面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法研究.pdf

2023 年 2 月第 19 卷 第 1 期系统仿真技术System Simulation TechnologyFeb.，2023Vol.19，No.1面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法研究王添琦，林新，李妮（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）摘要：为了在体系级对抗仿真中有效平衡通信系统建模的精细度和实时性的问题，提出一种面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法，构建了军事通信系统工程级、功能级和任务级模型。对于精细度要求较高的场景，利用专业电磁仿真软件离线解算通信设备的天线数据，并在仿真运行中在线插值从而实时得到准确的数据。对于仿真实体较多的应用场景，采用典型参数来简化描述天线的方向性。对于大规模的军事通信网络，模拟实体运动带来的通信覆盖范围变化情况。在建模过程中考虑了战场通信干扰、大气环境干扰以及地形通视性的计算情况，建立一套从天线解算、链路仿真到军事通信网络的多粒度模型，来支撑体系级对抗仿真。关键词:对抗仿真；通信系统；多粒度建模；电磁环境；网络仿真Research on Multi-Granularity Modeling Method of Communication System for Combat SimulationWANG Tianqi，LIN Xin，LI Ni（School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）Abstract：Aiming at the problem of effectively balancing the precision and real-time of communication system modeling in system level confrontation simulation，a multi-granularity modeling method of communication system for confrontation simulation is proposed，and the military communication system is modeled at engineering level，function level and task level respectively.For scenes with high precision requirements，professional electromagnetic simulation software is used to solve the antenna data of communication equipment offline，and online interpolation is used during simulation operation to obtain accurate data in real time.For the application scenarios with many simulation entities，typical parameters are simplified to describe the directivity of the antenna.For large-scale military communication networks，the changes of communication coverage caused by physical movement are simulated.In the modeling process，the calculation of battlefield communication interference，atmospheric and terrain visibility is considered，and a set of multi-granularity models from antenna solution，link simulation to military network communication are established to support system level confrontation simulation.Key words：combat simulation；communication system；multi-granularity modeling；electromagnetic environment；network simulation通信系统是一种十分复杂的系统，如何准确地对其进行建模并且能够满足其实时性的要求是值得研究的问题。