周得敏，劉蕓江，李曼，白翔

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077；2.中電集團第三十研究所，成都610041）

基于ITS和OPNET軟件聯(lián)合的短波網(wǎng)絡(luò)仿真方法*

周得敏1，劉蕓江1，李曼1，白翔2

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077；2.中電集團第三十研究所，成都610041）

針對OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件不能體現(xiàn)短波天波傳輸特點的問題，分析了短波天波傳輸信道的特性，給出了天波傳輸方式下的路徑長度和傳輸損耗的計算方法。介紹了OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件和ITS短波信道模擬軟件，結(jié)合信道計算方法和軟件仿真原理，分析了兩種軟件在短波網(wǎng)絡(luò)仿真中的契合點，提出了基于兩種軟件聯(lián)合的短波網(wǎng)絡(luò)仿真方法。通過將聯(lián)合仿真方法在短波網(wǎng)絡(luò)性能分析中的應(yīng)用，得到的結(jié)果能夠體現(xiàn)短波信道特點，說明該聯(lián)合仿真方法能夠為OPNET軟件下的短波網(wǎng)絡(luò)仿真提供較真實的短波信道環(huán)境。

短波通信，聯(lián)合仿真，ITS，OPNET

0 引言

短波天波通信以電離層為中繼，具有抗毀能力強、成本低廉、頑存性好等特點，是遠(yuǎn)程通信的有效方式，也是戰(zhàn)爭中最可靠的通信方式之一［1］。19世紀(jì)50年代人們就對短波無線信道機制進行研究和建模，經(jīng)歷了Watterson模型［2］和vogler模型［3］由窄帶到寬帶的重要階段。美國電信科學(xué)學(xué)會（ITS）在二戰(zhàn)初期就開始收集電離層數(shù)據(jù)，來評估短波天波通信系統(tǒng)的性能，20世紀(jì)90年代后期，該機構(gòu)發(fā)表了一篇權(quán)威的寬帶信道模型仿真器實現(xiàn)方法的論文，后被稱為ITS模型［4］。20世紀(jì)初，ITS機構(gòu)在前期大量經(jīng)驗計算的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了ITS短波信道模擬軟件，通過計算機仿真得到短波頻率、信號振幅與太陽活動及緯度、高度等因素之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。

在研究短波通信時，網(wǎng)絡(luò)仿真是必要的研究手段，目前還沒有能夠直接體現(xiàn)短波信道特點的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，對短波信道的研究集中在信道建模分析。文獻［5］利用System View軟件，根據(jù)短波信號的時間選擇性衰落和頻率衰落特性，仿真了短波電離層反射對信號的影響。文獻［6］根據(jù)ITS信道模型結(jié)構(gòu)從信道的衰落特性和噪聲干擾兩方面進行了建模和計算機仿真。文獻［7］利用散射函數(shù)對信道進行了仿真，為短波擴頻通信的通信設(shè)計提供信道測試平臺。文獻［8］設(shè)計了一種以Watterson模型為基礎(chǔ)的純軟件短波信道仿真算法，并應(yīng)用MATLAB軟件仿真實現(xiàn)。

本文在分析短波信道特性的基礎(chǔ)上，利用ITS軟件仿真實際條件下短波信道的傳輸特性參量，為OPNET軟件提供無線信道的仿真數(shù)據(jù)，通過修改OPNET無線管道階段程序，實現(xiàn)在OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中更貼近實際的研究短波網(wǎng)絡(luò)。

1 短波信道的傳輸特性

1.1傳輸路徑長度的計算

短波通信的傳播方式分為地波傳播和天波傳播。地波傳播為視距傳播，通信距離近，信號損耗?。惶觳▊鞑サ男盘柭窂讲煌诘夭▊鞑?，電波先輻射到電離層，經(jīng)電離層反射到地面接收，傳輸距離通?？蛇_到2 000 km～3 000 km。所以，天波信號的傳輸路徑長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射站與接收站之間的直線距離，由此造成的自由空間損耗和信號時延等結(jié)果都與視距傳輸不同。

圖1 短波天波單跳傳播路徑

如圖1所示的天波傳播模型中，假設(shè)地表和電離層都是平坦的，且電波在地表和電離層上的反射屬于鏡面反射。信號從發(fā)射站T點發(fā)出，在電離層P處經(jīng)反射后折回地面接收站R點，O點為地球球心，D為發(fā)射站與接收站之間地表距離，d為地球球心O分別到發(fā)射站T和接收站R的兩條直線夾角的弧度表示，則弧度d的計算方法為：

