羅穎光 周 彥 付國賓 嚴(yán)其飛 余 奇

（國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院 武漢 430010）

1 引言

戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)由于具有一定的抗干擾能力以及自恢復(fù)組網(wǎng)能力，已成為復(fù)雜環(huán)境下機(jī)動分隊主用的通信聯(lián)絡(luò)手段之一。戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用效能仿真是指揮管理人員開展組織運(yùn)用效能評估的重要手段，準(zhǔn)確描述鏈路連通狀態(tài)可為后續(xù)通信業(yè)務(wù)路由選擇、分析業(yè)務(wù)傳輸性能以及查找問題提供支撐。

當(dāng)前，國內(nèi)外對于通信網(wǎng)絡(luò)的連通性較為關(guān)注，美國開發(fā)有擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)（Extend Air Defense Simulation，EADSIM）［1］，其中通信鏈路連通性模塊考慮了裝備性能、電磁波傳播、地形地貌、打擊干擾等影響，但由于封裝原因，具體模型及技術(shù)細(xì)節(jié)難以獲取。國內(nèi)的大部分研究或偏重從通信裝備性能角度進(jìn)行連通性實驗，沒有考慮環(huán)境因素動態(tài)變化對鏈路連通性的影響［2］；或者區(qū)分通信節(jié)點重要度，通過計算網(wǎng)絡(luò)連通概率描述網(wǎng)絡(luò)的連通性［3～7］，或者通過鏈路物理特性構(gòu)建鏈路連通性模型［8］，但是沒有考慮通信鏈路與通信業(yè)務(wù)傳輸之間的關(guān)系。

事實上，指揮管理人員開展戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用效能仿真，不僅關(guān)注通信鏈路連通與否，更加關(guān)注通信鏈路連通質(zhì)量，以及定位通信網(wǎng)絡(luò)影響通信業(yè)務(wù)傳輸?shù)膯栴}點。因此構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用鏈路連通性模型，應(yīng)當(dāng)定量描述物理空間中通信裝備、戰(zhàn)場活動、自然環(huán)境條件等因素對鏈路連通性影響，建立通信鏈路連通等級，為指揮管理人員查找定位問題提供支持。本文針對指揮管理人員實際需求，基于通信裝備工作原理，抽象描述物理空間主要因素對鏈路連通的影響，采用信噪比描述通信鏈路連通質(zhì)量，構(gòu)建既能夠描述鏈路實時連通狀態(tài)和連通質(zhì)量，運(yùn)算復(fù)雜度又相對較低的戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)鏈路連通性模型。

2 建模條件

基于鏈路質(zhì)量等級的戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)鏈路連通性建模依賴于以下建模條件：

1）正常工作的通信裝備是通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)支撐，當(dāng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案給通信裝備加注頻率、速率、功率等參數(shù)后，通信裝備之間即可建鏈互聯(lián)形成通信網(wǎng)絡(luò)。反之，通信裝備完好率過低導(dǎo)致通信裝備無法正常工作時，通信網(wǎng)絡(luò)則無法夠建。因此，可通過通信裝備完好率反映鏈路連通性狀態(tài)。

2）物理空間中通信保障用戶的物理空間位置將隨保障任務(wù)發(fā)生變化，而物理空間距離將會影響節(jié)點裝備互聯(lián)互通狀態(tài)，因此可通過用戶之間相對距離作為評價鏈路連通性的重要因素。

3）氣象條件、背景電磁環(huán)境條件越惡劣，無線通信鏈路連通狀況就越差，甚至可能鏈路斷開。因此，可以基于自由空間傳播模型，通過設(shè)定動態(tài)的環(huán)境系數(shù)，定量描述物理環(huán)境對于鏈路連通的影響。

4）真實空間中電磁干擾將影響鏈路連通狀況，通常來講可以采取兩種方法計算上述因素的影響：一種方法是將每一個干擾源作為一個發(fā)射機(jī)，通過電波傳播機(jī)理計算對接收機(jī)影響，而后經(jīng)過矢量疊加運(yùn)算得出最終結(jié)果；另一種是統(tǒng)計估算方法，通過設(shè)置動態(tài)干擾系數(shù)表征電磁干擾對鏈路連通性的影響?？紤]到仿真中節(jié)點數(shù)量較多及仿真復(fù)雜度，可采取統(tǒng)計估算方法計算電磁干擾的影響。

5）話音、數(shù)據(jù)等信息的成功傳輸依賴于信息傳輸速率，考慮到信噪比是決定通信業(yè)務(wù)傳輸速率的關(guān)鍵因素［9］，因此可采用信噪比評價通信鏈路連通質(zhì)量等級。