建立不同粒度的模型来描述和分析是处理复杂问题的一种有效手段，能够有效地解决模型的精细通信作者：林新，E-mail:LDOI:10.16812/31-1945.2023.01.015系统仿真技术第 19 卷 第 1 期程度和仿真实时性的问题1。对于通信系统的建模与仿真，采用多粒度建模的方式能够解决模型的精细度和仿真实时性之间的矛盾2。因此，对于通信系统多粒度建模很有研究的必要。对于大规模的战术通信网络建模，文献 3 以JTIDS数据链通信为例，研究了通信数据链系统的技术模型和仿真模型。首先建立了编码模型，研究了里德-所罗门编码、字符交织、CCCK软扩频。然后建立了信号调制模型，进行了最小移频键控MSK调制，并建立了跳频模型和同步模型。文献 4 对陆军战术电台仿真模型进行了研究，重点是报文处理过程的仿真建模。文献 5 对战术互联网子网路由协议与网络业务的仿真进行了研究，分析了目标节点序列号距离矢量路由协议、动态源路由协议、按需距离向量路由协议等路由协议。文献 6 研究了极化码在战术互联网中的可靠性仿真，阐述了战术互联网中极化码的编码原理。这些研究在信号编码处理等方面的粒度过于精细，而对于装备的物理特性较为粗糙3，且利用Opnet等网络建模软件不能很好地体现战场装备的实时运动特性5-6。此外，战场的复杂环境无论是自然环境7还是人为制造的干扰都会对通信系统造成影响8。对于电磁波而言，主要表现为信号在传播路径上的传输效应，其无线通信方式不可避免地受到地理环境的影响。例如，气象因素。而且地形对超短波通信和微波通信均有较大的影响，另外地面传导、表面折射以及地形的通视性也对通信传输有很大的影响。本文主要考虑大气传输效应、地形通视性以及干扰机对通信传输的影响。最终完成兼顾实时性和精细度的通信系统多粒度模型仿真，以及满足装备运动特性大规模军事通信网络的实时仿真，并考虑战场环境对通信传输的影响，以期为后续对抗仿真中的通信系统建模提供支撑。1 通信系统多粒度建模 1.1通信系统的工程级模型通信系统的工程级建模是粒度最为精细的模型，主要是对发射、接收设备的天线进行物理场级别的解算，得到较为准确、精细的功率方向图，从而得到天线各个方向上的增益。1.1.1天线物理场数据解算对于天线物理场解算流程，首先确定天线设计的性能指标，选择天线形式，确定天线的几何参数，并在电磁仿真软件中进行解算，以轴向模螺旋天线为例，其设计性能指标要求如表1所示。其几何参数如表2所示。解算得到的二维增益方向图如图1所示。1.1.2天线场数据处理及插值经过解算，得到天线二维增益方向图和三维场强方向图数据，如表3-4所示。为了后续数据应用，期望得到天线的三维增益方向图。增益的定义如式（1）所示：D(，)=U(，)U（1）式（1）中，和分别为方向角和高度角，U为理想的各向同性天线的场强。因此，要想计算天线增益的场强表1轴向模螺旋天线设计性能指标要求Tab.1Requirements for design performance index of axial mode antenna工作频率1 GHz绝对增益10 dBi材料直径3 mm表2轴向模螺旋天线的几何参数Tab.2Geometric parameters of axial mode helical antenna几何参数DwDgDhhN含义螺旋线导线直径底座直径螺旋线直径旋转方式螺旋圈数升角参数值3 mm299.8 mm95.43 mm右旋413图1轴向模螺旋天线E平面的二维天线方向图Fig.12D antenna pattern in E-plane of axial mode helical antenna表3天线二维增益方向图部分数据Tab.3Partial data of antenna 2D gain pattern=0Angle/（）-180.0-175.0-170.0Gain/dBi-1.714101-1.738101-1.396101=90Angle/（）-180.0-175.0-170.0Gain/dBi-1.714101-1.553101-1.250101注：Gain为绝对增益10王添琦，等：面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法研究数据，首先需要计算出所参考的理想的各向同性天线的场强数据，然后才可以得到一个点的绝对增益值，最终得到天线的三维增益方向图数据，如表5所示。上述得到的天线三维增益方向图数据是离散数据，而在仿真过程中需要连续的数据，因此需要对数据进行插值处理，采取双线性插值算法进行插值。插值的部分结果如表6所示。经过软件解算和插值后，可以在线得到连续的天线三维增益方向图。1.2通信系统的功能级模型1.2.1通信系统功能级建模流程通信系统链路功能级建模的输入输出如图 2 所示。其中对于天线增益的计算，不同于工程级模型，在功能级模型中采取一种较粗粒度的建模方式。