陸軍戰(zhàn)術(shù)電臺仿真模型研究*

王維鋒，唐雪鋒，張國輝

（裝甲兵工程學(xué)院，北京100072）

陸軍戰(zhàn)術(shù)電臺仿真模型研究*

王維鋒，唐雪鋒，張國輝

（裝甲兵工程學(xué)院，北京100072）

隨著仿真技術(shù)在陸軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真應(yīng)用的逐步深入，對通信裝備仿真模型的需求越來越高。分析了電臺仿真模型的建模需求，介紹了電臺通信時報文的收發(fā)流程，構(gòu)建了電臺仿真模型并對模型中各部分模塊進(jìn)行了描述。最后，通過VRNET Developer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對VHF電臺仿真模型在干擾和移動條件下的通信進(jìn)行了仿真，實驗表明，構(gòu)建的電臺仿真模型能夠達(dá)到戰(zhàn)術(shù)通信的效果。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，電臺，建模與仿真，VRNET Developer

0 引言

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)的戰(zhàn)術(shù)無線電臺、計算機(jī)硬件和軟件的集合，為戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的作戰(zhàn)部隊提供一種極其可靠的信息交換［1］。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信裝備模擬訓(xùn)練、基于信息系統(tǒng)的部隊模擬對抗演練和裝備性能仿真試驗。戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中的電臺模型，關(guān)鍵任務(wù)之一是構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)通信子網(wǎng)，在一定戰(zhàn)術(shù)背景下，根據(jù)特定的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)中的通信性能、效能評估提供參考和依據(jù)。為了達(dá)到戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的目的，需要對電臺模型在網(wǎng)絡(luò)通信過程中進(jìn)行真實的模擬。其中主要包括電臺性能參數(shù)，電臺報文收發(fā)流程，傳播模型的模擬，電臺的移動特性以及電臺間的組網(wǎng)。電臺仿真模型的逼真度與可靠性直接影響到仿真結(jié)果的可信度。

本文對電臺模型在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中的需求進(jìn)行了分析，建立了報文處理過程模型，采用模塊化的建模方式構(gòu)建了通用電臺仿真模型，詳細(xì)描述了仿真模型中各模塊的功能，分析了仿真模型中的傳播模型和計算模型。通過VRNET Developer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，以VHF電臺為例，構(gòu)建了仿真模型并在移動和干擾條件下對仿真模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，構(gòu)建的仿真模型能夠滿足戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真的通信要求。

1 仿真需求分析

1.1 電臺節(jié)點的移動性

在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真中，單兵、戰(zhàn)車、坦克、指揮車等都需要通過電臺進(jìn)行通信。這些對象的位置都是隨時變化的，因此，在電臺仿真模型中需要對其移動性進(jìn)行描述。電臺節(jié)點移動性中的參數(shù)主要包括：節(jié)點的位置坐標(biāo)，節(jié)點位置坐標(biāo)更新間隔，節(jié)點的移動方向，節(jié)點的移動速度，節(jié)點的移動速度更新間隔等內(nèi)容。

1.2 電臺收發(fā)信機(jī)匹配

在仿真網(wǎng)絡(luò)通常會同時存在多個、多種類型的電臺進(jìn)行通信，必須保證同類型的電臺進(jìn)行通信同時不會被其他類型的電臺干擾。因此，需要對仿真網(wǎng)絡(luò)中存在的電臺參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對它們收發(fā)信機(jī)進(jìn)行匹配計算。影響收發(fā)信機(jī)匹配計算的參數(shù)包括：載頻、帶寬、電臺類型等。

1.3 網(wǎng)絡(luò)性能

由于在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)仿真網(wǎng)絡(luò)中需要構(gòu)建多種不同類型的子網(wǎng)，而子網(wǎng)的構(gòu)建都是基于電臺的，所以電臺仿真模型必須具備一般的網(wǎng)絡(luò)性能。為了滿足戰(zhàn)互網(wǎng)中的通信需求，電臺仿真模型必須具備IP配置、路由、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等網(wǎng)絡(luò)中處理報文的相關(guān)功能。

