孟 琳，古 平

（陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003）

指揮控制系統(tǒng)是戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡的重要組成部分，是連接作戰(zhàn)單元、武器系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，而設備實體是構(gòu)成指揮控制系統(tǒng)的最小基本單元，是決定指揮控制系統(tǒng)功能與性能的基礎。在仿真系統(tǒng)中，實體并不是真實的設備，是對真實設備的抽象描述，由數(shù)據(jù)模型來表征。從某種意義上講，實體的數(shù)據(jù)模型就是仿真系統(tǒng)中的仿真實體，能夠支撐系統(tǒng)仿真的運行。本文中，指揮控制系統(tǒng)設備實體指的是構(gòu)建指揮控制網(wǎng)絡的HF電臺、VHF電臺、衛(wèi)星等無線通信設備以及有線傳輸設備，指揮控制系統(tǒng)設備實體主要從其靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩方面著手，描述實體的屬性和操作。實體屬性，主要描述實體靜態(tài)特征；實體操作，描述的是實體的動態(tài)特征。

1 指揮控制系統(tǒng)實體屬性建模

實體的屬性模型圍繞實體的基本屬性、過程屬性、評估屬性3個方面進行描述。基本屬性是實體最本質(zhì)的特征參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設備實體的基本屬性主要描述的是實體的頻率、通信距離、發(fā)射功率、接收機靈敏度等特征。過程屬性是實體過程中的特征參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設備實體中主要描述信息在傳輸過程中的信號衰減，噪聲等特征。評估屬性是實體質(zhì)量參數(shù)。指揮控制系統(tǒng)設備實體的評估屬性是對設備信息傳輸質(zhì)量的評估。

1.1 基本屬性的模型構(gòu)建

指揮控制系統(tǒng)設備實體根據(jù)實體的物理特征建立發(fā)射機、信道、以及接收機的基本屬性。其中包括速率屬性、頻率屬性、功率屬性、介質(zhì)屬性、距離屬性以及接收機的接收機靈敏度屬性。建立指揮控制系統(tǒng)設備實體基本屬性體系如圖1所示。

圖1 指揮控制系統(tǒng)實體基本屬性

1.1.1 傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)是指兩個通信設備之間實現(xiàn)的物理連接部分，它能將信號從一方傳輸?shù)搅硪环?。任何信息的傳輸都需要傳輸介質(zhì)。傳輸介質(zhì)包括有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)2大類，其中有線介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜、光纖等，無線介質(zhì)包括短波、超短波、微波等。

1.1.2 頻率屬性

在傳輸介質(zhì)中，信息是以電磁波的形式進行傳播的，頻率作為電磁波的固有屬性對于信息的傳輸來講是一種資源，設備實體的工作頻率范圍越寬，在波道間隔一定的情況下，劃分的波道數(shù)也就越多，可建立的信道數(shù)越多，信道帶寬也就越寬，在信噪比一定的情況下，傳輸速率越高。

設備的頻率特性通過傳輸設備的工作頻段或工作波長來表示，一般來說設備的工作頻率為運用集合描述法來表述工作頻率模型，f代表指揮控制設備實體的工作頻率，單位為MHz；λ表示設備所工作的波段，單位為m。

1.1.3 傳輸距離屬性

不同的設備實體傳輸路徑不同，根據(jù)頻率的不同，可進行天波傳播、地波傳輸或是視距傳播，不同的傳播路徑受環(huán)境影響程度不同，傳輸損耗也有所差別，因此傳輸距離會受到不同的影響。在模型中傳輸距離用字母d來表示，運用區(qū)間d=[dmin，dmax]的方式來描述傳輸距離，其中，dmin表示能夠傳播的最短距離，dmax表示能夠傳播的最遠距離，單位為km。

1.1.4 傳輸速率屬性

對于無線傳輸信道來說傳輸速率指的是發(fā)射機的發(fā)送速率，用Rb來表示，單位為bps。一般來說，無線設備的傳輸速率是可以設置的，根據(jù)香農(nóng)定理，可以得出在存在噪聲干擾信道上理論的最大傳輸速率。因此在傳輸速率的設定上應滿足以下條件：