其中，x1、x2分別為發(fā)射站T和接收站R的地理緯度，y1、y2分別為發(fā)射站T和接收站R的地理經(jīng)度。由此可得地表距離：D=R·d。設(shè)電離層反射點P到地面的高度為h，則天波傳播的路徑長度可近似為：

1.2傳輸損耗計算

傳輸損耗［9］定義為信號從發(fā)射天線發(fā)出到接收天線接收前信號的衰減程度，用dB表示?？梢詺w納總結(jié)為主要3類損耗：自由空間中的傳輸損耗（Lbf）、電離層吸收損耗（Li）和地面反射損耗（Lg）。因此，從發(fā)射端到接收端的信號損耗可以表示為：

式中，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線增益。

電離層吸收損耗（Li）包括反射區(qū)域的偏移損耗和非反射區(qū)域的吸收損耗。Li受多種因素的影響，較直接的因素有電離層的電子密度、電子碰撞頻率、電波入射角度以及電波頻率等，這些因素又受到太陽活動強度、季節(jié)變化、晝夜變化、緯度等自然條件影響。ITS機構(gòu)根據(jù)電波最多能量被反射時的電離層位置，將反射分為E層、Es層、F1層和F2層4種模式，每種模式有不同的計算損耗和校正參數(shù)的方式，計算過程復(fù)雜。簡要給出電波穿過D層時的吸收損耗計算方法：

其中，Φ為100 km高度處電波方向和地面法線的夾角；fv為垂直測探頻率；v為電子碰撞頻率；h'為反射區(qū)域的垂直高度；hp為反射區(qū)域的分段高度；C為光速。

地面反射損耗（Lg）受地表介電常數(shù)、地表導(dǎo)電率等因素影響，其計算方法［10］為：

式中，Rv、Rh分別為垂直極化和水平極化的反射系數(shù)，受電波頻率及地表導(dǎo)電率等因素影響。

2 聯(lián)合仿真方法描述

2.1OPNET軟件的無線管道階段

OPNET軟件是一種功能強大的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，為通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的建模提供了全面的模擬仿真開發(fā)環(huán)境，可以通過修改其特有的管道階段模型來模擬無線信道環(huán)境。在管道階段中，仿真內(nèi)核對每個傳輸包與接收相關(guān)的各種屬性值（如傳輸時延、信號增益、信號損耗等）進行計算，并將計算結(jié)果以常量的形式賦值給傳輸數(shù)據(jù)屬性（Transmission Data Attribute，TDA），TDA可理解為仿真內(nèi)核中保留的存儲空間，每個包有唯一的地址參數(shù)與之對應(yīng)［11］。管道階段中數(shù)據(jù)包處理流程如圖2所示。

圖2 管道階段數(shù)據(jù)處理流程

在短波天波信道中，信號是經(jīng)電離層反射到地面接收，不受地面障礙物和地形影響，而OPNET原有管道階段屬于視距傳播，因此，信號以短波天波傳輸時需要將階段2設(shè)置為閉合，避免傳輸鏈路因地形等因素中斷。階段5中計算傳播路徑長度L的方法需要重新定義，如式（2）所示。階段7中對傳輸損耗的計算，原模型只考慮如式（4）表示的自由空間傳輸損耗（Lbf），因此，需要增加電離層吸收損耗（Li）和地面反射損耗（Lg），如式（3）所示。階段4、6分別計算發(fā)/收天線的增益，原模型根據(jù)收發(fā)端的位置坐標(biāo)和輻射角度計算天線增益，體現(xiàn)的是視距傳輸情形，顯然不適用于短波天波傳輸。階段11中仿真內(nèi)核通過調(diào)用TDA中存儲的SNR值，在調(diào)制曲線中讀取相應(yīng)的誤碼率（BER），而波形設(shè)計不同，信噪比-誤碼率曲線就不同，因此，需要參考短波波形設(shè)計，在OPNET中重新繪制調(diào)制曲線圖。

