超短波電臺網(wǎng)模型研究

周　明，曾廣軍，魯云軍，王　龍

（國防信息學(xué)院，武漢　430010）

超短波電臺網(wǎng)模型研究

周明，曾廣軍，魯云軍，王龍

（國防信息學(xué)院，武漢430010）

超短波通信是軍事通信中廣泛應(yīng)用的通信方式，如何根據(jù)應(yīng)用需要建立適合的網(wǎng)絡(luò)與通信模型是作戰(zhàn)建模與仿真中經(jīng)常遇到和需要解決的問題。分析了當(dāng)前超短波通信建模研究的現(xiàn)狀，在詳細(xì)探討建模需求的基礎(chǔ)上，提出了超短波電臺網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，給出了有效通信距離簡化模型，以及考慮戰(zhàn)場電磁環(huán)境和地理環(huán)境的通信鏈路質(zhì)量模型，最后進(jìn)行了仿真實驗驗證。該模型能夠有效解決作戰(zhàn)模擬中超短波通信效果對于作戰(zhàn)效能影響分析的問題，簡化了模型設(shè)計，提高了模型應(yīng)用性，也為短波、微波、衛(wèi)星等其他類型網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計提供了參考建模方法。

超短波通信，網(wǎng)絡(luò)模型，作戰(zhàn)模擬

0　引言

超短波通信由于具有頻帶寬、穩(wěn)定性好、建立迅速、機動靈活等優(yōu)點，在戰(zhàn)術(shù)指揮控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，是信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)的基礎(chǔ)通信手段。作戰(zhàn)模擬作為一種研究軍事問題的重要方式，關(guān)鍵在于能否近似真實地描述作戰(zhàn)過程，通信是其中重要的組成部分。建立符合應(yīng)用需求的超短波電臺網(wǎng)模型，合理描述其對作戰(zhàn)的影響效果，對于達(dá)成作戰(zhàn)模擬目標(biāo)具有重要意義。當(dāng)前，超短波通信模型的研究內(nèi)容主要集中在電臺設(shè)備、通信信道和電磁信號等方面，而根據(jù)作戰(zhàn)模擬的需求，從網(wǎng)絡(luò)層次來分析超短波電臺網(wǎng)運行狀態(tài)和通信效果則較少。例如，文獻(xiàn)［1-3］從超短波傳播特性的角度建立和分析了超短波通信鏈路模型，文獻(xiàn)［4-6］探討了使用OPNET、SIMULINK、ADS等仿真工具研究超短波跳頻信道的變化狀態(tài)特征，文獻(xiàn)［8-9］研究了各種干擾方式條件下超短波通信效果和對抗策略。這些分析方法或研究內(nèi)容雖然較為深入細(xì)致，但主要致力于超短波電臺設(shè)備和信號級別的建模與仿真，存在著模型建立復(fù)雜、輸入數(shù)據(jù)要求高、運算量大等不足。本文針對上述超短波通信建模與仿真過程中存在的問題，提出了構(gòu)建超短波電臺網(wǎng)模型的方法，可以有效描述超短波通信網(wǎng)絡(luò)特征，反映網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)對作戰(zhàn)的影響，同時簡化了模型設(shè)計，減小了模型的運算量，提高了模型運行效率。

1　建模需求

超短波電臺網(wǎng)模型由于建模目的和應(yīng)用條件各異，其描述重點、建模精度、作用體現(xiàn)等要求不盡一致，但總體來講，存在著以下方面的需求。

1.1模型應(yīng)以達(dá)成應(yīng)用目的為建模標(biāo)準(zhǔn)

超短波電臺網(wǎng)模型可用于作戰(zhàn)指揮對抗模擬、網(wǎng)系組織運用訓(xùn)練、裝備作戰(zhàn)效能驗證等許多方面，核心在于能夠體現(xiàn)超短波電臺網(wǎng)對作戰(zhàn)指揮過程中掌握情況、分析判斷、定下決心和作戰(zhàn)組織等指揮活動的影響與作用，而不是描述電臺本身或部件的工作運行狀態(tài)。同時，一般模擬想定會設(shè)定一些特定場景，建模的重點在于能夠支持這些場景，而不需要面面俱到。