一般情況下，受接收機和發(fā)射碼元概率分布的限制，很少能達到最大傳輸速率，對于傳輸速率的設定具有指導意義。信道容量公式為：

當SNR不變時，帶寬B即使趨于無窮大，信道容量也不會無限制增大，而只是S/N的1.44倍。這是因為當帶寬B增大時，噪聲功率也隨之增大。

對于有線介質(zhì)的傳輸設備來講，通常建立傳輸速率與距離之間的關系，在已知傳輸距離的情況下，以此為依據(jù)選定傳輸速率。傳輸距離與傳輸速率的相互關系可以用函數(shù)的形式展現(xiàn)出來，

式中，傳輸距離為變量，傳輸速率為因變量。

1.1.5 發(fā)射功率屬性

發(fā)射機的發(fā)射功率的設定應該根據(jù)接收機能接收到的信號功率進行。隨著距離的加大，傳輸損耗增加，接收機接收到的功率會減小，甚至由于接收機靈敏性的限制導致接收機無法接收到發(fā)射出的信號。所以應根據(jù)實體情況進行選擇，當與接收機距離較近時，可選用小功率進行發(fā)射，當與接收機距離較遠或信道質(zhì)量較差時，可選用大功率發(fā)射功率進行發(fā)信。功率單位為W。

1.1.6 最大起伏高度

當電磁波視距傳播時，受到地勢起伏的影響較大，當?shù)貏萜鸱^為明顯時，通信質(zhì)量會下降，嚴重時，甚至會導致無法正常通信。Δh表示視距傳輸時能夠容忍的地形最大起伏高度，當收發(fā)信機之間的地勢起伏超過此高度，則無法正常通信。Δh單位為m，其計算公式如下：

式中，λ為電磁波長，單位為m；φ為擦地角，單位為°；擦地角的確定與發(fā)射天線高度ht和發(fā)信機與接收機之間的距離d有關。

1.1.7 接收機靈敏度模型

接收機靈敏度體現(xiàn)了接收機的接收能力。接收設備的接收靈敏度越高，其靈敏度值越小，捕捉微弱信號的能力越強，對信號越敏感，但對干擾的影響反應越大。接收機靈敏度指在數(shù)值上指的是能夠接收到并正常工作的最低信號強度，當接收天線接收到的電磁波功率小于接收機靈敏度時，則不能正常接收信號。接收設備的靈敏度會受到3個因素的影響：噪聲系數(shù)、熱噪聲以及系統(tǒng)能夠提取信息的最小信噪比。

式中，NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)，其實質(zhì)為發(fā)射機的信噪比與接收機的信比的比值，即

NF的單位為dBm，一般情況下設為10 dBm；SNR為最小信噪比，單位為dB；K是玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23w（/K·Hz），T=開氏絕對溫度值，地球大氣模型中常設定為290°K，B是接收機的有效帶寬

式中，KTB的單位是dBm，帶寬B的單位是MHz。

將接收信號電平S與電臺靈敏度指標S0進行比較，當S≥S0時，能接收到信號；否則無法接收到信號。

1.2 過程屬性模型

過程屬性描述了信息傳輸?shù)倪^程。無線電發(fā)射機輸出的射頻信號通過饋線輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后由天線接收下來，并通過饋線送到無線電接收機。在信息傳送的過程中，產(chǎn)生一些規(guī)律和特性，這些規(guī)律和特性在模型中以過程屬性的形式表現(xiàn)出來，如圖2所示。

圖2 信息傳輸?shù)倪^程模型

1.2.1 發(fā)射機模型

天線增益是天線的要性能參數(shù)，用來衡量天線方向性，是對無線信號聚集在一個特定的方向能力的描述。發(fā)射天線的主要功能是將調(diào)制發(fā)來的電信號轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去，在空間傳播。天線的方向性使得不同傳播方向增益有所不同，以圖形的方式表現(xiàn)出來，便得到天線的方向圖。常見的天線增益圖有全向圖、扇形、sinx/x，cos2和cosec2等，由天線制造廠測量和公布。經(jīng)過天線發(fā)射后的信號功率在數(shù)值上等于發(fā)送功率與天線增益的乘積。

