鄭 藝，王玉文，鄧 杰，尚小富

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731)

1 引言

近年來，高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)的研究吸引了人們?cè)絹碓蕉嗟呐d趣與注意，由于采用無線通信方式，空地鏈路通信過程中的信號(hào)在空間中傳播就不可避免地受到自然環(huán)境的影響，例如降雨、云霧、大氣吸收和多徑效應(yīng)等。這些效應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，與場(chǎng)景關(guān)聯(lián)的。因而準(zhǔn)確揭示和模擬它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響成為了目前的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。已有的高空平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)仿真中，對(duì)信道模型方面考慮十分理想，影響了仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)空地鏈路信道建模仿真，以表現(xiàn)其對(duì)高空平臺(tái)空地鏈路性能的影響，便成為了目前研究的現(xiàn)實(shí)需求。

高空平臺(tái)站信道建模仿真方面的研究已經(jīng)開展了一段時(shí)間:文獻(xiàn)［1］研究了高空平臺(tái)站通信的小尺度衰落模型;文獻(xiàn)［2］詳細(xì)研究了多天線信道模型;文獻(xiàn)［3］總結(jié)并且分析了應(yīng)用于高空平臺(tái)站通信的信道模型，揭示了各個(gè)模型的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì);施春強(qiáng)［4］等人從多徑衰落和降雨衰減兩個(gè)方面綜合考慮，建立了一種信道統(tǒng)計(jì)模型。

上述文獻(xiàn)的研究者一般通過建立數(shù)學(xué)模型來模擬高空平臺(tái)通信信道，并采用Matlab仿真來進(jìn)一步研究空地鏈路信道的各種特性。這種傳統(tǒng)方法在對(duì)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真的信道問題中并不適用。另外，目前常用的網(wǎng)絡(luò)仿真器，如OPNET、QualNet和NS－2，只是提供了一些簡單的傳播模型，并不能直接用于高空平臺(tái)站空地鏈路信道的建模仿真中。

本文將對(duì)高空平臺(tái)站通信中的空地鏈路信道進(jìn)行建模仿真，其中主要研究雨衰、云衰、大氣吸收衰減等路徑損耗和由于多徑效應(yīng)引起的小尺度衰落。以QualNet為平臺(tái)并使用C語言編程，建立適用于高空平臺(tái)站的空地鏈路信道模型，并搭建了基于QualNet的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

2 空地鏈路信道建模

2.1 空地鏈路路徑損耗模型

路徑損耗，又稱為大尺度衰落。高空平臺(tái)站空地鏈路的路徑損耗的影響因素主要有自由空間損耗、雨衰、云衰、大氣吸收衰減。目前，針對(duì)上述的衰減存在一些模型，但工程中應(yīng)用最廣泛的是ITU－R模型，因此本文在QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器中主要對(duì)該系列模型進(jìn)行研究。

2.1.1 雨衰模型

電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產(chǎn)生的衰減稱為雨衰，它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強(qiáng)度、雨區(qū)范圍、信號(hào)頻率、極化方式等有關(guān)。對(duì)于10 GHz以上的頻段，雨衰是影響通信鏈路質(zhì)量的一個(gè)主要因素。目前對(duì)雨衰的研究比較深入，建立了許多模型，主要有 ITU－R 模型［5－8］、SAM 模型［9］、DAH 模型［10］等。

ITU－R雨衰模型預(yù)計(jì)超過年均時(shí)間0.01%的衰減 A0.01(dB)，可用式(1)計(jì)算:

式中，rR為0.01%時(shí)間內(nèi)的特定衰減(dB/km)，LE為有效路徑長度(km)。

對(duì)于預(yù)測(cè)衰減超過年均為p(0.001% ～10%)的情形是通過式(2)得到的。

式中，若p≥1%，則β=0;若p＜1%，則β可以通過式(3)計(jì)算得到:

2.1.2 云衰減模型

云通常是由小水滴組成，這些小水滴的直徑一般小于0.01 cm，它們對(duì)電波的衰減主要是由吸收引起的。云衰減的大小與沿著傳播路徑的液體水的含量及溫度有關(guān)。

為了獲得給定概率的云衰減，液態(tài)水的總含量L(kg/m2)或者給定地點(diǎn)的降水量必須事先得到。ITU－R建議中計(jì)算空地鏈路中的云衰減預(yù)測(cè)模型［11］的損耗值 Ac(dB)表達(dá)式為

式中，θ是仰角，Kl為比衰減系數(shù)，Kl可以由式(5)計(jì)算得到:

其中，f為頻率(GHz)。

2.1.3 大氣吸收衰減模型

大氣吸收衰減完全是由于大氣吸收引起的，而該衰減主要取決于頻率、仰角、海拔高度和水蒸氣的密度(絕對(duì)濕度)。當(dāng)頻率低于10 GHz，該衰減可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)頻率高于10 GHz時(shí)，其衰減隨著頻率的增加而增加，特別是對(duì)于低仰角的情況尤其明顯。

ITU－R計(jì)算大氣吸收衰減AG(dB)的公式［12］為

式中，h0為干燥空氣的等效高度(km)，hw為水蒸氣的等效高度(km)，r0為干燥空氣衰減系數(shù)(dB/km)，rw為水蒸氣衰減系數(shù)(dB/km)。

2.1.4 綜合路徑損耗模型

綜合路徑損耗是綜合考慮了雨衰、云衰、大氣吸收衰減等因素的影響。對(duì)于頻率在18 GHz以上或者低仰角情況下的通信，更加需要綜合考慮大氣效應(yīng)的總體衰減[5]。計(jì)算給定概率的總體衰減AT(p)的一般方法如下:

其中，AG(p)為大氣吸收衰減(dB)，AR(p)為雨衰(dB)，AC(p)為云衰(dB)，AS(p)為對(duì)流層閃爍損耗(dB)。本文忽略對(duì)流層閃爍損耗對(duì)通信的影響，所以總體衰減公式又可以簡化為

其中，當(dāng) p＜1.0%時(shí)，那么 AC(p)=AC(1%)，AG(p)=AG(1%)。空地鏈路信道的綜合路徑損耗AL(p)可以最終表示為

其中，AF為自由空間損耗(dB)。

2.2 空地鏈路小尺度衰落建模

接收機(jī)收到的信號(hào)是發(fā)送信號(hào)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收機(jī)的各個(gè)信號(hào)的總和，由于接收機(jī)與發(fā)射機(jī)在短時(shí)間或者近距離內(nèi)產(chǎn)生很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得各個(gè)信號(hào)相互干涉，而導(dǎo)致信號(hào)幅度和相位較大變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做小尺度衰落。小尺度衰落一般包含有兩種衰落模式:如果當(dāng)前存在一個(gè)主要的平穩(wěn)信號(hào)部分，例如視距(LOS)傳播路徑，那么小尺度衰落可以用Ricean模型來描述;當(dāng)Ricean模型中的主導(dǎo)信號(hào)變?nèi)?，?fù)合信號(hào)類似于噪聲信號(hào)時(shí)，信號(hào)的包絡(luò)線為Rayleigh分布，那么衰落模型稱作Rayleigh模型。

對(duì)高空平臺(tái)站與地面站通信的場(chǎng)景來說，一般存在LOS路徑，因此本文主要對(duì)Ricean衰落[13]進(jìn)行建模仿真。當(dāng)為Ricean衰落時(shí)，在第i時(shí)刻衰落幅度ri表示為

其中，A為直射波信號(hào)的幅度;xi、yi為具有零均值的高斯隨機(jī)變量，方差為。衰落因子K由下式確定:

Ricean分布的衰落密度函數(shù)可以表示為

通過考慮非相干的Ricean分布衰落序列的產(chǎn)生方法，Ricean分布的均方值為2(K+1)，其中為式(10)中的高斯過程的方差。由此，式(10)可以改寫為如下形式:

其中，xi、yi為具有零均值的高斯隨機(jī)變量，方差為。由式(13)得到衰落分布包絡(luò)，將ri轉(zhuǎn)化為ri_dB(dB)，那么式(13)可以轉(zhuǎn)化為式(14):

3 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)平臺(tái)

硬件在環(huán)仿真又稱為半實(shí)物仿真，是一種在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型的仿真。半實(shí)物仿真接口IP Network Emulator(IPNE)允許QualNet仿真系統(tǒng)直接加載實(shí)物，準(zhǔn)確方便地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接口與仿真器中模擬節(jié)點(diǎn)接口之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

在鏈路建模仿真中，可以引入半實(shí)物仿真技術(shù)，將實(shí)物、數(shù)學(xué)模型和物理模型結(jié)合起來組成復(fù)雜的鏈路半實(shí)物仿真系統(tǒng)[14]，以此提高仿真精度，降低研發(fā)成本?；赒ualNet的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于QualNet的半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of HITL simulation based on QualNet