首先，部分典型天线的最大增益经验公式计算如表7所示。得到天线的最大增益后，利用天线的固有参数，根据图1所示的典型的天线方向图计算出天线的主瓣即最大增益，半功率波束宽度即增益为最大增益一半时的角度，旁瓣增益以及后瓣增益，从而描绘出天线的方向性。计算传输过程中的自由空间损耗，如式（2）所示：Lf=4d2（2）式（2）中，为电磁波波长，d为传输距离。引入噪声，其中噪声除了系统本身的热噪声外，主要受战场环境影响，在第三节将介绍这部分的建模。根据式（2）计算链路信噪比为EbN0=PEIRPGrkTRbLf（3）式（3）中，PEIRP为等效全向辐射功率，Gr为接受天线增益，k为玻尔兹曼常数，T为系统噪声温度，Rb为带宽。根据式（3）计算出通信的误码率为BER=Pe=Q(EbN0)，Q(x)=12xez22dz（4）根据误码率的大小，可以判断能否实现通信，并由此反向解算出通信设备所能覆盖的范围，为通信系统的性能评价提供基础。发射信号经过发射天线放大后，在传播过程中引表4天线三维场强方向图部分数据Tab.4Partial data of antenna 3D field intensity patternTheta0.01.03.0Phi0.00.00.0Re(E_Theta)5.115.044.95Im(E_Theta)2.032.332.63Re(E_Phi)1.5810-21.5710-21.5610-2Im(E_Phi)9.0410-29.0110-28.9710-2注：Theta为方向角，Phi为高度角，Re(E_Theta)为Theta方向场强实部，Im(E_Theta)为Theta方向场强虚部，Re(E_Phi)为Phi方向场强实部，Im(E_Phi)为Phi方向场强虚部表5天线三维增益方向图部分数据Tab.5Partial data of antenna 3D gain patternTheta012Phi000Gain/dBi10.186 510.156 710.126 7表6天线三维场强方向图部分数据Tab.6Partial data of antenna 3D field intensity pattern00.20.40.60.80.210.186 510.180 510.174 610.168 60.410.186 510.180 510.174 510.168 60.610.186 510.180 510.174 510.168 50.810.186 510.180 510.174 510.168 5图2链路功能级仿真的输入输出Fig.2Input and output of link simulation at function level表7部分典型天线的最大增益经验公式Tab.7Empirical formula of maximum gain for some typical antennas天线类型各向同性喇叭形天线，口形区域面积A抛物面或碟盘形天线，面积A绕杆式天线半波极子功率增益110A/27.0A/21.151.64有效面积/2/40.81A0.56A1.152/41.642/411系统仿真技术第 19 卷 第 1 期入噪声，包括传输损耗（自由空间损耗、大气传输损耗），系统热噪声，以及外界干扰，随后由接收天线接收。通过信噪比可以计算出链路的误码率。由于通信设备通常要搭载在其他载体如飞机、装甲车上，而上述设置的天线指向的方向角和高度角是相对于机体坐标系的，在链路解算过程中，需要在地面坐标系下解算，因此，需要坐标转换。假设与机体轴重合时，天线指向的高度角与方向角均为0，且将天线视作刚体，那么天线某一点（xb，yb，zb）在机体坐标系下的坐标如式（5）所示：|xbybzb=|1tan(azi)tan(alt)1+tan2azi（5）式（5）中，azi为方向角，alt为高度角，将其转换为地面坐标系下的坐标，即|xgygzg=STf|xbybzb（6）式（6）中，ST为机体坐标系和地面坐标系的坐标转换矩阵，随后可得出天线指向相对于地面坐标系的方向角和高度角，即|azigaltg=|arctan(ygxg)arctan(zgx2g+y2g)（7）建立模型的参数包括初始化参数和输入参数。初始化参数主要作用是对模型进行初始化，初始化参数只需要设置一次，无需在每次解算时设置，而输入参数需要在仿真的每一帧都进行设置。模型的参数如图3所示。1.2.2功能级模型验证完成通信系统的功能级建模后，将建立好的模型装在载体上进行验证。如选用建立好的某飞机模型作为通信模型的载体，则飞行轨迹如图4所示。指定飞机以0.5马赫的速度进行巡航，将发射机置于原点，实时获取飞机的位置和姿态信息作为接收机的输入参数，进行链路解算，解算出的误码率和联通结果如图5所示。从图5中可以看出，在飞机转向时，误码率解算结果突然下降，体现了通信传输的方向性。当有粒度更为精细且对实时性要求不高的解算需求时，可以采用 1.1 节的天线增益解算方式来替换。