所以，為較準(zhǔn)確反映短波信道特性，需要對管道階段2、4、5、6、7和調(diào)制曲線6個方面進行及修改。

2.2ITS信道模擬軟件

ITS軟件在大量經(jīng)驗計算的基礎(chǔ)上開發(fā)，用來研究短波頻率、信號振幅與太陽活動、緯度及高度等因素之間的密切關(guān)系。用戶可通過設(shè)置收發(fā)站點的坐標(biāo)信息、時間信息、太陽黑子數(shù)、預(yù)選頻率、收發(fā)天線以及仿真方法等參數(shù)，經(jīng)過軟件查詢和計算，能以分布圖或文本的方式輸出對應(yīng)場景下的最大可用頻率（MUF）、反射點高度（V-HITE）、傳輸損耗（LOSS）、收/發(fā)天線增益（TGAIN/RGAIN）、系統(tǒng)可靠性（REL）等信道參量。ITS軟件雖然是基于實測數(shù)據(jù)的專用短波信道模擬軟件，對短波信道性能計算具有較高的可信度，但ITS軟件只能仿真短波網(wǎng)絡(luò)物理層的性能，對于整個短波網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式或協(xié)議性能等無法進行仿真。ITS仿真參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 ITS軟件參數(shù)設(shè)置

2.3聯(lián)合仿真流程

由于OPNET無線管道各階段的計算結(jié)果以不同的TDA形式存儲在仿真內(nèi)核中，僅為能否正確接收包提供依據(jù)，其計算過程對包的接收并沒有影響。因此，可以聯(lián)合專用的短波信道模擬軟件ITS，利用ITS軟件輸出的V-HITE、LOSS、TGAIN和RGAIN數(shù)據(jù)，在管道階段中替代原有的信道參數(shù)計算過程，更貼近實際的模擬信號在短波信道中的傳輸，為研究短波網(wǎng)絡(luò)提供更真實的信道環(huán)境。聯(lián)合仿真流程如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真流程

3 聯(lián)合仿真實現(xiàn)

3.1網(wǎng)絡(luò)仿真場景

模擬通信場景為2014年12月5日，西安和上海兩地之間各有4個站點進行TDMA組網(wǎng)測試，測試組網(wǎng)后數(shù)據(jù)包的正確接收率性能，持續(xù)時間00∶00～24∶00，并查得當(dāng)日太陽黑子數(shù)為77。

3.2頻率選擇

首先，根據(jù)查詢的太陽黑子數(shù)和兩地的地理坐標(biāo)，利用ITS軟件估計可用頻率范圍，選擇合適的通信頻率。由ITS輸出的信燥比（SNR）的時間分布等高圖如圖5所示。

圖5 ITS軟件SNR仿真結(jié)果

在短波通信中，可用的通信頻率晝夜有別，從圖中也可以看出可用頻率范圍有很大幅度的變化。為了體現(xiàn)同一短波信道不同時間通信質(zhì)量的變化特點，且有一個頻率作為對照頻率，選擇兩個可用時間段不同的頻率f1=7 000 kHz和f2=18 000 kHz進行24 h網(wǎng)絡(luò)仿真。

3.3ITS信道數(shù)據(jù)采集

ITS軟件可以計算在特定頻率和電離層參數(shù)下，短波信道的傳輸損耗等參量。在仿真條件中加入選定的通信頻率7 000 kHz和18 000 kHz，同時將模擬運行時間設(shè)置為00∶00～24∶00，結(jié)果輸出間隔為1 h，選取需要輸出的參量為：VHITE（電離層反射高度）和SNR（接收信號信噪比）。選擇Run/Circuit方式運行仿真，得到以.out文本文件輸出的仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖6 ITS軟件參量輸出結(jié)果

分別將兩個頻率對應(yīng)的仿真結(jié)果以數(shù)組形式記錄，對應(yīng)每個時間段的信道參數(shù)，如VHITE1［0］=267，表示在時間段00∶00～1∶00之間，以頻率7000kHz通信時電離層反射高度為267 km。結(jié)果整理如下：

3.4OPNET管道階段修改

在OPNET管道階段源代碼的基礎(chǔ)上，將從ITS中采集到的數(shù)據(jù)，以分組的形式根據(jù)不同的仿真時間區(qū)間直接賦值給相應(yīng)的TDA或中間變量。從前面對管道階段的闡述可知，從每一個管道階段來看，為較準(zhǔn)確反映短波信道特性，需要對管道階段2、4、5、6、7和調(diào)制曲線6個方面進行及修改。但由于階段4、6、7的計算結(jié)果，最終是在階段10中計算SNR時使用，可以直接將SNR值在階段10中賦值給TDA。因此，只需要修改管道階段2、5、10和調(diào)制曲線。具體方法修改如下：