1.2模型應(yīng)體現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)特征

許多作戰(zhàn)模擬往往通過部隊擁有的電臺種類和數(shù)量來描述通信保障能力，但這樣做無法體現(xiàn)信息化作戰(zhàn)特點，根本原因在于通信保障能力的大小不直接取決于通信設(shè)備，而是體現(xiàn)在應(yīng)用這些通信設(shè)備所構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)上，因為通信對作戰(zhàn)影響的根本在于作戰(zhàn)信息能否實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確和正確地傳遞，而信息的傳遞必須通過通信網(wǎng)絡(luò)，因此，超短波電臺網(wǎng)模型必須著重描述網(wǎng)絡(luò)特征。

1.3模型應(yīng)體現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境影響

戰(zhàn)場環(huán)境是戰(zhàn)場及其周圍對作戰(zhàn)活動有影響的各種情況和條件的統(tǒng)稱，模擬過程中，是部隊作戰(zhàn)行動的重要約束條件，對電臺設(shè)備的組織運用和效能發(fā)揮也是一樣。指揮信息的傳遞狀況與超短波電臺網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)密切相關(guān)，而網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)除了取決于電臺的工作狀態(tài)，還受到戰(zhàn)場環(huán)境的影響。建模時，需要根據(jù)電臺的工作特性和想定中的設(shè)定條件作適當(dāng)考慮，尤其是戰(zhàn)場電磁和地理環(huán)境對超短波通信的影響。

1.4模型應(yīng)滿足模擬系統(tǒng)運行效率要求

模擬系統(tǒng)運行效率與模型準(zhǔn)確性是一對矛盾體。從建模的角度，為了能夠精確地描述各種條件下的通信狀態(tài)和作用過程，最大程度地貼近真實情況，當(dāng)然需要模型非常細(xì)致，但這往往會導(dǎo)致模型非常復(fù)雜、計算量大，從而影響到模擬系統(tǒng)整體運行效率。尤其是當(dāng)前采用分布交互式仿真體制的聯(lián)合作戰(zhàn)模擬，具有戰(zhàn)場實體多、交互信息量大、協(xié)同動作復(fù)雜、對通信時效性要求高等特點，要求超短波電臺網(wǎng)模型在盡量減少計算量的同時，能夠提供滿足模擬要求的通信保障效果結(jié)果數(shù)據(jù)，這意味著必須對模型進(jìn)行合理簡化。

為了滿足上述建模需求，首先需要建立超短波電臺網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后針對其中關(guān)鍵性問題，在考慮一定戰(zhàn)場環(huán)境的基礎(chǔ)上，建立簡化模型。

2　超短波電臺網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)是從某種相同類型的實際問題中抽象出來的模型，被稱為某類型的網(wǎng)絡(luò)，主要由點和線構(gòu)成，表示諸多對象及其相互關(guān)系。超短波電臺網(wǎng)是由兩部以上有相互關(guān)系的超短波電臺組成。在軍事上，為了便于組織和分析，即使戰(zhàn)場上存在著許多超短波電臺，也會人為地按照一定的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分為多個超短波電臺網(wǎng)，例如按電臺的使用頻率、工作模式和使用單位等。建模時，根據(jù)軍事習(xí)慣和網(wǎng)絡(luò)的組成要素，將網(wǎng)絡(luò)的點稱為節(jié)點，對應(yīng)的是某部超短波電臺設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的線稱鏈路，對應(yīng)的是兩部無線電臺之間的關(guān)系，這樣，任何超短波電臺網(wǎng)均可通過以下模型描述：

NET：：=＜N，L，A＞，其中，N表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)組集合，L表示網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)組集合，A表示網(wǎng)絡(luò)屬性；

N：：=＜NID，NEquip，NLinks，NNet，NState＞，其中，NID表示節(jié)點標(biāo)識，NEquip表示節(jié)點關(guān)聯(lián)的超短波電臺設(shè)備，NLinks表示節(jié)點連接的鏈數(shù)組集合，NNet表示節(jié)點所屬的網(wǎng)絡(luò)，NState表示節(jié)點狀態(tài)，如未開通、開通中、已開通、失效、靜默等；

L：：=＜LID，LNode1，LNode2，LNet，LConnected，LQuality＞，其中，LID表示鏈路標(biāo)識，LNode1表示鏈路連接的一個節(jié)點，LNode2表示鏈路連接的另一個節(jié)點，LNet表示鏈路所屬的網(wǎng)絡(luò)，LConnected表示鏈路的連接狀態(tài)，LQuality表示鏈路的通信質(zhì)量；

