陆军战术电台仿真模型研究*

王维锋，唐雪锋，张国辉

（装甲兵工程学院，北京100072）

陆军战术电台仿真模型研究*

王维锋，唐雪锋，张国辉

（装甲兵工程学院，北京100072）

随着仿真技术在陆军战术互联网仿真应用的逐步深入，对通信装备仿真模型的需求越来越高。分析了电台仿真模型的建模需求，介绍了电台通信时报文的收发流程，构建了电台仿真模型并对模型中各部分模块进行了描述。最后，通过VRNET Developer网络仿真平台对VHF电台仿真模型在干扰和移动条件下的通信进行了仿真，实验表明，构建的电台仿真模型能够达到战术通信的效果。

战术互联网，电台，建模与仿真，VRNET Developer

0 引言

战术互联网是互联的战术无线电台、计算机硬件和软件的集合，为战术环境下的作战部队提供一种极其可靠的信息交换［1］。战术互联网仿真系统被广泛应用于战术通信装备模拟训练、基于信息系统的部队模拟对抗演练和装备性能仿真试验。战术互联网中的电台模型，关键任务之一是构建战术通信子网，在一定战术背景下，根据特定的战术任务，对网络中的通信性能、效能评估提供参考和依据。为了达到战术互联网仿真的目的，需要对电台模型在网络通信过程中进行真实的模拟。其中主要包括电台性能参数，电台报文收发流程，传播模型的模拟，电台的移动特性以及电台间的组网。电台仿真模型的逼真度与可靠性直接影响到仿真结果的可信度。

本文对电台模型在战术互联网仿真中的需求进行了分析，建立了报文处理过程模型，采用模块化的建模方式构建了通用电台仿真模型，详细描述了仿真模型中各模块的功能，分析了仿真模型中的传播模型和计算模型。通过VRNET Developer网络仿真平台，以VHF电台为例，构建了仿真模型并在移动和干扰条件下对仿真模型进行了仿真，仿真结果表明，构建的仿真模型能够满足战术互联网仿真的通信要求。

1 仿真需求分析

1.1 电台节点的移动性

在战术互联网仿真中，单兵、战车、坦克、指挥车等都需要通过电台进行通信。这些对象的位置都是随时变化的，因此，在电台仿真模型中需要对其移动性进行描述。电台节点移动性中的参数主要包括：节点的位置坐标，节点位置坐标更新间隔，节点的移动方向，节点的移动速度，节点的移动速度更新间隔等内容。

1.2 电台收发信机匹配

在仿真网络通常会同时存在多个、多种类型的电台进行通信，必须保证同类型的电台进行通信同时不会被其他类型的电台干扰。因此，需要对仿真网络中存在的电台参数进行统计，并对它们收发信机进行匹配计算。影响收发信机匹配计算的参数包括：载频、带宽、电台类型等。

1.3 网络性能

由于在战术互联网仿真网络中需要构建多种不同类型的子网，而子网的构建都是基于电台的，所以电台仿真模型必须具备一般的网络性能。为了满足战互网中的通信需求，电台仿真模型必须具备IP配置、路由、数据转发等网络中处理报文的相关功能。

2 报文处理过程模型

陆军战术电台在战术互联网中通常采用无线的传输方式，提供话音和数据的传输服务。为满足作战仿真网络中的需求，需要对战术电台报文的无线传输过程以及报文的处理过程进行详细分析。

如图1所示为电台报文处理过程模型，包含接收机组匹配、发送报文、报文封装成帧、信道匹配、碰撞检测、可接收性判断、解帧、接收报文等过程。

图1 电台报文处理过程模型

2.1 接收机组匹配

根据仿真网络中的各个电台的参数，进行接收机组的匹配计算，以确定一个发射机发出的报文能够被哪些接收机接收。影响这一运算的电台参数包括：载频、带宽、电台类型等。在电台模型中，构建一个用于管理电台信息的信道模块，将各个电台的参数信息进行归纳，然后对接收机组的匹配与否进行计算。

