基于OPNET的Ka頻段衛(wèi)星信道仿真建模與研究

梁向陽，李 娟

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分，頻率范圍為26.5-40 GHz。其中，Ka 代表著 K 的正上方（K-above），即該波段直接高于K波段，通常也被稱作30/20 GHz波段。Ka波段最重要的一個特點(diǎn)就是頻帶較寬，可用帶寬可達(dá)到3 500 MHz。因此，Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆寬帶數(shù)字傳輸、高清電視（HDTV）、等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段是未來衛(wèi)星通信的必然趨勢。Ka波段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，降雨引起的電波衰減是影響衛(wèi)星通信線路傳輸質(zhì)量的一個重要因素，因此針對降雨衰減特性的方法研究成為了Ka頻段衛(wèi)星信道中的關(guān)鍵性問題之一。但由于條件所限，通常無法在設(shè)備研制的全過程中都進(jìn)行現(xiàn)場實驗。而構(gòu)建能反映實際鏈路特性的信道模擬仿真系統(tǒng)，是研究和設(shè)計Ka頻段衛(wèi)星通信的一個有效途徑，并可以降低試驗難度和減少成本。目前對Ka頻段的研究集中于降雨對衛(wèi)星信道的影響。文中基于OPNET仿真平臺，通過引入SAM模型及雨滴大小、大氣吸收因素等相關(guān)參數(shù)，建立Ka頻段衛(wèi)星信道模型，對此模型進(jìn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)更為可靠，為今后的信道衰減研究提供了參考依據(jù)。

1 Ka頻段信道仿真建模分析

1.1 OPNET概述

OPNET[2]是一個網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能夠準(zhǔn)確地分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，在網(wǎng)絡(luò)模型中的任意位置都可以插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶指定的探頭，以采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行統(tǒng)計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數(shù)字方式觀察、或者輸出到第3方的軟件包。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有3個模塊組成，能為用戶提供一系列的仿真模型庫，在電信、軍事、航天航空、系統(tǒng)集成、咨詢服務(wù)、大學(xué)、行政機(jī)關(guān)等方面被廣泛應(yīng)用。OPNET提供了三層建模機(jī)制，最上層為網(wǎng)絡(luò)層，反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；中間層為節(jié)點(diǎn)層，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最底層為進(jìn)程模型，以有限狀態(tài)機(jī)來描述。三層模型和實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

1.2 SAM模型分析

SAM模型優(yōu)勢在于發(fā)現(xiàn)對于任何降雨率，傾斜路徑仰角以及2.9 GHz到180 GHz間頻率的情況下可能被超出的衰減，所以對于分析傾斜路徑降雨衰減是很好的模型。SAM模型計算過程[3]：R（mm/h）：一年中允許百分比平均降雨率；hs（km）：地面站的海拔高度；θ（degree）：天線仰角；φ（degree）：地面站的緯度；f（GHz）：無線電波工作頻率；

第一步：計算單位路徑衰減；

A1=aRbdB/mm

第二步：零度等溫線的高度，確定有效降雨高度；

第三步：計算有效路徑（參數(shù)γ=1/22）

第四步：計算平均損耗A=A1LeffdB。

1.3 雨滴分析與大氣吸收特性分析

雨滴的大小，形狀是不一致的，雨衰減的大小和雨滴半徑與波長的比值有密切的關(guān)系，而雨滴的半徑則與降雨率有關(guān)。當(dāng)信號波長接近一個典型雨滴的直徑，即大約1.5 mm時[4]，電磁波的衰減將會增加。大氣中有很多氣體分子（SO2、NO2、O2、H2O、N2O）的吸收損耗使得信號的幅度衰減，頻率越高隨著仰角的減小大氣吸收損耗越大。其中主要是H2O和O2的吸收。文獻(xiàn)[5]中給出了H2O和O2吸收損耗計算公式，計算出衰減值分別為Aw，AO。在Ka頻段上，沿著傳播路徑的云霧將使信號受到衰落，該衰落量的大小與液體水的含量及溫度有關(guān)。文獻(xiàn)[6]中ITU-2R給出了云致衰減的表達(dá)式，計算得衰減值A(chǔ)c。

