装备保障通信网络仿真与建模研究*

王 琳，杜晓明，孙 晓，刘向阳

（军械工程学院装备指挥与管理系, 河北 石家庄 050003）

历次战争表明，战时装备保障效能的高低直接制约着战争进程，甚至决定着战争的结果。实施准确、合理、高效的装备保障行动，是建立在对战场态势的实时感知和装备保障指控信息顺利传递的基础之上的，加之信息化条件下信息量巨增，使得装备保障通信的地位和作用更加突出。由于战时各种武器平台需要在运动中通信，无线通信无疑是指控信息传递、态势感知的主要手段。

信息化条件下的装备保障仿真必须考虑战场复杂的电磁环境，为了更加准确地对装备保障效能进行评估，装备保障网络通信的仿真是装备保障仿真中不可回避的、也是其基本的内容之一。

在无线通信及其干扰建模与仿真方面，美军研究开发的软件和成果较多，如在 TIMS[1]套装软件 CES（通信效果服务器）中有SINCGARS、EPLARS等无线电台仿真模型和C4I干扰分析模型CJAM；M IT林肯实验室的BCN /TES[2]中开发了通信服务器，反映了地形对战术移动通信模型的影响。总的来说,美军有比较成熟的无线网络及干扰的建模仿真工具和基础仿真平台。

相对而言，国内的战役/战术无线网络通信及干扰的建模仿真工具和基础仿真平台还处于不断发展中，军事无线通信及干扰仿真主要集中在链路级和网络级，以及对通信协议的研究，并取得了一些成果[11]。对无线通信及干扰的系统级仿真和作战效能评估的研究还较少，在装备保障仿真平台中的应用还处在起步阶段。

1 通信模型主体设计

对装备保障通信进行仿真，需要在模型中体现以下几方面:1）通信装备的战技术性能指标；2）地形、植被、天气、噪声及环境噪声等战场动态因素的影响；3）装备保障业务的执行流程；4）敌方电子战对通信干扰的影响情况。

仿真过程中，关心的是保障信息能否及时、准确地被接收者收到，也就是连通性和通信时延等指标。

从建模的角度来说，通信装备不同的技战术性能指标主要区别在于给系统的输入参数不同，因而影响着传播方式（天波、地波、直射波等）以及无线信号传播模型的选择，但模型总的结构是相同或者相近的。

保障信息传递时经历的节点以及节点之间的连接关系直观而准确地反映出了装备保障业务的执行过程，为分析保障业务流程和有关单位的重要性提供了有力依据。

通信阻断主要有两种[3]:一种是阻止敌方获取己方的信息，另一种是阻止敌方获取敌方自身的信息。前一种成为信息防护，后一种成为信息进攻。在模型中主要模拟敌方对我进行的信息进攻。

1.1 通信模型与仿真系统的关系

考虑到现实中的信息处理中心并非指挥控制中心，而且要为以后更进一步分析装备保障通信网络的拓扑结构提供支撑，本文采用分离式[4]的仿真方法，将其作为一个独立的邦员进行仿真，如图1所示。

图1 通信模型与仿真系统的关系

当系统需要通信时，通过与RTI进行交互启动通信模型，通信模型对通信的情况进行仿真，并以仿真结果影响系统和驱动其它模型的运行，如图2所示。

图2 通信模型的驱动关系

仿真系统为通信模型提供基本信息，其它模型为其提供运行信息，同时通信模型通过通信仿真的结果又影响其它模型的运行。

基本信息主要包括:1）所有的通信节点（通信装备的映射）；2）通信路径（通信业务或者编制的关系）；3）通信节点的位置信息、装备信息（包括装备型号、损伤情况等）。

运行信息主要包括:1）其它模型为通信模型提供通信双方的通信装备码、通信时间、通信内容、通信类型等；2）通信模型将输出通信情况的仿真结果（包括信息传递的时间、信息传递经历的通信节点和边等），从而影响或控制其它模型的运行。

通信仿真模型主要包括:通信想定模型、网络拓扑结构模型、链路生成模型和无线通信及干扰模型。

各模型主要功能如下:

通信想定模型:读取仿真想定，并初始化通信网络；

网络拓扑结构模型:维护、更新通信网络的节点和边的相关信息；

链路生成模型:根据保障业务及节点之间的连接关系，生成可能的通信链路；

无线通信及干扰模型:对生成的每一条通信链路，计算其上有用信号及干扰信号的强度，进而判断该链路上无线通信的结果。

1.2 通信邦员运行流程

通信仿真邦员随仿真系统一同启动。首先根据仿真想定初始化拓扑结构，生成通信节点以及节点之间的连接关系并存入数据库，尔后随着仿真步长的推进，实时对节点信息和通信干扰信息进行维护更新（由数据库支持），同时每步长检测是否有待发的信息，如果有则进行无线通信的仿真，然后输出仿真结果。当仿真结束时退出联邦，否则返回检验是否有待发信息。通信邦员的运行流程如图3所示。