设f1，f2分别为报文发送载频，Δf为频率差，b1，b2分别为报文发送信号的带宽，则匹配算法如下：

2.2 发送报文

电台根据仿真需求发送报文，报文的内容可以是语音或者数据信息。

2.3 报文封装成帧

每次发送报文，都要将发送的报文封装成物理层的帧结构。帧结构主要包含以下内容：

·数据帧长度：数据净荷长度+物理层帧开销

·发送比特率：数据净荷的发送速率

·发送载频：电台发信机发送报文所用的载频

·发送带宽：电台发信机发送报文所用的频带宽度

·发送时延：数据长度除以发送比特率

·发送端坐标：电台发送报文时的地理坐标

2.4 信道匹配

针对发送端的每个匹配接收机，进行信道匹配与否的计算。匹配内容包括目的接收机状态（是否使能）、频率、信道速率、调制方式等。

步骤：①判断接收机是否处于使能状态。②计算频率交叠度，若频率没有交叠则信道不匹配。③判断调制方式是否匹配，若调制方式不同，则信道不匹配。④判断速率是否匹配，若速率不匹配则视为噪声。

2.5 碰撞检测

当电台正在接收一个报文时，可能会收到其他无线信号的干扰，进而影响到信噪比的计算。若干扰信号为一个正常的数据报文，则被认为是发生了一次碰撞，会设置接收报文的碰撞标识位。同时，新接收到的信号会被当作一个干扰信号，作为噪声处理。

2.6 可接收性判断

计算电台的功率，如果接收端信号功率大于特定端口限值（通常设置为信道热噪声），则判断接收端可接收该报文。若判定失败，则该接收机对应的后续操作不再继续进行。

2.7 解帧

接收端处理。在报文接收完成后，将接收的报文发送给上层，并附上是否发生碰撞、是否包含误码等信息。

2.8 接收报文

将接收到解帧后的信息还原成语音信息或者数据信息。

3 战术电台仿真模型构建

不同类型的电台在特定功能、性能上有所不同，但它们都有许多共同的地方。仿真模型的构建采用模块化的建模思想，将不同类型电台共同的地方抽象出来，构建一个通用电台模块，在此基础上针对不同类型的电台，增加或删除相应的模块，来实现不同类型的电台仿真模型。

如图2所示为战术电台通用仿真模型结构。

图2 战术电台通用仿真模型结构

功能模块描述：

·移动模块：负责仿真中节点的移动特性管理。当电台位置发生变化后，该模块实时计算新的位置坐标，及时提供给相应模块。其中包含的参数有：节点的移动速度、节点速度更新间隔、节点平面运行角度、节点控制范围、节点位置、节点位置更新间隔等。

·设备地址模块：进行数据设备地址（通常为IPv4地址）和电台MAC地址之间的映射。

·状态检测模块：电台状态检测模块，根据电台的参数设置，来判断电台是否处于使能状态。

·通告板模块：用于模型内各模块之间的信息交互。在节点内部，一些模块的信息可能为另外一些模块所需要，若这些模块间直接进行交互，会造成模型间的耦合度过高，不利于模型的扩展和重用。因此，采用通告板模块来统一负责节点内部信息的交互。

·接口模块：用于电台传输速率接口的管理和控制，主要有K接口和E1接口等。

·IP配置模块：用于管理IP接口的模块，在具备IP体系结构的电台模型中，识别节点内所有的网络接口，为其分配IP地址，并作出相应的处理。

·语音通话模块：进行子网内语音通话相关功能的实现。

·数据转发模块：实现电台两个接口（无线口和数据口）之间的数据转发功能。

·多址接入模块：实现电台的多址接入，主要有CSMA何TDMA两种多址接入方式。

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）即载波侦听多路访问，是一个简单的竞争型MAC协议。CSMA协议通过监听是否存在载波（即是否有传输）来确定下一步的动作，因此，可以有效避免冲突，提高信道利用率。

TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）是把时间分割成周期性的帧（Frame）每一个帧再分割成若干个时隙进行数据发送的数据链路层的算法。

