微波通信应急组网仿真系统设计✴

王博宁，尹树华，肖胜利（西安通信学院，西安710065）

微波通信应急组网仿真系统设计✴

王博宁，尹树华，肖胜利
（西安通信学院，西安710065）

针对通信保障方案生成方式及评估手段落后的问题，设计了微波通信应急组网仿真系统。系统以模块化的形式设计了体系结构，采用层次分析法构建了通信装备建模框架，通过流程图描述了仿真过程并提出仿真实现方法，实现了数据库管理，给出了通信效果评估依据及评估实现方法。最后通过日常组网训练仿真验证了系统的可行性与可靠性。系统通过虚拟评估手段为用户提供较精确的数据支撑和结果分析，可对通信保障方案生成起辅助决策作用，有效提高应急通信保障效率。关键词：微波通信；应急组网；仿真系统；虚拟评估；层次分析法

1 引言

近几年来，信息化条件下的局部战争及各种非战争军事行动频发，事件突发性强，处置时间紧迫，参与行动的力量成分多，决策下达速度快，指挥控制实时性强，大量信息必须在较短时间内完成［1］，而传统的通信保障方案生成与评估模式已经不能适应当前和未来的通信保障需求。在需求牵引和技术的推动下，各国普遍采取建立装备的计算机仿真系统，计算机仿真系统在通信保障中的应用成本小、硬件要求低、开发周期短、操作简单、携带方便，并且能够解决通信保障中场地受限、时间短、效费比低、评估手段落后等问题，计算机仿真在地理信息可视化及电磁环境可视化中已经显示出了良好的应用前景［2-7］。但是由于系统仿真与国外相比起步较晚，在系统的逼真度、联动性和训练效果上还存在很多不足，而且针对通信保障分队通信方案辅助决策的仿真系统较少，特别是还没有关于地域通信枢纽应急组网仿真系统的相关报道。

在此背景下，本文以Visual Studio为开发平台，用C＃和Matlab混合编程，以SQL Server2003为数据库，通过调用MapX控件，目的在于设计一套易于操作、功能完善的微波通信应急组网仿真系统，使其能够模拟装备、地形、气候等要素［3］，显示通信节点在地理环境中的位置［4］；能够进行节点间通信效果评估，为判断通信组网方案的合理性提供支撑，并能够给出合理的组网建议，有效提高通信保障的效率及质量。

2 系统体系结构

微波通信应急组网仿真系统从通信保障的实际需要出发，采用面向对象分析的程序设计方法，结合通信装备的机动、技术性能及操作特点，将整个系统分为地理信息设置、环境设置、机动配置、技术参数输入及仿真结果显示5个模块，利用工程软件管理工具完成各模块与数据库的连接，如图1所示。

（1）地理信息设置模块

地理信息是应急条件下组网考虑的主要因素，包括地形、地物、经纬度、高程等。导入地理信息时，根据需要通过添加或减少图层来增减地物。如果地图为栅格化文件且无经纬度或高程等信息，通过此模块进行设置，可测量距离、面积等参数。

（2）环境设置模块

环境通过地形、地物、气候及电磁环境等要素影响信号的传输。地理信息设置完毕后，根据实际天气、地物等情况设置气候和电磁环境，通过地形、地质、地空大气层等因素量化其对通信参数产生的影响。

（3）机动配置模块

机动配置是通信保障中台站在相应地域的位置设置。按照上级指示和通信保障要求，根据地形、地物及电磁等环境的影响，用户应合理设置通信节点的位置。系统将节点设置情况及节点信息自动存取到数据库，可视情修改节点具体信息，并根据设置情况自行判断通信装备内部有无交叉干扰。

（4）技术参数输入模块

技术参数是台站工作必不可少的要素。模块通过系统生成的通信装备模型，输入台站、设备及天线等相应的技术参数。系统界面按照装备的操作和技术特点设计，使用者能够按照实际的运用进行操作，提高系统的操作性。

（5）仿真结果显示模块

仿真结果是通信效果的评估依据，包括信道传输的路径、地形对信号传输的阻碍及电磁在空间的分布情况。模块按照微波通信原理建立数学模型，将环境修正的参数及所需的技术参数等输入到数学模型，根据仿真结果进行组网验证，计算并显示台站通信覆盖范围，向使用者提供组网建议。

