王 琳，杜曉明，孫 曉，劉向陽(yáng)

（軍械工程學(xué)院裝備指揮與管理系, 河北 石家莊 050003）

歷次戰(zhàn)爭(zhēng)表明，戰(zhàn)時(shí)裝備保障效能的高低直接制約著戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程，甚至決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果。實(shí)施準(zhǔn)確、合理、高效的裝備保障行動(dòng)，是建立在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)感知和裝備保障指控信息順利傳遞的基礎(chǔ)之上的，加之信息化條件下信息量巨增，使得裝備保障通信的地位和作用更加突出。由于戰(zhàn)時(shí)各種武器平臺(tái)需要在運(yùn)動(dòng)中通信，無(wú)線通信無(wú)疑是指控信息傳遞、態(tài)勢(shì)感知的主要手段。

信息化條件下的裝備保障仿真必須考慮戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，為了更加準(zhǔn)確地對(duì)裝備保障效能進(jìn)行評(píng)估，裝備保障網(wǎng)絡(luò)通信的仿真是裝備保障仿真中不可回避的、也是其基本的內(nèi)容之一。

在無(wú)線通信及其干擾建模與仿真方面，美軍研究開(kāi)發(fā)的軟件和成果較多，如在 TIMS[1]套裝軟件 CES（通信效果服務(wù)器）中有SINCGARS、EPLARS等無(wú)線電臺(tái)仿真模型和C4I干擾分析模型CJAM；M IT林肯實(shí)驗(yàn)室的BCN /TES[2]中開(kāi)發(fā)了通信服務(wù)器，反映了地形對(duì)戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信模型的影響?？偟膩?lái)說(shuō),美軍有比較成熟的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及干擾的建模仿真工具和基礎(chǔ)仿真平臺(tái)。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)的戰(zhàn)役/戰(zhàn)術(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信及干擾的建模仿真工具和基礎(chǔ)仿真平臺(tái)還處于不斷發(fā)展中，軍事無(wú)線通信及干擾仿真主要集中在鏈路級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)，以及對(duì)通信協(xié)議的研究，并取得了一些成果[11]。對(duì)無(wú)線通信及干擾的系統(tǒng)級(jí)仿真和作戰(zhàn)效能評(píng)估的研究還較少，在裝備保障仿真平臺(tái)中的應(yīng)用還處在起步階段。

1 通信模型主體設(shè)計(jì)

對(duì)裝備保障通信進(jìn)行仿真，需要在模型中體現(xiàn)以下幾方面:1）通信裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)；2）地形、植被、天氣、噪聲及環(huán)境噪聲等戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)因素的影響；3）裝備保障業(yè)務(wù)的執(zhí)行流程；4）敵方電子戰(zhàn)對(duì)通信干擾的影響情況。

仿真過(guò)程中，關(guān)心的是保障信息能否及時(shí)、準(zhǔn)確地被接收者收到，也就是連通性和通信時(shí)延等指標(biāo)。

從建模的角度來(lái)說(shuō)，通信裝備不同的技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)主要區(qū)別在于給系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)不同，因而影響著傳播方式（天波、地波、直射波等）以及無(wú)線信號(hào)傳播模型的選擇，但模型總的結(jié)構(gòu)是相同或者相近的。

保障信息傳遞時(shí)經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系直觀而準(zhǔn)確地反映出了裝備保障業(yè)務(wù)的執(zhí)行過(guò)程，為分析保障業(yè)務(wù)流程和有關(guān)單位的重要性提供了有力依據(jù)。

通信阻斷主要有兩種[3]:一種是阻止敵方獲取己方的信息，另一種是阻止敵方獲取敵方自身的信息。前一種成為信息防護(hù)，后一種成為信息進(jìn)攻。在模型中主要模擬敵方對(duì)我進(jìn)行的信息進(jìn)攻。

1.1 通信模型與仿真系統(tǒng)的關(guān)系

考慮到現(xiàn)實(shí)中的信息處理中心并非指揮控制中心，而且要為以后更進(jìn)一步分析裝備保障通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供支撐，本文采用分離式[4]的仿真方法，將其作為一個(gè)獨(dú)立的邦員進(jìn)行仿真，如圖1所示。

圖1 通信模型與仿真系統(tǒng)的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)需要通信時(shí)，通過(guò)與RTI進(jìn)行交互啟動(dòng)通信模型，通信模型對(duì)通信的情況進(jìn)行仿真，并以仿真結(jié)果影響系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)其它模型的運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 通信模型的驅(qū)動(dòng)關(guān)系

