基于短波鏈路預(yù)測的半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

摘要：針對當(dāng)前短波組織應(yīng)用效能難預(yù)測、工程建設(shè)和運維管理缺乏數(shù)據(jù)支撐、短波組網(wǎng)通信測試效率低等問題，文章基于短波鏈路預(yù)測模型，提出了一種半實物短波通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案，對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場景以及關(guān)鍵技術(shù)進行研究。設(shè)計并構(gòu)建半實物仿真系統(tǒng)，為短波組網(wǎng)通信的科研、建設(shè)和應(yīng)用提供支撐，以及對后續(xù)短波通信的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：短波通信；半實物仿真；鏈路預(yù)測

中圖法分類號：TN925 文獻標(biāo)識碼：A

１ 引言

短波通信具有超視距、低成本、強抗毀性等性能優(yōu)勢，在惡劣自然條件下的移動通信保障中具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是在海上遠(yuǎn)程通信中，短波通信是主要方法之一，為其提供了重要的支撐。由于短波信道的時變色散特性，傳統(tǒng)的點對點短波通信鏈路極不穩(wěn)定，很難保證可靠的短波通信［１］ 。近年來，國內(nèi)外開始利用有線網(wǎng)將臺站進行互聯(lián)，并使用組成短波組網(wǎng)進行通信，考慮到經(jīng)濟、場地、干擾等現(xiàn)實因素，組成短波通信組網(wǎng)的實裝短波臺站數(shù)量受到限制，短波通信組網(wǎng)的性能會受到一定的影響?；谝陨犀F(xiàn)狀，半實物仿真系統(tǒng)應(yīng)運而生，一方面能夠為短波通信組網(wǎng)的技術(shù)研究和應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支撐，另一方面與實裝短波通信組網(wǎng)進行互聯(lián)互通，為實裝短波通信組網(wǎng)指標(biāo)驗證提供環(huán)境支撐［２］ 。

２ 半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

２．１ 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于短波鏈路預(yù)測的半實物仿真系統(tǒng)主要由實裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)組成，總體設(shè)計如圖１ 所示。實裝系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)共同具備廣域分集接收、多點多頻發(fā)送功能，２ 個系統(tǒng)之間通過網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)交互，目前實裝短波通信組網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)完成部分建設(shè)并投入使用。

本文將重點介紹仿真系統(tǒng)和半實物仿真建模。仿真系統(tǒng)由基礎(chǔ)模型、仿真環(huán)境構(gòu)建、仿真引擎和半實物仿真４ 個模塊組成。

２．２ 系統(tǒng)主要功能

實裝系統(tǒng)主要具備廣域接收、分集處理和多點多頻發(fā)送等功能，為半實物仿真系統(tǒng)提供實裝環(huán)境、收集實裝數(shù)據(jù)，實裝系統(tǒng)將分集處理后的數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)傳遞給仿真系統(tǒng)。

仿真系統(tǒng)為半實物仿真系統(tǒng)提供仿真環(huán)境，是半實物仿真系統(tǒng)的核心［３～５］ ，主要包括基礎(chǔ)模型、仿真環(huán)境構(gòu)建、仿真引擎和半實物仿真?；A(chǔ)模型與實裝系統(tǒng)組成的設(shè)備模型，包括收信機、發(fā)信機、收天線、發(fā)天線、信息處理器等，為仿真環(huán)境構(gòu)建提供基本材料；仿真環(huán)境構(gòu)建是利用基礎(chǔ)模型搭建與實裝系統(tǒng)功能相同但規(guī)模不同的仿真環(huán)境；仿真引擎是采用一定的仿真方法將仿真事件按照仿真時間分解為獨立的點，而時間將分別在這些點上發(fā)生；半實物仿真在仿真系統(tǒng)中采用接入實物的方式取代部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，又稱為硬件在回路仿真。在半實物仿真系統(tǒng)中，接入實物對應(yīng)的部分通常是難以用于數(shù)學(xué)方程描述的仿真對象，通過實物的接入能夠有效降低仿真建模的復(fù)雜度和難度，提高仿真效率。