·基本电台模块：实现无线信道接入的模拟。其中包含了电台的基本参数信息，主要有：载频、频率带宽、发送数据率、调制方式、发送功率、接收灵敏度、热噪声功率、天线高度、天线水平角、天线仰角、路径损耗计算模型等。

·路由模块：分发路由协议信息，计算基于电台MAC地址的路由，对数据报文进行转发。

4 仿真实验和数据分析

4.1 仿真平台

仿真平台为VRNET Developer网络仿真平台，VRNET Developer是国内自主研发的集成网络仿真开发平台，该平台采用C++面向对象方法进行建模与仿真，具备开发周期短、效率高、通用性强和易于维护等优点。VRNET Developer良好的开放性和扩展性，非常适合集成大规模的网络，不但能非常好地按照当前需求构建仿真系统，而且对于未来的二次开发，构建更大规模分布式仿真系统。能够用于多种离散事件仿真机制的场合，比如陆军战术电台组网、指挥控制系统的仿真支撑网络、电子对抗系统、无线自组织网络、分布式半实物仿真系统等［7］。

4.2 实验环境

仿真实验以构建的VHF电台模型为对象，按照前文分析的模型系统结构在VRNET Developer仿真平台中建立模型，如下页图3所示为VHF电台仿真模型结构。

仿真场景中设置了4台VHF电台，为了验证电台的性能参数，设置两组不同参数的VHF电台进行对照。其中VHF电台1～2设置在同一工作频率，处于移动状态通信。VHF电台3～4设置在另一工作频率，处于静止状态通信。同时，为了验证干扰信号对电台的影响，增加了干扰车模型产生干扰信号，干扰信号的频率与电台1～2的通信频率相同。

图3 VHF电台仿真模型结构

仿真过程中一台电台发送报文给其余所有电台，但只有工作在相同频率下的电台才能正确接收，正确接收到报文的电台将继续向同频段的电台发送报文，如此循环。仿真时间设置为30 s。电台参数设置如表1，干扰车参数设置如表2所示。

表1 VHF电台参数

表2 干扰车参数

图4为VHF电台仿真场景，图5为仿真运行时干扰车发送干扰信号时的场景。

图4 VHF电台仿真场景

图5 VHF电台仿真运行时场景

仿真结束后，对仿真数据进行统计。仿真网络中电台1与电台2间相互通信，电台3与电台4相互通信，并且相互通信的两组电台参数设置一样，因此，仅给出电台1和电台3的统计数据对比。如图6～图8分别为：电台1和电台3接收功率、信噪比、误比特率对比图。

电台1和电台3的接收功率对比图表明，在干扰车发出干扰信号之后（10 s之后），由于干扰信号的工作频率与电台1的工作频率相同，因此，电台1接收到的信号为电台2发出的信号和干扰信号；电台3仅接收到电台4发出的信号，因此，电台1的接收功率大于电台3的接收功率。信噪比对比图表明，在干扰信号发出之后（10 s之后），电台1的信噪比要低于电台3；误比特率对比图表明，在干扰信号发出之后（10 s之后），电台1的误比特率存在且随着仿真时间不断变化，而电台3由于没有受到干扰，误比特率为0。

Research of Army Tactical Radio Model

WANG Wei-feng，TANG Xue-feng，ZHANG Guo-hui
（Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China）

WiththedevelopmentofsimulationtechnologyintheArmyTacticalInternet simulation，the demand to communication equipment simulation model grow rapidly.The modeling requirements of radio are analyzed.This paper studies on the sending and receiving process of radio communication，builds a radio simulation model and describes each module.Lastly，the VHF radio model in the interference and mobile communication conditions on the VRNET Developer network simulation platform is simulated.The simulation results show that the radio simulation model can achieve the effect of tactical communication.

tactical internet，radio，modeling and simulation，VRNET developer

图6 VHF电台1和VHF电台3接收功率对比

TP391.9

A

1002-0640（2017）02-0011-04

2015-12-16

2016-02-27

国家自然科学基金资助项目（61302110）

王维锋（1969-），男，黑龙江大庆人，博士，教授。研究方向：指挥信息系统装备仿真。