采用经验公式计算加上粒度较粗的方向性解算就是通信系统的功能级模型，采用天线物理场解算数据插值计算天线方向性则为通信系统的工程级模型。1.3通信系统的任务级模型在较大规模的任务级多兵种对抗仿真想定中，为了满足仿真的实时性，采取自行设置天线增益的方式，模型不具备方向性，信号衰减只和距离有关。1.4模型运行效率天线方向图插值的用时如表8所示。得到的初始离散方向图数据是361181维的，采取每2点取1点或每4点取1点的方式降低数据维度可以提高插值的效率。采取不同采样方式的部分插值结果如表9所示。从表9中可以看出，每4点取1点的采样方式相比于原361181维的数据的插值精度影响在数据百分位之后，但是插值效率显著提高，因此在实时性要求高的场景下应采用此种采样方式。通信系统多粒度模型的初始化、输入过程及链路解算的运行时间如表10-12所示。因此，对于小规模的对抗仿真，如一对一的空战仿真，采取工程级模型；对于规模略大且要求方向性图3模型输入输出和初始化参数Fig.3Model input,output and initial parameters图4载体飞机飞行轨迹Fig.4Flight path of carrier aircraft12王添琦，等：面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法研究的对抗仿真，采取任务级模型；对于大规模的对抗仿真，要求仿真的实时性，则采取粒度较粗的任务级仿真。2 通信网络仿真 对于战场上不同单位之间的通信网络主要表现为战术互联网，战术互联网一般采用Ad Hoc网络，即无线自组织网络。NS2可以实现对于无线自组织网络的仿真分析，可以实现MAC/802_11协议、AODV路由协议的仿真。此外，NS2的传输模型较为粗糙，因此可以修改NS2的损耗模型以及天线模型，建立与已建立的其他粒度模型的联系。首先通过TCL脚本设置仿真场景，TCL脚本可以设置接口来接收外部输入的数据，可以接收仿真想定的数据，比如节点的位置信息等；然后设置好步长，每次仿真一个仿真步长的时长；最后通过tr文件来分析战术互联网的效果。一个有5个节点的仿真场景设定值如表13所示。在设置节点位置时可以设置能够实时接收外部输入的形式，除此之外，天线增益也可以接收外部建立好的模型的输入而非手动设置，且天线增益只能设置一图5链路解算结果Fig.5Link solution results表8不同维数天线方向图插值用时Tab.8Interpolation time consumption of antenna pattern for different dimensions方向图维数361181181919146平均运行时间/ms394.0104.630.1表9部分插值结果Tab.9Partial interpolation results位置(1.0,1.0)(9.0,9.0)(89.0,89.0)(145.0,95.0)110.156 59.752 8-5.733 7-4.085 9210.156 49.752 8-5.730 3-4.095 0410.156 49.733 5-5.714 5-4.095 2表10模型初始化运行时间Tab.10Model initialization runtime模型粒度工程级功能级任务级平均运行时间/ms0.8870.6680.381表11模型输入运行时间Tab.11Model input runtime模型粒度工程级功能级任务级平均运行时间/ms0.019 20.007 50.001 5表12链路解算运行时间Tab.12Link solution runtime模型粒度工程级功能级任务级平均运行时间/ms2.852.781.7913系统仿真技术第 19 卷 第 1 期次，不能设置每个节点。因此，接收整个网络增益的平均值。这样就能够模拟装备运动时的动态特性。以某网络仿真场景为例，节点0通过节点1-3传输封包给节点4，节点的位置变化如表14所示，仿真步长为0.2 s，仿真时间为4 s。仿真得到的数据如表15所示。由于节点4运动到节点1-3的传输范围以外，所以封包最终无法传输。3 典型战场环境对通信的影响 3.1战场大气环境大气吸收损耗包括氧气和水蒸气的吸收损耗，根据美国标准大气模型，对流层大气压力P、温度T和高度h的关系如式（8）-（9）所示。T=|288.16-0.006 5h1+hR0，h 11 019 m216.66 11 019 m h 25 098 m（8）P=|1 013.25(T288.16)，h 11 019 m226.32e|-(h1+hR0-11 000)T 11 019 m h 250 98 m（9）除了对流层大气模型，还有对流层氧对电磁波的吸收效应，因此要建立氧气吸收因子模型。对流层氧对于电磁波的吸收是 60 GHz 附近的许多谐振谱线吸收的总和，对流层水蒸气吸收分为 2 个部分：22.235 GHz 的 谐 振，吸 收 因 子 为 _22（h），100 GHz 以上的谐振谱线的副作用，吸收因子为_res（h）。