指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體模型構(gòu)建

孟 琳，古 平

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003）

指揮控制系統(tǒng)是戰(zhàn)場(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是連接作戰(zhàn)單元、武器系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而設(shè)備實(shí)體是構(gòu)成指揮控制系統(tǒng)的最小基本單元，是決定指揮控制系統(tǒng)功能與性能的基礎(chǔ)。在仿真系統(tǒng)中，實(shí)體并不是真實(shí)的設(shè)備，是對(duì)真實(shí)設(shè)備的抽象描述，由數(shù)據(jù)模型來表征。從某種意義上講，實(shí)體的數(shù)據(jù)模型就是仿真系統(tǒng)中的仿真實(shí)體，能夠支撐系統(tǒng)仿真的運(yùn)行。本文中，指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體指的是構(gòu)建指揮控制網(wǎng)絡(luò)的HF電臺(tái)、VHF電臺(tái)、衛(wèi)星等無線通信設(shè)備以及有線傳輸設(shè)備，指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體主要從其靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩方面著手，描述實(shí)體的屬性和操作。實(shí)體屬性，主要描述實(shí)體靜態(tài)特征；實(shí)體操作，描述的是實(shí)體的動(dòng)態(tài)特征。

1 指揮控制系統(tǒng)實(shí)體屬性建模

實(shí)體的屬性模型圍繞實(shí)體的基本屬性、過程屬性、評(píng)估屬性3個(gè)方面進(jìn)行描述?；緦傩允菍?shí)體最本質(zhì)的特征參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體的基本屬性主要描述的是實(shí)體的頻率、通信距離、發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度等特征。過程屬性是實(shí)體過程中的特征參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體中主要描述信息在傳輸過程中的信號(hào)衰減，噪聲等特征。評(píng)估屬性是實(shí)體質(zhì)量參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體的評(píng)估屬性是對(duì)設(shè)備信息傳輸質(zhì)量的評(píng)估。

1.1 基本屬性的模型構(gòu)建

指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體根據(jù)實(shí)體的物理特征建立發(fā)射機(jī)、信道、以及接收機(jī)的基本屬性。其中包括速率屬性、頻率屬性、功率屬性、介質(zhì)屬性、距離屬性以及接收機(jī)的接收機(jī)靈敏度屬性。建立指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體基本屬性體系如圖1所示。

圖1 指揮控制系統(tǒng)實(shí)體基本屬性

1.1.1 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)是指兩個(gè)通信設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)的物理連接部分，它能將信號(hào)從一方傳輸?shù)搅硪环?。任何信息的傳輸都需要傳輸介質(zhì)。傳輸介質(zhì)包括有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)2大類，其中有線介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、光纖等，無線介質(zhì)包括短波、超短波、微波等。

1.1.2 頻率屬性

在傳輸介質(zhì)中，信息是以電磁波的形式進(jìn)行傳播的，頻率作為電磁波的固有屬性對(duì)于信息的傳輸來講是一種資源，設(shè)備實(shí)體的工作頻率范圍越寬，在波道間隔一定的情況下，劃分的波道數(shù)也就越多，可建立的信道數(shù)越多，信道帶寬也就越寬，在信噪比一定的情況下，傳輸速率越高。

設(shè)備的頻率特性通過傳輸設(shè)備的工作頻段或工作波長來表示，一般來說設(shè)備的工作頻率為運(yùn)用集合描述法來表述工作頻率模型，f代表指揮控制設(shè)備實(shí)體的工作頻率，單位為MHz；λ表示設(shè)備所工作的波段，單位為m。

1.1.3 傳輸距離屬性

不同的設(shè)備實(shí)體傳輸路徑不同，根據(jù)頻率的不同，可進(jìn)行天波傳播、地波傳輸或是視距傳播，不同的傳播路徑受環(huán)境影響程度不同，傳輸損耗也有所差別，因此傳輸距離會(huì)受到不同的影響。在模型中傳輸距離用字母d來表示，運(yùn)用區(qū)間d=[dmin，dmax]的方式來描述傳輸距離，其中，dmin表示能夠傳播的最短距離，dmax表示能夠傳播的最遠(yuǎn)距離，單位為km。

1.1.4 傳輸速率屬性

對(duì)于無線傳輸信道來說傳輸速率指的是發(fā)射機(jī)的發(fā)送速率，用Rb來表示，單位為bps。一般來說，無線設(shè)備的傳輸速率是可以設(shè)置的，根據(jù)香農(nóng)定理，可以得出在存在噪聲干擾信道上理論的最大傳輸速率。因此在傳輸速率的設(shè)定上應(yīng)滿足以下條件：

一般情況下，受接收機(jī)和發(fā)射碼元概率分布的限制，很少能達(dá)到最大傳輸速率，對(duì)于傳輸速率的設(shè)定具有指導(dǎo)意義。信道容量公式為：

