基于SEA 和ADC 的航空通信系统效能评估

蒋国峰，白 红

（1.空军工程大学航空机务士官学校，河南 信阳 464000；2.解放军95696 部队，重庆 400039）

0 引言

美国工业界武器系统效能咨询委员会对武器系统效能的定义是：“预期一个系统能满足一组特定任务要求的程度的量度”，其是系统的有效性（Availability）、可信赖性（Dependability）和能力（Capability）的函数。我国军标中将系统效能定义为“装备系统在一定的条件下，满足一组特定任务要求的可能程度，又称为综合效能，效能大小的尺度，可用完成一个任务的概率表示，或用系统任务目标有关的期望效果值表示”。可以看出，效能是度量功能应用效果的相对定量值，是功能、性能、应用环境和应用者的函数。SEA（system effectiveness analysis）是由A.H.Levis 教授于20 世纪80 年代初提出的效能分析方法，其核心思想是效能应能够反映系统用户的需求，并能体现系统技术、系统环境和用户需求的变化。应从系统运行的动态过程中去考察和分析系统效能，才能全面描述系统、环境及使命对系统效能的影响。

航空通信担负着空中与空中、空中与地面间的信息传输任务，是现代战争的“中枢神经”。现代战争对航空通信的需求和航空通信技术的发展相互促进，现代战争要求航空通信系统能够在复杂电磁环境下，对大容量信息在较大空间范围内实现准确及时的传输，使得航空通信系统具备多功能、多频段、多制式和多模式等特点。为充分发挥航空通信系统的特性，需要结合航空通信系统担负的任务和工作环境，对航空通信系统在不同状态下的效能进行评估。相关文献已用多种方法对通信系统进行评估，但基本上都是侧重于某一方面的性能，没有从通信系统本身的物理特性、担负的任务和所处的工作环境等因素去综合评估系统的效能。

1 基于ADC 的航空通信系统效能评估模型

1.1 航空通信系统的组成

航空通信系统是由多个空中或地面的通信节点组成的信息传输系统，各通信节点的功能和工作模式相互兼容，设备组成也基本相似。机载通信系统作为航空通信系统中的空中通信节点，一般由电台、天线、显示控制和耳机话筒等机件按照串联结构组成，机载通信系统的典型组成如图1 所示，由短波收发机、超短波收发机、L 波段收发机和卫通收发机4 种类型的电台组成，主要完成各波段信号的接收和发射。每种波段的收发机可实现图中所示的调制和解调功能，如短波收发机可实现AM、SSB、CW 和VOC（声码话）功能。两个通信控制器相互备份，主要完成各路音频信号的选择与加权处理；耳机话筒主要完成语音信号和电信号之间的转换；显控1 和显控2 相互备份，用于对电台的功能控制和状态指示。

图1 机载通信系统组成

1.2 基于ADC 的系统效能评估模型

ADC 方法综合考虑了系统的物理性能和任务执行能力对任务完成程度的影响，通过合理确定模型中的指标，可以较为准确地反映系统的任务完成概率。ADC 方法的效能评估模型如式（1）所示：

式中，MTBF 为设备平均故障间隔时间，MTTR 为设备平均修复时间。假设通信系统在执行任务过程中不能修理，且故障分布服从指数定律，则可信性矩阵D 由执行任务时正常状态和失效状态之间的相互转换概率组成，可表示为：

2 基于SEA 的固有能力评估模型

2.1 固有能力评估指标体系

固有能力表示的是系统处于可用和可信状态下，在特定的工作环境下完成相应通信任务的概率，其性能指标体系如图2 所示，顶层是系统的固有能力，可从通信的准确性、时效性和安全性等指标表征，准确性是通信的前提，时效性和安全性是关键。

图2 通信系统固有能力指标体系

2.2 建立系统映射

2.2.1 通信准确性的系统映射

通信的准确性可以用误码率表征，为了物理意义的直观性和数值计算的方便性，还需要对信噪比或误码率表示的准确性作归一化处理。数字通信时的误码率与准确性之间的关系，对于话音业务可采用如下所示的映射关系进行非线性转换：

