王添琦，林新，李妮

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

通信系統(tǒng)是一種十分復雜的系統(tǒng)，如何準確地對其進行建模并且能夠滿足其實時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雜問題的一種有效手段，能夠有效地解決模型的精細程度和仿真實時性的問題［1］。對于通信系統(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度和仿真實時性之間的矛盾［2］。因此，對于通信系統(tǒng)多粒度建模很有研究的必要。

對于大規(guī)模的戰(zhàn)術通信網(wǎng)絡建模，文獻［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 軟擴頻。然后建立了信號調制模型，進行了最小移頻鍵控MSK 調制，并建立了跳頻模型和同步模型。文獻［4］對陸軍戰(zhàn)術電臺仿真模型進行了研究，重點是報文處理過程的仿真建模。文獻［5］對戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)路由協(xié)議與網(wǎng)絡業(yè)務的仿真進行了研究，分析了目標節(jié)點序列號距離矢量路由協(xié)議、動態(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［6］研究了極化碼在戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)中的可靠性仿真，闡述了戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)中極化碼的編碼原理。這些研究在信號編碼處理等方面的粒度過于精細，而對于裝備的物理特性較為粗糙［3］，且利用Opnet等網(wǎng)絡建模軟件不能很好地體現(xiàn)戰(zhàn)場裝備的實時運動特性［5-6］。

此外，戰(zhàn)場的復雜環(huán)境——無論是自然環(huán)境［7］還是人為制造的干擾都會對通信系統(tǒng)造成影響［8］。對于電磁波而言，主要表現(xiàn)為信號在傳播路徑上的傳輸效應，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。而且地形對超短波通信和微波通信均有較大的影響，另外地面?zhèn)鲗?、表面折射以及地形的通視性也對通信傳輸有很大的影響。本文主要考慮大氣傳輸效應、地形通視性以及干擾機對通信傳輸?shù)挠绊?。最終完成兼顧實時性和精細度的通信系統(tǒng)多粒度模型仿真，以及滿足裝備運動特性大規(guī)模軍事通信網(wǎng)絡的實時仿真，并考慮戰(zhàn)場環(huán)境對通信傳輸?shù)挠绊懀云跒楹罄m(xù)對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)的工程級模型

通信系統(tǒng)的工程級建模是粒度最為精細的模型，主要是對發(fā)射、接收設備的天線進行物理場級別的解算，得到較為準確、精細的功率方向圖，從而得到天線各個方向上的增益。

1.1.1 天線物理場數(shù)據(jù)解算

對于天線物理場解算流程，首先確定天線設計的性能指標，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行解算，以軸向模螺旋天線為例，其設計性能指標要求如表1所示。

表1 軸向模螺旋天線設計性能指標要求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數(shù)據(jù)Tab.3 Partial data of antenna 2D gain pattern

表4 天線三維場強方向圖部分數(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 天線場數(shù)據(jù)處理及插值

經過解算，得到天線二維增益方向圖和三維場強方向圖數(shù)據(jù)，如表3-4所示。

為了后續(xù)數(shù)據(jù)應用，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強。因此，要想計算天線增益的場強數(shù)據(jù)，首先需要計算出所參考的理想的各向同性天線的場強數(shù)據(jù)，然后才可以得到一個點的絕對增益值，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數(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)，因此需要對數(shù)據(jù)進行插值處理，采取雙線性插值算法進行插值。

插值的部分結果如表6所示。

表6 天線三維場強方向圖部分數(shù)據(jù)Tab.6 Partial data of antenna 3D field intensity pattern

經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)的功能級模型

1.2.1 通信系統(tǒng)功能級建模流程

通信系統(tǒng)鏈路功能級建模的輸入輸出如圖2 所示。其中對于天線增益的計算，不同于工程級模型，在功能級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驗公式計算如表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，可以判斷能否實現(xiàn)通信，并由此反向解算出通信設備所能覆蓋的范圍，為通信系統(tǒng)的性能評價提供基礎。

發(fā)射信號經過發(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。通過信噪比可以計算出鏈路的誤碼率。

由于通信設備通常要搭載在其他載體如飛機、裝甲車上，而上述設置的天線指向的方向角和高度角是相對于機體坐標系的，在鏈路解算過程中，需要在地面坐標系下解算，因此，需要坐標轉換。假設與機體軸重合時，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（xb，yb，zb）在機體坐標系下的坐標如式（5）所示：

式（5）中，azi為方向角，alt為高度角，將其轉換為地面坐標系下的坐標，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)主要作用是對模型進行初始化，初始化參數(shù)只需要設置一次，無需在每次解算時設置，而輸入?yún)?shù)需要在仿真的每一幀都進行設置。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 功能級模型驗證

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

圖4 載體飛機飛行軌跡Fig.4 Flight path of carrier aircraft

指定飛機以0.5 馬赫的速度進行巡航，將發(fā)射機置于原點，實時獲取飛機的位置和姿態(tài)信息作為接收機的輸入?yún)?shù)，進行鏈路解算，解算出的誤碼率和聯(lián)通結果如圖5所示。

圖5 鏈路解算結果Fig.5 Link solution results

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

當有粒度更為精細且對實時性要求不高的解算需求時，可以采用1.1 節(jié)的天線增益解算方式來替換。采用經驗公式計算加上粒度較粗的方向性解算就是通信系統(tǒng)的功能級模型，采用天線物理場解算數(shù)據(jù)插值計算天線方向性則為通信系統(tǒng)的工程級模型。