當(dāng)SNR不變時(shí)，帶寬B即使趨于無窮大，信道容量也不會(huì)無限制增大，而只是S/N的1.44倍。這是因?yàn)楫?dāng)帶寬B增大時(shí)，噪聲功率也隨之增大。

對(duì)于有線介質(zhì)的傳輸設(shè)備來講，通常建立傳輸速率與距離之間的關(guān)系，在已知傳輸距離的情況下，以此為依據(jù)選定傳輸速率。傳輸距離與傳輸速率的相互關(guān)系可以用函數(shù)的形式展現(xiàn)出來，

式中，傳輸距離為變量，傳輸速率為因變量。

1.1.5 發(fā)射功率屬性

發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率的設(shè)定應(yīng)該根據(jù)接收機(jī)能接收到的信號(hào)功率進(jìn)行。隨著距離的加大，傳輸損耗增加，接收機(jī)接收到的功率會(huì)減小，甚至由于接收機(jī)靈敏性的限制導(dǎo)致接收機(jī)無法接收到發(fā)射出的信號(hào)。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)體情況進(jìn)行選擇，當(dāng)與接收機(jī)距離較近時(shí)，可選用小功率進(jìn)行發(fā)射，當(dāng)與接收機(jī)距離較遠(yuǎn)或信道質(zhì)量較差時(shí)，可選用大功率發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)信。功率單位為W。

1.1.6 最大起伏高度

當(dāng)電磁波視距傳播時(shí)，受到地勢(shì)起伏的影響較大，當(dāng)?shù)貏?shì)起伏較為明顯時(shí)，通信質(zhì)量會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致無法正常通信。Δh表示視距傳輸時(shí)能夠容忍的地形最大起伏高度，當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間的地勢(shì)起伏超過此高度，則無法正常通信。Δh單位為m，其計(jì)算公式如下：

式中，λ為電磁波長，單位為m；φ為擦地角，單位為°；擦地角的確定與發(fā)射天線高度ht和發(fā)信機(jī)與接收機(jī)之間的距離d有關(guān)。

1.1.7 接收機(jī)靈敏度模型

接收機(jī)靈敏度體現(xiàn)了接收機(jī)的接收能力。接收設(shè)備的接收靈敏度越高，其靈敏度值越小，捕捉微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)，對(duì)信號(hào)越敏感，但對(duì)干擾的影響反應(yīng)越大。接收機(jī)靈敏度指在數(shù)值上指的是能夠接收到并正常工作的最低信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)接收天線接收到的電磁波功率小于接收機(jī)靈敏度時(shí)，則不能正常接收信號(hào)。接收設(shè)備的靈敏度會(huì)受到3個(gè)因素的影響：噪聲系數(shù)、熱噪聲以及系統(tǒng)能夠提取信息的最小信噪比。

式中，NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，其實(shí)質(zhì)為發(fā)射機(jī)的信噪比與接收機(jī)的信比的比值，即

NF的單位為dBm，一般情況下設(shè)為10 dBm；SNR為最小信噪比，單位為dB；K是玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23w（/K·Hz），T=開氏絕對(duì)溫度值，地球大氣模型中常設(shè)定為290°K，B是接收機(jī)的有效帶寬

式中，KTB的單位是dBm，帶寬B的單位是MHz。

將接收信號(hào)電平S與電臺(tái)靈敏度指標(biāo)S0進(jìn)行比較，當(dāng)S≥S0時(shí)，能接收到信號(hào)；否則無法接收到信號(hào)。

1.2 過程屬性模型

過程屬性描述了信息傳輸?shù)倪^程。無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后由天線接收下來，并通過饋線送到無線電接收機(jī)。在信息傳送的過程中，產(chǎn)生一些規(guī)律和特性，這些規(guī)律和特性在模型中以過程屬性的形式表現(xiàn)出來，如圖2所示。

圖2 信息傳輸?shù)倪^程模型

1.2.1 發(fā)射機(jī)模型

天線增益是天線的要性能參數(shù)，用來衡量天線方向性，是對(duì)無線信號(hào)聚集在一個(gè)特定的方向能力的描述。發(fā)射天線的主要功能是將調(diào)制發(fā)來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去，在空間傳播。天線的方向性使得不同傳播方向增益有所不同，以圖形的方式表現(xiàn)出來，便得到天線的方向圖。常見的天線增益圖有全向圖、扇形、sinx/x，cos2和cosec2等，由天線制造廠測(cè)量和公布。經(jīng)過天線發(fā)射后的信號(hào)功率在數(shù)值上等于發(fā)送功率與天線增益的乘積。

1.2.2 信道損耗模型

電磁波在傳播過程中，接收到的信號(hào)要比發(fā)射出的信號(hào)功率弱很多，這是由于信號(hào)功率遭受衰減，也就是傳輸損耗。損耗一般分為路徑損耗、大尺度損耗和小尺度損耗。