3 模型表示

根據(jù)建模條件，從指揮管理人員角度，戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)鏈路連通性不僅需要描述鏈路通斷狀態(tài)，更要描述鏈路連通質(zhì)量等級。為此，可將鏈路連通性模型區(qū)分為C（Connection）模型和G（Grade）模型，其中C 模型用于描述鏈路物理通斷狀態(tài)，G 模型用于描述鏈路質(zhì)量等級。

1）C模型

根據(jù)通信原理和超短波傳輸特性，通信鏈路通斷主要受物理空間距離、裝備完好率及通視情況影響。

（1）物理空間距離

戰(zhàn)術(shù)級電臺通信鏈路受到距離的約束，若電臺之間距離超過裝備技術(shù)參數(shù)閾值，則默認(rèn)通信鏈路斷開。

（2）裝備完好率

裝備完好率是影響鏈路連通性的一個重要因素，當(dāng)裝備完好率超過完好率閾值，通信裝備處于正常工作狀態(tài)，反之通信裝備不能正常工作，即通信鏈路斷開。

（3）通視情況

戰(zhàn)術(shù)級電臺通信鏈路需要滿足通視條件，當(dāng)電臺之間不能通視時，通信鏈路斷開。

2）G模型

根據(jù)通信原理和香農(nóng)定理，相同信道帶寬條件下，信噪比越高，通信鏈路容量就越大，承載通信業(yè)務(wù)傳輸能力也就越強(qiáng)，反之越低，為此本文基于信噪比構(gòu)建G模型，將自由空間中僅存在一般背景干擾情況下接收端接收信號信噪比設(shè)為最大信噪比，將滿足接收端靈敏度要求對應(yīng)的信噪比設(shè)為最小信噪比［10］，將基于當(dāng)前條件下的接收端實際信噪比與最大信噪比和最小信噪比之間的比例關(guān)系作為評價通信鏈路質(zhì)量等級的指標(biāo)。

3）CG模型

綜合C模型和G模型，CG模型可表示如下：

其中，S 表示裝備之間距離超出距離閾值，I 表示裝備完好率低于裝備完好程度閾值，V 表示裝備之間不滿足通視條件；SNRmax表示自由空間傳輸損耗條件下的接收端信噪比，SNRmin表示滿足要求的最小信噪比。

4 模型參數(shù)計算

1）C模型參數(shù)計算

（1）通信距離條件S計算

考慮到戰(zhàn)術(shù)電臺為視距通信，假設(shè)傳播電波為自由空間損耗［11］，則電磁波能夠傳輸?shù)淖畲缶嚯x為

其中，c為光速，f 為電臺工作頻率，Pt為發(fā)射機(jī)功率，Gt為發(fā)射機(jī)天線增益，qr為接收機(jī)天線增益，PS為接收機(jī)靈敏度。

但是，不考慮環(huán)境影響條件下，戰(zhàn)術(shù)電臺當(dāng)前工作狀態(tài)也影響電磁波傳播距離，為此可以自由空間電磁波傳播距離為基準(zhǔn)值，通過比例法計算得出通信裝備某一工作狀態(tài)下的電磁波傳播距離，如式（3）所示：

其中，f為基準(zhǔn)狀態(tài)工作頻率，ft為某一狀態(tài)工作頻率，Pb為基準(zhǔn)狀態(tài)發(fā)射功率，Pt為某一狀態(tài)發(fā)射功率。

將戰(zhàn)場環(huán)境轉(zhuǎn)換成一個平面坐標(biāo)系，假設(shè)t 時刻兩套戰(zhàn)術(shù)級電臺位置為P1（x1（t），y1（t））與P2（x2（t），y2（t）），考慮到戰(zhàn)術(shù)電臺通信距離較近且不超過20公里，則在不考慮地球曲率影響下［12］，電臺之間距離可表示為

根據(jù)建模條件可知，若D＞Re，則通信鏈路處于斷開狀態(tài)，若D≤Re，則通信鏈路處于連通狀態(tài)。

（2）裝備完好率條件I計算

通信裝備一般可分為完好、輕損、重?fù)p、報廢四個等級，為此可建立裝備完好狀態(tài)與鏈路連通狀態(tài)之間關(guān)系，當(dāng)裝備完好狀態(tài)超過裝備完好等級閾值η時，則鏈路處于連通狀態(tài)，反之鏈路斷開。

（3）通視條件V計算

假設(shè)發(fā)射機(jī)天線空間位置坐標(biāo)為P1（x1，y1，z1），接收機(jī)天線空間位置坐標(biāo)為P2（x2，y2，z2），則兩點之間通視需滿足：

