基于短波鏈路預(yù)測(cè)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

摘要：針對(duì)當(dāng)前短波組織應(yīng)用效能難預(yù)測(cè)、工程建設(shè)和運(yùn)維管理缺乏數(shù)據(jù)支撐、短波組網(wǎng)通信測(cè)試效率低等問(wèn)題，文章基于短波鏈路預(yù)測(cè)模型，提出了一種半實(shí)物短波通信仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)并構(gòu)建半實(shí)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(duì)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(shí)物仿真；鏈路預(yù)測(cè)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 引言

短波通信具有超視距、低成本、強(qiáng)抗毀性等性能優(yōu)勢(shì)，在惡劣自然條件下的移動(dòng)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(shí)變色散特性，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始利用有線(xiàn)網(wǎng)將臺(tái)站進(jìn)行互聯(lián)，并使用組成短波組網(wǎng)進(jìn)行通信，考慮到經(jīng)濟(jì)、場(chǎng)地、干擾等現(xiàn)實(shí)因素，組成短波通信組網(wǎng)的實(shí)裝短波臺(tái)站數(shù)量受到限制，短波通信組網(wǎng)的性能會(huì)受到一定的影響。基于以上現(xiàn)狀，半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，一方面能夠?yàn)槎滩ㄍㄐ沤M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(shí)裝短波通信組網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)互通，為實(shí)裝短波通信組網(wǎng)指標(biāo)驗(yàn)證提供環(huán)境支撐［２］ 。

２ 半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

２．１ 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于短波鏈路預(yù)測(cè)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要由實(shí)裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)組成，總體設(shè)計(jì)如圖１ 所示。實(shí)裝系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)共同具備廣域分集接收、多點(diǎn)多頻發(fā)送功能，２ 個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，目前實(shí)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(diǎn)介紹仿真系統(tǒng)和半實(shí)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(shí)物仿真４ 個(gè)模塊組成。

２．２ 系統(tǒng)主要功能

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

仿真系統(tǒng)為半實(shí)物仿真系統(tǒng)提供仿真環(huán)境，是半實(shí)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(shí)物仿真?；A(chǔ)模型與實(shí)裝系統(tǒng)組成的設(shè)備模型，包括收信機(jī)、發(fā)信機(jī)、收天線(xiàn)、發(fā)天線(xiàn)、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(shí)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(shí)間分解為獨(dú)立的點(diǎn)，而時(shí)間將分別在這些點(diǎn)上發(fā)生；半實(shí)物仿真在仿真系統(tǒng)中采用接入實(shí)物的方式取代部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，又稱(chēng)為硬件在回路仿真。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，接入實(shí)物對(duì)應(yīng)的部分通常是難以用于數(shù)學(xué)方程描述的仿真對(duì)象，通過(guò)實(shí)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(shí)裝與仿真系統(tǒng)相連，進(jìn)行實(shí)裝與仿真模型間的協(xié)議、業(yè)務(wù)互通，實(shí)現(xiàn)半實(shí)裝仿真，為短波組網(wǎng)系統(tǒng)及裝備提供測(cè)試、評(píng)估環(huán)境。

半實(shí)裝仿真有２ 種形式，一是通過(guò)接口導(dǎo)入一批實(shí)裝系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)，通過(guò)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(guò)接口將實(shí)裝系統(tǒng)中的部分節(jié)點(diǎn)與仿真系統(tǒng)中的相應(yīng)模塊進(jìn)行互聯(lián)，通過(guò)虛實(shí)映射，同時(shí)運(yùn)行實(shí)裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)，相互驗(yàn)證。將２ 套實(shí)裝機(jī)動(dòng)用戶(hù)分別映射到仿真網(wǎng)絡(luò)中的映射節(jié)點(diǎn)１ 和映射節(jié)點(diǎn)２ 上，如圖２ 所示。

