C4ISR仿真系统中通信仿真模型的建立(1).pdf

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1、基金号:国防预研基金(JB0201)收稿日期:2002-11-15 第21卷 第1期计 算 机 仿 真2004年1月 文章编号:1006-9348(2004)01-0041-03C4ISR仿真系统中通信仿真模型的建立戴剑伟1,陈少卿2,蒋晓原2(1.通信指挥学院,湖北 武汉430010;2.中国电子设备系统工程研究所,北京100039)摘要:通信系统是保证信息在C4ISR系统中无缝流动的物质基础。从工程技术角度,建立一个高精度的通信仿真模型是非常复杂的。该文分析了C4ISR仿真系统对通信仿真模型的需求,提出了C4ISR仿真系统中通信系统仿真模型建立和实现的方法。关键词:通信系统;建模与仿真;通

2、信模型中图分类号:TP391.9 文献标识码:A1 概述C4ISR系统仿真主要解决信息过程的建模与仿真,即对信息的获取、传递、融合、处理及信息应用的建模。具体来说应该重点考虑如下几个方面的问题:1)信息应作为模型描述的重要因素之一。信息是C4ISR系统收集、处理和分发的对象,战场信息依靠各类传感器系统、通信系统和指挥控制系统进行收集、分发和处理,由于传感器和通信系统的性能以及指挥控制系统的信息处理能力,再加上其它战场因素的影响(比如火力毁伤、电磁干扰等),将会造成战场信息的遗漏、丢失、出错和延迟,从而影响信息的完备性、准确性和时效性,进而影响作战的结果;因此,要真实地描述军事行动中的信息流,并

3、充分考虑影响信息及信息流动的各种因素。2)对多源信息的采集和信息采集设备的管理和调度进行建模。为了获得最优的探测性能,必须按照某些工作准则适当地管理和调度这些传感器,包括传感器的分配、工作模式的选择、指示和交接等。因此模型不仅要描述所有的传感器和信息采集系统信息采集过程,还要对这些设备的调度和管理进行描述。3)建立信息处理模型。不经处理的信息是无价值的,信息需要经过加工处理,才能体现其价值,典型的信息处理包括过滤、关联和信息融合、综合等过程,而信息处理的能力将对作战结果有直接的影响,因此必须对信息的处理过程进行建模。4)在建模中,要将C4ISR系统中各个组成部分及整体作为战场环境中的实体。在作

4、战中,指挥自动化系统完成信息的采集、处理、分发和显示等功能,因此,在模型中,应把它们作为能被侦察的、被物理或非物理手段毁伤或破坏的实体,并要考虑它们的抗毁性能。5)要建立各级作战单位的感知能力模型。因为在作战中,每一个作战单位都具有一定感知能力,而且它们都能从上级指挥机关、下级单位或友邻单位获取信息。6)模型中指挥员的所有决策是以感知的战场态势为基础进行的。在模型中,各级作战单位的作战行动应该基于C4ISR系统的情报侦察系统感知的战场态势,而不是基于真实的战场信息,若根据不准确的态势信息而采取的作战行动,将会对作战造成不良的后果。7)模型中要对信息作战行动进行描述,比如,作战单位对对方信息及信

5、息系统采取的攻击和保护行动。目前,信息作战行动主要是电子对抗,即利用电子对抗手段,破坏对方的情报侦察、预警探测系统对信息的获取和收集,削弱对方通信系统的信息传递能力,因此要考虑电子对抗的建模与仿真。由以上的分析可知,通信系统是信息在C4ISR系统中无缝流动的物质基础,因此通信系统仿真模型是C4ISR仿真系统的重要组成部分。在C4ISR系统中,通信系统是一个由多种通信手段、多种传输媒介组成的通信网。通信网络通常由多个网络节点及传输线路组成,网络节点之间通过有线、无线线路和卫星通信线路等信息传输链路连接的。从工程技术方面,比如考虑传输媒介、拓扑结构、路由、流量控制、误码率等特性,建立一个高精度的通