其中，P′(x′，y′，z′)為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間某點的空間坐標(biāo)，(xmin(z1，z2)，ymin(z1，z2))為min(z1，z2)對應(yīng)的地理坐標(biāo)。

2）G模型參數(shù)計算

信噪比主要由路徑損耗和噪聲干擾決定。根據(jù)建模條件，可首先計算無干擾條件下的信噪比，再通過設(shè)置動態(tài)干擾系數(shù)，計算干擾條件下接收機(jī)接收信號的信噪比。

（1）SNRmax計算

SNRmax表示接收端可能接收到的最大信噪比，也即是一般背景干擾條件下的信噪比，主要與裝備工作參數(shù)、電臺之間距離和物理環(huán)境有關(guān)。

受物理環(huán)境中的障礙物限制，電磁波傳播中傳播損耗LP可表示為［13］

其中，f 為發(fā)射機(jī)頻率，D 為電臺間距離，可通過式（4）計算。

不考慮背景電磁干擾條件下接收信號功率Pr可表示為

其中，Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射信號功率，Gt為發(fā)射天線增益。

電臺實際工作環(huán)境中，會存在背景電磁干擾，如己方各類用頻設(shè)備或者高壓電線造成的背景干擾，則接收機(jī)可能接收信號的最大功率可表示為

其中，Ke（0＜Ke＜1）為背景干擾系數(shù)，用于模擬背景電磁噪聲的影響，可根據(jù)需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；Pe為接收機(jī)空間位置背景電磁噪聲功率。

代入信噪比公式計算可得：

（2）SNRmin計算

根據(jù)無線通信原理，當(dāng)接收端接收信號功率小于標(biāo)稱的靈敏度時，接收端則無法收取到任何電磁振動，因此接收靈敏度通常用于界定接收端能夠接收信號的門限。靈敏度可表示為［14］

其中，PS為接收靈敏度，K 為玻爾茲曼常數(shù)，T 為絕對溫度，KT為當(dāng)前溫度下每Hz的熱噪聲功率，B為信號帶寬（Hz），NF為噪聲系數(shù)，SNR為接收靈敏度對應(yīng)的信噪比。式（10）中，K、T、B、PS可作為已知常量。在給定具體使用環(huán)境和具體電臺裝備后，則可以計算出靈敏度對應(yīng)的SNR，即是SNRmin。

（3）SNR計算

戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用過程中，通信鏈路通常將受到電磁干擾，考慮到干擾機(jī)數(shù)量越多、干擾功率越大，實際信噪比就越低。為此，本文設(shè)置動態(tài)系數(shù)β（0＜β＜1），用以模擬電磁干擾的客觀影響。據(jù)此SNR可表示為

5 模型運(yùn)用流程

根據(jù)鏈路連通性模型表示，模型運(yùn)用流程總體上可分為判斷鏈路通斷和計算鏈路連通質(zhì)量等級兩部分，如圖1所示。具體步驟如下：

圖1 鏈路連通性模型運(yùn)用流程

1）判斷鏈路通斷

Step1：讀取通信電臺裝備當(dāng)前工作參數(shù)，按照式（2）和（3）計算得出當(dāng)前參數(shù)條件下電磁波傳播的最大距離Re；讀取通信電臺的物理位置，按照式（4）計算得出電臺之間距離D；

Step2：比較Re與D，若Re＞D，跳轉(zhuǎn)Step3；否則跳轉(zhuǎn)Step9；

Step3：讀取當(dāng)前電臺裝備完好程度，并與裝備完好等級閾值η比較，若完好程度≥η，跳轉(zhuǎn)Step4；否則跳轉(zhuǎn)Step9；

Step4：讀取電臺空間位置坐標(biāo)，根據(jù)式（5）判斷通視情況，若式（5）成立，跳轉(zhuǎn)Step5；否則跳轉(zhuǎn)Step9。

2）計算通信鏈路質(zhì)量等級

Step5：根據(jù)讀取的通信電臺裝備當(dāng)前工作參數(shù)和背景噪聲功率Pe，代入式（6）至式（9），計算SNRmax；

Step6：根據(jù)讀取的通信電臺裝備當(dāng)前工作參數(shù)，代入式（10），計算SNRmin；

Step7：根據(jù)實際電磁干擾強(qiáng)度，設(shè)定動態(tài)系數(shù)β，代入式（11），計算SNR；

Step8：將SNRmax、SNRmin和SNR代入式（1），計算當(dāng)前鏈路質(zhì)量等級G；

Step9：通信鏈路斷開；

Step10：計算結(jié)束。

6 仿真驗證

1）參數(shù)分類與取值

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取渠道不同，可將式（2）～（11）參數(shù)分別分為常數(shù)類、抽取類、背景類三種類型。假定在某運(yùn)用場景下，上述三類數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 常數(shù)類數(shù)據(jù)值

