基于短波鏈路預測的半實物仿真系統設計與構建

摘要：針對當前短波組織應用效能難預測、工程建設和運維管理缺乏數據支撐、短波組網通信測試效率低等問題，文章基于短波鏈路預測模型，提出了一種半實物短波通信仿真系統的設計方案，對系統的體系結構、應用場景以及關鍵技術進行研究。設計并構建半實物仿真系統，為短波組網通信的科研、建設和應用提供支撐，以及對后續短波通信的發展和大規模應用具有重要意義。

關鍵詞：短波通信；半實物仿真；鏈路預測

中圖法分類號：TN925 文獻標識碼：A

１ 引言

短波通信具有超視距、低成本、強抗毀性等性能優勢，在惡劣自然條件下的移動通信保障中具有廣泛的應用前景。尤其是在海上遠程通信中，短波通信是主要方法之一，為其提供了重要的支撐。由于短波信道的時變色散特性，傳統的點對點短波通信鏈路極不穩定，很難保證可靠的短波通信［１］ 。近年來，國內外開始利用有線網將臺站進行互聯，并使用組成短波組網進行通信，考慮到經濟、場地、干擾等現實因素，組成短波通信組網的實裝短波臺站數量受到限制，短波通信組網的性能會受到一定的影響。基于以上現狀，半實物仿真系統應運而生，一方面能夠為短波通信組網的技術研究和應用提供有力的數據支撐，另一方面與實裝短波通信組網進行互聯互通，為實裝短波通信組網指標驗證提供環境支撐［２］ 。

２ 半實物仿真系統設計

２．１ 系統總體設計

基于短波鏈路預測的半實物仿真系統主要由實裝系統和仿真系統組成，總體設計如圖１ 所示。實裝系統與仿真系統共同具備廣域分集接收、多點多頻發送功能，２ 個系統之間通過網口進行數據交互，目前實裝短波通信組網系統已經完成部分建設并投入使用。

本文將重點介紹仿真系統和半實物仿真建模。仿真系統由基礎模型、仿真環境構建、仿真引擎和半實物仿真４ 個模塊組成。

２．２ 系統主要功能

實裝系統主要具備廣域接收、分集處理和多點多頻發送等功能，為半實物仿真系統提供實裝環境、收集實裝數據，實裝系統將分集處理后的數據通過有線網傳遞給仿真系統。

仿真系統為半實物仿真系統提供仿真環境，是半實物仿真系統的核心［３～５］ ，主要包括基礎模型、仿真環境構建、仿真引擎和半實物仿真。基礎模型與實裝系統組成的設備模型，包括收信機、發信機、收天線、發天線、信息處理器等，為仿真環境構建提供基本材料；仿真環境構建是利用基礎模型搭建與實裝系統功能相同但規模不同的仿真環境；仿真引擎是采用一定的仿真方法將仿真事件按照仿真時間分解為獨立的點，而時間將分別在這些點上發生；半實物仿真在仿真系統中采用接入實物的方式取代部分數學模型，又稱為硬件在回路仿真。在半實物仿真系統中，接入實物對應的部分通常是難以用于數學方程描述的仿真對象，通過實物的接入能夠有效降低仿真建模的復雜度和難度，提高仿真效率。

將實裝與仿真系統相連，進行實裝與仿真模型間的協議、業務互通，實現半實裝仿真，為短波組網系統及裝備提供測試、評估環境。

半實裝仿真有２ 種形式，一是通過接口導入一批實裝系統通信數據，通過仿真系統推演更大規模網絡的性能參數；二是通過接口將實裝系統中的部分節點與仿真系統中的相應模塊進行互聯，通過虛實映射，同時運行實裝系統和仿真系統，相互驗證。將２ 套實裝機動用戶分別映射到仿真網絡中的映射節點１ 和映射節點２ 上，如圖２ 所示。

對仿真網絡作出如下限定。（１）映射節點１ 電臺發送的數據通過半實物接口發送給參試實裝１，映射節點２ 電臺發送的數據通過半實物接口發送給參試實裝２。（２）映射節點１ 將其電臺接收到的路由協議報文通過半實物接口轉發給參試實裝１，因此參試實裝１ 建立起與收信站的交互。（３）映射節點２ 將其電臺接收到的路由協議報文通過半實物接口轉發給參試實裝２，因此參試實裝２ 建立起與發信站的交互。

