罗颖光 周 彦 付国宾 严其飞 余 奇

（国防科技大学信息通信学院 武汉 430010）

1 引言

战术级电台网由于具有一定的抗干扰能力以及自恢复组网能力，已成为复杂环境下机动分队主用的通信联络手段之一。战术级电台网组织运用效能仿真是指挥管理人员开展组织运用效能评估的重要手段，准确描述链路连通状态可为后续通信业务路由选择、分析业务传输性能以及查找问题提供支撑。

当前，国内外对于通信网络的连通性较为关注，美国开发有扩展防空仿真系统（Extend Air Defense Simulation，EADSIM）［1］，其中通信链路连通性模块考虑了装备性能、电磁波传播、地形地貌、打击干扰等影响，但由于封装原因，具体模型及技术细节难以获取。国内的大部分研究或偏重从通信装备性能角度进行连通性实验，没有考虑环境因素动态变化对链路连通性的影响［2］；或者区分通信节点重要度，通过计算网络连通概率描述网络的连通性［3～7］，或者通过链路物理特性构建链路连通性模型［8］，但是没有考虑通信链路与通信业务传输之间的关系。

事实上，指挥管理人员开展战术级电台网组织运用效能仿真，不仅关注通信链路连通与否，更加关注通信链路连通质量，以及定位通信网络影响通信业务传输的问题点。因此构建战术级电台网组织运用链路连通性模型，应当定量描述物理空间中通信装备、战场活动、自然环境条件等因素对链路连通性影响，建立通信链路连通等级，为指挥管理人员查找定位问题提供支持。本文针对指挥管理人员实际需求，基于通信装备工作原理，抽象描述物理空间主要因素对链路连通的影响，采用信噪比描述通信链路连通质量，构建既能够描述链路实时连通状态和连通质量，运算复杂度又相对较低的战术级电台网链路连通性模型。

2 建模条件

基于链路质量等级的战术级电台网链路连通性建模依赖于以下建模条件：

1）正常工作的通信装备是通信网络构建的基础支撑，当根据网络构建方案给通信装备加注频率、速率、功率等参数后，通信装备之间即可建链互联形成通信网络。反之，通信装备完好率过低导致通信装备无法正常工作时，通信网络则无法够建。因此，可通过通信装备完好率反映链路连通性状态。

2）物理空间中通信保障用户的物理空间位置将随保障任务发生变化，而物理空间距离将会影响节点装备互联互通状态，因此可通过用户之间相对距离作为评价链路连通性的重要因素。

3）气象条件、背景电磁环境条件越恶劣，无线通信链路连通状况就越差，甚至可能链路断开。因此，可以基于自由空间传播模型，通过设定动态的环境系数，定量描述物理环境对于链路连通的影响。

4）真实空间中电磁干扰将影响链路连通状况，通常来讲可以采取两种方法计算上述因素的影响：一种方法是将每一个干扰源作为一个发射机，通过电波传播机理计算对接收机影响，而后经过矢量叠加运算得出最终结果；另一种是统计估算方法，通过设置动态干扰系数表征电磁干扰对链路连通性的影响。考虑到仿真中节点数量较多及仿真复杂度，可采取统计估算方法计算电磁干扰的影响。

5）话音、数据等信息的成功传输依赖于信息传输速率，考虑到信噪比是决定通信业务传输速率的关键因素［9］，因此可采用信噪比评价通信链路连通质量等级。

3 模型表示

根据建模条件，从指挥管理人员角度，战术级电台网链路连通性不仅需要描述链路通断状态，更要描述链路连通质量等级。为此，可将链路连通性模型区分为C（Connection）模型和G（Grade）模型，其中C 模型用于描述链路物理通断状态，G 模型用于描述链路质量等级。

1）C模型

根据通信原理和超短波传输特性，通信链路通断主要受物理空间距离、装备完好率及通视情况影响。

（1）物理空间距离

战术级电台通信链路受到距离的约束，若电台之间距离超过装备技术参数阈值，则默认通信链路断开。

（2）装备完好率

装备完好率是影响链路连通性的一个重要因素，当装备完好率超过完好率阈值，通信装备处于正常工作状态，反之通信装备不能正常工作，即通信链路断开。

（3）通视情况

战术级电台通信链路需要满足通视条件，当电台之间不能通视时，通信链路断开。

2）G模型

根据通信原理和香农定理，相同信道带宽条件下，信噪比越高，通信链路容量就越大，承载通信业务传输能力也就越强，反之越低，为此本文基于信噪比构建G模型，将自由空间中仅存在一般背景干扰情况下接收端接收信号信噪比设为最大信噪比，将满足接收端灵敏度要求对应的信噪比设为最小信噪比［10］，将基于当前条件下的接收端实际信噪比与最大信噪比和最小信噪比之间的比例关系作为评价通信链路质量等级的指标。