式中，R为语音业务的可懂度，P为接收机输出信号的误码率。

2.2.2 通信时效性的系统映射

时效性反映的是信息的传输是否及时，可用信息从信源到信宿所需的时间满足期望时间的能力或概率表征。根据航空移动通信系统信号的收发流程，完成一次信号收发所需的时间，如式（5）所示：

式中，P为通信时效性的系统性能度量，t为期望时延的最小值，t为期望时延的最大值。

2.2.3 通信安全性的系统映射

通信安全性与抗截获性、抗识别性与抗入侵性有关，通信安全性的性能度量如式（7）所示：

式中，P为通信安全性的系统映射，ω为抗截获性权重，P为抗截获性，0 表示被截获，ω为抗识别性权重，P表示抗干扰性，0 表示没有抗干扰性，P为抗保密性，0 表示没有保密性，ω为抗入侵性权重，满足ω+ω+ω=1，P为抗入侵性。

2.3 建立使命映射

2.3.1 通信准确性的使命映射

通信任务对准确性的使命要求是信息到达终端后，与发送端原始信息吻合程度的概率应能达到一定数值之上，则通信准确性的使命映射为一区

式中，M为通信时效性的使命映射，M为通信时延满意度的最小可接受值，M为通信时延满意度的最大可接受值。

2.3.3 通信安全性的使命映射

保证己方通信安全的理想情况是敌方不能识别我方信息，不能入侵我方通信网络，通信使命对通信安全也有最低要求，通信安全性的使命映射可表示为：

式中，M为通信安全性的系统性能度量，M为通信安全性要求的最小概率，M为通信安全性要求的最小概率。

2.4 评估系统效能

SEA 模型得出的效能值是根据系统轨迹和使命轨迹的匹配度进行计算的，线性法是常用的匹配度计算方法，将性能指标的系统轨迹值与使命轨迹值的线性比例值作为其匹配度；对于效益型性能指标，匹配度计算公式如式（11）所示：

式中，E 为航空移动通信系统的效能值，P为通信准确性匹配度，ω为通信准确性指标的权重，P为通信时效性匹配度，ω为通信时效性指标的权重，P为通信安全性匹配度，ω为通信安全性指标的权重。各性能指标的匹配度利用式（11）计算，权重由专家根据通信任务确定，满足ω+ω+ω=1。

3 航空超短波通信系统效能评估实例

3.1 应用场景

航空通信系统的典型应用场景如图3 所示，假设位于J 点的干扰端与位于O 点的通信端在地面，位于U 点的通信端在空中。将整个空间划分为3 个区域，距O 点的距离分别为d、d和d。两个通信终端之间的距离为d，干扰终端与两通信终端之间的距离分别为d和d，OU 与OJ 之间的夹角为α。

图3 航空移动通信系统应用场景图

3.2 链路设备可靠性

通信链路的可靠性由组成设备的MTBF 和MTBR 决定；由图1 可知，超短波通信链路设备包括耳机话筒、机通、显控、收发机和天线，MTBF 和MTBR 参数如表1 所示。

表1 超短波链路设备可靠性参数

完成一次信号的收发需要发射端和接收端均能正常工作，图1 所示的只是一端通信设备的组成。假设通信两端的组成设备和性能均相同，整个任务执行时间为0.5 h，考虑到通信链路中各设备组成的串联式结构，可得超短波链路设备在整个任务执行过程中一直处于正常工作的概率为0.972 2。

3.3 通信链路准确性

3.3.1 假设条件

干扰端发射白噪声调制类型的同频干扰信号，干扰和背景噪声相互独立，两者在接收机输入端形成加性噪声干扰。通信链路和干扰链路均满足视距传输条件，衰减符合自由空间传输特性；干扰链路和通信链路的增益除了由于距离的不同导致的差别之外，其他参数均相同。假设图3 中U 点为无线通信信号接收点，O 点为有用信号发射点，J点为干扰信号发射点。通信链路各参数数据如表2所示。

