基于短波链路预测的半实物仿真系统设计与构建

摘要：针对当前短波组织应用效能难预测、工程建设和运维管理缺乏数据支撑、短波组网通信测试效率低等问题，文章基于短波链路预测模型，提出了一种半实物短波通信仿真系统的设计方案，对系统的体系结构、应用场景以及关键技术进行研究。设计并构建半实物仿真系统，为短波组网通信的科研、建设和应用提供支撑，以及对后续短波通信的发展和大规模应用具有重要意义。

关键词：短波通信；半实物仿真；链路预测

中图法分类号：TN925 文献标识码：A

１ 引言

短波通信具有超视距、低成本、强抗毁性等性能优势，在恶劣自然条件下的移动通信保障中具有广泛的应用前景。尤其是在海上远程通信中，短波通信是主要方法之一，为其提供了重要的支撑。由于短波信道的时变色散特性，传统的点对点短波通信链路极不稳定，很难保证可靠的短波通信［１］ 。近年来，国内外开始利用有线网将台站进行互联，并使用组成短波组网进行通信，考虑到经济、场地、干扰等现实因素，组成短波通信组网的实装短波台站数量受到限制，短波通信组网的性能会受到一定的影响。基于以上现状，半实物仿真系统应运而生，一方面能够为短波通信组网的技术研究和应用提供有力的数据支撑，另一方面与实装短波通信组网进行互联互通，为实装短波通信组网指标验证提供环境支撑［２］ 。

２ 半实物仿真系统设计

２．１ 系统总体设计

基于短波链路预测的半实物仿真系统主要由实装系统和仿真系统组成，总体设计如图１ 所示。实装系统与仿真系统共同具备广域分集接收、多点多频发送功能，２ 个系统之间通过网口进行数据交互，目前实装短波通信组网系统已经完成部分建设并投入使用。

本文将重点介绍仿真系统和半实物仿真建模。仿真系统由基础模型、仿真环境构建、仿真引擎和半实物仿真４ 个模块组成。

２．２ 系统主要功能

实装系统主要具备广域接收、分集处理和多点多频发送等功能，为半实物仿真系统提供实装环境、收集实装数据，实装系统将分集处理后的数据通过有线网传递给仿真系统。

仿真系统为半实物仿真系统提供仿真环境，是半实物仿真系统的核心［３～５］ ，主要包括基础模型、仿真环境构建、仿真引擎和半实物仿真。基础模型与实装系统组成的设备模型，包括收信机、发信机、收天线、发天线、信息处理器等，为仿真环境构建提供基本材料；仿真环境构建是利用基础模型搭建与实装系统功能相同但规模不同的仿真环境；仿真引擎是采用一定的仿真方法将仿真事件按照仿真时间分解为独立的点，而时间将分别在这些点上发生；半实物仿真在仿真系统中采用接入实物的方式取代部分数学模型，又称为硬件在回路仿真。在半实物仿真系统中，接入实物对应的部分通常是难以用于数学方程描述的仿真对象，通过实物的接入能够有效降低仿真建模的复杂度和难度，提高仿真效率。

将实装与仿真系统相连，进行实装与仿真模型间的协议、业务互通，实现半实装仿真，为短波组网系统及装备提供测试、评估环境。

半实装仿真有２ 种形式，一是通过接口导入一批实装系统通信数据，通过仿真系统推演更大规模网络的性能参数；二是通过接口将实装系统中的部分节点与仿真系统中的相应模块进行互联，通过虚实映射，同时运行实装系统和仿真系统，相互验证。将２ 套实装机动用户分别映射到仿真网络中的映射节点１ 和映射节点２ 上，如图２ 所示。

对仿真网络作出如下限定。（１）映射节点１ 电台发送的数据通过半实物接口发送给参试实装１，映射节点２ 电台发送的数据通过半实物接口发送给参试实装２。（２）映射节点１ 将其电台接收到的路由协议报文通过半实物接口转发给参试实装１，因此参试实装１ 建立起与收信站的交互。（３）映射节点２ 将其电台接收到的路由协议报文通过半实物接口轉发给参试实装２，因此参试实装２ 建立起与发信站的交互。