A：：=＜AID，ANodes，ALinks，AState＞，其中，AID表示網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，ANodes表示網(wǎng)絡(luò)擁有的節(jié)點數(shù)組集合，ALinks表示網(wǎng)絡(luò)擁有的鏈路數(shù)組集合，AState表示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如未開通、開通中、已開通、靜默等。

模型中鏈路的連接狀態(tài)（或通斷狀態(tài)），即LConnected的值，由兩端節(jié)點關(guān)聯(lián)的超短波電臺設(shè)備工作狀態(tài)決定，連通條件為：①均處于開機工作狀態(tài)；②傳輸速率相同；③距離在有效通信距離以內(nèi)；④鏈路通信質(zhì)量滿足最低質(zhì)量要求；⑤工作模式（定頻、跳頻或擴(kuò)頻等）相同；⑥定頻模式下，工作頻率、業(yè)務(wù)種類相同；⑦跳頻模式下，跳頻表號、跳頻網(wǎng)號、跳頻密鑰號、跳頻業(yè)務(wù)種類相同。如果有一個條件不滿足，則該條鏈路為斷。從模型中可以看出，除了有效通信距離和通信質(zhì)量外，其他數(shù)據(jù)都可以通過超短波電臺設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)直接獲取，因此，需要重點解決。

3　有效通信距離模型

超短波通信為視距通信，傳播電波為自由空間波，兩電臺間的最大通信距離為：

式中，C為光速（m/s），f為電臺工作頻率（Hz），Pt為電臺發(fā)射機功率（W），Gt為發(fā)射天線增益，qr為接收天線增益，Pr1為接收機靈敏度。

由于該式計算量較大，需要的電臺參數(shù)數(shù)據(jù)多，而且多是出廠數(shù)據(jù)，通信距離與實際應(yīng)用可能有較大出入，因此，計算結(jié)果不一定準(zhǔn)確。但由于電臺的通信距離與工作頻率成反比，與發(fā)射功率的平方成正比，因此，可以利用電臺測試數(shù)據(jù)，通過簡單的比例關(guān)系，得出在某一工作狀態(tài)下的有效通信距離為：

式中，fs為測試時的工作頻率（Hz），ft為當(dāng)前工作頻率（Hz），Ps為測試時的發(fā)射功率（W），Pt為當(dāng)前發(fā)射功率（W），Rs為測試得到的通信距離（m）。

4　通信質(zhì)量模型

4.1傳播損耗的計算

通信傳播損耗模型有很多，但根據(jù)作戰(zhàn)模擬的特點，為了減小運算量，可以使用近似模型來確定實際應(yīng)用中的傳播損耗。

兩部超短波電臺的天線高度和某一電臺的發(fā)射頻率決定了傳播損耗中的相位抵消與擴(kuò)散損耗哪一個更明顯，采用的傳播損耗模型也不一樣。如果接收機與發(fā)射機之間的距離低于菲涅耳區(qū)距離，則為視距傳播，否則，則為雙線傳播。菲涅耳區(qū)距離由下式計算得到：

式中，F(xiàn)Z為菲涅耳區(qū)距離（m），ht為發(fā)射天線高度（m），hr為接收天線高度（m），λ為波長（m）。

視距傳播損耗為：

式中，Lp為傳輸損耗（dB），f為發(fā)射機頻率（MHz），d為電臺間距離（km）。

雙線傳播損耗為：

式中，Lp為傳輸損耗（dB），ht為發(fā)射天線高度（m），hr為接收天線高度（m）。

考慮戰(zhàn)場地理環(huán)境因素，電臺信號傳播路徑上經(jīng)常遇到山峰或若干孤立障礙物，此時的傳播損耗與刃峰繞射（KED，Knife-Edge Diffraction）估計所得的損耗近似：

4.2信噪比的計算

信噪比（SNR，Signal-Noise Ratio）是接收機端接收到的有用信號與干擾噪聲的比例。有用信號是發(fā)射機發(fā)送的傳播損耗后的信號強度，而干擾噪聲有自然輻射、軍用設(shè)備和民用設(shè)施電磁輻射等諸多來源。