1.2.2 信道損耗模型

電磁波在傳播過程中，接收到的信號要比發(fā)射出的信號功率弱很多，這是由于信號功率遭受衰減，也就是傳輸損耗。損耗一般分為路徑損耗、大尺度損耗和小尺度損耗。

人類總結(jié)出多種信道建出一系列傳輸損耗模型地波傳輸損耗模型為：

其中，A為通信地面對電波的衰減因子，d為收發(fā)電臺之間的距離，以km為單位；he為接收天線有效高度，以m為單位。

視距通信，其常用的經(jīng)驗型電波傳輸損耗模型有ECAC模型、Rood模型、Murphy市效模型、Egli平地模型、Egli不規(guī)則地形模型、Palmer模型、奧村哈塔模型與中國國家標準場強預測模型。

以常用的模型Longley-Rice為例，其主要適用于頻率范圍為20~40 GHz，傳輸損耗分為兩部分，如公式（10）所示。

信道的路徑損耗因子可表示為

式中，Ωfree為自由空間傳播模型計算得出的路徑損耗；Ωref為Longley-Rice模型計算得出的路徑損耗參考值。

Ωfree經(jīng)過簡化后，其模型為：

式中，d為收發(fā)電臺之間的距離，單位為km；f為無線電波頻率，單位為MHz。

Ωref模型如公式（12）所示。

式中，d為接收電臺和發(fā)射電臺之間的傳輸距離，單位為km；f為工作頻率，單位為MHz；Lbe表示自由空間下視距傳播損的耗值；k1、k2為傳播損耗系數(shù)；dLs為視距傳輸?shù)淖畲缶嚯x。

對于有線通信來說，線路上的損耗主要有輻射損耗、耦合到鄰近線路的損耗、阻抗不匹配損耗、導線損耗和介質(zhì)損耗5種。傳導性越好的介質(zhì)，在相同傳輸距離的前提下，其傳輸損耗越小，反之，則損耗越大。同一種傳輸介質(zhì)，傳輸距離越遠，其傳輸損耗越大，反之，則傳輸損耗越小。同一種傳輸介質(zhì)，工作頻率越高，其傳輸損耗越大。結(jié)合以上經(jīng)驗，可將有線傳輸介質(zhì)的損耗簡化為介質(zhì)類型-工作頻率-損耗-距離四者之間的關系，見表1。

表1 傳輸介質(zhì)與傳輸頻率及損耗之間的對應關系

式中，d代表傳輸距離，單位為km；L為傳輸損耗，單位為dB。

1.2.3 噪聲干擾模型

噪聲，通常指信道或電路內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號。噪聲功率包括來自鄰道干擾和干擾源干擾、電子器材的噪音以及天氣情況的變化等。噪聲功率為上述3種噪聲功率之和，即

1.2.4 接收機模型

電磁信號在傳輸?shù)倪^程中，經(jīng)過信號的衰弱以及噪聲的疊加、天線的增益等因素的影響，接收到的信號功率會發(fā)生一定的變化。

式中，Pr為接收功率；Pt為發(fā)射機發(fā)送功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；L為傳輸路徑損耗；

1.3 評估屬性模型

評估屬性模型的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 指揮控制系統(tǒng)設備實體評估屬性模型的構(gòu)成

1.3.1 信噪比模型

信噪比指的是信號功率與噪聲功率之比。一般來說信噪比越大，說明混入信號中的噪聲功率越小，也就是信號質(zhì)量越好。通過過程屬性模型中可以計算出接收機接收的信號功率和噪聲功率，計算出比值，最終得到信噪比。信噪比通常用dB表示。

式中，Pr為信號功率；Pb為噪聲功率，其單位為W。

1.3.2 誤碼率模型

誤碼率是衡量數(shù)字信號在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸準確性指標，是錯誤接收碼元數(shù)與總碼元數(shù)之比，也可理解為碼元在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼的概率。在傳輸速率不變的情況下，誤碼率與調(diào)制解調(diào)方式、傳輸信道的信噪比以及信道編碼技術有關。調(diào)制方式相同時，誤碼率會隨著信噪比的增大而減小；信噪比相同時，誤碼率也會受到調(diào)制方式的影響。信噪比-調(diào)制方式-誤碼率的關系如表2所示。

表2 調(diào)制/解調(diào)關系與誤碼率、信噪比之間的關系

1.3.3 信道利用率模型

通信系統(tǒng)的有效性一般用頻譜資源利用率來衡量。頻譜資源利用率的定義是單位時間信息量與信道帶寬的比值。如公式（17）所示。

式中，B為信道帶寬，單位為HZ；Rb為傳輸速率，單位為bit/s，所以頻率資源利用率η的單位為bit/s/Hz。從式中可以看出，當信道空閑時，即傳輸速率Rb=0時其信道利用率為0。