人類總結(jié)出多種信道建出一系列傳輸損耗模型地波傳輸損耗模型為：

其中，A為通信地面對(duì)電波的衰減因子，d為收發(fā)電臺(tái)之間的距離，以km為單位；he為接收天線有效高度，以m為單位。

視距通信，其常用的經(jīng)驗(yàn)型電波傳輸損耗模型有ECAC模型、Rood模型、Murphy市效模型、Egli平地模型、Egli不規(guī)則地形模型、Palmer模型、奧村哈塔模型與中國國家標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型。

以常用的模型Longley-Rice為例，其主要適用于頻率范圍為20~40 GHz，傳輸損耗分為兩部分，如公式（10）所示。

信道的路徑損耗因子可表示為

式中，Ωfree為自由空間傳播模型計(jì)算得出的路徑損耗；Ωref為Longley-Rice模型計(jì)算得出的路徑損耗參考值。

Ωfree經(jīng)過簡化后，其模型為：

式中，d為收發(fā)電臺(tái)之間的距離，單位為km；f為無線電波頻率，單位為MHz。

Ωref模型如公式（12）所示。

式中，d為接收電臺(tái)和發(fā)射電臺(tái)之間的傳輸距離，單位為km；f為工作頻率，單位為MHz；Lbe表示自由空間下視距傳播損的耗值；k1、k2為傳播損耗系數(shù)；dLs為視距傳輸?shù)淖畲缶嚯x。

對(duì)于有線通信來說，線路上的損耗主要有輻射損耗、耦合到鄰近線路的損耗、阻抗不匹配損耗、導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗5種。傳導(dǎo)性越好的介質(zhì)，在相同傳輸距離的前提下，其傳輸損耗越小，反之，則損耗越大。同一種傳輸介質(zhì)，傳輸距離越遠(yuǎn)，其傳輸損耗越大，反之，則傳輸損耗越小。同一種傳輸介質(zhì)，工作頻率越高，其傳輸損耗越大。結(jié)合以上經(jīng)驗(yàn)，可將有線傳輸介質(zhì)的損耗簡化為介質(zhì)類型-工作頻率-損耗-距離四者之間的關(guān)系，見表1。

表1 傳輸介質(zhì)與傳輸頻率及損耗之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

式中，d代表傳輸距離，單位為km；L為傳輸損耗，單位為dB。

1.2.3 噪聲干擾模型

噪聲，通常指信道或電路內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號(hào)。噪聲功率包括來自鄰道干擾和干擾源干擾、電子器材的噪音以及天氣情況的變化等。噪聲功率為上述3種噪聲功率之和，即

1.2.4 接收機(jī)模型

電磁信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，經(jīng)過信號(hào)的衰弱以及噪聲的疊加、天線的增益等因素的影響，接收到的信號(hào)功率會(huì)發(fā)生一定的變化。

式中，Pr為接收功率；Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)送功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；L為傳輸路徑損耗；

1.3 評(píng)估屬性模型

評(píng)估屬性模型的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體評(píng)估屬性模型的構(gòu)成

1.3.1 信噪比模型

信噪比指的是信號(hào)功率與噪聲功率之比。一般來說信噪比越大，說明混入信號(hào)中的噪聲功率越小，也就是信號(hào)質(zhì)量越好。通過過程屬性模型中可以計(jì)算出接收機(jī)接收的信號(hào)功率和噪聲功率，計(jì)算出比值，最終得到信噪比。信噪比通常用dB表示。

式中，Pr為信號(hào)功率；Pb為噪聲功率，其單位為W。

1.3.2 誤碼率模型

誤碼率是衡量數(shù)字信號(hào)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性指標(biāo)，是錯(cuò)誤接收碼元數(shù)與總碼元數(shù)之比，也可理解為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼的概率。在傳輸速率不變的情況下，誤碼率與調(diào)制解調(diào)方式、傳輸信道的信噪比以及信道編碼技術(shù)有關(guān)。調(diào)制方式相同時(shí)，誤碼率會(huì)隨著信噪比的增大而減?。恍旁氡认嗤瑫r(shí)，誤碼率也會(huì)受到調(diào)制方式的影響。信噪比-調(diào)制方式-誤碼率的關(guān)系如表2所示。

表2 調(diào)制/解調(diào)關(guān)系與誤碼率、信噪比之間的關(guān)系

1.3.3 信道利用率模型

通信系統(tǒng)的有效性一般用頻譜資源利用率來衡量。頻譜資源利用率的定義是單位時(shí)間信息量與信道帶寬的比值。如公式（17）所示。

式中，B為信道帶寬，單位為HZ；Rb為傳輸速率，單位為bit/s，所以頻率資源利用率η的單位為bit/s/Hz。從式中可以看出，當(dāng)信道空閑時(shí)，即傳輸速率Rb=0時(shí)其信道利用率為0。

