面向?qū)狗抡娴耐ㄐ畔到y(tǒng)多粒度建模方法研究

王添琦，林新，李妮

（北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

通信系統(tǒng)是一種十分復(fù)雜的系統(tǒng)，如何準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行建模并且能夠滿足其實(shí)時(shí)性的要求是值得研究的問題。建立不同粒度的模型來描述和分析是處理復(fù)雜問題的一種有效手段，能夠有效地解決模型的精細(xì)程度和仿真實(shí)時(shí)性的問題［1］。對(duì)于通信系統(tǒng)的建模與仿真，采用多粒度建模的方式能夠解決模型的精細(xì)度和仿真實(shí)時(shí)性之間的矛盾［2］。因此，對(duì)于通信系統(tǒng)多粒度建模很有研究的必要。

對(duì)于大規(guī)模的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)建模，文獻(xiàn)［3］以JTIDS數(shù)據(jù)鏈通信為例，研究了通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)模型和仿真模型。首先建立了編碼模型，研究了里德-所羅門編碼、字符交織、CCCK 軟擴(kuò)頻。然后建立了信號(hào)調(diào)制模型，進(jìn)行了最小移頻鍵控MSK 調(diào)制，并建立了跳頻模型和同步模型。文獻(xiàn)［4］對(duì)陸軍戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)仿真模型進(jìn)行了研究，重點(diǎn)是報(bào)文處理過程的仿真建模。文獻(xiàn)［5］對(duì)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)路由協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的仿真進(jìn)行了研究，分析了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)距離矢量路由協(xié)議、動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議、按需距離向量路由協(xié)議等路由協(xié)議。文獻(xiàn)［6］研究了極化碼在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中的可靠性仿真，闡述了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中極化碼的編碼原理。這些研究在信號(hào)編碼處理等方面的粒度過于精細(xì)，而對(duì)于裝備的物理特性較為粗糙［3］，且利用Opnet等網(wǎng)絡(luò)建模軟件不能很好地體現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)裝備的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)特性［5-6］。

此外，戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境——無論是自然環(huán)境［7］還是人為制造的干擾都會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)造成影響［8］。對(duì)于電磁波而言，主要表現(xiàn)為信號(hào)在傳播路徑上的傳輸效應(yīng)，其無線通信方式不可避免地受到地理環(huán)境的影響。例如，氣象因素。而且地形對(duì)超短波通信和微波通信均有較大的影響，另外地面?zhèn)鲗?dǎo)、表面折射以及地形的通視性也對(duì)通信傳輸有很大的影響。本文主要考慮大氣傳輸效應(yīng)、地形通視性以及干擾機(jī)對(duì)通信傳輸?shù)挠绊憽Ｗ罱K完成兼顧實(shí)時(shí)性和精細(xì)度的通信系統(tǒng)多粒度模型仿真，以及滿足裝備運(yùn)動(dòng)特性大規(guī)模軍事通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)仿真，并考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)通信傳輸?shù)挠绊懀云跒楹罄m(xù)對(duì)抗仿真中的通信系統(tǒng)建模提供支撐。

1 通信系統(tǒng)多粒度建模

1.1 通信系統(tǒng)的工程級(jí)模型

通信系統(tǒng)的工程級(jí)建模是粒度最為精細(xì)的模型，主要是對(duì)發(fā)射、接收設(shè)備的天線進(jìn)行物理場(chǎng)級(jí)別的解算，得到較為準(zhǔn)確、精細(xì)的功率方向圖，從而得到天線各個(gè)方向上的增益。

1.1.1 天線物理場(chǎng)數(shù)據(jù)解算

對(duì)于天線物理場(chǎng)解算流程，首先確定天線設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，選擇天線形式，確定天線的幾何參數(shù)，并在電磁仿真軟件中進(jìn)行解算，以軸向模螺旋天線為例，其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求如表1所示。

表1 軸向模螺旋天線設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求Tab.1 Requirements for design performance index of axial mode antenna

其幾何參數(shù)如表2所示。

表2 軸向模螺旋天線的幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of axial mode helical antenna

表3 天線二維增益方向圖部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.3 Partial data of antenna 2D gain pattern

表4 天線三維場(chǎng)強(qiáng)方向圖部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.4 Partial data of antenna 3D field intensity pattern

解算得到的二維增益方向圖如圖1所示。

圖1 軸向模螺旋天線E平面的二維天線方向圖Fig.1 2D antenna pattern in E-plane of axial mode helical antenna

1.1.2 天線場(chǎng)數(shù)據(jù)處理及插值

經(jīng)過解算，得到天線二維增益方向圖和三維場(chǎng)強(qiáng)方向圖數(shù)據(jù)，如表3-4所示。

為了后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用，期望得到天線的三維增益方向圖。增益的定義如式（1）所示：