將實裝與仿真系統(tǒng)相連，進行實裝與仿真模型間的協(xié)議、業(yè)務(wù)互通，實現(xiàn)半實裝仿真，為短波組網(wǎng)系統(tǒng)及裝備提供測試、評估環(huán)境。

半實裝仿真有２ 種形式，一是通過接口導(dǎo)入一批實裝系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)，通過仿真系統(tǒng)推演更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)；二是通過接口將實裝系統(tǒng)中的部分節(jié)點與仿真系統(tǒng)中的相應(yīng)模塊進行互聯(lián)，通過虛實映射，同時運行實裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)，相互驗證。將２ 套實裝機動用戶分別映射到仿真網(wǎng)絡(luò)中的映射節(jié)點１ 和映射節(jié)點２ 上，如圖２ 所示。

對仿真網(wǎng)絡(luò)作出如下限定。（１）映射節(jié)點１ 電臺發(fā)送的數(shù)據(jù)通過半實物接口發(fā)送給參試實裝１，映射節(jié)點２ 電臺發(fā)送的數(shù)據(jù)通過半實物接口發(fā)送給參試實裝２。（２）映射節(jié)點１ 將其電臺接收到的路由協(xié)議報文通過半實物接口轉(zhuǎn)發(fā)給參試實裝１，因此參試實裝１ 建立起與收信站的交互。（３）映射節(jié)點２ 將其電臺接收到的路由協(xié)議報文通過半實物接口轉(zhuǎn)發(fā)給參試實裝２，因此參試實裝２ 建立起與發(fā)信站的交互。

（４）試驗時，可能存在３ 種試驗數(shù)據(jù)流通道。（５）純實裝通道：當(dāng)實裝鏈路狀態(tài)好時，參試實裝１ 與參試實裝２ 通過數(shù)據(jù)處理中心、收信臺及發(fā)信臺的實裝裝備建立起實裝電臺Ｒ１ 和Ｒ２ 之間的數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)流向如圖中紅色線條所示。（６）半實裝通道：當(dāng)實裝鏈路狀態(tài)好時，參試實裝１ 與參試實裝２ 通過數(shù)據(jù)處理中心、收信臺及發(fā)信臺的虛擬節(jié)點建立起數(shù)據(jù)通道。

（７）連接中斷：當(dāng)仿真網(wǎng)絡(luò)中的機動用戶１ 與機動用戶２ 之間不可通信時，映射節(jié)點１ 與映射節(jié)點２ 之間的仿真路由完全中斷，參試實裝１ 與參試實裝２ 之間的連接中斷。

３ 半實物仿真技術(shù)

在多系統(tǒng)聯(lián)合仿真體系中，不同的分系統(tǒng)可能采用不同的機制，如通信仿真器通常將離散事件作為仿真驅(qū)動源，設(shè)備模擬器等通常采用時間驅(qū)動機制，實裝設(shè)備是以時間為運行基準(zhǔn)的［６］ 。因此，為了實現(xiàn)多種異質(zhì)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，必須解決“事件驅(qū)動”與“時間驅(qū)動”２ 種基本通信系統(tǒng)的協(xié)同仿真問題。

在事件驅(qū)動的仿真模式下，當(dāng)一個事件處理完成后，仿真內(nèi)核會將仿真時間直接推進到下一個事件發(fā)生的時間點。而在時間驅(qū)動的仿真模式下，２ 次事件之間的時間會自由流逝。在事件驅(qū)動模式下，若系統(tǒng)中沒有明確的執(zhí)行事件，則整個仿真不能推進，或者被停止。而時間驅(qū)動模式下，即使沒有處理需求，整個系統(tǒng)也會一直處于激活狀態(tài)，等待隨時可能出現(xiàn)的系統(tǒng)輸入。

