通信连通性建模法探索
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通过战情中的网络定义，确定各个通信发射机和接收机构成的链路，在接下来每一个仿真步长中，通信连通性模块接收飞行处理模块的位置数据和C3I模块的控制数据，对链路连通性进行计算，完成所有链路连通性的更新后，将连通性数据发送到C3I模块。连通性以数值1或0表示，“1”表示消息能被完整的传送，“0”则表示没有任何消息能被传送。连通性受网络特性、通信设备特性、设备位置、地形、干扰等诸因素的影响。通信链路连通必须满足以下两个条件：接收机信号功率必须大于等于用户定义的最小可探测信号功率；信噪比(信干比)必须大于等于用户定义的信噪比门限值。
通信连通性模块关键模型
网络模型对单个平台来说，其通信发射和接收功能由给定通信网络中的单个通信设备来实现。网络可分解成链路和节点，每个链路是一个发射机-接收机的配对，发射机和接收机构成节点，仿真中针对每个链路分析其连通性。网络类型包括陆线(电缆)、单工、双工、广播、N-to-N(充分互连的网状网)。其中，陆线(电缆)网络允许同步双向通信；单工网络允许从发射机到接收机的单向消息传输；双工网络允许同步双向消息传输，组成网络的两条路径的连通性都要分别进行计算，这样可能出现的情况是只有其中一条通信链路是连通的，或者都连通，或者都不连通；广播网络允许从发射机到网络中的其它接收机的单向消息传输；N-to-N型网络允许从网络中任一通信成员到所有其它成员的广播消息的传输，在连通性计算中，这类网络被视为包含n(n-1)条路径。以上各类网络，在仿真处理中，除了陆线（电缆）都需要计算路径损耗。路径损耗计算模型对于每对发射机、接收机以及每对干扰机、接收机，传播路径的损耗用自由空间路径损耗模型和SEKE(SphericalEarth/Knife-Edge)路径损耗模型[5]来计算。路径损耗的计算是连通性确定中耗费计算量最大的部分之一，只有当设备平台的移动改变了传播路径才对其重新计算。自由空间路径损耗模型自由空间路径损耗可由下式计算[6]（式略）(1)其中，L为路径损耗，单位为dB；R为传播路径长度，单位为m；f为发射机频率，单位为MHz。模型适用于当通信发射机到接收机或从干扰机到接收机的视线存在的情况下。判断视线的存在，要用到有效地球半径（4/3地球半径），和数字地形高程数据(DTED，DigitalTerrainElevationData)。当SEKE模型应用于计算路径损耗时，计算结果要加上自由空间的路径损耗。SEKE路径损耗模型SEKE模型用于计算不规则地形上的低海拔电波传播损耗，包含多路径(multipath)、刀锋衍射(knife-edgediffraction)、光滑地球衍射(sphericalearthdiffraction)损耗等。模型中运用DTED对不规则地形进行建模，适用的频率范围从VHF波段到X波段[5]。模型基于如下假设：任意路径上的传播损耗能够近似的用多路径、刀锋衍射、光滑地球衍射损耗中的一种来单独表示，也可以是这些基本损耗组合的加权平均。每种基本损耗的计算都有相应的算法，算法的选择基于传播路径的地形高程数据、发射机和接收机的高度及其间距、发射机的频率等。模型中对算法的选择主要有两次决策：第一个决策判断使用多路径或衍射算法；若判断使用衍射算法，则第二个判断将选择使用刀锋衍射或光滑地球衍射算法。模型首先定位DTED地图数据的地形剖面的最高遮挡点或最小间隙点M，M为发射机与接收机的连线与地形剖面轮廓之间距离最小的点。用来表示这个最小间隙，发射机与M点之间的地面距离为（式略）
仿真结果与分析