大气吸收损耗模型可以以噪声损耗的形式和工程级、功能级模型联系起来，此外也可以加入到NS2的传输模型中，并重新编译，使得 NS2 的传输损耗更加准确。3.2地形通视性模型建立地形通视性模型。首先将大地视为平面，在平面大地坐标系下，确定视点与目标点之后，将视线在xdy平面上投影，并在投影线上均匀获取若干个采样点，查询数字高程模型数据获得每个采样点的高程，判断视点与目标点的通视性。在视点与目标点之间取若干个采样点，从采样点1开始，如果视点和采样点连线的斜率小于视线的斜率，则表示当前采样点不影响通视，推进到下一采样点继续比较斜率；如果视点与某采样点连线的斜率大于视线的斜率，则视点与目标点之间不能通视。如果最终可以一直推进到目标点，则说明视点与目标点之间可以通视。3.3干扰机模型采用有源压制方式建立干扰机模型，在有源压制干扰下，待干扰设备接收机的干扰功率强度如式（10）所示：Prj=PjGjGt()2rj(4Rj)2（10）式（10）中，Pj为干扰机的发射功率，Gj为干扰机天线在待干扰设备方向上的增益，rj为待干扰设备天线上的极化损耗，Rj为待干扰设备与干扰机之间的距离，Gt()为待干扰设备天线在干扰机方向上的增益，为待干扰设备和目标连线与待干扰设备和干扰机连线间的夹角。将干扰机与已建立的通信系统功能级模型结合后，干扰机模型开始运行，通信的误码率开始上升，并且随着干扰机的位置越来越接近干扰目标，干扰的效果更强。效果如图6所示。表14节点位置变化Tab.14Node position change时间0.0 s0.2 s0.4 s4.0 s0012201304050230210011012030032002102204004500520540900表15网络仿真场景仿真结果Tab.15Simulation results for network simulation scenario参数封包总数丢包率平均端到端时延首个封包到达时间数值6329.58%0.006 510 s0.037 053 s表13网络仿真场景参数设定值Tab.13Parameter settings for network simulation scenario参数信道网络接口MAC协议链路模型天线模型接口队列中最大封包数量节点数量路由协议设定值无线信道Wireless PhyMac/802.11LLOmni Antenna1005AODV14王添琦，等：面向对抗仿真的通信系统多粒度建模方法研究4 模型整体运行效果 建立好上述模型后，上传至仿真平台运行仿真想定，飞机搭载通信模型进行交战的仿真场景如图7-8所示。在交战中，飞机之间距离较近且同向飞行时，误码率较小，可以进行通信；飞机之间距离较远且相背飞行时，误码率较大，不能进行通信。运算结果合理，且能够实时进行空战的通信仿真。5 结 语 本文实现了从天线解算、链路仿真到军事通信网络的多粒度模型仿真，在空战仿真场景中以多种粒度体现了模型的方向性、装备的运动特性以及大气、地形和干扰等战场环境对通信传输的影响，并且能够在对抗仿真中实时运行。后续会在多粒度模型的一体化调用和应用上进一步研究，为体系级对抗仿真的通信系统建模提供更好的支撑。参考文献：1王敬丽.雷达导引头多粒度建模与仿真 D.西安：西安电子科技大学，2014.WANG Jingli.Multi-granularity modeling and simulation 图6引入干扰前后的联通情况Fig.6Connectivity before and after the introduction of interference图7空战场景1Fig.7Air combat scenario 1图8空战场景2Fig.8Air combat scenario 215系统仿真技术第 19 卷 第 1 期of radar seeker D.Xi an：Xi an University of Electronic Science and Technology，2014.2刘宝宏，黄柯棣.多分辨率建模的研究现状与发展J.系统仿真学报，2004（6）：1150-1154.LIU Baohong，HUANG Kedi.Research status and development of multi-resolution modeling J.Journal of System Simulation，2004（6）：1150-1154.3张明群.通信数据链建模与仿真 D.成都：电子科技大学，2017.ZHANG Mingqun.Communication data link modeling and simulation D.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2017.4王维锋，唐雪锋，张国辉.陆军战术电台仿真模型研究 J.