仿真系統(tǒng)為通信模型提供基本信息，其它模型為其提供運(yùn)行信息，同時(shí)通信模型通過(guò)通信仿真的結(jié)果又影響其它模型的運(yùn)行。

基本信息主要包括:1）所有的通信節(jié)點(diǎn)（通信裝備的映射）；2）通信路徑（通信業(yè)務(wù)或者編制的關(guān)系）；3）通信節(jié)點(diǎn)的位置信息、裝備信息（包括裝備型號(hào)、損傷情況等）。

運(yùn)行信息主要包括:1）其它模型為通信模型提供通信雙方的通信裝備碼、通信時(shí)間、通信內(nèi)容、通信類(lèi)型等；2）通信模型將輸出通信情況的仿真結(jié)果（包括信息傳遞的時(shí)間、信息傳遞經(jīng)歷的通信節(jié)點(diǎn)和邊等），從而影響或控制其它模型的運(yùn)行。

通信仿真模型主要包括:通信想定模型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型、鏈路生成模型和無(wú)線通信及干擾模型。

各模型主要功能如下:

通信想定模型:讀取仿真想定，并初始化通信網(wǎng)絡(luò)；

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型:維護(hù)、更新通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和邊的相關(guān)信息；

鏈路生成模型:根據(jù)保障業(yè)務(wù)及節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，生成可能的通信鏈路；

無(wú)線通信及干擾模型:對(duì)生成的每一條通信鏈路，計(jì)算其上有用信號(hào)及干擾信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而判斷該鏈路上無(wú)線通信的結(jié)果。

1.2 通信邦員運(yùn)行流程

通信仿真邦員隨仿真系統(tǒng)一同啟動(dòng)。首先根據(jù)仿真想定初始化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成通信節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，爾后隨著仿真步長(zhǎng)的推進(jìn)，實(shí)時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息和通信干擾信息進(jìn)行維護(hù)更新（由數(shù)據(jù)庫(kù)支持），同時(shí)每步長(zhǎng)檢測(cè)是否有待發(fā)的信息，如果有則進(jìn)行無(wú)線通信的仿真，然后輸出仿真結(jié)果。當(dāng)仿真結(jié)束時(shí)退出聯(lián)邦，否則返回檢驗(yàn)是否有待發(fā)信息。通信邦員的運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 通信邦員運(yùn)行流程圖

1.3 無(wú)線通信及干擾仿真流程

現(xiàn)以一次數(shù)據(jù)傳輸為例分析整個(gè)通信過(guò)程及各模型之間的關(guān)系。發(fā)信機(jī)將有用信息轉(zhuǎn)化為電磁波并通過(guò)天線發(fā)送出去；電磁波傳播損耗由傳播損耗模型計(jì)算得到；接收機(jī)通過(guò)接收天線獲取電磁波能量，得到接收功率，同時(shí)天線還接收到空間環(huán)境中的噪聲和敵方的干擾功率，根據(jù)收信機(jī)的信噪比和接收到的信號(hào)電平，判斷此次通信的結(jié)果，并計(jì)算整個(gè)通信過(guò)程的通信延時(shí)，并作為結(jié)果一同輸出。這就是一次通信過(guò)程的基本描述。無(wú)線通信及干擾的仿真流程圖如圖 4所示。

2 無(wú)線通信及干擾模型

由于關(guān)心的重點(diǎn)是通斷問(wèn)題，模型中不再包含無(wú)線信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、誤碼、糾錯(cuò)等方面的模型，重點(diǎn)考慮傳輸天線、無(wú)線信號(hào)的傳輸損耗、接收信號(hào)強(qiáng)度、干擾信號(hào)強(qiáng)度、靈敏度及信噪比的建模。

圖4 無(wú)線通信仿真流程圖

2.1 天線模型

天線的三個(gè)重要參數(shù)分別是[3]:響應(yīng)頻率、方向性和阻抗特性。響應(yīng)頻率決定天線可以有效信號(hào)發(fā)射的帶寬；方向性體現(xiàn)天線在特定方位上對(duì)能量的聚集能力；阻抗特性的重要性在于，當(dāng)負(fù)載與源之間的阻抗共軛匹配時(shí)，可以保證從源向包括天線在內(nèi)的負(fù)載傳輸功率最大。其中，最值得關(guān)注的是天線的方向性參數(shù)，因?yàn)樗谔囟ǚ轿簧系脑鲆嬗绊懼鵁o(wú)線信號(hào)的傳輸強(qiáng)度。