2 報文處理過程模型

陸軍戰(zhàn)術(shù)電臺在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中通常采用無線的傳輸方式，提供話音和數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)。為滿足作戰(zhàn)仿真網(wǎng)絡(luò)中的需求，需要對戰(zhàn)術(shù)電臺報文的無線傳輸過程以及報文的處理過程進(jìn)行詳細(xì)分析。

如圖1所示為電臺報文處理過程模型，包含接收機(jī)組匹配、發(fā)送報文、報文封裝成幀、信道匹配、碰撞檢測、可接收性判斷、解幀、接收報文等過程。

圖1 電臺報文處理過程模型

2.1 接收機(jī)組匹配

根據(jù)仿真網(wǎng)絡(luò)中的各個電臺的參數(shù)，進(jìn)行接收機(jī)組的匹配計算，以確定一個發(fā)射機(jī)發(fā)出的報文能夠被哪些接收機(jī)接收。影響這一運算的電臺參數(shù)包括：載頻、帶寬、電臺類型等。在電臺模型中，構(gòu)建一個用于管理電臺信息的信道模塊，將各個電臺的參數(shù)信息進(jìn)行歸納，然后對接收機(jī)組的匹配與否進(jìn)行計算。

設(shè)f1，f2分別為報文發(fā)送載頻，Δf為頻率差，b1，b2分別為報文發(fā)送信號的帶寬，則匹配算法如下：

2.2 發(fā)送報文

電臺根據(jù)仿真需求發(fā)送報文，報文的內(nèi)容可以是語音或者數(shù)據(jù)信息。

2.3 報文封裝成幀

每次發(fā)送報文，都要將發(fā)送的報文封裝成物理層的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)主要包含以下內(nèi)容：

·數(shù)據(jù)幀長度：數(shù)據(jù)凈荷長度+物理層幀開銷

·發(fā)送比特率：數(shù)據(jù)凈荷的發(fā)送速率

·發(fā)送載頻：電臺發(fā)信機(jī)發(fā)送報文所用的載頻

·發(fā)送帶寬：電臺發(fā)信機(jī)發(fā)送報文所用的頻帶寬度

·發(fā)送時延：數(shù)據(jù)長度除以發(fā)送比特率

·發(fā)送端坐標(biāo)：電臺發(fā)送報文時的地理坐標(biāo)

2.4 信道匹配

針對發(fā)送端的每個匹配接收機(jī)，進(jìn)行信道匹配與否的計算。匹配內(nèi)容包括目的接收機(jī)狀態(tài)（是否使能）、頻率、信道速率、調(diào)制方式等。

步驟：①判斷接收機(jī)是否處于使能狀態(tài)。②計算頻率交疊度，若頻率沒有交疊則信道不匹配。③判斷調(diào)制方式是否匹配，若調(diào)制方式不同，則信道不匹配。④判斷速率是否匹配，若速率不匹配則視為噪聲。

2.5 碰撞檢測

當(dāng)電臺正在接收一個報文時，可能會收到其他無線信號的干擾，進(jìn)而影響到信噪比的計算。若干擾信號為一個正常的數(shù)據(jù)報文，則被認(rèn)為是發(fā)生了一次碰撞，會設(shè)置接收報文的碰撞標(biāo)識位。同時，新接收到的信號會被當(dāng)作一個干擾信號，作為噪聲處理。

2.6 可接收性判斷

計算電臺的功率，如果接收端信號功率大于特定端口限值（通常設(shè)置為信道熱噪聲），則判斷接收端可接收該報文。若判定失敗，則該接收機(jī)對應(yīng)的后續(xù)操作不再繼續(xù)進(jìn)行。