（４）試驗時，可能存在３ 種試驗數據流通道。（５）純實裝通道：當實裝鏈路狀態好時，參試實裝１ 與參試實裝２ 通過數據處理中心、收信臺及發信臺的實裝裝備建立起實裝電臺Ｒ１ 和Ｒ２ 之間的數據通道，數據流向如圖中紅色線條所示。（６）半實裝通道：當實裝鏈路狀態好時，參試實裝１ 與參試實裝２ 通過數據處理中心、收信臺及發信臺的虛擬節點建立起數據通道。

（７）連接中斷：當仿真網絡中的機動用戶１ 與機動用戶２ 之間不可通信時，映射節點１ 與映射節點２ 之間的仿真路由完全中斷，參試實裝１ 與參試實裝２ 之間的連接中斷。

３ 半實物仿真技術

在多系統聯合仿真體系中，不同的分系統可能采用不同的機制，如通信仿真器通常將離散事件作為仿真驅動源，設備模擬器等通常采用時間驅動機制，實裝設備是以時間為運行基準的［６］ 。因此，為了實現多種異質系統的聯合仿真，必須解決“事件驅動”與“時間驅動”２ 種基本通信系統的協同仿真問題。

在事件驅動的仿真模式下，當一個事件處理完成后，仿真內核會將仿真時間直接推進到下一個事件發生的時間點。而在時間驅動的仿真模式下，２ 次事件之間的時間會自由流逝。在事件驅動模式下，若系統中沒有明確的執行事件，則整個仿真不能推進，或者被停止。而時間驅動模式下，即使沒有處理需求，整個系統也會一直處于激活狀態，等待隨時可能出現的系統輸入。

為解決事件驅動系統與時間驅動系統的交互問題，本文構建了一個能與時間驅動系統交互的事件調度器，并為事件驅動系統中的每個事件附加一個時間標簽，使得事件能夠與時間進行對應。在仿真時，將整個系統啟動時的時間設置為參考時間，仿真運行期間以當前時間與參考時間之間的差值為系統時間，使得事件驅動系統與時間驅動系統進行統一的時間管理。

在事件驅動機制下，仿真內核按照事件執行的先后順序，將其放入一個事件隊列中。執行仿真時，仿真內核不斷從隊列的頭部取出事件，并調用仿真模型的事件處理接口來處理仿真事件，直到事件隊列為空或達到預置的仿真時間限制。在事件驅動的仿真模式下，仿真不需要關心現實世界中的時間流逝，而只關注仿真事件的執行，仿真事件發生的時間就是當前的仿真時間。在基于事件序列的仿真模式下，一般很難和墻鐘時間對應起來，一是超實時仿真（仿真時間超前于墻鐘時間），二是欠實時仿真（仿真時間落后于墻鐘時間）。本文需要對事件驅動仿真器的事件調度機制進行擴展，定制一個實時的事件調度器，使其能夠實時運行，在支持事件驅動機制的同時，能夠滿足時間驅動系統的交互需求。

該調度器由２ 個主要的線程構成。

（１）仿真事件執行線程：用于執行仿真內部的事件調度，是一個基于事件驅動機制的運行線程。但在執行完一個事件后，并不是將仿真時間推進到下一個事件發生時刻，而是進行事件調度線程休眠，等到下一個事件發生時再喚醒，由此實現與墻鐘時間匹配的功能。

（ ２）外部事件處理線程：用于處理與外部系統（包括時間驅動系統和其他事件驅動系統）的交互。當該線程收到一個外部系統發來的消息時，將該消息轉化為一個仿真事件，并將該事件放置到仿真事件隊列的頭部，事件時間標簽設置為當前時間與參考點時間的差值。若當前的仿真事件執行線程處于休眠狀態，則將其激活，對新插入的外部事件進行處理；否則等待仿真事件處理線程完成正在進行的事件處理后，立即處理新插入的外部事件。若事件驅動系統需要向時間驅動系統或其他事件驅動系統發送消息，則直接調用外部事件處理系統的消息發送接口即可。

４ 探測和預測結合的鏈路預測技術

根據用頻規律的聚類分析結果，將時間、距離、時差、頻率等因素按照最佳的尺度進行歸一化，將用時間、距離、時差、頻率歸一化值作為神經網絡輸入，將通信效果即接收信號強度作為神經網絡輸出，構建神經網絡模型，如圖３ 所示。

