指揮控制系統設備實體模型構建

孟 琳，古 平

（陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003）

指揮控制系統是戰場信息網絡的重要組成部分，是連接作戰單元、武器系統的神經網絡，而設備實體是構成指揮控制系統的最小基本單元，是決定指揮控制系統功能與性能的基礎。在仿真系統中，實體并不是真實的設備，是對真實設備的抽象描述，由數據模型來表征。從某種意義上講，實體的數據模型就是仿真系統中的仿真實體，能夠支撐系統仿真的運行。本文中，指揮控制系統設備實體指的是構建指揮控制網絡的HF電臺、VHF電臺、衛星等無線通信設備以及有線傳輸設備，指揮控制系統設備實體主要從其靜態數據和動態數據兩方面著手，描述實體的屬性和操作。實體屬性，主要描述實體靜態特征；實體操作，描述的是實體的動態特征。

1 指揮控制系統實體屬性建模

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的特征參數。指揮控制系統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。指揮控制系統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。評估屬性是實體質量參數。指揮控制系統設備實體的評估屬性是對設備信息傳輸質量的評估。

1.1 基本屬性的模型構建

指揮控制系統設備實體根據實體的物理特征建立發射機、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。建立指揮控制系統設備實體基本屬性體系如圖1所示。

圖1 指揮控制系統實體基本屬性

1.1.1 傳輸介質

傳輸介質是指兩個通信設備之間實現的物理連接部分，它能將信號從一方傳輸到另一方。任何信息的傳輸都需要傳輸介質。傳輸介質包括有線傳輸介質和無線傳輸介質2大類，其中有線介質包括雙絞線、同軸電纜、光纖等，無線介質包括短波、超短波、微波等。

1.1.2 頻率屬性

在傳輸介質中，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，劃分的波道數也就越多，可建立的信道數越多，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射機的發送速率，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，根據香農定理，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的形式展現出來，

式中，傳輸距離為變量，傳輸速率為因變量。

1.1.5 發射功率屬性

發射機的發射功率的設定應該根據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射出的信號。所以應根據實體情況進行選擇，當與接收機距離較近時，可選用小功率進行發射，當與接收機距離較遠或信道質量較差時，可選用大功率發射功率進行發信。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，當地勢起伏較為明顯時，通信質量會下降，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°；擦地角的確定與發射天線高度ht和發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、熱噪聲以及系統能夠提取信息的最小信噪比。

式中，NF為系統噪聲系數，其實質為發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，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的過程。無線電發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，產生一些規律和特性，這些規律和特性在模型中以過程屬性的形式表現出來，如圖2所示。

圖2 信息傳輸的過程模型

1.2.1 發射機模型

天線增益是天線的要性能參數，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。發射天線的主要功能是將調制發來的電信號轉換成電磁波發射出去，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。經過天線發射后的信號功率在數值上等于發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經過簡化后，其模型為：

式中，d為收發電臺之間的距離，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；dLs為視距傳輸的最大距離。

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、導線損耗和介質損耗5種。傳導性越好的介質，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，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，工作頻率越高，其傳輸損耗越大。結合以上經驗，可將有線傳輸介質的損耗簡化為介質類型-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部產生的無用信號。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

電磁信號在傳輸的過程中，經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生一定的變化。

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

1.3 評估屬性模型

評估屬性模型的構成如圖3所示。

圖3 指揮控制系統設備實體評估屬性模型的構成

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

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

表2 調制/解調關系與誤碼率、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，包括發送時延和傳輸時延。其中發送時延是在發送端數據報的發送時間，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 指揮控制系統操作模型

通過對指揮控制系統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的前提工作。建立通信鏈路主要有以下幾部分內容：檢驗手段、設置參數、驗證鏈路3個內容，具體步驟如下：

第1步，先根據傳輸范圍內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，根據頻率分配情況以及傳輸信道質量情況對傳輸頻率、傳輸速率以及發射功率進行設定。

第3步，檢驗鏈路是否建立。

第4步，若建立失敗，則需要調整參數設置，可通過降低傳輸速率或提高發射功率。

第5步，再次檢驗鏈路。

指揮控制系統鏈路建立動態模型如圖4所示。

圖4 指揮控制系統設備實體鏈路建立動態模型

2.2 信息傳輸模型

通信鏈路建立的過程是信息傳輸的前提條件。信道和設備均有兩種狀態：信息傳輸狀態和空閑狀態。無信息傳輸時，信道和設備均處于空閑狀態，當設備正在發送信息時，設備和信道均處于信息發送狀態。

信息經過發信機，經過介質傳輸，收信機會接收到發信機傳來的信息，并檢驗發信機信息是否發送完成。由于，發信機發送數據和接收機接收數據之間存在時延，因此，收、發信機和信道狀態并不會始終處于同步狀態。當發射機發送完成后，發射機處于空閑狀態，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 指揮控制系統設備實體信息傳輸動態模型

2.3 通信鏈路的評估

指揮控制系統設備實體的性能評估是指揮控制系統效能評估的重要內容之一。指揮控制系統設備實體的性能直接影響著系統的效能發揮。

對指揮控制系統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。評估動態模型如圖6所示。

圖6 指揮控制系統設備實體評估動態模型

3 結束語

本文主要對指揮控制系統設備實體進行了模型的構建，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。當然設備特征參數還有很多，本文只根據建模需求只選取了部分相關參數進行建模，下一步需要更加細致的模型構建。