1.3.4 傳輸時(shí)延模型

傳播時(shí)延，包括發(fā)送時(shí)延和傳輸時(shí)延。其中發(fā)送時(shí)延是在發(fā)送端數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送時(shí)間，其表達(dá)式為

傳輸時(shí)延是無線信號(hào)在無線信道的傳輸時(shí)間，單位記做秒，用s表示，其中d是指信號(hào)發(fā)送端和信號(hào)接收端之間的距離，單位為m；c為光速，其值為3×108m/s

1.3.5 連通率模型

連通率是指通信雙方正常通信的概率。當(dāng)接收機(jī)接收到信號(hào)后，通過接收機(jī)靈敏度的判斷接收機(jī)接收的情況，當(dāng)S≥S0時(shí)，能接收到信號(hào)；否則無法接收到信號(hào)。如公式（21）：

2 指揮控制系統(tǒng)操作模型

通過對(duì)指揮控制系統(tǒng)設(shè)備的操作可建立通信鏈路，并進(jìn)行信息傳輸。建立通信鏈路是指通信雙方使用相應(yīng)的通信設(shè)備建立通信信道。

2.1 鏈路的建立

通信鏈路的建立是進(jìn)行信息傳輸?shù)那疤峁ぷ?。建立通信鏈路主要有以下幾部分?nèi)容：檢驗(yàn)手段、設(shè)置參數(shù)、驗(yàn)證鏈路3個(gè)內(nèi)容，具體步驟如下：

第1步，先根據(jù)傳輸范圍內(nèi)的地勢(shì)起伏高度和通信雙方的距離判斷該設(shè)備實(shí)體能否滿足信息傳輸要求。

第2步，根據(jù)頻率分配情況以及傳輸信道質(zhì)量情況對(duì)傳輸頻率、傳輸速率以及發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)定。

第3步，檢驗(yàn)鏈路是否建立。

第4步，若建立失敗，則需要調(diào)整參數(shù)設(shè)置，可通過降低傳輸速率或提高發(fā)射功率。

第5步，再次檢驗(yàn)鏈路。

指揮控制系統(tǒng)鏈路建立動(dòng)態(tài)模型如圖4所示。

圖4 指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體鏈路建立動(dòng)態(tài)模型

2.2 信息傳輸模型

通信鏈路建立的過程是信息傳輸?shù)那疤釛l件。信道和設(shè)備均有兩種狀態(tài)：信息傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。無信息傳輸時(shí)，信道和設(shè)備均處于空閑狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備正在發(fā)送信息時(shí)，設(shè)備和信道均處于信息發(fā)送狀態(tài)。

信息經(jīng)過發(fā)信機(jī)，經(jīng)過介質(zhì)傳輸，收信機(jī)會(huì)接收到發(fā)信機(jī)傳來的信息，并檢驗(yàn)發(fā)信機(jī)信息是否發(fā)送完成。由于，發(fā)信機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收機(jī)接收數(shù)據(jù)之間存在時(shí)延，因此，收、發(fā)信機(jī)和信道狀態(tài)并不會(huì)始終處于同步狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送完成后，發(fā)射機(jī)處于空閑狀態(tài)，信道中的信息傳送完畢后，接收機(jī)完成信息的接收。信息傳輸完成。

信息傳輸模型如圖5所示。

圖5 指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體信息傳輸動(dòng)態(tài)模型

2.3 通信鏈路的評(píng)估

指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體的性能評(píng)估是指揮控制系統(tǒng)效能評(píng)估的重要內(nèi)容之一。指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體的性能直接影響著系統(tǒng)的效能發(fā)揮。

對(duì)指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體的性能評(píng)估主要評(píng)估其連通率、頻段利用率、誤碼率、信噪比以及傳輸時(shí)延。在鏈路建立的基礎(chǔ)上，分別記錄鏈路建立成功和失敗的次數(shù)。評(píng)估動(dòng)態(tài)模型如圖6所示。

圖6 指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體評(píng)估動(dòng)態(tài)模型

3 結(jié)束語

本文主要對(duì)指揮控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)體進(jìn)行了模型的構(gòu)建，給出了實(shí)體建模的方法，重點(diǎn)對(duì)實(shí)體的屬性以及實(shí)體的操作進(jìn)行了描述，設(shè)備實(shí)體屬性從基本屬性、過程屬性以及評(píng)估屬性3個(gè)方面展開。當(dāng)然設(shè)備特征參數(shù)還有很多，本文只根據(jù)建模需求只選取了部分相關(guān)參數(shù)進(jìn)行建模，下一步需要更加細(xì)致的模型構(gòu)建。