3）CG模型

综合C模型和G模型，CG模型可表示如下：

其中，S 表示装备之间距离超出距离阈值，I 表示装备完好率低于装备完好程度阈值，V 表示装备之间不满足通视条件；SNRmax表示自由空间传输损耗条件下的接收端信噪比，SNRmin表示满足要求的最小信噪比。

4 模型参数计算

1）C模型参数计算

（1）通信距离条件S计算

考虑到战术电台为视距通信，假设传播电波为自由空间损耗［11］，则电磁波能够传输的最大距离为

其中，c为光速，f 为电台工作频率，Pt为发射机功率，Gt为发射机天线增益，qr为接收机天线增益，PS为接收机灵敏度。

但是，不考虑环境影响条件下，战术电台当前工作状态也影响电磁波传播距离，为此可以自由空间电磁波传播距离为基准值，通过比例法计算得出通信装备某一工作状态下的电磁波传播距离，如式（3）所示：

其中，f为基准状态工作频率，ft为某一状态工作频率，Pb为基准状态发射功率，Pt为某一状态发射功率。

将战场环境转换成一个平面坐标系，假设t 时刻两套战术级电台位置为P1（x1（t），y1（t））与P2（x2（t），y2（t）），考虑到战术电台通信距离较近且不超过20公里，则在不考虑地球曲率影响下［12］，电台之间距离可表示为

根据建模条件可知，若D＞Re，则通信链路处于断开状态，若D≤Re，则通信链路处于连通状态。

（2）装备完好率条件I计算

通信装备一般可分为完好、轻损、重损、报废四个等级，为此可建立装备完好状态与链路连通状态之间关系，当装备完好状态超过装备完好等级阈值η时，则链路处于连通状态，反之链路断开。

（3）通视条件V计算

假设发射机天线空间位置坐标为P1（x1，y1，z1），接收机天线空间位置坐标为P2（x2，y2，z2），则两点之间通视需满足：

其中，P′(x′，y′，z′)为发射机与接收机之间某点的空间坐标，(xmin(z1，z2)，ymin(z1，z2))为min(z1，z2)对应的地理坐标。

2）G模型参数计算

信噪比主要由路径损耗和噪声干扰决定。根据建模条件，可首先计算无干扰条件下的信噪比，再通过设置动态干扰系数，计算干扰条件下接收机接收信号的信噪比。

（1）SNRmax计算

SNRmax表示接收端可能接收到的最大信噪比，也即是一般背景干扰条件下的信噪比，主要与装备工作参数、电台之间距离和物理环境有关。

受物理环境中的障碍物限制，电磁波传播中传播损耗LP可表示为［13］

其中，f 为发射机频率，D 为电台间距离，可通过式（4）计算。

不考虑背景电磁干扰条件下接收信号功率Pr可表示为

其中，Pt为发射机发射信号功率，Gt为发射天线增益。

电台实际工作环境中，会存在背景电磁干扰，如己方各类用频设备或者高压电线造成的背景干扰，则接收机可能接收信号的最大功率可表示为

其中，Ke（0＜Ke＜1）为背景干扰系数，用于模拟背景电磁噪声的影响，可根据需求进行动态调整；Pe为接收机空间位置背景电磁噪声功率。

代入信噪比公式计算可得：

（2）SNRmin计算

根据无线通信原理，当接收端接收信号功率小于标称的灵敏度时，接收端则无法收取到任何电磁振动，因此接收灵敏度通常用于界定接收端能够接收信号的门限。灵敏度可表示为［14］

其中，PS为接收灵敏度，K 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，KT为当前温度下每Hz的热噪声功率，B为信号带宽（Hz），NF为噪声系数，SNR为接收灵敏度对应的信噪比。式（10）中，K、T、B、PS可作为已知常量。在给定具体使用环境和具体电台装备后，则可以计算出灵敏度对应的SNR，即是SNRmin。

（3）SNR计算

战术级电台网组织运用过程中，通信链路通常将受到电磁干扰，考虑到干扰机数量越多、干扰功率越大，实际信噪比就越低。为此，本文设置动态系数β（0＜β＜1），用以模拟电磁干扰的客观影响。据此SNR可表示为