（４）试验时，可能存在３ 种试验数据流通道。（５）纯实装通道：当实装链路状态好时，参试实装１ 与参试实装２ 通过数据处理中心、收信台及发信台的实装装备建立起实装电台Ｒ１ 和Ｒ２ 之间的数据通道，数据流向如图中红色线条所示。（６）半实装通道：当实装链路状态好时，参试实装１ 与参试实装２ 通过数据处理中心、收信台及发信台的虚拟节点建立起数据通道。

（７）连接中断：当仿真网络中的机动用户１ 与机动用户２ 之间不可通信时，映射节点１ 与映射节点２ 之间的仿真路由完全中断，参试实装１ 与参试实装２ 之间的连接中断。

３ 半实物仿真技术

在多系统联合仿真体系中，不同的分系统可能采用不同的机制，如通信仿真器通常将离散事件作为仿真驱动源，设备模拟器等通常采用时间驱动机制，实装设备是以时间为运行基准的［６］ 。因此，为了实现多种异质系统的联合仿真，必须解决“事件驱动”与“时间驱动”２ 种基本通信系统的协同仿真问题。

在事件驱动的仿真模式下，当一个事件处理完成后，仿真内核会将仿真时间直接推进到下一个事件发生的时间点。而在时间驱动的仿真模式下，２ 次事件之间的时间会自由流逝。在事件驱动模式下，若系统中没有明确的执行事件，则整个仿真不能推进，或者被停止。而时间驱动模式下，即使没有处理需求，整个系统也会一直处于激活状态，等待随时可能出现的系统输入。

为解决事件驱动系统与时间驱动系统的交互问题，本文构建了一个能与时间驱动系统交互的事件调度器，并为事件驱动系统中的每个事件附加一个时间标签，使得事件能够与时间进行对应。在仿真时，将整个系统启动时的时间设置为参考时间，仿真运行期间以当前时间与参考时间之间的差值为系统时间，使得事件驱动系统与时间驱动系统进行统一的时间管理。

在事件驱动机制下，仿真内核按照事件执行的先后顺序，将其放入一个事件队列中。执行仿真时，仿真内核不断从队列的头部取出事件，并调用仿真模型的事件处理接口来处理仿真事件，直到事件队列为空或达到预置的仿真时间限制。在事件驱动的仿真模式下，仿真不需要关心现实世界中的时间流逝，而只关注仿真事件的执行，仿真事件发生的时间就是当前的仿真时间。在基于事件序列的仿真模式下，一般很难和墙钟时间对应起来，一是超实时仿真（仿真时间超前于墙钟时间），二是欠实时仿真（仿真时间落后于墙钟时间）。本文需要对事件驱动仿真器的事件调度机制进行扩展，定制一个实时的事件调度器，使其能够实时运行，在支持事件驱动机制的同时，能够满足时间驱动系统的交互需求。

该调度器由２ 个主要的线程构成。

（１）仿真事件执行线程：用于执行仿真内部的事件调度，是一个基于事件驱动机制的运行线程。但在执行完一个事件后，并不是将仿真时间推进到下一个事件发生时刻，而是进行事件调度线程休眠，等到下一个事件发生时再唤醒，由此实现与墙钟时间匹配的功能。

（ ２）外部事件处理线程：用于处理与外部系统（包括时间驱动系统和其他事件驱动系统）的交互。当该线程收到一个外部系统发来的消息时，将该消息转化为一个仿真事件，并将该事件放置到仿真事件队列的头部，事件时间标签设置为当前时间与参考点时间的差值。若当前的仿真事件执行线程处于休眠状态，则将其激活，对新插入的外部事件进行处理；否则等待仿真事件处理线程完成正在进行的事件处理后，立即处理新插入的外部事件。若事件驱动系统需要向时间驱动系统或其他事件驱动系统发送消息，则直接调用外部事件处理系统的消息发送接口即可。

４ 探测和预测结合的链路预测技术

根据用频规律的聚类分析结果，将时间、距离、时差、频率等因素按照最佳的尺度进行归一化，将用时间、距离、时差、频率归一化值作为神经网络输入，将通信效果即接收信号强度作为神经网络输出，构建神经网络模型，如图３ 所示。