1.4 Ka頻段信道模型分析

針對電波受到各種因素影響從而是信道衰減的問題，本文采用SAM模型并加入了對大氣吸收、云霧和雨滴等影響因素的分析，根據(jù)ITU-2R建議[7]，提出了信道衰減模型：Atotal=。當(dāng)電波頻率大于20 GHz時，氧氣吸收作用非常嚴(yán)重，占主導(dǎo)地位，而水蒸汽造成的電波損耗相對較弱。因此，在模型中 （氧氣）是慢變因素，而 （水蒸汽）是中間因素。當(dāng)電波穿過降雨區(qū)域時，由于雨滴會吸收電磁波，同時產(chǎn)生散射與輻射，因此會造成信號衰減。為了保證計算精度，并控制計算復(fù)雜度，本文采用目前研究中常用的降雨傳播模式[8]：X=a/b=1-（0.41/4.5）Re。 其中 a/b 為扁橢球雨滴的軸比率，a0為等效球半徑。當(dāng)電波穿過對流層的云霧時，由于能量被吸收和散射，同樣造成電波損耗。具體損耗大小與工作頻率、電波路程長短及云霧濃度有關(guān)。云霧引起的衰減與雨滴相比要小的多。因此在模型中，Ac（云霧）作為中間因素，而雨滴對電波的衰減X作為快因素。

2 仿真模型的實驗

本仿真實驗環(huán)境為：操作系統(tǒng)Windows XP SP3，處理器為Intel Pentium Dual 1.6 GHz，仿真工具采用OPNET Modeler，版本號14.5。仿真軟件的流程圖如圖1所示。

2.1 進(jìn)程模型建立

OPNET中進(jìn)程模型使用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來描述進(jìn)程的邏輯行為。有限狀態(tài)機(jī)使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（STD）來表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。進(jìn)程模型的相關(guān)操作使用C或C++語言描述，并通過OPNET提供的文本編輯器對代碼進(jìn)行編輯。本模型中無線收信機(jī)的進(jìn)程模型如圖2所示。初始狀態(tài)init下如果產(chǎn)生包流，則到達(dá)下一狀態(tài)generate生成包。否則到達(dá)令一個狀態(tài)stop。收信機(jī)功率是無線管道的第八階段，該階段計算到達(dá)包的信號接收功率。使用函數(shù)wlan_power_mt（OP_SIM_CONTEXT_ARG_OPT_COMMA Packet*pkptr）實現(xiàn)。同時信道的模型也是在此階段完成的。

圖1 仿真軟件流程圖Fig.1 Process of simulation software

圖2 進(jìn)程模型圖Fig.2 Process model

2.2 節(jié)點(diǎn)模型建立

OPNET中節(jié)點(diǎn)模型用于定義每一個節(jié)點(diǎn)的行為。一個節(jié)點(diǎn)通常由多個模塊組成，其行為由其使用的不同的模塊決定，每個模塊完成節(jié)點(diǎn)一部分的功能。無線收發(fā)信息的模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)點(diǎn)設(shè)計思路是將移動衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)出的包送到地面移動接收站，在通過地面移動接收站發(fā)送到各個所需的站點(diǎn)。在OPNET中移動節(jié)點(diǎn)軌跡的定義可以是基于段的，也可以是基于向量的。本設(shè)計采用基于段的軌跡，用一系列預(yù)定義的點(diǎn)來模擬運(yùn)動的。基于段的軌跡由一個或多個跨越時間值和一系列表示移動站點(diǎn)路徑的三維坐標(biāo)組成。在仿真中，移動對象根據(jù)為其定義的軌跡逐點(diǎn)移動。通過在緊鄰給定時刻前后，在軌跡點(diǎn)間插入新值來確定對象該時刻的位置。