3 系统设计

3.1 层次化通信装备建模框架设计

系统需要通信装备建模工具来支撑其通用性和扩展性，以便系统使用者在不同仿真级别和不同类型通信装备模型的仿真应用中，提高模型的开发效率和系统的使用效率，从而加强模型间的互操作性和重用性［8］。为了提高组网仿真的高效性，设计了可扩展的建模框架。

构建统一建模框架并建立规范化模型数据库，可为装备建模奠定模型基础。本设计根据通信装备的硬件组成及其功能需求，采用层次分析法，建立了一套规范的模型构建模式。其创建Submodel.cs和Submodelfactory.cs两个公共类来收集装备相关数据，通过Model.cs类调用两个公共类支持仿真实体的构建。层次化模型设计模板如图2所示。

用户按照操作步骤在装备模型框架中输入设备的相关参数，便可生成相应的通信装备模型。该模型框架可实现建模的公共底层功能，尽量向用户屏蔽与建模相关的细节，使系统具有一定的通用性、易用性、可重用性和可扩展性，以减少用户的负担。

3.2 仿真过程描述及仿真实现

3.2.1 仿真过程描述

仿真过程按照通信装备的机动性能和操作特点设计，不但降低了使用难度，还可以帮助用户熟悉装备的组网与操作运用。仿真过程以任务为牵引，依托各功能模块进行描述。本文以流程图的方式表达各模块的相互联系，如图3所示。

3.2.2 仿真实现

微波通信为视距通信，系统主要对通信传输剖面及电磁环境进行仿真。通过Visual Studio调用Matlab文件，采用C＃与Matlab混合编程的方法，根据台站的位置、功率、天线方向性、频率等数据，结合传播路径上的地理及环境信息，运用对应频率段上的电波传播模型，计算出通信传输中的相关数据，调用Matlab绘制通信传输剖面图，显示传输路径中菲涅尔区受地形的阻碍情况。计算台站产生的空间电磁场强覆盖，得到覆盖地域内每个空间点上的电磁场强分布数据，根据等值线的原理，用颜色填充等值线中间的区域，进行电磁态势二维云图渲染，将场强覆盖范围可视化。

3.3 数据库管理

在数据库管理和维护中，主要实现对基础数据库以及系统所需各种数据库的管理和维护，为各子系统提供对系统数据库的统一数据存取与访问控制［9］。仿真系统以Visual Studio为平台，通过ADO. NET与SQL Server数据库建立连接，其功能主要包括数据存储与修改、数据库备份与恢复、数据库连接配置及特定格式数据的导入等。

系统包括装备模型、地图、台站配置、节点参数及评估结果5个数据库。装备模型数据库存储通信装备模型框架生成的模型，以提高装备模型的重用性；地图数据库是MapX自带数据库，通过Visual Studio调用MapX控件实现，主要存储地形、地物、高程及经纬度等地理信息，Mapx除支持*.gst、*.tab等格式，还可支持其他的栅格和方格格式，包括*. sid、*.ecw、*.grd、*.grc、*.dem等；台站配置数据库主要存储台站布局及区域态势等信息，包括台站名称、属性、经纬度及高程等，并可根据系统优化结果进行修改；节点参数数据库存储台站参数及所处环境的数据信息，台站参数包括收发频率、功率及天线相关参数等，环境数据包括大气衰减率、大气折射率、地表电导率及地表相对介电常数等；评估结果数据库存储余隙、菲涅尔半径、接收功率、输入信噪比和接收机灵敏度等数据以及通信效果评估结果，为用户提供直观的建议。

4 系统评估

4.1 节点间通信效果评估

为保证通信保障方案的可行性与可靠性，依据任务目标以及现有装备和技术条件，对所生成的方案进行效果评估。效果评估的准确性影响训练效果和辅助决策的正确性。节点间通信效果评估条件如下。

（1）当Hc≥F1≥F0时，不存在菲涅尔区受障碍物阻挡引起的损耗，符合微波传输的条件［10］。

式中，Hc为传播余隙；Ht和Hr分别为发射、接收两端天线的高度；Hs为自地面或海平面起的地形最高点的高度；K为等效地球半径因子，在地球温带的中值为K=4／3，此时最小菲涅尔半径F0=0.577 F1；R0为地球半径。

（2）接收信号强度不低于接收机灵敏度，接收信噪比不低于额定信噪比，即：

式中，Es为接收信号场强；EN1，EN2，…，ENn为不相关的且落入接收机宽带内的有效噪声和干扰场强；SNRR为接收机指定业务的最低输入信噪比；VR为接收机天线感应电压；LE为接收天线有效长度；GR为接收天线增益；VSEN为以电压形式表示的接收机灵敏度。