接收機接收到的有用信號功率為：

式中，Pr為接收功率（dBm），Pt為發(fā)射機發(fā)射功率（dBm），Gt為發(fā)射天線增益（dB）。

作戰(zhàn)模擬重點關(guān)注干擾機對通信的影響，同時考慮其他因素，因此，可以將干擾源分為背景干擾和干擾機干擾兩類，然后分別建模。對背景干擾，可以采用網(wǎng)格法處理，具體方法為：將作戰(zhàn)地域按橫軸和縱軸均勻切割形成網(wǎng)格；依據(jù)平時測試得到的因自然輻射和民用設(shè)施電磁輻射而形成的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，計算得出網(wǎng)格中每一格的電磁信號功率；采用前面有用信號功率的計算方法，計算戰(zhàn)場上軍用設(shè)備電磁輻射在每一格上的信號功率；最后，將前兩類信號功率疊加，計算得出每一格上的背景干擾功率。對于干擾機的干擾，需要根據(jù)干擾機的干擾方式和超短波電臺的工作模式來確定，本文僅探討阻塞式干擾和瞄準(zhǔn)式干擾對采用定頻和跳頻工作模式的電臺的干擾影響。

首先計算超短波電臺是否受到干擾，主要是根據(jù)干擾機的干擾范圍，看定頻工作模式下電臺的工作頻率點是否落在干擾頻段范圍內(nèi)，或跳頻工作模式下電臺的跳頻頻段范圍與干擾頻段范圍是否有交叉，如有，則需要采用前面有用信號功率的計算方法，計算每一臺干擾機的干擾功率。

如果電臺不受干擾機干擾，則信噪比為：

式中，SNR為接收機端信噪比（dB），Ke為背景干擾功率的調(diào)整系數(shù)，用于根據(jù)模擬需求改變背景電磁環(huán)境對電臺信噪比的影響大??；Pe為接收機所處地域網(wǎng)格的背景干擾功率（dBm）。

如果受到干擾機干擾，則對于定頻工作方式電臺，信噪比為：

式中，Pgi（i∈｛1，2，…n｝）為接收到的每一個干擾機的干擾功率（dBm）。

對于跳頻工作方式電臺，信噪比為：

式中，Ri為i第個干擾機干擾的頻段范圍長度值，Rall為跳頻范圍長度值。

4.3通信質(zhì)量的計算

在作戰(zhàn)模擬中，超短波鏈路的通信質(zhì)量是通信通斷、路由選擇、流量分配等分析和計算的依據(jù)，一般很難用信噪比直接計算，而是需要轉(zhuǎn)化處理：

式中，Qr為通信質(zhì)量值，SNR1為信噪比下限（dB），SNR u為信噪比上限（dB）。

轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是確定信噪比的下限值和下限值，一般需要根據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)類型、電臺調(diào)制方式和糾錯能力等確定，例如，語音通信對信噪比的容忍度是最高的，而數(shù)據(jù)通信則與之相反；電臺調(diào)制方式有線性、非線性、數(shù)字、脈沖模擬和脈沖數(shù)字等多種，對信噪比的要求各不相同。很多情況下，通過建立數(shù)學(xué)型的方式來計算上下限將會非常復(fù)雜，甚至根本無法實現(xiàn)，因此，可以采用近似方法來確定。當(dāng)前軍用超短波電臺一般采用數(shù)字調(diào)制方式，當(dāng)接收機接收到的信噪比為0時，誤比特率約為50%；小于0時，誤比特率不會明顯增加；大于0時，誤比特率的下降斜率約為信噪比的一階函數(shù)。一般認(rèn)為，一個數(shù)字信號只需要用0dB信噪比進(jìn)行1/3時間的干擾則有效，因此，可以設(shè)定SNRL=0；當(dāng)信噪比大于18時，信號誤比特率已經(jīng)極低，因此，可以設(shè)定SNR u=18。當(dāng)然，信噪比的上限值和下限值也可以根據(jù)電臺實測的通信質(zhì)量數(shù)據(jù)設(shè)置，這樣更為準(zhǔn)確。