式（1）中，θ和?分別為方向角和高度角，U為理想的各向同性天線的場(chǎng)強(qiáng)。因此，要想計(jì)算天線增益的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，首先需要計(jì)算出所參考的理想的各向同性天線的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后才可以得到一個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)增益值，最終得到天線的三維增益方向圖數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 天線三維增益方向圖部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.5 Partial data of antenna 3D gain pattern

上述得到的天線三維增益方向圖數(shù)據(jù)是離散數(shù)據(jù)，而在仿真過程中需要連續(xù)的數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，采取雙線性插值算法進(jìn)行插值。

插值的部分結(jié)果如表6所示。

表6 天線三維場(chǎng)強(qiáng)方向圖部分?jǐn)?shù)據(jù)Tab.6 Partial data of antenna 3D field intensity pattern

經(jīng)過軟件解算和插值后，可以在線得到連續(xù)的天線三維增益方向圖。

1.2 通信系統(tǒng)的功能級(jí)模型

1.2.1 通信系統(tǒng)功能級(jí)建模流程

通信系統(tǒng)鏈路功能級(jí)建模的輸入輸出如圖2 所示。其中對(duì)于天線增益的計(jì)算，不同于工程級(jí)模型，在功能級(jí)模型中采取一種較粗粒度的建模方式。

首先，部分典型天線的最大增益經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如表7所示。

得到天線的最大增益后，利用天線的固有參數(shù)，根據(jù)圖1 所示的典型的天線方向圖計(jì)算出天線的主瓣即最大增益，半功率波束寬度即增益為最大增益一半時(shí)的角度，旁瓣增益以及后瓣增益，從而描繪出天線的方向性。計(jì)算傳輸過程中的自由空間損耗，如式（2）所示：

式（2）中，λ為電磁波波長，d為傳輸距離。

引入噪聲，其中噪聲除了系統(tǒng)本身的熱噪聲外，主要受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響，在第三節(jié)將介紹這部分的建模。根據(jù)式（2）計(jì)算鏈路信噪比為

式（3）中，PEIRP為等效全向輻射功率，Gr為接受天線增益，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為系統(tǒng)噪聲溫度，Rb為帶寬。

根據(jù)式（3）計(jì)算出通信的誤碼率為

根據(jù)誤碼率的大小，可以判斷能否實(shí)現(xiàn)通信，并由此反向解算出通信設(shè)備所能覆蓋的范圍，為通信系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過發(fā)射天線放大后，在傳播過程中引入噪聲，包括傳輸損耗（自由空間損耗、大氣傳輸損耗），系統(tǒng)熱噪聲，以及外界干擾，隨后由接收天線接收。通過信噪比可以計(jì)算出鏈路的誤碼率。

由于通信設(shè)備通常要搭載在其他載體如飛機(jī)、裝甲車上，而上述設(shè)置的天線指向的方向角和高度角是相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的，在鏈路解算過程中，需要在地面坐標(biāo)系下解算，因此，需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。假設(shè)與機(jī)體軸重合時(shí)，天線指向的高度角與方向角均為0，且將天線視作剛體，那么天線某一點(diǎn)（xb，yb，zb）在機(jī)體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如式（5）所示：

式（5）中，azi為方向角，alt為高度角，將其轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，即

建立模型的參數(shù)包括初始化參數(shù)和輸入?yún)?shù)。初始化參數(shù)主要作用是對(duì)模型進(jìn)行初始化，初始化參數(shù)只需要設(shè)置一次，無需在每次解算時(shí)設(shè)置，而輸入?yún)?shù)需要在仿真的每一幀都進(jìn)行設(shè)置。模型的參數(shù)如圖3所示。

圖3 模型輸入輸出和初始化參數(shù)Fig.3 Model input,output and initial parameters

1.2.2 功能級(jí)模型驗(yàn)證

完成通信系統(tǒng)的功能級(jí)建模后，將建立好的模型裝在載體上進(jìn)行驗(yàn)證。如選用建立好的某飛機(jī)模型作為通信模型的載體，則飛行軌跡如圖4所示。

圖4 載體飛機(jī)飛行軌跡Fig.4 Flight path of carrier aircraft

指定飛機(jī)以0.5 馬赫的速度進(jìn)行巡航，將發(fā)射機(jī)置于原點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取飛機(jī)的位置和姿態(tài)信息作為接收機(jī)的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行鏈路解算，解算出的誤碼率和聯(lián)通結(jié)果如圖5所示。

