算平臺C與消息源平臺的夾角θ。

(2)平臺A消息進入信道(MessageInFrmA)狀態(tài),本狀態(tài)包含7個互斥子狀態(tài)。進入7個互斥狀態(tài)用到的判據(jù)包括：①A、B平臺間的距離小于通信距離；②A、C平臺間的距離小于截獲距離；③A、B平臺間的無線傳播延遲小于A、C平臺間的無線傳播延遲；④A、B平臺間的無線傳播延遲大于AC平臺間的無線傳播延遲；⑤平臺C落入平臺A的天線覆蓋范圍。從“MessageInFrmA”中的子狀態(tài)超轉(zhuǎn)移(即跳出)進入“Idle”狀態(tài)，跳出時的操作：觸發(fā)相應(yīng)的平臺接收信息事件以及為平臺接收信息端口賦值，跳出的時間由平臺間無線傳播延遲決定。7個互斥狀態(tài)的進入條件大致描述如下：

1)如果條件①、②、⑤同時滿足，則平臺B接收、平臺C截獲；根據(jù)AB、AC間的無線傳播延遲對比情況，分為B接收和C截獲同時進行、B先接收以及C后截獲、C先截獲以及B后接收3種情況(涉及其中的5個互斥狀態(tài))；

2)如果條件①滿足且②、⑤中的一條不滿足，則平臺B接收(涉及其中的1個互斥狀態(tài))；

3)如果條件①不滿足且②、⑤中的一條不滿足，則直接從“狀態(tài)”返回“Idle”狀態(tài)；

4)如果條件①不滿足且②、⑤同時滿足，則平臺C截獲(涉及其中的1個互斥狀態(tài))；

(3)平臺B消息進入信道(MessageInFrmB)狀態(tài)：處理流程與“MessageInFrmA”狀態(tài)處理流程類似。

3.3 小結(jié)

由于篇幅有限，本節(jié)對兩個重要模型的建模過程進行了介紹，展現(xiàn)了Stateflow建模技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)建模仿真的應(yīng)用過程。完成模型建模工作以后，需要對模型進行自測試，保證模型按照指定的邏輯解算。平臺建模將圖1中的模型進行裝配、連線。本文對平臺的運動模型進行了簡化，平臺進行勻速直線運動，實際上，飛機的飛行姿態(tài)及姿態(tài)變化率、飛行速度、天氣情況對波束對準、通信的效果(例如誤碼率、丟包率)都有影響。仿真框架對數(shù)據(jù)鏈天線掃描、波束對準過程進行了抽象和簡化，只實現(xiàn)了對準的效果(波束對準時間為配置參數(shù)，經(jīng)歷波束對準時間后，數(shù)據(jù)鏈通信平臺間的天線始終保持對準)。無線信道模型實現(xiàn)了兩個數(shù)據(jù)鏈參與平臺、一個截獲接收平臺對抗場景下的消息/信號匯集分發(fā)功能。截獲平臺實現(xiàn)了對滿足截獲距離和天線覆蓋的輻射信號的截獲功能。

4 仿真運行及結(jié)果分析

仿真場景如圖2所示，模型配置參數(shù)值見表5，仿真時間為0.8 s。

表5 模型配置參數(shù)值Table 5 Configuration value of models

圖4(a)是平臺A、B的組網(wǎng)協(xié)議模型輸出“MacToPhyEvent”隨仿真時刻變化關(guān)系。圖中，平臺A接入信道的時間分別是0.005 s(上升沿)、0.009 s(下降沿)、0.013 s(上升沿)、0.017 s(下降沿)、0.021 s(上升沿)、0.025 s(下降沿)……平臺B接入信道的時間分別是0.007 s(上升沿)、0.011 s(下降沿)、0.015 s(上升沿)、0.019 s(下降沿)、0.023 s(上升沿)、0.027 s(下降沿)……組網(wǎng)協(xié)議模型實現(xiàn)了在經(jīng)歷天線對準時間(5 ms)后，按照網(wǎng)絡(luò)身份(主站首先接入信道，一個時隙長度后從站接入信道)以及按照時隙長度有規(guī)律(同一個平臺相鄰兩次接入信道的時間間隔為時隙長度的2倍)地接入信道,可見組網(wǎng)協(xié)議模型實現(xiàn)了既定的組網(wǎng)協(xié)議。

圖4 協(xié)議及仿真框架驗證仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result for validating protocol and framework

圖4(b)為源自平臺A的數(shù)據(jù)鏈消息先后流經(jīng)平臺A、無線信道到達平臺B的事件過程：

(1)信息從發(fā)端平臺A的組網(wǎng)協(xié)議模型發(fā)出送至物理層模型，同時觸發(fā)MacToPhyEvent事件，如圖中上數(shù)第一個圖。平臺A第一次啟動信息發(fā)送(組網(wǎng)協(xié)議模型啟動發(fā)送)的時間為0.005 s。