利用matlab软件，以1部干扰机干扰一条通信链路(1部通信发射机和1部通信接收机)为例进行仿真实验。(1)战情1，重点考虑干扰因素仿真时间为100s，通信发射机在地面，位置保持不变，通信接收机在飞机上，位置不断变化，在100s仿真时间中发射机和接收机之间的距离从80km均匀递减到30km，为便于计算，假设干扰机和通信接收机的距离保持在400km。通信发射机功率为500W，工作中心频率为225MHz，接收机工作中心频率为225MHz，带宽为60kHz。干扰功率为2kW，干扰中心频率为225MHz，干扰带宽为60kHz，干扰信号的极化损耗设为3dB，从第75s开始，增大干扰功率为8kW，直至仿真结束。接收机信干比门限为13dB，接收机最小可接收信号功率为-100dBm。假设通信接收机和发射机均使用各向同性的鞭状天线，通信接收机一直在通信发射机的天线波束之内。假设通信接收机在仿真中一直处于干扰机的波束之内，干扰天线在通信接收机方向上的增益为10dB。简化考虑，路径损耗用自由空间路径损耗模型计算。无干扰情况的仿真结果。决定连通性的只是接收机最小可接收信号功率(不考虑热噪声)，随着仿真的进行，通信发射机离接收机越来越近，信号路径损耗越来越小，接收的信号功率渐大，超过最小可接收信号功率后，链路连通。这些在图9(a)、9(b)中均能反映出来。图10是有干扰情况的仿真结果。从图10(a)中可以看出，随着仿真的进行，信干比不断升高，这是因为通信发射机离接收机越来越近，接收信号损耗渐小，接收机接收的信号功率渐大，而干扰路径损耗和接收机接收的干扰功率保持不变；当接收信号功率达到接收机最小可接收信号功率，且信干比超过接收机门限，链路连通，图10(b)中仿真时间接近54s时，链路开始连通。由于75s时干扰功率调高，导致信干比突然下降，链路断开；但由于发射机和接收机之间的距离仍在不断减小，信干比仍保持上升的趋势，当信干比再次超过接收机门限时，链路重又开始连通，这在图10(a)、10(b)中均能反映出来。(2)战情2，重点考虑天线方向图因素仿真时间为200s，通信发射机在地面，位置保持不变，在大地坐标系中的经纬高为(120，26，0)(经、纬度单位为度，高度单位为m)，其天线水平指向角为90度(以正北为基准，顺时针为正)，垂直指向角为60度(以EN平面为基准，向上为正)，通信接收机在飞机上，在以发射机为原点的ENU坐标系中，飞机从正东方向40km处飞来，高度保持不变为5km，速度为300m/s。为便于计算，假设干扰机和通信发射机处于同一位置。通信发射机使用八木天线[11]，方位波束宽度为60度，俯仰波束宽度为80度，则通信发射机天线具有椭圆波束方向图。通信发射机功率为500W，工作中心频率为225MHz，接收机工作中心频率为225MHz，带宽为60kHz。干扰功率为2kW，干扰中心频率为225Mhz，干扰带宽为60kHz，干扰信号的极化损耗设为3dB。接收机信干比门限为13dB，接收机最小可接收信号功率为-100dBm。假设通信接收机在仿真中一直处于干扰机的波束之内，干扰天线在通信接收机方向上的增益为10dB。简化考虑，路径损耗用自由空间路径损耗模型计算。在0至100多秒内，通信接收机载机一直在通信发射机天线波束的前方，但还未飞到波束视野范围内；随着仿真的进行，载机进入波束视野范围，到130多秒飞出(纵轴值为1的区间)。从图11(b)中可看出，通信接收机处于发射机天线视野范围内的这段时间，链路连通，这段时间内接收信号功率达到接收机最小可接收信号功率，且信干比超过接收机门限。以上仿真结果与理论值吻合较好，说明建模方法和模型是正确、有效的。
作者：闵涛 赵锋 杨建华 李盾 肖顺平 单位：国防科技大学电子科学与工程学院