表2 超短波通信链路参数

3.3.2 U 点通信链路的准确性计算

假设干扰站与发射站相距800 km，通信发射功率为15 w，接收机中频带宽68 kHz，处理增益为-3 dB，调制频率3 kHz，FM 调制时频偏为6 kHz。当干扰功率为0 时，在不同通信距离处，不同调制方式下的语音通信准确性如图4 所示。可以看出，对于相同的通信准确度，D8PSK 调制时通信距离最近，BPSK时通信距离最远。FM 调制时存在门限效应，假设该门限值为10 dB，只要接收到的载噪比在门限值以上，通信准确度就能较好地满足要求；否则，通信准确度迅速下降。

图4 不同调制方式下的语音通信准确性变化

下页图5 表示了干扰功率在500 w 时，各种调制方式下的语音通信准确性变化曲线。可以看出，相同干扰条件下，对于同样的通信准确度，仍然是BPSK 调制时的通信距离最远；FM 与MSK 调制时的抗干扰性能基本相当；AM 调制时，通信距离具有较大的变化范围。

图5 500 w 同频干扰时语音准确性的变化

3.3.3 超短波通信链路时效性

假设超短波通信各阶段时间和期望时延如表3所示；空间传输时间由实际通信路径距离D 和无线信号空间传播速度C 确定，它们之间的关系可表示为t=D/C。

表3 超短波通信传输时间（ms）

将表中其他相关数据代入，通信时效性随通信距离的变化曲线如图6 所示；可以看出，通信时效性随通信距离的变化较小，发射时间和中继次数是影响通信时效性的主要因素。当传输距离为D=1 000 km 时，空间传输时间仅为3.33 ms，与发射和接收阶段的时间相比要小得多，因而，通信时效性随通信路径的距离变化不明显，数值基本保持在0.97 左右。

图6 通信时效性随通信距离的变化曲线

3.3.4 超短波通信链路安全性

假设抗截获性、抗识别性和抗入侵性的权重分别为0.5、0.3 和0.2。超短波通信链路的安全性P在不同模式下的数值如表4 所示。抗截获性、抗识别性和抗入侵性实际上相当于三级安全性防范措施，只有被敌方逐级攻破，己方的安全性才等于最小值。

表4 不同模式下的安全性

3.3.5 超短波通信链路效能

如果敌方侦察接收机与干扰站位于同一位置，对超短波信号侦察接收的最大距离为300 km；通信准确性、时效性和安全性的权重和使命映射区间如表5 所示。发射端和干扰端位于地面，接收端位于空中，最大飞行高度为20 km。

表5 不同模式下的使命属性

如果采用常规调制、明话、无入网密钥时，干扰功率为0，其他参数如上所述；当通信距离变化时，效能值与使命要求匹配度随通信距离的变化曲线如图7 所示。可以看出，效能值主要由通信准确性决定，当己方接收机处在敌方的侦察范围之内（300 km）时，通信系统效能将随着安全性的降低急剧下降。

图7 系统效能及匹配度随通信距离的变化

如果其他参数和场景不变，当选择不同的工作调制方式时，通信系统的效能随距离的变化曲线如下页图8 所示。可以看出，当选择BPSK、DPSK 和MSK 时，在不同通信距离处的效能值相同；D8PSK效能值满足要求的距离最短；其次是AM 方式。

图8 不同模式下的系统效能随通信距离的变化

4 结论

基于ADC 的航空通信系统效能评估模型反映了物理特性和能力特性对系统效能的影响；利用SEA 方法评估航空通信系统的固有能力，综合考虑了通信系统的工作环境、使命任务对固有能力实现的影响。综合运用ADC 和SEA 模型，评估航空通信系统的效能，效能值既定性地反映了通信任务的完成与否，又定量地反映了通信任务的完成概率，较为全面地反映了航空通信装备的可靠性、功能差异性和技术特性对任务完成情况的影响，可为航空通信系统在不同应用场景下的使用方案制定和功能模式选择提供依据，对于提高航空通信系统的任务完成率具有重要的参考价值和指导意义。