火力与指挥控制，2017，42（2）：11-14，19.WANG Weifeng，TANG Xuefeng，ZHANG Guohui.Research on simulation model of army tactical radio J.Fire and Command and Control，2017，42（2）：11-14，19.5吴海乔，李慧博，栗苹，等.面向战术互联网半实物仿真的子网接入方法 J.兵工学报，2020，41（S2）：265-274.WU Haiqiao，LI Huibo，LI Ping，et al.Subnet access method for hardware in the loop simulation of tactical Internet J.Journal of Military Engineering，2020，41（S2）：265-274.6崔冰清，陈林山，唐剑，等.极化码在通信网络中的可靠性仿真 J.电子技术与软件工程，2020（17）：9-10.CUI Bingqing，CHEN Linshan，TANG Jian，et al.Reliability simulation of polarization codes in communication networks J.Electronic Technology and Software Engineering，2020（17）：9-10.7张卫华.工程级与交战级联合建模与仿真关键技术研究 D.长沙：国防科学技术大学，2006.ZHANG Weihua.Research on key technologies of engineering level and engagement level joint modeling and simulation D.Changsha：National University of Defense Science and Technology，2006.8吴亚楠，戴黎楠，陈丽婷，等.无线电通信干扰技术J.电子技术与软件工程，2017（22）：31.WU Yanan，DAI Linan，CHEN Liting，et al.Radio communication interference technology J.Electronic Technology and Software Engineering，2017（22）：31.9吴雨淋，龚光红，李妮.计算机生成兵力模型的实时调度技术 J.北京航空航天大学学报，2015，41（2）：246-251.WU Yulin，GONG Guanghong，LI Ni.Real time scheduling technology of computer-generated force model J.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2015，41（2）：246-251.10BACA L D，PROCTOR M D.Friendly casualty outcomes：choice of counter improvised explosive device tactics matters on the asymmetric battlefield J.Sage，2017，14（3）：303-314.11RUIZ J J，MARTINEZ-DE-DIOS J，COBANO J A，et al.A multi-payload simulator for cooperative UAS missionsC.Proceedings of the 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems（ICUAS），Arlington，VA，USA，2016.12SHEVTSOV M，SOUPIKOV A，KAPUSTIN A.Highly parallel fast kd-tree construction for interactive ray tracing of dynamic scenesJ.Computer Graphics Forum，2010，26（3）：395-404.13倪朝旭，薛晓亮，王洋.无人直升机空地数据链机载天线布局仿真与设计J.航空电子技术，2018，49（1）：7-12.NI Zhaoxu，XUE Xiaoliang，WANG Yang.Simulation and design of airborne antenna layout of unmanned helicopter air-ground data link J.Avionics Technology，2018，49（1）：7-12.王添琦男（1998-），黑龙江哈尔滨人，硕士，主要研究方向飞行器机载通信系统建模与仿真。林 新男（1972-），山东聊城人，博士，讲师，硕导，主要从事分布仿真技术、嵌入式系统研究。16