2.7 解幀

接收端處理。在報文接收完成后，將接收的報文發(fā)送給上層，并附上是否發(fā)生碰撞、是否包含誤碼等信息。

2.8 接收報文

將接收到解幀后的信息還原成語音信息或者數(shù)據(jù)信息。

3 戰(zhàn)術(shù)電臺仿真模型構(gòu)建

不同類型的電臺在特定功能、性能上有所不同，但它們都有許多共同的地方。仿真模型的構(gòu)建采用模塊化的建模思想，將不同類型電臺共同的地方抽象出來，構(gòu)建一個通用電臺模塊，在此基礎(chǔ)上針對不同類型的電臺，增加或刪除相應(yīng)的模塊，來實現(xiàn)不同類型的電臺仿真模型。

如圖2所示為戰(zhàn)術(shù)電臺通用仿真模型結(jié)構(gòu)。

圖2 戰(zhàn)術(shù)電臺通用仿真模型結(jié)構(gòu)

功能模塊描述：

·移動模塊：負(fù)責(zé)仿真中節(jié)點的移動特性管理。當(dāng)電臺位置發(fā)生變化后，該模塊實時計算新的位置坐標(biāo)，及時提供給相應(yīng)模塊。其中包含的參數(shù)有：節(jié)點的移動速度、節(jié)點速度更新間隔、節(jié)點平面運行角度、節(jié)點控制范圍、節(jié)點位置、節(jié)點位置更新間隔等。

·設(shè)備地址模塊：進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)備地址（通常為IPv4地址）和電臺MAC地址之間的映射。

·狀態(tài)檢測模塊：電臺狀態(tài)檢測模塊，根據(jù)電臺的參數(shù)設(shè)置，來判斷電臺是否處于使能狀態(tài)。

·通告板模塊：用于模型內(nèi)各模塊之間的信息交互。在節(jié)點內(nèi)部，一些模塊的信息可能為另外一些模塊所需要，若這些模塊間直接進(jìn)行交互，會造成模型間的耦合度過高，不利于模型的擴(kuò)展和重用。因此，采用通告板模塊來統(tǒng)一負(fù)責(zé)節(jié)點內(nèi)部信息的交互。

·接口模塊：用于電臺傳輸速率接口的管理和控制，主要有K接口和E1接口等。

·IP配置模塊：用于管理IP接口的模塊，在具備IP體系結(jié)構(gòu)的電臺模型中，識別節(jié)點內(nèi)所有的網(wǎng)絡(luò)接口，為其分配IP地址，并作出相應(yīng)的處理。

·語音通話模塊：進(jìn)行子網(wǎng)內(nèi)語音通話相關(guān)功能的實現(xiàn)。

·數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊：實現(xiàn)電臺兩個接口（無線口和數(shù)據(jù)口）之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

·多址接入模塊：實現(xiàn)電臺的多址接入，主要有CSMA何TDMA兩種多址接入方式。

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）即載波偵聽多路訪問，是一個簡單的競爭型MAC協(xié)議。CSMA協(xié)議通過監(jiān)聽是否存在載波（即是否有傳輸）來確定下一步的動作，因此，可以有效避免沖突，提高信道利用率。

TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）是把時間分割成周期性的幀（Frame）每一個幀再分割成若干個時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈路層的算法。

·基本電臺模塊：實現(xiàn)無線信道接入的模擬。其中包含了電臺的基本參數(shù)信息，主要有：載頻、頻率帶寬、發(fā)送數(shù)據(jù)率、調(diào)制方式、發(fā)送功率、接收靈敏度、熱噪聲功率、天線高度、天線水平角、天線仰角、路徑損耗計算模型等。

·路由模塊：分發(fā)路由協(xié)議信息，計算基于電臺MAC地址的路由，對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

4 仿真實驗和數(shù)據(jù)分析

4.1 仿真平臺

仿真平臺為VRNET Developer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，VRNET Developer是國內(nèi)自主研發(fā)的集成網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)平臺，該平臺采用C++面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行建模與仿真，具備開發(fā)周期短、效率高、通用性強(qiáng)和易于維護(hù)等優(yōu)點。VRNET Developer良好的開放性和擴(kuò)展性，非常適合集成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，不但能非常好地按照當(dāng)前需求構(gòu)建仿真系統(tǒng)，而且對于未來的二次開發(fā)，構(gòu)建更大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)。能夠用于多種離散事件仿真機(jī)制的場合，比如陸軍戰(zhàn)術(shù)電臺組網(wǎng)、指揮控制系統(tǒng)的仿真支撐網(wǎng)絡(luò)、電子對抗系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、分布式半實物仿真系統(tǒng)等［7］。