5 模型运用流程

根据链路连通性模型表示，模型运用流程总体上可分为判断链路通断和计算链路连通质量等级两部分，如图1所示。具体步骤如下：

图1 链路连通性模型运用流程

1）判断链路通断

Step1：读取通信电台装备当前工作参数，按照式（2）和（3）计算得出当前参数条件下电磁波传播的最大距离Re；读取通信电台的物理位置，按照式（4）计算得出电台之间距离D；

Step2：比较Re与D，若Re＞D，跳转Step3；否则跳转Step9；

Step3：读取当前电台装备完好程度，并与装备完好等级阈值η比较，若完好程度≥η，跳转Step4；否则跳转Step9；

Step4：读取电台空间位置坐标，根据式（5）判断通视情况，若式（5）成立，跳转Step5；否则跳转Step9。

2）计算通信链路质量等级

Step5：根据读取的通信电台装备当前工作参数和背景噪声功率Pe，代入式（6）至式（9），计算SNRmax；

Step6：根据读取的通信电台装备当前工作参数，代入式（10），计算SNRmin；

Step7：根据实际电磁干扰强度，设定动态系数β，代入式（11），计算SNR；

Step8：将SNRmax、SNRmin和SNR代入式（1），计算当前链路质量等级G；

Step9：通信链路断开；

Step10：计算结束。

6 仿真验证

1）参数分类与取值

根据数据获取渠道不同，可将式（2）～（11）参数分别分为常数类、抽取类、背景类三种类型。假定在某运用场景下，上述三类数据如表1～表3所示。

表1 常数类数据值

表2 抽取类数据值

表3 背景类数据值

假设该地域内部署6 部战术级电台，仿真过程中本文随机抽取3 个时刻，6 部战术级电台位置和完好率如表4所示。

表4 各时刻6部电台属性

2）仿真结果及分析

根据上述仿真条件，经过仿真软件运行后，t1、t2、t3时刻6部战术级电台之间链路连通仿真结果如图2～图4所示。

图2 t1时刻链路连通情况

图3 t2时刻链路连通情况

图4 t3时刻链路连通情况

图5 链路承载业务能力A与Ke关系

图6 链路承载业务能力A与β关系

综合分析可知，图2和图3中，由于节点⑥与其余节点之间距离均超过超短波信号传播距离，导致节点⑥成为了孤点，这是指挥管理人员在战术级电台网组织运用中没有考虑用户位置的结果，可通过增加电台网节点避免此类情况发生。从后续支撑通信业务传输角度进行进一步分析，以图2为例，节点②和节点④之间的链路权值最小，节点④被选作中继节点的可能性较小，一旦短时间内大量业务从节点②流向节点③时，根据实际路由协议，节点④有可能成为节点②和节点③之间的负载均衡节点，指挥管理人员应当给予关注。

通过上述分析可知，链路权值越大，通信链路连通质量越好，该条链路承载通信业务传输能力就越强，但是在通信业务量剧增时，该节点可能是整个网络的拥塞点；链路权值越小，说明该条链路承载通信业务传输能力就越弱，但在全网业务量激增时，可作为通信业务分流的备用节点。因此，指挥管理人员可重点关注链路权值较大和较小的通信链路，预先做好处置通信网络拥塞的准备工作。

为了进一步验证链路连通性模型对自然环境背景噪声和电磁干扰的有效性和适应性，本文还选取电台3 与电台4，通过调整背景干扰调整系数Ke和电磁干扰系数β作进一步分析。仿真结果如图5和图6所示。

观察图5可知，随着电台3 与电台4 之间距离增大，当Ke不变时，链路连通质量G 呈下降趋势；当距离不变时，随着Ke增大，G 呈下降趋势。观察图6可知，随着电台3 与电台4 之间距离的增大，当β不变时，G 呈下降趋势；当距离不变时，随着β增大，G呈下降趋势。实际测试中也是如此，随着背景噪声和电磁干扰的逐渐加大，链路连通质量逐步降低。

7 结语

本文针对指挥管理人员开展战术级电台网组织运用效能仿真实际需求，设计了一种面向效能仿真的战术级电台网链路连通性建模方法，并仿真验证了该模型的适用性和可行性。仿真结果表明，该模型能够定量描述通信装备、保障活动、自然环境条件等因素对于链路连通性影响，并能够通过信噪比反映链路质量等级，可为指挥管理人员开展组织运用效能仿真并查找具体问题提供支撑。下一步可针对具体情况对链路连通性模型进一步细化。