圖5 鏈路解算結(jié)果Fig.5 Link solution results

從圖5 中可以看出，在飛機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，誤碼率解算結(jié)果突然下降，體現(xiàn)了通信傳輸?shù)姆较蛐浴?/p>

當(dāng)有粒度更為精細(xì)且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的解算需求時(shí)，可以采用1.1 節(jié)的天線增益解算方式來替換。采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加上粒度較粗的方向性解算就是通信系統(tǒng)的功能級(jí)模型，采用天線物理場(chǎng)解算數(shù)據(jù)插值計(jì)算天線方向性則為通信系統(tǒng)的工程級(jí)模型。

1.3 通信系統(tǒng)的任務(wù)級(jí)模型

在較大規(guī)模的任務(wù)級(jí)多兵種對(duì)抗仿真想定中，為了滿足仿真的實(shí)時(shí)性，采取自行設(shè)置天線增益的方式，模型不具備方向性，信號(hào)衰減只和距離有關(guān)。

1.4 模型運(yùn)行效率

天線方向圖插值的用時(shí)如表8所示。

表8 不同維數(shù)天線方向圖插值用時(shí)Tab.8 Interpolation time consumption of antenna pattern for different dimensions

得到的初始離散方向圖數(shù)據(jù)是361×181 維的，采取每2點(diǎn)取1點(diǎn)或每4點(diǎn)取1點(diǎn)的方式降低數(shù)據(jù)維度可以提高插值的效率。采取不同采樣方式的部分插值結(jié)果如表9所示。

表9 部分插值結(jié)果Tab.9 Partial interpolation results

表10 模型初始化運(yùn)行時(shí)間Tab.10 Model initialization runtime

表11 模型輸入運(yùn)行時(shí)間Tab.11 Model input runtime

表12 鏈路解算運(yùn)行時(shí)間Tab.12 Link solution runtime

從表9 中可以看出，每4 點(diǎn)取1 點(diǎn)的采樣方式相比于原361×181 維的數(shù)據(jù)的插值精度影響在數(shù)據(jù)百分位之后，但是插值效率顯著提高，因此在實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景下應(yīng)采用此種采樣方式。

通信系統(tǒng)多粒度模型的初始化、輸入過程及鏈路解算的運(yùn)行時(shí)間如表10-12所示。

因此，對(duì)于小規(guī)模的對(duì)抗仿真，如一對(duì)一的空戰(zhàn)仿真，采取工程級(jí)模型；對(duì)于規(guī)模略大且要求方向性的對(duì)抗仿真，采取任務(wù)級(jí)模型；對(duì)于大規(guī)模的對(duì)抗仿真，要求仿真的實(shí)時(shí)性，則采取粒度較粗的任務(wù)級(jí)仿真。

2 通信網(wǎng)絡(luò)仿真

對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)上不同單位之間的通信網(wǎng)絡(luò)主要表現(xiàn)為戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)一般采用Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，即無線自組織網(wǎng)絡(luò)。

NS2 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的仿真分析，可以實(shí)現(xiàn)MAC/802_11 協(xié)議、AODV 路由協(xié)議的仿真。此外，NS2的傳輸模型較為粗糙，因此可以修改NS2的損耗模型以及天線模型，建立與已建立的其他粒度模型的聯(lián)系。

首先通過TCL 腳本設(shè)置仿真場(chǎng)景，TCL 腳本可以設(shè)置接口來接收外部輸入的數(shù)據(jù)，可以接收仿真想定的數(shù)據(jù)，比如節(jié)點(diǎn)的位置信息等；然后設(shè)置好步長，每次仿真一個(gè)仿真步長的時(shí)長；最后通過tr 文件來分析戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的效果。一個(gè)有5 個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真場(chǎng)景設(shè)定值如表13所示。

表13 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)定值Tab.13 Parameter settings for network simulation scenario

在設(shè)置節(jié)點(diǎn)位置時(shí)可以設(shè)置能夠?qū)崟r(shí)接收外部輸入的形式，除此之外，天線增益也可以接收外部建立好的模型的輸入而非手動(dòng)設(shè)置，且天線增益只能設(shè)置一次，不能設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，接收整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增益的平均值。這樣就能夠模擬裝備運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。以某網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景為例，節(jié)點(diǎn)0通過節(jié)點(diǎn)1-3傳輸封包給節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)的位置變化如表14 所示，仿真步長為0.2 s，仿真時(shí)間為4 s。

表14 節(jié)點(diǎn)位置變化Tab.14 Node position change

仿真得到的數(shù)據(jù)如表15所示。

表15 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景仿真結(jié)果Tab.15 Simulation results for network simulation scenario