图3 通信邦员运行流程图

1.3 无线通信及干扰仿真流程

现以一次数据传输为例分析整个通信过程及各模型之间的关系。发信机将有用信息转化为电磁波并通过天线发送出去；电磁波传播损耗由传播损耗模型计算得到；接收机通过接收天线获取电磁波能量，得到接收功率，同时天线还接收到空间环境中的噪声和敌方的干扰功率，根据收信机的信噪比和接收到的信号电平，判断此次通信的结果，并计算整个通信过程的通信延时，并作为结果一同输出。这就是一次通信过程的基本描述。无线通信及干扰的仿真流程图如图 4所示。

2 无线通信及干扰模型

由于关心的重点是通断问题，模型中不再包含无线信号的产生、调制、解调、误码、纠错等方面的模型，重点考虑传输天线、无线信号的传输损耗、接收信号强度、干扰信号强度、灵敏度及信噪比的建模。

图4 无线通信仿真流程图

2.1 天线模型

天线的三个重要参数分别是[3]:响应频率、方向性和阻抗特性。响应频率决定天线可以有效信号发射的带宽；方向性体现天线在特定方位上对能量的聚集能力；阻抗特性的重要性在于，当负载与源之间的阻抗共轭匹配时，可以保证从源向包括天线在内的负载传输功率最大。其中，最值得关注的是天线的方向性参数，因为它在特定方位上的增益影响着无线信号的传输强度。

天线的方向性由增益方向图给定,增益方向图表示天线的相对增益随视轴与信号到达方向之间夹角的变化关系。常见的天线增益图有全向图、扇形、sinxx形，cos2形和 cosec2形等，由天线制造厂测量和公布[5]。不同的天线种类，其有效面积、增益效果也都不同，常见的天线主要有全向天线，无线天线、有源天线，日径天线等，其中无线天线又包括单极天线、偶极天线、环形天线、八木天线等。日径天线包括抛物面天线和天线阵[3]。

建模中主要考虑天线的主瓣与旁瓣的方向性、有效面积、天线仰角等参数，计算任一时刻坐标系中空间点（时间、位置、方向）上的增益值。军用的短波、超短波电台使用鞭状天线（whip antenna），鞭状天线在窄频段范围内提供全方位不变的2dB增益。对于无线干扰机来说，天线在主瓣方向上对干扰信号具有最大的增益。

2.2 传输损耗与接收功率模型

无线信号在介质中传输、经过障碍物都会产生不同程度的损耗，其损耗值一般在几十分贝到200分贝之间。无线信号的损耗与传播的方式、路径、经历的介质、天气情况等都有密切联系，因此无线信号传输损耗模型也有许多，文献[6]中详细地描述了反射、绕射、散射、阴影衰落及地形影响等电波传播模型，给出了Longley-Rice, Durkin, Okumuna, Hata, LEE, Egli,Carey和TIREM等无线传播模型，文献[3-5]a和b也提供了许多相通或相似的模型，我们可根据研究的需要选择相应模型进行开发。由于低VHF频段是地面移动军事部队通信使用最频繁的频段，而且大多数战术无线电台都工作在该频段，因此主要考虑该频段无线电波的传输方式，选取 Rn模型[7]来计算。

与发射机相距R处的平均路径损失由式（1）计算:

其中，R0是参考距离，室外传播条件下经常选为1km，室内传播条件下选为1m； )(RL0表示参考距离上的路径损耗，通常由测量得出，也可由式（2）估计:

N为衰减指数,由发射机到接收机路径上的地形、地面建筑和植被等障碍对电波的影响决定，参考文献[3]中给出了各种传播条件下测量得到的平均值N，统计值服从对数正态分布，N的取值范围为2～16(例如:空对空,或自由空间,或近距离(第1菲涅耳区)靠近地球表面传输时，N =2；空对地，地对空，典型值为2～4之间；靠近地球表面时，信号强度减弱快，经常用N=4)。

2.3 干扰功率模型

一般认为当清晰度小于50%时，则通信被阻断。对于模拟FM，通常认为-6dB或者更高的干信比便足以阻断通信传输，对于 AM，产生同样效果则需要大约-15dB的干信比[3]。不论是数字信号还是模拟信号，干扰效果都是由接收机端的干扰信号强度决定的。敌各种干扰源干扰信号到达接收机的功率[8]:

其中， Pti为第i个干扰源的发射功率；Gti为第i个干扰源的天线增益；L干i为第i个干扰源的传播路径损耗； Gri为受指挥飞机第i个干扰源方向上的接收天线增益。

接收机受到的干扰总功率为

其中，干扰功率的传输损耗L干i，同样可以用Rn模型进行计算。

2.4 信噪比模型

通过计算获得的接收功率、噪声功率、干扰功率等参数来计算信噪比（SNR）[9-10]。信噪比用分贝表示为

式中，Pr为接收功率； Pb为噪声功率； Pi为干扰功率，单位均为瓦（W）。

有效信噪比为

式中，Gp为接收机的有效处理增益（dB）。

对语音通信则采用接收机灵敏度的高低来判断是否能正确接收，一般认为语音清晰度在70%以上可以完全接收。在30%以下不能接收；在30%～70%之间基本上还能接收。

接收机灵敏度是指其能接收到的并仍能正常工作的最小信号,接收信号电平[5]为

其中，NF为系统噪声系数（dB）；SNR为信噪比，k是玻尔兹曼常熟，k=1.38×10-23(K·Hz)，T=开氏绝对温度值，地球大气中常假定为 290oK，B是接收机有效带宽。