（3）根据接收机自动增益控制（AGC）的设计范围，接收功率满足接收机对输入功率的要求［10］。

式中，Pr和Pt分别为接收功率和发射功率，Gt和Gr分别为发射天线增益和接收天线增益，Ld为空间损耗，Lf为波导损耗。

4.2 评估实现

评估实现主要解决仿真信息实时记录和存储、评估算法程序设计、结果数据分析及评估报告生成等问题。在评估过程中，将地图、设备、台站配置及节点参数等信息实时记录，系统按照评估条件分析仿真数据，将结果以不同传输线的形式显示出来。当接收功率满足条件时，根据信噪比的不同，可将通信质量分为优、良、中、差4个等级，分别用红、绿、蓝、黑表示。最后将评估结果显示于评估报告中。

4.3 组网实例

以日常组网训练仿真为例，在标准化模型框架中输入装备技术参数生成装备模型，设置地形、气候等地理环境信息及通信装备机动位置，机动配置如图4所示。按照要求输入频率、速率、功率及天线等相关参数，在战场环境模块中读取距离等参数信息。最后运行系统进行仿真，基址1与前指传输剖面视图如图5所示。图中直线为传输射线，曲线分别为第一、第二菲涅尔区，F1=8.85 m，F2=13.27 m，余隙Hc=25 m，余隙均大于第一、第二菲涅尔半径；接收机AGC设计范围为10 dB，要求输入信号功率为-41～-51 dBmW，接收功率为-44.1 dBmW，符合要求；信噪比为27 dB，大于额定信噪比20 dB。综上所述，系统将传输线绘制为蓝线，表示通信质量等级为中，虽有较小杂音，但符合通信要求，与实际通信效果一致。

5 结语

本文提出了微波通信应急组网仿真系统的设计方案，系统能够将通信装备实体、环境等纳入一个仿真联邦中，为用户提供便于操作、功能完善的仿真平台。建立层次化通信装备建模框架，为装备仿真建模奠定了实体和功能模型基础，提高装备模型的互操作性与重用性，实现了系统仿真，建立相关数据库，并给出了通信效果评估依据及实现方法。本研究在Visual Studio中初步完成了微波通信应急组网仿真系统的设计，验证了系统的可行性与可靠性，可对制定通信保障方案起辅助决策作用。然而，我们的研究只对微波通信应急组网进行了仿真，为了进一步完善系统，应对整个通信枢纽应急组网进行仿真。

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WANG Bo-ning was born in Baoding，Hebei Province，in 1984.He is now a graduate student.His research concerns technology and training of new military communication equipment.

尹树华（1952—），男，黑龙江巴彦人，教授，主要从事通信装备与光接入网络研究；

YIN Shu-hua was born in Bayan，Heilongjiang Province，in 1952.He is now a professor.His research concerns communication equipment and optical access network.

Email：shuhua-y＠126.com

肖胜利（1962—），男，陕西西安人，副教授，主要从事网络技术研究。

XIAO Sheng-li was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1962.He is now an associate professor.His research concerns network technology.

Design of a Simulation System for Microwave Communication Networking in Emergent Condition

WANG Bo-ning，YIN Shu-hua，XIAO Sheng-li
（Xi′an Communication Insititute，Xi′an 710065，China）

For the backwards of communication guarantee scheme generation and assessment measure，a simulation system for microwave communication networking in emergent condition is designed.The system architecture is designed in modular form，modeling framework for communication equipment is established by analytic hierarchy process，simulation process is described through the flow chart and the simulation realization method is presented.The database management is realized，the evaluation basis ofcommunication effectand realization method for evaluation are provided.Finally，the feasibility and reliability of the system are tested through the daily network training simulation.The system can provide accurate data support and result analysis for the users through virtual evaluation methods.It plays an assistant decision role in communication guarantee scheme generation and improves the efficiency of emergency communication guarantee effectively.

microwave communication；emergency network；simulation system；virtual evaluation；analytic hierarchy process

TN925；TP391.9

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.031

王博宁（1984—），男，河北保定人，西安通信学院硕士研究生，主要研究方向为军事通信新装备技术应用与组织训练；

1001-893X（2012）03-0404-05

2011-11-01；

2012-01-19