6、信模型是比较复杂的。虽然有一些通信系统仿真工具,但是与C4ISR仿真系统接口复杂,对C4ISR仿真系统来说过于详细,因此必须建立符合C4ISR仿真系统需求的通信系统仿真模型。2 通信模型需求分析在C4ISR仿真系统中,重点描述通信系统对C4ISR系统作战效能的影响,主要体现在:关于敌方的情报侦察报告和我方的态势信息,由于通信系统的性能不能及时地传递或不能进行传输,指挥员将得到的是过时的信息,甚至得不到信息,从而影响指挥员正确决策。因此,在C4ISR仿真系统中,通信模型将重点描述通信网络的时延。在C4ISR仿真系统中对通信模型的需求如下:14 1995-2005 Tsinghua Tongfan

7、g Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.1)为C4ISR仿真系统中所有的实体提供一个通信模型框架,并能描述多种不同的通信网络。2)通信模型是基于数据驱动的,通信网络的性能特征、背景业务量、网络连通性可通过数据设置。3)模型可以通过数据改变业务量,比如战场态势信息的变化对网络通信业务量有明显的影响。4)支持多种传输媒介和模式,包括UHF、VHF、卫星、局域网、广域网等传输媒介、点对点、组播、广播等模式、话音和数据信息。5)支持多种网络结构,任何实体能够连接到多种通信网络上,用户能够设置网络结构。6)模型能描述物理破坏、环境、电子战等对通信网络的影响。

8、3 通信网络模拟方法3.1 逻辑网络为了能模拟多种通信网络,在此引用了逻辑网络的概念。把通信网络抽象成逻辑网络,从而在对通信网络进行模拟时,可以不必描述信息传输中的所有细节,比如,传输中采用的协议、网络的拓扑结构、节点、链路等。逻辑网络的功能是传输信息服务,即发送节点将信息发送给逻辑网络,逻辑网络将信息递交给接收节点。一个节点可以动态地连接和断开逻辑网络。每一个逻辑网络用吞吐量和服务速率来描述。图1描述了逻辑网络的概念。图1 逻辑网络3.2 连接矩阵各个网络用户之间的连接关系可用连接矩阵来描述,任何网络用户可与同一网络中的任何其它网络用户进行通信,一个网络用户可用不同的优先级与多个不同的网络相

9、连。表1是连接矩阵的示例,其中1表示最高优先级别,4表示最低优先级别。表1 节点连接矩阵用户标识号网络类型和优先级卫星通信网VHF网UHF网 移动通信网 固定通信网用户1123用户212用户312用户4123用户51用户6123.3 通信业务分析模型当信息被传送到通信网时,必然要产生时延,其主要原因有三点:信息经过网络传输,需要传输时间;信息到达通信网需要排队等候处理;信息被处理时间。只要知道传输媒介的传输速率和信息处理速率,就可计算出信息传输时间和信息处理时间,而排队时延则取决于信息到达时间的统计规律和信息处理顺序的规则。因此可采用排队论来分析通信网络的性能。根据逻辑网的含义,假设逻辑网为M

10、/M/1的排队系统,即:输入过程 呼叫源无限,呼叫单个到达且相互独立,一定时间内到达数服从泊松分布,到达过程是平稳的;排队规则 单队,且队长不限制,先到先服务(FIFO);处理机构 单处理器,各呼叫的处理时间相互独立,服从相同的负指数分布。根据排队理论,对于M/M/1排队系统,呼叫在排队系统中的整个停留时间Ws服从参数为(-)的负指数分布,即分布函数为:F(Ws)=1-e-(-)Ws概率密度:f(ws)=(-)e-(-)Ws呼叫的平均排队延迟时间:Ws=E(ws)=1-。因此,若已知呼叫的平均到达率和逻辑网络的平均服务率,则可计算出呼叫在逻辑网的平均排队时间。每一个逻辑网络的平均服务率可以根据