由于節(jié)點(diǎn)4運(yùn)動(dòng)到節(jié)點(diǎn)1-3的傳輸范圍以外，所以封包最終無法傳輸。

3 典型戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)通信的影響

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)大氣環(huán)境

大氣吸收損耗包括氧氣和水蒸氣的吸收損耗，根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，對(duì)流層大氣壓力P、溫度T和高度h的關(guān)系如式（8）-（9）所示。

除了對(duì)流層大氣模型，還有對(duì)流層氧對(duì)電磁波的吸收效應(yīng)，因此要建立氧氣吸收因子模型。對(duì)流層氧對(duì)于電磁波的吸收是60 GHz 附近的許多諧振譜線吸收的總和，對(duì)流層水蒸氣吸收分為2 個(gè)部分：22.235GHz的諧振，吸收因子為ξ_22（h），100 GHz 以上的諧振譜線的副作用，吸收因子為ξ_res（h）。

大氣吸收損耗模型可以以噪聲損耗的形式和工程級(jí)、功能級(jí)模型聯(lián)系起來，此外也可以加入到NS2的傳輸模型中，并重新編譯，使得NS2 的傳輸損耗更加準(zhǔn)確。

3.2 地形通視性模型

建立地形通視性模型。首先將大地視為平面，在平面大地坐標(biāo)系下，確定視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之后，將視線在xdy平面上投影，并在投影線上均勻獲取若干個(gè)采樣點(diǎn)，查詢數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲得每個(gè)采樣點(diǎn)的高程，判斷視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的通視性。在視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間取若干個(gè)采樣點(diǎn)，從采樣點(diǎn)1 開始，如果視點(diǎn)和采樣點(diǎn)連線的斜率小于視線的斜率，則表示當(dāng)前采樣點(diǎn)不影響通視，推進(jìn)到下一采樣點(diǎn)繼續(xù)比較斜率；如果視點(diǎn)與某采樣點(diǎn)連線的斜率大于視線的斜率，則視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間不能通視。如果最終可以一直推進(jìn)到目標(biāo)點(diǎn)，則說明視點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間可以通視。

3.3 干擾機(jī)模型

采用有源壓制方式建立干擾機(jī)模型，在有源壓制干擾下，待干擾設(shè)備接收機(jī)的干擾功率強(qiáng)度如式（10）所示：

式（10）中，Pj為干擾機(jī)的發(fā)射功率，Gj為干擾機(jī)天線在待干擾設(shè)備方向上的增益，rj為待干擾設(shè)備天線上的極化損耗，Rj為待干擾設(shè)備與干擾機(jī)之間的距離，Gt(θ)為待干擾設(shè)備天線在干擾機(jī)方向上的增益，θ為待干擾設(shè)備和目標(biāo)連線與待干擾設(shè)備和干擾機(jī)連線間的夾角。

將干擾機(jī)與已建立的通信系統(tǒng)功能級(jí)模型結(jié)合后，干擾機(jī)模型開始運(yùn)行，通信的誤碼率開始上升，并且隨著干擾機(jī)的位置越來越接近干擾目標(biāo)，干擾的效果更強(qiáng)。效果如圖6所示。

圖6 引入干擾前后的聯(lián)通情況Fig.6 Connectivity before and after the introduction of interference

圖7 空戰(zhàn)場(chǎng)景1Fig.7 Air combat scenario 1

圖8 空戰(zhàn)場(chǎng)景2Fig.8 Air combat scenario 2

4 模型整體運(yùn)行效果

建立好上述模型后，上傳至仿真平臺(tái)運(yùn)行仿真想定，飛機(jī)搭載通信模型進(jìn)行交戰(zhàn)的仿真場(chǎng)景如圖7-8所示。

在交戰(zhàn)中，飛機(jī)之間距離較近且同向飛行時(shí)，誤碼率較小，可以進(jìn)行通信；飛機(jī)之間距離較遠(yuǎn)且相背飛行時(shí)，誤碼率較大，不能進(jìn)行通信。運(yùn)算結(jié)果合理，且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行空戰(zhàn)的通信仿真。

5 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了從天線解算、鏈路仿真到軍事通信網(wǎng)絡(luò)的多粒度模型仿真，在空戰(zhàn)仿真場(chǎng)景中以多種粒度體現(xiàn)了模型的方向性、裝備的運(yùn)動(dòng)特性以及大氣、地形和干擾等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)通信傳輸?shù)挠绊?，并且能夠在?duì)抗仿真中實(shí)時(shí)運(yùn)行。后續(xù)會(huì)在多粒度模型的一體化調(diào)用和應(yīng)用上進(jìn)一步研究，為體系級(jí)對(duì)抗仿真的通信系統(tǒng)建模提供更好的支撐。