天線的方向性由增益方向圖給定,增益方向圖表示天線的相對(duì)增益隨視軸與信號(hào)到達(dá)方向之間夾角的變化關(guān)系。常見(jiàn)的天線增益圖有全向圖、扇形、sinxx形，cos2形和 cosec2形等，由天線制造廠測(cè)量和公布[5]。不同的天線種類(lèi)，其有效面積、增益效果也都不同，常見(jiàn)的天線主要有全向天線，無(wú)線天線、有源天線，日徑天線等，其中無(wú)線天線又包括單極天線、偶極天線、環(huán)形天線、八木天線等。日徑天線包括拋物面天線和天線陣[3]。

建模中主要考慮天線的主瓣與旁瓣的方向性、有效面積、天線仰角等參數(shù)，計(jì)算任一時(shí)刻坐標(biāo)系中空間點(diǎn)（時(shí)間、位置、方向）上的增益值。軍用的短波、超短波電臺(tái)使用鞭狀天線（whip antenna），鞭狀天線在窄頻段范圍內(nèi)提供全方位不變的2dB增益。對(duì)于無(wú)線干擾機(jī)來(lái)說(shuō)，天線在主瓣方向上對(duì)干擾信號(hào)具有最大的增益。

2.2 傳輸損耗與接收功率模型

無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中傳輸、經(jīng)過(guò)障礙物都會(huì)產(chǎn)生不同程度的損耗，其損耗值一般在幾十分貝到200分貝之間。無(wú)線信號(hào)的損耗與傳播的方式、路徑、經(jīng)歷的介質(zhì)、天氣情況等都有密切聯(lián)系，因此無(wú)線信號(hào)傳輸損耗模型也有許多，文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)地描述了反射、繞射、散射、陰影衰落及地形影響等電波傳播模型，給出了Longley-Rice, Durkin, Okumuna, Hata, LEE, Egli,Carey和TIREM等無(wú)線傳播模型，文獻(xiàn)[3-5]a和b也提供了許多相通或相似的模型，我們可根據(jù)研究的需要選擇相應(yīng)模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于低VHF頻段是地面移動(dòng)軍事部隊(duì)通信使用最頻繁的頻段，而且大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線電臺(tái)都工作在該頻段，因此主要考慮該頻段無(wú)線電波的傳輸方式，選取 Rn模型[7]來(lái)計(jì)算。

與發(fā)射機(jī)相距R處的平均路徑損失由式（1）計(jì)算:

其中，R0是參考距離，室外傳播條件下經(jīng)常選為1km，室內(nèi)傳播條件下選為1m； )(RL0表示參考距離上的路徑損耗，通常由測(cè)量得出，也可由式（2）估計(jì):

N為衰減指數(shù),由發(fā)射機(jī)到接收機(jī)路徑上的地形、地面建筑和植被等障礙對(duì)電波的影響決定，參考文獻(xiàn)[3]中給出了各種傳播條件下測(cè)量得到的平均值N，統(tǒng)計(jì)值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，N的取值范圍為2～16(例如:空對(duì)空,或自由空間,或近距離(第1菲涅耳區(qū))靠近地球表面?zhèn)鬏敃r(shí)，N =2；空對(duì)地，地對(duì)空，典型值為2～4之間；靠近地球表面時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度減弱快，經(jīng)常用N=4)。

2.3 干擾功率模型

一般認(rèn)為當(dāng)清晰度小于50%時(shí)，則通信被阻斷。對(duì)于模擬FM，通常認(rèn)為-6dB或者更高的干信比便足以阻斷通信傳輸，對(duì)于 AM，產(chǎn)生同樣效果則需要大約-15dB的干信比[3]。不論是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)，干擾效果都是由接收機(jī)端的干擾信號(hào)強(qiáng)度決定的。敵各種干擾源干擾信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的功率[8]:

其中， Pti為第i個(gè)干擾源的發(fā)射功率；Gti為第i個(gè)干擾源的天線增益；L干i為第i個(gè)干擾源的傳播路徑損耗； Gri為受指揮飛機(jī)第i個(gè)干擾源方向上的接收天線增益。

接收機(jī)受到的干擾總功率為

其中，干擾功率的傳輸損耗L干i，同樣可以用Rn模型進(jìn)行計(jì)算。

2.4 信噪比模型

通過(guò)計(jì)算獲得的接收功率、噪聲功率、干擾功率等參數(shù)來(lái)計(jì)算信噪比（SNR）[9-10]。信噪比用分貝表示為

式中，Pr為接收功率； Pb為噪聲功率； Pi為干擾功率，單位均為瓦（W）。

有效信噪比為

式中，Gp為接收機(jī)的有效處理增益（dB）。

對(duì)語(yǔ)音通信則采用接收機(jī)靈敏度的高低來(lái)判斷是否能正確接收，一般認(rèn)為語(yǔ)音清晰度在70%以上可以完全接收。在30%以下不能接收；在30%～70%之間基本上還能接收。