為解決事件驅(qū)動系統(tǒng)與時間驅(qū)動系統(tǒng)的交互問題，本文構(gòu)建了一個能與時間驅(qū)動系統(tǒng)交互的事件調(diào)度器，并為事件驅(qū)動系統(tǒng)中的每個事件附加一個時間標(biāo)簽，使得事件能夠與時間進行對應(yīng)。在仿真時，將整個系統(tǒng)啟動時的時間設(shè)置為參考時間，仿真運行期間以當(dāng)前時間與參考時間之間的差值為系統(tǒng)時間，使得事件驅(qū)動系統(tǒng)與時間驅(qū)動系統(tǒng)進行統(tǒng)一的時間管理。

在事件驅(qū)動機制下，仿真內(nèi)核按照事件執(zhí)行的先后順序，將其放入一個事件隊列中。執(zhí)行仿真時，仿真內(nèi)核不斷從隊列的頭部取出事件，并調(diào)用仿真模型的事件處理接口來處理仿真事件，直到事件隊列為空或達(dá)到預(yù)置的仿真時間限制。在事件驅(qū)動的仿真模式下，仿真不需要關(guān)心現(xiàn)實世界中的時間流逝，而只關(guān)注仿真事件的執(zhí)行，仿真事件發(fā)生的時間就是當(dāng)前的仿真時間。在基于事件序列的仿真模式下，一般很難和墻鐘時間對應(yīng)起來，一是超實時仿真（仿真時間超前于墻鐘時間），二是欠實時仿真（仿真時間落后于墻鐘時間）。本文需要對事件驅(qū)動仿真器的事件調(diào)度機制進行擴展，定制一個實時的事件調(diào)度器，使其能夠?qū)崟r運行，在支持事件驅(qū)動機制的同時，能夠滿足時間驅(qū)動系統(tǒng)的交互需求。

該調(diào)度器由２ 個主要的線程構(gòu)成。

（１）仿真事件執(zhí)行線程：用于執(zhí)行仿真內(nèi)部的事件調(diào)度，是一個基于事件驅(qū)動機制的運行線程。但在執(zhí)行完一個事件后，并不是將仿真時間推進到下一個事件發(fā)生時刻，而是進行事件調(diào)度線程休眠，等到下一個事件發(fā)生時再喚醒，由此實現(xiàn)與墻鐘時間匹配的功能。

（ ２）外部事件處理線程：用于處理與外部系統(tǒng)（包括時間驅(qū)動系統(tǒng)和其他事件驅(qū)動系統(tǒng)）的交互。當(dāng)該線程收到一個外部系統(tǒng)發(fā)來的消息時，將該消息轉(zhuǎn)化為一個仿真事件，并將該事件放置到仿真事件隊列的頭部，事件時間標(biāo)簽設(shè)置為當(dāng)前時間與參考點時間的差值。若當(dāng)前的仿真事件執(zhí)行線程處于休眠狀態(tài)，則將其激活，對新插入的外部事件進行處理；否則等待仿真事件處理線程完成正在進行的事件處理后，立即處理新插入的外部事件。若事件驅(qū)動系統(tǒng)需要向時間驅(qū)動系統(tǒng)或其他事件驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送消息，則直接調(diào)用外部事件處理系統(tǒng)的消息發(fā)送接口即可。

４ 探測和預(yù)測結(jié)合的鏈路預(yù)測技術(shù)

根據(jù)用頻規(guī)律的聚類分析結(jié)果，將時間、距離、時差、頻率等因素按照最佳的尺度進行歸一化，將用時間、距離、時差、頻率歸一化值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，將通信效果即接收信號強度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖３ 所示。

在利用試驗過程中采集的探測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將時間、距離、時差、頻率和信號強度進行歸一化處理，處理后的數(shù)據(jù)形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以保證在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代價函數(shù)值最小時使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，最終將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更新到預(yù)測模型，預(yù)測模型將預(yù)測結(jié)果發(fā)送至最終的評估模型，以及將評估結(jié)果反饋至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行校正，最終保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型、預(yù)測模型和評估模型三者之間達(dá)到一種平衡狀態(tài)。實裝系統(tǒng)通過頻率探測設(shè)備對通信鏈路上可能的通信頻率進行探測并記錄，同時結(jié)合通信雙端長久的歷史通信記錄并輔以長期預(yù)測方法所提供的參考頻率，最終形成制定好的頻率預(yù)選表。在半實物仿真過程中，實裝系統(tǒng)根據(jù)頻率預(yù)選表中的參考頻率將信號在可能通信成功的頻率上依次發(fā)送并將用戶使用的頻率傳給仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)使用相同的頻率進行仿真通信，然后將實裝通信效果與仿真通信效果、實裝通信效果與預(yù)測結(jié)果進行對比，從而實現(xiàn)半仿真短波通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)測模型搭建。

５ 半實物仿真系統(tǒng)應(yīng)用

５．１ 分集臺站布局驗證

合理的短波臺站布局可以形成較優(yōu)的覆蓋范圍和覆蓋性能。短波組網(wǎng)系統(tǒng)既要采用廣域分集接收和頻率分集發(fā)射技術(shù)，還要考慮分集鏈路在頻域和空域的相關(guān)性，使分集鏈路性能達(dá)到最優(yōu)。

分集臺站的布局驗證通過覆蓋仿真的方法確定臺站配置和所需的最少臺站數(shù)量，主要通過可通概率矩陣、覆蓋圖、覆蓋率等指標(biāo)進行驗證。

在仿真平臺中錄入備選臺站站址和臺站設(shè)備、參數(shù)配置，對各種臺站布局、設(shè)備裝配組合進行仿真，對覆蓋圖和覆蓋率等指標(biāo)進行仿真評估，尋找最佳臺站布局，為短波組網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)提供選址支撐。

５．２ 短波鏈路性能測試驗證

短波鏈路性能測試一直是短波技術(shù)領(lǐng)域的一個難點。由于短波信道以電離層為傳播介質(zhì)，因此受時間、頻率影響較大。短波傳播距離較遠(yuǎn)，其接收端的性能很可能被很遠(yuǎn)之外的通信系統(tǒng)干擾。同時，短波收發(fā)信機、天線等設(shè)備的性能狀態(tài)也對鏈路性能產(chǎn)生影響，很難搭建一個標(biāo)準(zhǔn)的測試環(huán)境對鏈路性能進行檢驗，而且受地域和規(guī)模的限制，很難搭建與當(dāng)前技術(shù)體制相符、規(guī)模相當(dāng)?shù)膶嵮b測試環(huán)境對系統(tǒng)進行檢驗，因此需要仿真系統(tǒng)提供短波網(wǎng)絡(luò)性能評估手段。

結(jié)合鏈路預(yù)測技術(shù)，在仿真平臺中錄入與實裝規(guī)模一致的臺站位置和參數(shù)配置，同時在相同的位置對短波發(fā)信機進行發(fā)送，通過對比實裝臺站和仿真系統(tǒng)中對應(yīng)臺站的接收效果，校正鏈路預(yù)測模型，當(dāng)實裝環(huán)境不具備測試條件時，使用仿真環(huán)境進行短波鏈路性能測試。

６ 結(jié)束語

本文將實裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計并搭建了基于短波鏈路預(yù)測的半實物短波通信系統(tǒng)，細(xì)化仿真系統(tǒng)的功能模塊， 研究了半實物仿真技術(shù)和短波鏈路預(yù)測技術(shù)。同時，基于大量實測數(shù)據(jù)分析驗證鏈路預(yù)測模型的有效性，并將其應(yīng)用于仿真系統(tǒng)。研究表明，本系統(tǒng)能夠為實裝系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，對實裝短波組網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和科研具有重要意義。

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作者簡介：王雪梅（１９８７—），碩士，工程師，研究方向：短波通信選頻技術(shù)、資源調(diào)度算法。