在利用試驗過程中采集的探測數據和業務數據進行數據預處理后，將時間、距離、時差、頻率和信號強度進行歸一化處理，處理后的數據形成神經網絡模型訓練數據，通過訓練數據訓練神經網絡，以保證在神經網絡代價函數值最小時使得神經網絡收斂，最終將訓練好的神經網絡參數更新到預測模型，預測模型將預測結果發送至最終的評估模型，以及將評估結果反饋至神經網絡模型進行校正，最終保證神經網絡訓練模型、預測模型和評估模型三者之間達到一種平衡狀態。實裝系統通過頻率探測設備對通信鏈路上可能的通信頻率進行探測并記錄，同時結合通信雙端長久的歷史通信記錄并輔以長期預測方法所提供的參考頻率，最終形成制定好的頻率預選表。在半實物仿真過程中，實裝系統根據頻率預選表中的參考頻率將信號在可能通信成功的頻率上依次發送并將用戶使用的頻率傳給仿真系統，仿真系統使用相同的頻率進行仿真通信，然后將實裝通信效果與仿真通信效果、實裝通信效果與預測結果進行對比，從而實現半仿真短波通信系統的鏈路預測模型搭建。

５ 半實物仿真系統應用

５．１ 分集臺站布局驗證

合理的短波臺站布局可以形成較優的覆蓋范圍和覆蓋性能。短波組網系統既要采用廣域分集接收和頻率分集發射技術，還要考慮分集鏈路在頻域和空域的相關性，使分集鏈路性能達到最優。

分集臺站的布局驗證通過覆蓋仿真的方法確定臺站配置和所需的最少臺站數量，主要通過可通概率矩陣、覆蓋圖、覆蓋率等指標進行驗證。

在仿真平臺中錄入備選臺站站址和臺站設備、參數配置，對各種臺站布局、設備裝配組合進行仿真，對覆蓋圖和覆蓋率等指標進行仿真評估，尋找最佳臺站布局，為短波組網系統建設提供選址支撐。

５．２ 短波鏈路性能測試驗證

短波鏈路性能測試一直是短波技術領域的一個難點。由于短波信道以電離層為傳播介質，因此受時間、頻率影響較大。短波傳播距離較遠，其接收端的性能很可能被很遠之外的通信系統干擾。同時，短波收發信機、天線等設備的性能狀態也對鏈路性能產生影響，很難搭建一個標準的測試環境對鏈路性能進行檢驗，而且受地域和規模的限制，很難搭建與當前技術體制相符、規模相當的實裝測試環境對系統進行檢驗，因此需要仿真系統提供短波網絡性能評估手段。

結合鏈路預測技術，在仿真平臺中錄入與實裝規模一致的臺站位置和參數配置，同時在相同的位置對短波發信機進行發送，通過對比實裝臺站和仿真系統中對應臺站的接收效果，校正鏈路預測模型，當實裝環境不具備測試條件時，使用仿真環境進行短波鏈路性能測試。

６ 結束語

本文將實裝系統和仿真系統相結合，設計并搭建了基于短波鏈路預測的半實物短波通信系統，細化仿真系統的功能模塊， 研究了半實物仿真技術和短波鏈路預測技術。同時，基于大量實測數據分析驗證鏈路預測模型的有效性，并將其應用于仿真系統。研究表明，本系統能夠為實裝系統提供數據支撐，對實裝短波組網系統的建設和科研具有重要意義。

參考文獻：

［１］ 田曉銘．泛Ｋｒｉｇｉｎｇ 法在海上短波通信頻率預測中的應用［Ｊ］．電訊技術，２０１２，５８（１２）：１４３４?１４４０．

［２］ 胡中豫．現代短波通信［Ｍ］．北京：國防工業出版社，２００５．

［３］ 鞠茂光，劉尚麟．美國空軍短波全球通信系統技術分析［Ｊ］．通信技術，２０１３（７）：９７?９８．

［４］ 孫建民．地球電離層對短波通信的影響分析［Ｊ］．數字通信世界，２０２０（２）：３２?３３．

［５］ 崔瑩．基于云神經網絡的短波通信效能評估方法研究［Ｄ］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，２０１３．

［６］ 攸陽．短波天波傳播損耗預測的計算機仿真［Ｊ］．無線電工程，２０１０，４０（１）：５２?５４．

作者簡介：王雪梅（１９８７—），碩士，工程師，研究方向：短波通信選頻技術、資源調度算法。