仿真環(huán)境由3個(gè)通過以太網(wǎng)連接在一起的外接設(shè)備組成，其中QualNet主機(jī)運(yùn)行QualNet仿真軟件，構(gòu)造虛擬網(wǎng)，另外兩個(gè)外接設(shè)備分別作為與虛擬網(wǎng)絡(luò)中的虛擬節(jié)點(diǎn)S、虛擬節(jié)點(diǎn)D相互映射的實(shí)際設(shè)備。實(shí)際節(jié)點(diǎn)接口與虛擬節(jié)點(diǎn)接口的映射是通過QualNet中IPNE模塊實(shí)現(xiàn)的。

4 空地鏈路信道仿真

4.1 基于QualNet的信道模型仿真設(shè)計(jì)

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，電波傳播對(duì)通信鏈路甚至網(wǎng)絡(luò)都有一定的影響，但網(wǎng)絡(luò)仿真器中所具有的簡易模型又不能對(duì)高空平臺(tái)空地鏈路信道進(jìn)行準(zhǔn)確地建模。QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器應(yīng)用廣泛，有標(biāo)準(zhǔn)的五層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文使用該軟件作為仿真工具。通過修改傳播模型模塊，建立了比已有模型更細(xì)致的空地鏈路信道模型，其信道模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 空地鏈路信道模型架構(gòu)Fig.2 The architecture of the air－ground link channel model

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及場(chǎng)景配置

仿真系統(tǒng)中，在虛擬無線鏈路上視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸是將真實(shí)數(shù)據(jù)注入虛擬無線通信鏈路，這樣可以增加仿真的可信性。由于模擬高空平臺(tái)站的仿真器是視頻流實(shí)時(shí)傳輸?shù)钠脚_(tái)，將其作為視頻流的產(chǎn)生器;模擬地面站的仿真器可以從QualNet接收實(shí)時(shí)的視頻流數(shù)據(jù)，并且顯示出來。上述兩個(gè)仿真器和QualNet仿真主機(jī)通過同一個(gè)交換機(jī)的不同端口相連接。實(shí)際節(jié)點(diǎn)的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，將QualNet仿真主機(jī)的IP地址設(shè)置為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)及其配置如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)在環(huán)仿真架構(gòu)Fig.3 Hardware in the loop simulation architecture

QualNet的仿真場(chǎng)景中，有一個(gè)作為地面基站的固定節(jié)點(diǎn)，位于(N20°，E110°)，一個(gè)作為高空平臺(tái)站的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從固定節(jié)點(diǎn)正上方以200 km/h的速度向東飛行，飛行高度為海拔30 km，高空平臺(tái)站向地面基站每秒鐘發(fā)送4個(gè)512 B的數(shù)據(jù)包，鏈路帶寬為2 Mb/s，仿真時(shí)長30 min。場(chǎng)景配置如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the scenario

物理層涉及的部分參數(shù)如表1所示。

表1 物理層主要參數(shù)Table1 The main parameters of the physical layer

該仿真場(chǎng)景所處地域與綜合路徑損耗有關(guān)的部分氣象信息如表2所示。

表2 場(chǎng)景部分氣象參數(shù)Table2 Meteorological parameters

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 綜合路徑損耗模型仿真

在仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，空地鏈路通信頻率分別設(shè)置為 10 GHz、15 GHz、20 GHz、25 GHz，而其他場(chǎng)景參數(shù)保持不變，進(jìn)行場(chǎng)景仿真，獲得超過年均時(shí)間0.01%的降雨衰減、0.1%的云衰減和大氣吸收衰減的仿真結(jié)果，分別如圖5～7所示，可見雨衰、云衰與大氣吸收衰減都隨著鏈路通信頻率的增大而增大。在3種衰減中，雨衰是影響空地鏈路通信質(zhì)量的最主要因素，而云衰與大氣吸收衰減都低于雨衰對(duì)鏈路的影響;而后兩者衰減模型的研究對(duì)于提高建模仿真的準(zhǔn)確度是很必要的。

圖5 超過年均時(shí)間0.01%的雨衰值Fig.5 Rain attenuation exceeding 0.01%of an average year

圖6 超過年均時(shí)間0.1%的云衰值Fig.6 Cloud attenuation exceeding 0.1%of an average year

圖7 大氣吸收衰減值Fig.7 Gaseous absorption attenuation

將鏈路通信頻率設(shè)定為20 GHz，分別仿真得到不同時(shí)間百分比的雨衰，如圖8所示。由圖可以得出，在超過年均時(shí)間0.1%和0.01%的雨衰較大，而超過年均時(shí)間1%和10%的雨衰都維持在很低的水平，這表明在大部分時(shí)間中，雨衰對(duì)鏈路通信影響甚微。但是當(dāng)降雨量增大時(shí)，極大提高了降雨衰減，嚴(yán)重危害鏈路的正常通信。在通信鏈路建立時(shí)，要考慮鏈路冗余，以盡量避免因降雨而造成鏈路通信的中斷，因此，準(zhǔn)確的雨衰模型對(duì)高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)的研究設(shè)計(jì)至關(guān)重要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖8 超過年均時(shí)間0.01%、0.1%、1.0%和10%的雨衰值Fig.8 Rain attenuation exceeding 0.01%，0.1%，1.0%and 10%of an average year