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

（４）試驗(yàn)時(shí)，可能存在３ 種試驗(yàn)數(shù)據(jù)流通道。（５）純實(shí)裝通道：當(dāng)實(shí)裝鏈路狀態(tài)好時(shí)，參試實(shí)裝１ 與參試實(shí)裝２ 通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心、收信臺(tái)及發(fā)信臺(tái)的實(shí)裝裝備建立起實(shí)裝電臺(tái)Ｒ１ 和Ｒ２ 之間的數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)流向如圖中紅色線(xiàn)條所示。（６）半實(shí)裝通道：當(dāng)實(shí)裝鏈路狀態(tài)好時(shí)，參試實(shí)裝１ 與參試實(shí)裝２ 通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心、收信臺(tái)及發(fā)信臺(tái)的虛擬節(jié)點(diǎn)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(jī)動(dòng)用戶(hù)１ 與機(jī)動(dòng)用戶(hù)２ 之間不可通信時(shí)，映射節(jié)點(diǎn)１ 與映射節(jié)點(diǎn)２ 之間的仿真路由完全中斷，參試實(shí)裝１ 與參試實(shí)裝２ 之間的連接中斷。

３ 半實(shí)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(jī)制，如通信仿真器通常將離散事件作為仿真驅(qū)動(dòng)源，設(shè)備模擬器等通常采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)裝設(shè)備是以時(shí)間為運(yùn)行基準(zhǔn)的［６］ 。因此，為了實(shí)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(dòng)”與“時(shí)間驅(qū)動(dòng)”２ 種基本通信系統(tǒng)的協(xié)同仿真問(wèn)題。

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

為解決事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交互問(wèn)題，本文構(gòu)建了一個(gè)能與時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交互的事件調(diào)度器，并為事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的每個(gè)事件附加一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽，使得事件能夠與時(shí)間進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在仿真時(shí)，將整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的時(shí)間設(shè)置為參考時(shí)間，仿真運(yùn)行期間以當(dāng)前時(shí)間與參考時(shí)間之間的差值為系統(tǒng)時(shí)間，使得事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)間管理。

在事件驅(qū)動(dòng)機(jī)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(gè)事件隊(duì)列中。執(zhí)行仿真時(shí)，仿真內(nèi)核不斷從隊(duì)列的頭部取出事件，并調(diào)用仿真模型的事件處理接口來(lái)處理仿真事件，直到事件隊(duì)列為空或達(dá)到預(yù)置的仿真時(shí)間限制。在事件驅(qū)動(dòng)的仿真模式下，仿真不需要關(guān)心現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)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(shí)間就是當(dāng)前的仿真時(shí)間。在基于事件序列的仿真模式下，一般很難和墻鐘時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái)，一是超實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間超前于墻鐘時(shí)間），二是欠實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間落后于墻鐘時(shí)間）。本文需要對(duì)事件驅(qū)動(dòng)仿真器的事件調(diào)度機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)展，定制一個(gè)實(shí)時(shí)的事件調(diào)度器，使其能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行，在支持事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的同時(shí)，能夠滿(mǎn)足時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的交互需求。

該調(diào)度器由２ 個(gè)主要的線(xiàn)程構(gòu)成。

（１）仿真事件執(zhí)行線(xiàn)程：用于執(zhí)行仿真內(nèi)部的事件調(diào)度，是一個(gè)基于事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的運(yùn)行線(xiàn)程。但在執(zhí)行完一個(gè)事件后，并不是將仿真時(shí)間推進(jìn)到下一個(gè)事件發(fā)生時(shí)刻，而是進(jìn)行事件調(diào)度線(xiàn)程休眠，等到下一個(gè)事件發(fā)生時(shí)再喚醒，由此實(shí)現(xiàn)與墻鐘時(shí)間匹配的功能。

（ ２）外部事件處理線(xiàn)程：用于處理與外部系統(tǒng)（包括時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和其他事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）的交互。當(dāng)該線(xiàn)程收到一個(gè)外部系統(tǒng)發(fā)來(lái)的消息時(shí)，將該消息轉(zhuǎn)化為一個(gè)仿真事件，并將該事件放置到仿真事件隊(duì)列的頭部，事件時(shí)間標(biāo)簽設(shè)置為當(dāng)前時(shí)間與參考點(diǎn)時(shí)間的差值。若當(dāng)前的仿真事件執(zhí)行線(xiàn)程處于休眠狀態(tài)，則將其激活，對(duì)新插入的外部事件進(jìn)行處理；否則等待仿真事件處理線(xiàn)程完成正在進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)需要向時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或其他事件驅(qū)動(dòng)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(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)合的鏈路預(yù)測(cè)技術(shù)