1.3.4 傳輸時延模型

傳播時延，包括發(fā)送時延和傳輸時延。其中發(fā)送時延是在發(fā)送端數(shù)據(jù)報的發(fā)送時間，其表達式為

傳輸時延是無線信號在無線信道的傳輸時間，單位記做秒，用s表示，其中d是指信號發(fā)送端和信號接收端之間的距離，單位為m；c為光速，其值為3×108m/s

1.3.5 連通率模型

連通率是指通信雙方正常通信的概率。當接收機接收到信號后，通過接收機靈敏度的判斷接收機接收的情況，當S≥S0時，能接收到信號；否則無法接收到信號。如公式（21）：

2 指揮控制系統(tǒng)操作模型

通過對指揮控制系統(tǒng)設備的操作可建立通信鏈路，并進行信息傳輸。建立通信鏈路是指通信雙方使用相應的通信設備建立通信信道。

2.1 鏈路的建立

通信鏈路的建立是進行信息傳輸?shù)那疤峁ぷ?。建立通信鏈路主要有以下幾部分?nèi)容：檢驗手段、設置參數(shù)、驗證鏈路3個內(nèi)容，具體步驟如下：

第1步，先根據(jù)傳輸范圍內(nèi)的地勢起伏高度和通信雙方的距離判斷該設備實體能否滿足信息傳輸要求。

第2步，根據(jù)頻率分配情況以及傳輸信道質(zhì)量情況對傳輸頻率、傳輸速率以及發(fā)射功率進行設定。

第3步，檢驗鏈路是否建立。

第4步，若建立失敗，則需要調(diào)整參數(shù)設置，可通過降低傳輸速率或提高發(fā)射功率。

第5步，再次檢驗鏈路。

指揮控制系統(tǒng)鏈路建立動態(tài)模型如圖4所示。

圖4 指揮控制系統(tǒng)設備實體鏈路建立動態(tài)模型

2.2 信息傳輸模型

通信鏈路建立的過程是信息傳輸?shù)那疤釛l件。信道和設備均有兩種狀態(tài)：信息傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。無信息傳輸時，信道和設備均處于空閑狀態(tài)，當設備正在發(fā)送信息時，設備和信道均處于信息發(fā)送狀態(tài)。

信息經(jīng)過發(fā)信機，經(jīng)過介質(zhì)傳輸，收信機會接收到發(fā)信機傳來的信息，并檢驗發(fā)信機信息是否發(fā)送完成。由于，發(fā)信機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收機接收數(shù)據(jù)之間存在時延，因此，收、發(fā)信機和信道狀態(tài)并不會始終處于同步狀態(tài)。當發(fā)射機發(fā)送完成后，發(fā)射機處于空閑狀態(tài)，信道中的信息傳送完畢后，接收機完成信息的接收。信息傳輸完成。

信息傳輸模型如圖5所示。

圖5 指揮控制系統(tǒng)設備實體信息傳輸動態(tài)模型

2.3 通信鏈路的評估

指揮控制系統(tǒng)設備實體的性能評估是指揮控制系統(tǒng)效能評估的重要內(nèi)容之一。指揮控制系統(tǒng)設備實體的性能直接影響著系統(tǒng)的效能發(fā)揮。

對指揮控制系統(tǒng)設備實體的性能評估主要評估其連通率、頻段利用率、誤碼率、信噪比以及傳輸時延。在鏈路建立的基礎上，分別記錄鏈路建立成功和失敗的次數(shù)。評估動態(tài)模型如圖6所示。

圖6 指揮控制系統(tǒng)設備實體評估動態(tài)模型

3 結(jié)束語

本文主要對指揮控制系統(tǒng)設備實體進行了模型的構(gòu)建，給出了實體建模的方法，重點對實體的屬性以及實體的操作進行了描述，設備實體屬性從基本屬性、過程屬性以及評估屬性3個方面展開。當然設備特征參數(shù)還有很多，本文只根據(jù)建模需求只選取了部分相關參數(shù)進行建模，下一步需要更加細致的模型構(gòu)建。