表2 抽取類數(shù)據(jù)值

表3 背景類數(shù)據(jù)值

假設(shè)該地域內(nèi)部署6 部戰(zhàn)術(shù)級電臺，仿真過程中本文隨機(jī)抽取3 個時刻，6 部戰(zhàn)術(shù)級電臺位置和完好率如表4所示。

表4 各時刻6部電臺屬性

2）仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述仿真條件，經(jīng)過仿真軟件運(yùn)行后，t1、t2、t3時刻6部戰(zhàn)術(shù)級電臺之間鏈路連通仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 t1時刻鏈路連通情況

圖3 t2時刻鏈路連通情況

圖4 t3時刻鏈路連通情況

圖5 鏈路承載業(yè)務(wù)能力A與Ke關(guān)系

圖6 鏈路承載業(yè)務(wù)能力A與β關(guān)系

綜合分析可知，圖2和圖3中，由于節(jié)點⑥與其余節(jié)點之間距離均超過超短波信號傳播距離，導(dǎo)致節(jié)點⑥成為了孤點，這是指揮管理人員在戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用中沒有考慮用戶位置的結(jié)果，可通過增加電臺網(wǎng)節(jié)點避免此類情況發(fā)生。從后續(xù)支撐通信業(yè)務(wù)傳輸角度進(jìn)行進(jìn)一步分析，以圖2為例，節(jié)點②和節(jié)點④之間的鏈路權(quán)值最小，節(jié)點④被選作中繼節(jié)點的可能性較小，一旦短時間內(nèi)大量業(yè)務(wù)從節(jié)點②流向節(jié)點③時，根據(jù)實際路由協(xié)議，節(jié)點④有可能成為節(jié)點②和節(jié)點③之間的負(fù)載均衡節(jié)點，指揮管理人員應(yīng)當(dāng)給予關(guān)注。

通過上述分析可知，鏈路權(quán)值越大，通信鏈路連通質(zhì)量越好，該條鏈路承載通信業(yè)務(wù)傳輸能力就越強(qiáng)，但是在通信業(yè)務(wù)量劇增時，該節(jié)點可能是整個網(wǎng)絡(luò)的擁塞點；鏈路權(quán)值越小，說明該條鏈路承載通信業(yè)務(wù)傳輸能力就越弱，但在全網(wǎng)業(yè)務(wù)量激增時，可作為通信業(yè)務(wù)分流的備用節(jié)點。因此，指揮管理人員可重點關(guān)注鏈路權(quán)值較大和較小的通信鏈路，預(yù)先做好處置通信網(wǎng)絡(luò)擁塞的準(zhǔn)備工作。

為了進(jìn)一步驗證鏈路連通性模型對自然環(huán)境背景噪聲和電磁干擾的有效性和適應(yīng)性，本文還選取電臺3 與電臺4，通過調(diào)整背景干擾調(diào)整系數(shù)Ke和電磁干擾系數(shù)β作進(jìn)一步分析。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

觀察圖5可知，隨著電臺3 與電臺4 之間距離增大，當(dāng)Ke不變時，鏈路連通質(zhì)量G 呈下降趨勢；當(dāng)距離不變時，隨著Ke增大，G 呈下降趨勢。觀察圖6可知，隨著電臺3 與電臺4 之間距離的增大，當(dāng)β不變時，G 呈下降趨勢；當(dāng)距離不變時，隨著β增大，G呈下降趨勢。實際測試中也是如此，隨著背景噪聲和電磁干擾的逐漸加大，鏈路連通質(zhì)量逐步降低。

7 結(jié)語

本文針對指揮管理人員開展戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)組織運(yùn)用效能仿真實際需求，設(shè)計了一種面向效能仿真的戰(zhàn)術(shù)級電臺網(wǎng)鏈路連通性建模方法，并仿真驗證了該模型的適用性和可行性。仿真結(jié)果表明，該模型能夠定量描述通信裝備、保障活動、自然環(huán)境條件等因素對于鏈路連通性影響，并能夠通過信噪比反映鏈路質(zhì)量等級，可為指揮管理人員開展組織運(yùn)用效能仿真并查找具體問題提供支撐。下一步可針對具體情況對鏈路連通性模型進(jìn)一步細(xì)化。