通過以上步驟計算得到的是有向鏈路質(zhì)量，很多情況下可能通信鏈路為無向鏈路，此時，鏈路通信質(zhì)量為：

式中，Qr1為第2部電臺到第1部電臺的通信質(zhì)量，Qr2為第1部電臺到第2部電臺的通信質(zhì)量。

5　仿真實驗驗證

為了驗證超短波電臺網(wǎng)模型的有效性，建立如圖1所示的實驗驗證想定，在某一作戰(zhàn)地域內(nèi)部署有紅藍(lán)雙方仿真實體。紅方實體有6部超短波電臺，開設(shè)兩個超短波電臺網(wǎng)N1和N2，N1由R1、R2、R3、R4這4部超短波電臺組成，采用定頻工作模式，鏈路L1和L2的超短波通信距離符合雙線傳播模式；N2由超短波電臺R5和R6組成，采用跳頻工作模式，兩電臺之間存在山峰阻礙。藍(lán)方實體有4部干擾機E1、E2、E3、E4，其中，E1、E2對R3實施阻塞式干擾，E3、E4對R6實施瞄準(zhǔn)式干擾。該作戰(zhàn)地域范圍內(nèi)的背景干擾功率與調(diào)節(jié)系數(shù)的乘積為-74.04 db。

圖1　實驗驗證想定示意圖

令超短波電臺R1、R3、R6的位置固定，分別通過移動超短波電R2、R4、R5，從而改變鏈路L1、L2、L3的有效通信距離。令L1、L2、L3的通信質(zhì)量為Q1、Q2、Q3，綜合本文之前提出的有效通信距離模型、傳播損耗模型、信噪比及通信質(zhì)量模型，經(jīng)Matlab軟件仿真，可得Q1、Q2、Q3與其對應(yīng)鏈路有效通信距離的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　通信質(zhì)量與鏈路長度關(guān)系圖

由圖2可歸結(jié)出：

①采用定頻工作模式并符合雙線傳播方式時，受到干擾后，超短波電臺的有效通信距離由20 km（曲線Q1與橫軸交點橫坐標(biāo)值）縮短為6.56 km（曲線Q2與橫軸交點橫坐標(biāo)值）；而且，通信距離相同時，受干擾后的通信質(zhì)量要比不受干擾時的通信質(zhì)量差。

②通信距離在8.35 km至47.93 km之間時，超短波電臺在跳頻模式和刃峰繞射傳播方式且有干擾工作時的通信質(zhì)量（Q3），可能會優(yōu)于在定頻模式和雙線傳播模式下工作且無干擾時的超短波電臺的通信質(zhì)量（Q1），這是因為在刃峰繞射傳播模式下，超短波的繞射將會對有用信號的功率起到加強的作用。

6　結(jié)論

本文根據(jù)作戰(zhàn)模擬對超短波通信的建模需求，分析了當(dāng)前建模與應(yīng)用的局限性，提出了超短波電臺網(wǎng)模型的建模方法，給出了超短波電臺網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，著眼于減小模型運算量和提高運行效率，探討了有效通信距離模型和通信質(zhì)量模型。該方法能夠支持作戰(zhàn)模擬超短波通信建模，可為其他類型的通信模型設(shè)計提供建模依據(jù)和模型參考。同時，本文給出的模型僅考慮了有限的戰(zhàn)場環(huán)境條件因素、典型的干擾機制和常用的電臺工作模式，如何使模型能夠具備足夠的適應(yīng)性是下一步需要深入研究的問題。

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Research on Ultrashort Wave Radio Network Model

ZHOU Ming，ZENG Guang-jun，LU Yun-jun，WANG Long
（Defense Information Academy，Wuhan 430010，China）

Ultrashort wave communication is widely used in military communication，how to establish a suitable network and communication model according to the requirements of the practical application is often encountered and need to be solved in themodeling and simulation of operation.The current research situation of ultrashort wave communication modeling is analyzed，on the basis of discussing modeling requirements in detail，ultrashort wave radio network model is put forward，effective communicationdistancesimplifiedmodel is present，andconsideringthebattlefield electromagnetic environment and geographical environment of communication link quality model is given，the simulation experiment is carried on finally.Thismodel can effectively solve the ultrashort wave communication effect analysis for operational effectiveness in the warfare simulation，and the model design is simplified to be applied，a reference modeling method is supplied for other types of communication model design，such aswave，microwave，satellite，etc.

ultrashortwave communication，networkmodel，warfare simulation

TP391

A

1002-0640（2016）08-0097-05

2015-06-05

2015-07-17

周明（1975-），男，江蘇海門人，講師。研究方向：軍事運籌學(xué)。