根據(jù)用頻規(guī)律的聚類(lèi)分析結(jié)果，將時(shí)間、距離、時(shí)差、頻率等因素按照最佳的尺度進(jìn)行歸一化，將用時(shí)間、距離、時(shí)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(hào)強(qiáng)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(yàn)過(guò)程中采集的探測(cè)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將時(shí)間、距離、時(shí)差、頻率和信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)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(guò)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(jià)函數(shù)值最小時(shí)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(cè)模型，預(yù)測(cè)模型將預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送至最終的評(píng)估模型，以及將評(píng)估結(jié)果反饋至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行校正，最終保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型、預(yù)測(cè)模型和評(píng)估模型三者之間達(dá)到一種平衡狀態(tài)。實(shí)裝系統(tǒng)通過(guò)頻率探測(cè)設(shè)備對(duì)通信鏈路上可能的通信頻率進(jìn)行探測(cè)并記錄，同時(shí)結(jié)合通信雙端長(zhǎng)久的歷史通信記錄并輔以長(zhǎng)期預(yù)測(cè)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(shí)物仿真過(guò)程中，實(shí)裝系統(tǒng)根據(jù)頻率預(yù)選表中的參考頻率將信號(hào)在可能通信成功的頻率上依次發(fā)送并將用戶(hù)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(jìn)行仿真通信，然后將實(shí)裝通信效果與仿真通信效果、實(shí)裝通信效果與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)半仿真短波通信系統(tǒng)的鏈路預(yù)測(cè)模型搭建。

５ 半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用

５．１ 分集臺(tái)站布局驗(yàn)證

合理的短波臺(tái)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(tái)站的布局驗(yàn)證通過(guò)覆蓋仿真的方法確定臺(tái)站配置和所需的最少臺(tái)站數(shù)量，主要通過(guò)可通概率矩陣、覆蓋圖、覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

在仿真平臺(tái)中錄入備選臺(tái)站站址和臺(tái)站設(shè)備、參數(shù)配置，對(duì)各種臺(tái)站布局、設(shè)備裝配組合進(jìn)行仿真，對(duì)覆蓋圖和覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行仿真評(píng)估，尋找最佳臺(tái)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(cè)試驗(yàn)證

短波鏈路性能測(cè)試一直是短波技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。由于短波信道以電離層為傳播介質(zhì)，因此受時(shí)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(shí)，短波收發(fā)信機(jī)、天線(xiàn)等設(shè)備的性能狀態(tài)也對(duì)鏈路性能產(chǎn)生影響，很難搭建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境對(duì)鏈路性能進(jìn)行檢驗(yàn)，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?shí)裝測(cè)試環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，因此需要仿真系統(tǒng)提供短波網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估手段。

結(jié)合鏈路預(yù)測(cè)技術(shù)，在仿真平臺(tái)中錄入與實(shí)裝規(guī)模一致的臺(tái)站位置和參數(shù)配置，同時(shí)在相同的位置對(duì)短波發(fā)信機(jī)進(jìn)行發(fā)送，通過(guò)對(duì)比實(shí)裝臺(tái)站和仿真系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)臺(tái)站的接收效果，校正鏈路預(yù)測(cè)模型，當(dāng)實(shí)裝環(huán)境不具備測(cè)試條件時(shí)，使用仿真環(huán)境進(jìn)行短波鏈路性能測(cè)試。

６ 結(jié)束語(yǔ)

本文將實(shí)裝系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并搭建了基于短波鏈路預(yù)測(cè)的半實(shí)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(shí)物仿真技術(shù)和短波鏈路預(yù)測(cè)技術(shù)。同時(shí)，基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證鏈路預(yù)測(cè)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?yàn)閷?shí)裝系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)實(shí)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(jiǎn)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。