設(shè)置空地鏈路的頻率為20 GHz，時(shí)間百分比取0.1%，傳播模型分別設(shè)置為自由空間損耗模型和綜合路徑損耗模型，分別仿真得到兩場(chǎng)景下的接收端信號(hào)功率變化情況，如圖9所示。可以看出，當(dāng)降雨量達(dá)到年平均時(shí)間的0.1%時(shí)，大氣效應(yīng)對(duì)空地鏈路通信質(zhì)量有明顯的影響。

圖9 無小尺度衰落情況下接收信號(hào)功率圖Fig.9 Receiving signal power without Ricean fading

4.3.2 小尺度衰落模型仿真

在仿真場(chǎng)景中，由于忽略了地形因素，高空平臺(tái)站與地面基站之間一直存在可視路徑，故Ricean衰落模型適用于描述該場(chǎng)景下的小尺度衰落。在下面的仿真實(shí)驗(yàn)中，通信頻率為20 GHz。

對(duì)于高空平臺(tái)站與地面基站通信鏈路的具體場(chǎng)景，一般設(shè)置K factor為10 dB，得到由小尺度衰落引起的幅值變化情況，如圖10所示。

圖10 小尺度衰落幅值Fig.10 Ricean fading amplitude

在仿真過程中，將小尺度衰落與綜合路徑損耗統(tǒng)一計(jì)算，得到了地面基站接收到的信號(hào)功率，如圖11所示。

圖11 有小尺度衰落情況下接收信號(hào)功率圖Fig.11 Receiving signal power with Ricean fading

4.3.3 綜合信道模型通信仿真

在仿真實(shí)驗(yàn)中，通信頻率設(shè)置為20 GHz，年平均時(shí)間百分比取0.1%，自由空間損耗模型、無Ricean衰落的綜合損耗模型，以及有Ricean衰落的綜合損耗模型分別作為仿真實(shí)驗(yàn)的傳播模型。通過仿真，分別獲得各自的數(shù)據(jù)包投遞率，并比較空地鏈路性能，包投遞率如圖12所示。

圖12 不同信道模型條件下的包投遞率Fig.12 Packet delivery rate of different channel model

圖12 中，當(dāng)傳播模型為自由空間損耗模型時(shí)，包投遞率為99.98%，將近達(dá)到百分之百;當(dāng)傳播模型為無Ricean衰落的綜合損耗模型時(shí)，包投遞率為94.027%，低于自由空間損耗模型;當(dāng)傳播模型為有Ricean衰落的綜合損耗模型時(shí)，包投遞率下降到88.411%，為三者中最低。

在半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中，分別使用自由空間損耗模型、無Ricean衰落的綜合損耗模型以及有Ricean衰落的綜合損耗模型作為仿真實(shí)驗(yàn)的傳播模型，在視頻接收節(jié)點(diǎn)的顯示器上，獲取了圖13所示的3幅圖像，可清晰地看出空地鏈路通信質(zhì)量的差異:自由空間損耗模型下的鏈路通信質(zhì)量最好，而有Ricean衰落的綜合損耗模型下的鏈路通信質(zhì)量最差，同時(shí)也更接近真實(shí)場(chǎng)景。

圖13 接收端顯示器視頻截圖Fig.13 The video screenshot of the receiving end

5 結(jié)論

本文通過分析降雨、云霧、大氣吸收等大氣效應(yīng)引起的衰減以及多徑效應(yīng)引起的衰落，在QualNet仿真器中通過編程實(shí)現(xiàn)了空地鏈路信道建模仿真并搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái)，該仿真相較于在Matlab軟件中進(jìn)行的傳統(tǒng)信道仿真來說，可以更廣泛地應(yīng)用于通信系統(tǒng)的研究中，為分析高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋和系統(tǒng)性能優(yōu)化等提供了現(xiàn)實(shí)方法和研究平臺(tái)。下一步可通過使用QualNet與Matlab聯(lián)合仿真更加細(xì)化信道建模，相信可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的仿真分析。

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