11、网络的特性来确定。呼叫的平均到达率即业务量按以下方式确定:对于数据网络来说,业务量是每小时到达的信息数量;对于电话网来说,业务量为每小时产生的呼叫数。对于不同的逻辑网,其业务量是不同的。在C4ISR仿真系统中,将业务分为两部分:重要信息业务量和背景业务量。背景业务量是重要信息以外的其它信息。重要信息是指能影响实体状态或可能影响指挥决策的信息,包括如下6类:24 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图3通信模型结构(下转第17页)1)命令信息;2)态势报告信息;3)传感器报告信息;4)后勤请求信

12、息;5)火力支援请求信息;6)目标指示信息。由于假设信息的到达或呼叫的产生服从独立的泊松流,设各自的到达率为1、2,其呼叫发生概率为:P(1)k=(1t)kk!e-1tP(2)k=(2t)kk!e-2t则合成呼叫发生数为k的概率为:Pk=(1+2)tkk!e-(1+2)t因此总的业务是发生率为1+2的泊松过程。图2排队时延计处在作战中,业务量与作战阶段、所担负的任务、作战时间有关,比如担负进攻或防御任务的地面作战部队明显比在集结地域的部队将产生更多的通信业务量。因此,在仿真中,必须给出每一个逻辑网络的背景业务量,以及在不同作战阶段、不同作战任务、不同作战时间的重要信息业务量。在计算某一信息的排

13、队延时时,采用查表插值的方法求出当前的平均业务量,再乘以一个均值为1,标准方差为0.1的随机数,得到当前的业务量。信息的排队时延的计算过程如图2所示。因此,信息经过通信网从一个用户传输到另一个用户的总延迟Ttotal:Ttotal=Tprep+Tqueue+Txmit+Trecv其中:Tqueue是排队延时,按照图2所示方法计算得出;Tprep为发送信息用户准备时间;Trecv为接收信息用户接收时间;Txmit为信息传输时间,由下式计算:Txmit=网络吞吐量 3 信息长度。4 实现方法图3举例说明了在信息仿真环境中信息是如何传输的。由图3可知,通信模型主要由通信管理(Communicatio

14、nManager,简称CM)和通信结构(Communication Architecture:简称CA)组成。每一个战场空间实体都有一个CM对象类用来发送和接收信息。在仿真环境中只有一个通信结构CA,其主要作用是根据发送BSE和接收BSE连接网络的类型和优先级,按照发送者和接收者连接的网络类型保持一致以及选择优先级最高的网络的原则,为发送来的信息查找通信网络,采用上一节介绍的方法计算出通信时延,并在给定的时延后,将信息递交给接收者。被传输的信息中包含的内容有:信息的种类(命令、态势信息)、信息的具体内容、信息的类型(数据、话音)、信息接收者。当CA向信息接收BSE递交信息时,CA判断此时是否有

15、其它事件发生(比如:电子干扰或气候影响),可能引起信息的进一步延迟或不能将信息递交给接收BSE。比如,图中的战场空间实体BSE1是信息发送者,BSE2、BSE3是接收者。BSE1的CM将信息发送给CA,CA根据发送BSE和接收BSE连接网络的类型和优先级,决定信息传输的网络,BSE1通过卫星网将信息传输给BSE3,通过VHF通信网传输给BSE2,计算出相应的通信时延为T2和T3,CA在延时T2、T3后,分别将信息递交给BSE3和BSE2。5 结束语通信仿真模型是C4ISR仿真系统中的重要组成部分,但由于C4ISR系统中通信系统是一个由多种通信手段、多种传输媒介组成的复杂的通信网络系统,建立一个