圖3 節(jié)點(diǎn)模型圖Fig.3 Node model

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型建立

主要使用Network Editor。使用鏈路、節(jié)點(diǎn)模型為它的底層模型。如果針對已有的實際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究還可以使用HP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理器自動導(dǎo)入。本模型在上述的節(jié)點(diǎn)和進(jìn)程模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)衛(wèi)星移動節(jié)點(diǎn)與地面移動收信機(jī)的節(jié)點(diǎn)模型建立了所需的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Network model

在實際應(yīng)用中，仿真選取的降雨區(qū)為中國西安，設(shè)定天線仰角為40°，地面站緯度為34.3°N，地面站高度為0.3969 km，降雨溫度300 K[9]。由于降雨衰減值具有區(qū)域性分布，因此在預(yù)測中，應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)氐慕涤陻?shù)據(jù)。而區(qū)域性的分布數(shù)據(jù)會導(dǎo)致降雨衰減值的精度下降，文中的仿真過程適當(dāng)增加了站點(diǎn)的數(shù)量，以減小此誤差。圖4中地面站分別接收衛(wèi)星傳播的信息。

除本模型采用西安地區(qū)較為可信的降雨狀況，即最大降雨率，取了多個站點(diǎn)的降雨數(shù)據(jù)信息，在西安地區(qū)的地理位置及地面站高度等外在因素固定的情況下，各因素對系統(tǒng)BER性能衰減的仿真圖如圖5所示。由圖可知，首先，降雨天氣對Ka系統(tǒng)影響很大，大氣中的云和霧的影響排在其次。這表明本文仿真模型更能反應(yīng)信號衰減的真實情況。在同一條件參數(shù)下，信道衰減不僅受到降雨的影響，同時會受到大氣中所含分子（主要是水和氧氣分子）的影響。這是因為電磁波通過大氣時，分子會吸收電波能量而產(chǎn)生能級跳躍，從而引起電波衰減。因此大氣中的氧氣和水蒸氣吸收作用會造成傳輸損耗，所以吞吐量隨之受到影響。

圖5 各因素對系統(tǒng)BER性能影響的仿真圖Fig.5 Impact of factors on the system BER performance

綜上所述，在Ka頻段上，本模型綜合考慮了降雨強(qiáng)度及雨滴大小、大氣吸收和云致衰減等因素，對模型進(jìn)行仿真，實驗結(jié)果表明，了降雨量會造成信道衰減，雨滴強(qiáng)度及大氣吸收也會造成信道衰減。

3 結(jié) 論

針對Ka頻段衛(wèi)星通信信道中電波傳播特性的研究，引入了SAM模型、大氣吸收、降雨強(qiáng)度，雨滴及云致衰減多因素，建立了Ka頻段衛(wèi)星通信信道仿真模型，并基于OPNET平臺進(jìn)行仿真。同時該模型結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少，且可以忽略極化方式對參數(shù)的影響。與傳統(tǒng)頻率因子轉(zhuǎn)換的雨衰預(yù)測模型相比，該模型適用范圍較廣，理論上可以對任意一次降雨進(jìn)行實時測試，具有較好理論研究意義與應(yīng)用前景。

[1]陳道明.新一代Ka頻段通信衛(wèi)星[J].國際太空，2002（5）:8-11.CHEN Dao-Ming.A new generation of Ka-band communications satellite[J].International Space，2002（5）： 8-11.

[2]李馨，葉明.OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)建模與仿真[J].西安電子科技大學(xué)，2002（5）:8-11.LI Xin，YE Ming.Network modeling and simulation with OPNET modeler[J].Xi’an Electronic Science and Technology University，2002（5）:8-11.

[3]International Telecommunication Union.Recommendation ITU-RP 618-8 Propagation Data And Prediction Methods Required for the Design of Earth-space Telecommunication System s[S].Geneva:International Telecommunication Union Electronic Publishing Service，2004.

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[6]ITU-2R Recommendation 84021992，Attenuation due to Clouds and Fog，Propagation in Non-lonized Media[S].1992.

[7]ITU 2R Recommendation 6182421992，Propagation Data and Prediction Methods Required forthe Design of Earth2space Telecommunication System s，Propagation in Non2lonizedMedia[S].1992.

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