4.2 實驗環(huán)境

仿真實驗以構(gòu)建的VHF電臺模型為對象，按照前文分析的模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在VRNET Developer仿真平臺中建立模型，如下頁圖3所示為VHF電臺仿真模型結(jié)構(gòu)。

仿真場景中設(shè)置了4臺VHF電臺，為了驗證電臺的性能參數(shù)，設(shè)置兩組不同參數(shù)的VHF電臺進(jìn)行對照。其中VHF電臺1～2設(shè)置在同一工作頻率，處于移動狀態(tài)通信。VHF電臺3～4設(shè)置在另一工作頻率，處于靜止?fàn)顟B(tài)通信。同時，為了驗證干擾信號對電臺的影響，增加了干擾車模型產(chǎn)生干擾信號，干擾信號的頻率與電臺1～2的通信頻率相同。

圖3 VHF電臺仿真模型結(jié)構(gòu)

仿真過程中一臺電臺發(fā)送報文給其余所有電臺，但只有工作在相同頻率下的電臺才能正確接收，正確接收到報文的電臺將繼續(xù)向同頻段的電臺發(fā)送報文，如此循環(huán)。仿真時間設(shè)置為30 s。電臺參數(shù)設(shè)置如表1，干擾車參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 VHF電臺參數(shù)

表2 干擾車參數(shù)

圖4為VHF電臺仿真場景，圖5為仿真運行時干擾車發(fā)送干擾信號時的場景。

圖4 VHF電臺仿真場景

圖5 VHF電臺仿真運行時場景

仿真結(jié)束后，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。仿真網(wǎng)絡(luò)中電臺1與電臺2間相互通信，電臺3與電臺4相互通信，并且相互通信的兩組電臺參數(shù)設(shè)置一樣，因此，僅給出電臺1和電臺3的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比。如圖6～圖8分別為：電臺1和電臺3接收功率、信噪比、誤比特率對比圖。

電臺1和電臺3的接收功率對比圖表明，在干擾車發(fā)出干擾信號之后（10 s之后），由于干擾信號的工作頻率與電臺1的工作頻率相同，因此，電臺1接收到的信號為電臺2發(fā)出的信號和干擾信號；電臺3僅接收到電臺4發(fā)出的信號，因此，電臺1的接收功率大于電臺3的接收功率。信噪比對比圖表明，在干擾信號發(fā)出之后（10 s之后），電臺1的信噪比要低于電臺3；誤比特率對比圖表明，在干擾信號發(fā)出之后（10 s之后），電臺1的誤比特率存在且隨著仿真時間不斷變化，而電臺3由于沒有受到干擾，誤比特率為0。

Research of Army Tactical Radio Model

WANG Wei-feng，TANG Xue-feng，ZHANG Guo-hui
（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

WiththedevelopmentofsimulationtechnologyintheArmyTacticalInternet simulation，the demand to communication equipment simulation model grow rapidly.The modeling requirements of radio are analyzed.This paper studies on the sending and receiving process of radio communication，builds a radio simulation model and describes each module.Lastly，the VHF radio model in the interference and mobile communication conditions on the VRNET Developer network simulation platform is simulated.The simulation results show that the radio simulation model can achieve the effect of tactical communication.

tactical internet，radio，modeling and simulation，VRNET developer

圖6 VHF電臺1和VHF電臺3接收功率對比

TP391.9

A

1002-0640（2017）02-0011-04

2015-12-16

2016-02-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（61302110）

王維鋒（1969-），男，黑龍江大慶人，博士，教授。研究方向：指揮信息系統(tǒng)裝備仿真。