16、高精度的通信系统仿真模型是比较困难的。本文提出了一个通信网络仿真方法,此方法已应用到C4ISR仿真系统中,取得了较好效果。34 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.算机技术的发展,Web3D技术可以快速发展起来。参考文献:1Andrea L Ames,等.VRML资源手册M.北京:电子工业出版社,1998.2Joe Gredecki.The Virtual Reality Programmers KITM.北京:电子工业出版社,1998.3Kennech R Castleman.Digital

17、 Image Processing M.北京:电子工业出版社,2002.4Bo Huang,Hui Lin.GeoVR:a web-based tool for virtual reality pre2sentation from 2D GIS dataJ.Computers&Geosciences 1999,(25):1167-1175.5Andreas Disch.Vipera 3D-modeling and visualization toolkit forWeb-base applicationsJ.Computer NetWorks and ISDN Systems1998,(30)

18、:626-62816 张茂军.虚拟现实系统M.北京:科学出版社,2001.7 何斌.VC+数字图像处理M.北京:人民邮电出版社,2001.8Woo.OPENG L编程权威指南M.北京:中国电力出版社,2001.9 辛晨昀,等.基于VRML的虚拟现实场景构造中应用建模工具的研究J.南京邮电学院学报,2001.作者简介刘宜金(1979-),男(汉族),广西人,南京邮电学院计算机科学与技术系硕士研究生,研究方向为软件在计算机通信中的应用;王汝传(1943-),男(汉族),安徽人,南京邮电学院计算机科学与技术系教授,博士生导师,主要研究方向为计算机软件在通信中的应用,计算机图形图像及虚拟现实技术;王海

19、艳(1974-),女(汉族),江苏人,南京邮电学院计算机科学与技术系讲师,主要研究方向为计算机软件在通信中的应用,计算机图形图像及虚拟现实技术。The Study of Humanoid Modeling Based on VRMLLIU Yi-jin,WANG Ru-chuan,WANG Hai-yan(Department of Computer Science and Technology,Nanjing University of Post and Telecommunication,Nanjing Jiangsu 210003,China)ABSTRACT:With the deve

20、lopment of Network 3D,there is a great need of adding human activity in the Online Virtual environment,which isthe most frequently happening element of real world.This paper goes deep inside the specification of H-anim(The Humanoid Animation Spec2ification)about its contents and relationship with MP

21、EG4,and gives an example Humanoid model,an Humanoid modeling software realizationusing mixed graphics and images modeling method.KEYWORDS:Virtual reality modeling language(VRML);H-anim;Mixed modeling of graphics and image;Modeling tool(上接第43页)参考文献:1 王承恕.通信网基础M.北京:人民邮电出版社,1999-9.2Lisa A Norris.Modeli

22、ng C3:The Effectives Of Information Delay InTactical TIC-TAC-TOER.AD-A255142,June 1992.3Insub Shin and Alexander HLevis.Performance Prediction of a Network-Centric Warfare SystemC.Proc.of 2000 Command and ControlResearch and Technology,June 26-28,2000.作者简介戴剑伟(1966-),男(汉族),湖南涟源人,讲师,博士,研究方向:指挥自动化系统仿真;

23、陈少卿(1966-),女(汉族),河北宣化人,工程师,博士,研究方向:指挥自动化系统仿真;蒋晓原(1947-),男(汉族),江苏南通人,研究员,博士生导师,研究方向:指挥自动化系统总体。Communications Modeling in C4ISR Simulation SystemDAIJian-wei1,CHEN Shao-qing2,JIANG Xiao-yuan2(1.Commanding Communications Academy,Wuhan Hubei 430010,China;2.Beijing Institute of Electronic System Engineeri

24、ng,Beijing 100039,China)ABSTRACT:Communication system is physical foundation ensuring information seamlesslyflowing in C4ISR.It is very difficult to construct ahigh precision communications model.The paper analyses the demand of C4ISR simulation system on communications models,proposes amethod of communications modeling in C4ISR simulation system.KEYWORDS:Communication system;Modeling and simulation;Communication model71 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.