接收機(jī)靈敏度是指其能接收到的并仍能正常工作的最小信號(hào),接收信號(hào)電平[5]為

其中，NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)（dB）；SNR為信噪比，k是玻爾茲曼常熟，k=1.38×10-23(K·Hz)，T=開(kāi)氏絕對(duì)溫度值，地球大氣中常假定為 290oK，B是接收機(jī)有效帶寬。

式中，kTB的單位是dBM；BW是接收機(jī)的有效帶寬，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；否則不能接收。

3 無(wú)線通信及干擾仿真示例

為驗(yàn)證模型的合理性，基于 Microsoft Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)了無(wú)線通信模型及干擾的仿真程序。通過(guò)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以瑞典StarCom戰(zhàn)斗網(wǎng)無(wú)線電系統(tǒng)為例，在典型的中等起伏的地形上，無(wú)電磁干擾，一個(gè)電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)電臺(tái)接受數(shù)據(jù)，試驗(yàn)發(fā)射功率相同條件下通信距離對(duì)通信效果的影響情況。試驗(yàn)使用設(shè)備及其它仿真參數(shù)為:車(chē)載5W電臺(tái)，使用頻率為80MHz，帶寬25kHz，鞭狀天線增益為2dB，傳播衰減指數(shù)為4，背景及其它噪聲功率為10-12mW。

試驗(yàn)內(nèi)容:傳輸距離從1km增加到到35km時(shí)，仿真結(jié)果的變化。計(jì)算得出傳輸損耗、接收功率、信噪比和連通性（“1”表示通，“0”表示斷）等，部分仿真結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)射功率不變時(shí)不同通信距離的仿真結(jié)果

從表1中可以看出，隨著距離的增加，傳輸損耗 增大，接收功率減小，信噪比減小，連通性逐步從能連通變化為不能連通。車(chē)載電臺(tái)在5w的發(fā)射功率下，通信距離達(dá)到30km。仿真結(jié)果與實(shí)際設(shè)備性能較為吻合。同樣，可以通過(guò)改變仿真參數(shù)（如不同發(fā)送功率、傳輸速率、調(diào)制方式和天線增益等）進(jìn)行各種試驗(yàn)，模擬戰(zhàn)場(chǎng)上各種情況下的通信狀況。

增加一個(gè)通信干擾源，采用一個(gè)裝甲通信車(chē)，裝載有超短波干擾機(jī)1臺(tái)，以1 MHz步進(jìn)間隔，停1 ms，在 30～90MHz超短波頻段實(shí)施阻塞式干擾，干擾機(jī)發(fā)送功率為 100w，干擾天線增益為 10dB，試驗(yàn)從100km處，向接收機(jī)移動(dòng)過(guò)程中對(duì)電臺(tái)通信效能的影響。電臺(tái)發(fā)射功率仍為5w，與發(fā)射機(jī)相距15km，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 通信距離不變時(shí)不同干擾距離下通信的仿真結(jié)果

表2是只有一個(gè)干擾源的情況，為更加接近戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際，可以增加多個(gè)不同的干擾源，也可以改變干擾源的移動(dòng)線路，或改變發(fā)射功率等參數(shù)來(lái)模擬更復(fù)雜條件下的通信情況。

以上建立的模型，能從效果上較好地模擬出戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線通信的結(jié)果以及通信干擾帶來(lái)的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線通信及其干擾的分析建模是模擬信息化條件下裝備保障不可回避的內(nèi)容，對(duì)信息化條件下的裝備保障效能進(jìn)行評(píng)估必須考慮戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)裝備保障指揮的影響。

裝備保障指控網(wǎng)絡(luò)中最基本的就是保障分隊(duì)、保障對(duì)象與各級(jí)保障指揮機(jī)構(gòu)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信。戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)際的通信效果不僅與使用的通信裝備及其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能參數(shù)有關(guān)，還與各保障分隊(duì)的地理位置、通信使用頻率、地形通視判斷和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素（如天氣、時(shí)間、植被等）緊密相關(guān)。只有準(zhǔn)確、合理的對(duì)無(wú)線通信鏈路及其干擾進(jìn)行描述，才能準(zhǔn)確的模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)中裝備保障指控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地進(jìn)行裝備保障效能的評(píng)估。

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