1.3 通信系統(tǒng)的任務級模型

在較大規(guī)模的任務級多兵種對抗仿真想定中，為了滿足仿真的實時性，采取自行設置天線增益的方式，模型不具備方向性，信號衰減只和距離有關。

1.4 模型運行效率

天線方向圖插值的用時如表8所示。

表8 不同維數(shù)天線方向圖插值用時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點取1點或每4點取1點的方式降低數(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果如表9所示。

表9 部分插值結果Tab.9 Partial interpolation results

表10 模型初始化運行時間Tab.10 Model initialization runtime

表11 模型輸入運行時間Tab.11 Model input runtime

表12 鏈路解算運行時間Tab.12 Link solution runtime

從表9 中可以看出，每4 點取1 點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，因此在實時性要求高的場景下應采用此種采樣方式。

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行時間如表10-12所示。

因此，對于小規(guī)模的對抗仿真，如一對一的空戰(zhàn)仿真，采取工程級模型；對于規(guī)模略大且要求方向性的對抗仿真，采取任務級模型；對于大規(guī)模的對抗仿真，要求仿真的實時性，則采取粒度較粗的任務級仿真。

2 通信網(wǎng)絡仿真

對于戰(zhàn)場上不同單位之間的通信網(wǎng)絡主要表現(xiàn)為戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)，戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)一般采用Ad Hoc 網(wǎng)絡，即無線自組織網(wǎng)絡。

NS2 可以實現(xiàn)對于無線自組織網(wǎng)絡的仿真分析，可以實現(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 腳本設置仿真場景，TCL 腳本可以設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)點的位置信息等；然后設置好步長，每次仿真一個仿真步長的時長；最后通過tr 文件來分析戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)的效果。一個有5 個節(jié)點的仿真場景設定值如表13所示。

表13 網(wǎng)絡仿真場景參數(shù)設定值Tab.13 Parameter settings for network simulation scenario

在設置節(jié)點位置時可以設置能夠實時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設置，且天線增益只能設置一次，不能設置每個節(jié)點。因此，接收整個網(wǎng)絡增益的平均值。這樣就能夠模擬裝備運動時的動態(tài)特性。以某網(wǎng)絡仿真場景為例，節(jié)點0通過節(jié)點1-3傳輸封包給節(jié)點4，節(jié)點的位置變化如表14 所示，仿真步長為0.2 s，仿真時間為4 s。

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

仿真得到的數(shù)據(jù)如表15所示。

表15 網(wǎng)絡仿真場景仿真結果Tab.15 Simulation results for network simulation scenario

由于節(jié)點4運動到節(jié)點1-3的傳輸范圍以外，所以封包最終無法傳輸。

3 典型戰(zhàn)場環(huán)境對通信的影響

3.1 戰(zhàn)場大氣環(huán)境

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

除了對流層大氣模型，還有對流層氧對電磁波的吸收效應，因此要建立氧氣吸收因子模型。對流層氧對于電磁波的吸收是60 GHz 附近的許多諧振譜線吸收的總和，對流層水蒸氣吸收分為2 個部分：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、功能級模型聯(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，在平面大地坐標系下，確定視點與目標點之后，將視線在xdy平面上投影，并在投影線上均勻獲取若干個采樣點，查詢數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲得每個采樣點的高程，判斷視點與目標點的通視性。在視點與目標點之間取若干個采樣點，從采樣點1 開始，如果視點和采樣點連線的斜率小于視線的斜率，則表示當前采樣點不影響通視，推進到下一采樣點繼續(xù)比較斜率；如果視點與某采樣點連線的斜率大于視線的斜率，則視點與目標點之間不能通視。如果最終可以一直推進到目標點，則說明視點與目標點之間可以通視。

3.3 干擾機模型

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

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

將干擾機與已建立的通信系統(tǒng)功能級模型結合后，干擾機模型開始運行，通信的誤碼率開始上升，并且隨著干擾機的位置越來越接近干擾目標，干擾的效果更強。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)場景1Fig.7 Air combat scenario 1

圖8 空戰(zhàn)場景2Fig.8 Air combat scenario 2

4 模型整體運行效果

建立好上述模型后，上傳至仿真平臺運行仿真想定，飛機搭載通信模型進行交戰(zhàn)的仿真場景如圖7-8所示。

在交戰(zhàn)中，飛機之間距離較近且同向飛行時，誤碼率較小，可以進行通信；飛機之間距離較遠且相背飛行時，誤碼率較大，不能進行通信。運算結果合理，且能夠實時進行空戰(zhàn)的通信仿真。

5 結語

本文實現(xiàn)了從天線解算、鏈路仿真到軍事通信網(wǎng)絡的多粒度模型仿真，在空戰(zhàn)仿真場景中以多種粒度體現(xiàn)了模型的方向性、裝備的運動特性以及大氣、地形和干擾等戰(zhàn)場環(huán)境對通信傳輸?shù)挠绊?，并且能夠在對抗仿真中實時運行。后續(xù)會在多粒度模型的一體化調用和應用上進一步研究，為體系級對抗仿真的通信系統(tǒng)建模提供更好的支撐。