式中，kTB的单位是dBM；BW是接收机的有效带宽，单位是MHz。

将接收信号电平S与电台灵敏度指标S0进行比较，当S≥S0时，能接收；否则不能接收。

3 无线通信及干扰仿真示例

为验证模型的合理性，基于 Microsoft Visual Studio 2005开发了无线通信模型及干扰的仿真程序。通过简单的试验设计，以瑞典StarCom战斗网无线电系统为例，在典型的中等起伏的地形上，无电磁干扰，一个电台发送数据，一个电台接受数据，试验发射功率相同条件下通信距离对通信效果的影响情况。试验使用设备及其它仿真参数为:车载5W电台，使用频率为80MHz，带宽25kHz，鞭状天线增益为2dB，传播衰减指数为4，背景及其它噪声功率为10-12mW。

试验内容:传输距离从1km增加到到35km时，仿真结果的变化。计算得出传输损耗、接收功率、信噪比和连通性（“1”表示通，“0”表示断）等，部分仿真结果如表1所示。

表1 发射功率不变时不同通信距离的仿真结果

从表1中可以看出，随着距离的增加，传输损耗 增大，接收功率减小，信噪比减小，连通性逐步从能连通变化为不能连通。车载电台在5w的发射功率下，通信距离达到30km。仿真结果与实际设备性能较为吻合。同样，可以通过改变仿真参数（如不同发送功率、传输速率、调制方式和天线增益等）进行各种试验，模拟战场上各种情况下的通信状况。

增加一个通信干扰源，采用一个装甲通信车，装载有超短波干扰机1台，以1 MHz步进间隔，停1 ms，在 30～90MHz超短波频段实施阻塞式干扰，干扰机发送功率为 100w，干扰天线增益为 10dB，试验从100km处，向接收机移动过程中对电台通信效能的影响。电台发射功率仍为5w，与发射机相距15km，仿真结果如表2所示。

表2 通信距离不变时不同干扰距离下通信的仿真结果

表2是只有一个干扰源的情况，为更加接近战场实际，可以增加多个不同的干扰源，也可以改变干扰源的移动线路，或改变发射功率等参数来模拟更复杂条件下的通信情况。

以上建立的模型，能从效果上较好地模拟出战场无线通信的结果以及通信干扰带来的影响。

4 结束语

无线通信及其干扰的分析建模是模拟信息化条件下装备保障不可回避的内容，对信息化条件下的装备保障效能进行评估必须考虑战场复杂电磁环境对装备保障指挥的影响。

装备保障指控网络中最基本的就是保障分队、保障对象与各级保障指挥机构之间点对点或者一点对多点的无线通信。战场上实际的通信效果不仅与使用的通信装备及其战术技术性能参数有关，还与各保障分队的地理位置、通信使用频率、地形通视判断和战场环境因素（如天气、时间、植被等）紧密相关。只有准确、合理的对无线通信链路及其干扰进行描述，才能准确的模拟实际战场中装备保障指控网络的运行情况，进而更加准确地进行装备保障效能的评估。

[1]John Peace, EricWood. The TIM Suite—A Federation forLive Virtual Simulation of C4I Systems [ EB /OL ].2000, 00F2SIW2066. http:/ /www. sisostds. Org.

[2]Kolek Stephen R, RakPaul Steven J, Christensen J.Battlefield Communication Network Modeling [ EB/OL ]. 1998, 982SIW2143. http:/ /www. sisostds. Org.

[3]Richard A.,Poisel. 通信电子战系统导论[M]. 吴汉平,等译. 北京:电子工业出版社, 2003.

[4]李志强, 胡晓峰, 司光亚,等. 作战模拟中通信系统连通性仿真算法研究[J]. 计算机仿真, 2006, 23(4):124-127.

[5]David L., Adamy. 电子战建模与仿真导论[M]. 吴汉平,等译. 北京:电子工业出版社, 2004.

[6]杨大成. 移动传播环境理论基础、分析方法和建模技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.

[7]Richard A. Poisel 现代通信干扰原理与技术[M].陈鼎鼎等译. 北京:电子工业出版社, 2005.

[8]霍文俊,曲毅,许家万. 地空通信系统的建模与仿真[J].计算机仿真, 2002, 19(3):18-20.

[9]陈敏. OPNET网络仿真[M]. 北京:清华大学出社,2004.

[10]OPNET Technologies Inc. OPNETModeler Documentation12. 0[ Z/OL ]. 2007, http:/ /www. opnet.com / support.

[11]赖仪一, 朱自强. 军事通信系统抗干扰仿真效能评估方法[J].现代军事通信,1998,6(3):14-17.