在利用试验过程中采集的探测数据和业务数据进行数据预处理后，将时间、距离、时差、频率和信号强度进行归一化处理，处理后的数据形成神经网络模型训练数据，通过训练数据训练神经网络，以保证在神经网络代价函数值最小时使得神经网络收敛，最终将训练好的神经网络参数更新到预测模型，预测模型将预测结果发送至最终的评估模型，以及将评估结果反馈至神经网络模型进行校正，最终保证神经网络训练模型、预测模型和评估模型三者之间达到一种平衡状态。实装系统通过频率探测设备对通信链路上可能的通信频率进行探测并记录，同时结合通信双端长久的历史通信记录并辅以长期预测方法所提供的参考频率，最终形成制定好的频率预选表。在半实物仿真过程中，实装系统根据频率预选表中的参考频率将信号在可能通信成功的频率上依次發送并将用户使用的频率传给仿真系统，仿真系统使用相同的频率进行仿真通信，然后将实装通信效果与仿真通信效果、实装通信效果与预测结果进行对比，从而实现半仿真短波通信系统的链路预测模型搭建。

５ 半实物仿真系统应用

５．１ 分集台站布局验证

合理的短波台站布局可以形成较优的覆盖范围和覆盖性能。短波组网系统既要采用广域分集接收和频率分集发射技术，还要考虑分集链路在频域和空域的相关性，使分集链路性能达到最优。

分集台站的布局验证通过覆盖仿真的方法确定台站配置和所需的最少台站数量，主要通过可通概率矩阵、覆盖图、覆盖率等指标进行验证。

在仿真平台中录入备选台站站址和台站设备、参数配置，对各种台站布局、设备装配组合进行仿真，对覆盖图和覆盖率等指标进行仿真评估，寻找最佳台站布局，为短波组网系统建设提供选址支撑。

５．２ 短波链路性能测试验证

短波链路性能测试一直是短波技术领域的一个难点。由于短波信道以电离层为传播介质，因此受时间、频率影响较大。短波传播距离较远，其接收端的性能很可能被很远之外的通信系统干扰。同时，短波收发信机、天线等设备的性能状态也对链路性能产生影响，很难搭建一个标准的测试环境对链路性能进行检验，而且受地域和规模的限制，很难搭建与当前技术体制相符、规模相当的实装测试环境对系统进行检验，因此需要仿真系统提供短波网络性能评估手段。

结合链路预测技术，在仿真平台中录入与实装规模一致的台站位置和参数配置，同时在相同的位置对短波发信机进行发送，通过对比实装台站和仿真系统中对应台站的接收效果，校正链路预测模型，当实装环境不具备测试条件时，使用仿真环境进行短波链路性能测试。

６ 结束语

本文将实装系统和仿真系统相结合，设计并搭建了基于短波链路预测的半实物短波通信系统，细化仿真系统的功能模块， 研究了半实物仿真技术和短波链路预测技术。同时，基于大量实测数据分析验证链路预测模型的有效性，并将其应用于仿真系统。研究表明，本系统能够为实装系统提供数据支撑，对实装短波组网系统的建设和科研具有重要意义。

参考文献：

［１］ 田晓铭．泛Ｋｒｉｇｉｎｇ 法在海上短波通信频率预测中的应用［Ｊ］．电讯技术，２０１２，５８（１２）：１４３４⁃１４４０．

［２］ 胡中豫．现代短波通信［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００５．

［３］ 鞠茂光，刘尚麟．美国空军短波全球通信系统技术分析［Ｊ］．通信技术，２０１３（７）：９７⁃９８．

［４］ 孙建民．地球电离层对短波通信的影响分析［Ｊ］．数字通信世界，２０２０（２）：３２⁃３３．

［５］ 崔莹．基于云神经网络的短波通信效能评估方法研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２０１３．

［６］ 攸阳．短波天波传播损耗预测的计算机仿真［Ｊ］．无线电工程，２０１０，４０（１）：５２⁃５４．

作者简介：王雪梅（１９８７—），硕士，工程师，研究方向：短波通信选频技术、资源调度算法。