(2)信息在平臺A的物理層模型內(nèi)部處理后，從物理層模型發(fā)出送至天線模型，同時觸發(fā)PhyToAnntennaEvent事件，如圖中上數(shù)第2個圖。在物理層中停留2 ms(建模時將這個停留時間做成固定的時間開銷，為2 ms);

(3)信息在平臺A的天線模型內(nèi)部處理后，從天線模型發(fā)出送至無線信道模型，同時觸發(fā)MsgFrmAEvent (為了易于理解，上圖中標識為AntennaToChannelEvent)事件(告知無線信道模型有信息進入無線信道)，如圖中上數(shù)第3個圖。信息在0.007 s時到達天線模型，在天線模型內(nèi)沒有延遲，將信息添加相應(yīng)報頭后直接送入無線信道模型;

(4)信息在無線信道模型內(nèi)部處理完成后，平臺B接收條件成立的情況下，信息從無線信道模型流入平臺B的天線模型，同時觸發(fā)ChannelToAntennaEvent事件(告知天線模型有信息從無線信道流入)，如圖中上數(shù)第4個圖。在無線信道停留的時間為2 ms，這是由于：平臺A、B間的距離始終為100 km，無線傳播延遲0.33 ms，在模型實現(xiàn)時，將傳播延遲向上取整即1 ms；無線信道模型中，狀態(tài)本身要占用一個最小時間單位1 ms;

(5)信息在平臺B的天線模型內(nèi)部處理后，從天線模型發(fā)出送至物理層模型，觸發(fā)AnetnnaToPhyEvent事件，如圖中上數(shù)第5個圖。信息從平臺B的天線模型至物理層模型，延遲為1 ms，這是由于仿真系統(tǒng)框架中，無線信道模型與天線模型之間增加了一個單位延遲(解決Simulink中的代數(shù)環(huán)問題);

(6)信息在平臺B的物理層模型內(nèi)部處理完成后，從物理層模型發(fā)出送至組網(wǎng)協(xié)議模型，觸發(fā)PhyToMacEvent事件，如圖中上數(shù)第6個圖。信息從平臺B的物理層模型至組網(wǎng)協(xié)議模型，延遲為1 ms(解決simulink中的代數(shù)環(huán)問題);

(7)至此，平臺B的組網(wǎng)協(xié)議模型收到來自平臺A的數(shù)據(jù)鏈消息。

可見，事件順序正確無誤且事件間隔符合既定時延。

圖5(a)為2個平臺接收的數(shù)據(jù)鏈消息端到端時延隨仿真時刻變化關(guān)系，消息的端到端延遲大約在8 ms，解釋如下：

(1)其中6 ms為圖4(b)分析的延遲，即從信息在源端的組網(wǎng)協(xié)議模型啟動發(fā)送到對端組網(wǎng)協(xié)議模型接收到信息的延遲；

(2)另外信源產(chǎn)生的信息在組網(wǎng)協(xié)議模型中需要等待約一半的接入信道間隔即2 ms才能啟動發(fā)送，發(fā)送時延值驗證了模型實現(xiàn)的正確性并且模型可以實現(xiàn)信息時延統(tǒng)計功能。

圖5(b)為作戰(zhàn)平臺收到來自無線信道的信號事件到達與仿真時刻關(guān)系,平臺B的天線模型接收到信息的時間分別為0.009 s、0.013 s、0.017 s、0.021 s、0.025 s……平臺A的天線模型接收到信息的時間分別為0.011 s、0.015 s、0.019 s、0.023 s、0.027 s……平臺C截獲信息的時間為0.009 s、0.011 s、0.013 s、0.015 s、0.017 s、0.019 s、 0.021 s、0.023 s、0.025 s……平臺C每次截獲的信息的源平臺地址分別是11、22、11、22、11……仿真場景中，平臺C落入平臺A、B的天線覆蓋范圍且A和B均在C的截獲距離范圍內(nèi)。由于篇幅限制，本文未描寫平臺C不在A、B天線覆蓋范圍和距離較遠時的場景仿真情況，但在無線信道模型自測試時已經(jīng)對所有功能模塊進行了激勵和測試。無線信道模型實現(xiàn)了既定的信息復(fù)制、廣播、傳播時延等功能；平臺C的截獲模型對于來自平臺A、B的輻射信號均實現(xiàn)了截獲，實現(xiàn)了滿足截獲條件下輻射信號的截獲。

5 結(jié)束語

本文以Simulink/Stateflow為仿真平臺，搭建了參數(shù)級的隱身數(shù)據(jù)鏈仿真及性能評估框架。仿真結(jié)果表明：仿真框架按照設(shè)計思路實現(xiàn)了期望的仿真功能，經(jīng)過完善可以滿足基本的隱身數(shù)據(jù)鏈性能評估需求；Simulink/Stateflow可以完成數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真工作。今后需要根據(jù)具體的仿真需求，修改完善仿真框架，對特定的隱身數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行性能評估。波形級隱身數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能評估和仿真效率是需要考慮和解決的一個關(guān)鍵問題。

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