階段2：該階段的目的是判斷發(fā)送的信號能否達到接收機信道，即是否在視距內(nèi)，其主要考慮物理因素，如障礙物和地表等。天波通信為非視距傳輸，即使在山谷間也依然有效，因此，直接將結(jié)果OPC_TURE賦值給符號常量OPC_TDA_RA_CLOSURE，表示鏈路閉合。

階段5：該階段的目的是計算信號從發(fā)射站到接收站的傳播時間，根據(jù)傳輸距離式（2），將從ITS采集的數(shù)據(jù)VHITE賦值給變量h，由L/C計算傳輸時延。

階段10：該階段的目的是計算接收信號的SNR，并根據(jù)SNR值從調(diào)制曲線中讀取相應(yīng)的誤碼率BER，因此，可將從ITS采集的數(shù)據(jù)SNR賦值給符號常量OPC_TDA_RA_SNR。如果需要仿真某一固定SNR水平下的網(wǎng)絡(luò)性能，可將SNR賦值為一個值。

3.5OPNET調(diào)制曲線修改

圖7 調(diào)制曲線圖

在管道階段11中，仿真內(nèi)核通過接收信號的信噪比讀取相應(yīng)的誤碼率。短波信道接收的信號強度弱，且信噪比變化幅度較大，OPNET中原有的調(diào)制曲線不適用于短波信號的信噪比和誤碼率變化情況，文獻［12］中短波寬帶波形的調(diào)制曲線，繪制調(diào)制曲線圖如圖7所示。

4 效果驗證

根據(jù)仿真場景，在OPNET中建立網(wǎng)絡(luò)仿真模型，設(shè)置8個節(jié)點，采用TDMA多址接入方式，模擬西安、上海各4個節(jié)點進行通信，具體建立模型過程可參考文獻［13］。輸出數(shù)據(jù)包接收率和接收數(shù)目曲線如圖8和圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)包接收率

圖9 數(shù)據(jù)包接收數(shù)

定義數(shù)據(jù)包接收率為每個小時內(nèi)節(jié)點接收包的數(shù)量與發(fā)出包的數(shù)量的比值。由圖8可以看出，當(dāng)通信頻率為7 000 kHz時，從0點到1點、6點到次日0點之間通信質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)包接收率在80%～90%之間；從1點到6點，數(shù)據(jù)包接收率急劇下降，最低時不足5%。當(dāng)通信頻率為18 000 kHz時，從0點到11點、23點到次日0點之間通信質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)包接收率在基本維持在90%；11點后接收率開始急劇下降，在12點到23點之間幾乎為0。對照圖9也可以看出，在通信頻率為7 000 kHz時的約1點到6點和通信頻率為18 000 kHz的12點到23點之間幾乎沒有接收到數(shù)據(jù)包。當(dāng)使用OPNET自帶的管道階段模型時，數(shù)據(jù)包的接收率一直保持在90%以上，顯然不符合短波信道特點。

所以，OPNET自帶的信道模型不能反映不同通信頻率上通信質(zhì)量的差別，也不能反映短波信道的時變特性。與圖5比較可以看出，由改造后的信道模型仿真得到的數(shù)據(jù)包接收率和ITS軟件仿真得到的7 000 kHz和18 000 kHz兩個頻率在不同時間段通信質(zhì)量的強弱是一致的，說明改進之后的OPNET信道模型可以較真實地反應(yīng)短波信道特性。同時，也可以驗證一條短波選頻上的規(guī)律，短波可用通信頻率晝夜有別，且通常晝頻高于夜頻。

5 結(jié)論

本文分析了短波天波信道的傳輸特性，給出了傳播路徑和傳播損耗的計算方法，并結(jié)合OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件和ITS信道模擬軟件的仿真原理，提出一種基于ITS和OPNET軟件的短波網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合仿真方法。詳細(xì)描述了聯(lián)合仿真實現(xiàn)的步驟和對OPNET軟件無線管道階段的修改方法。最后將聯(lián)合仿真方法運用到短波網(wǎng)絡(luò)場景中進行網(wǎng)絡(luò)性能分析，結(jié)果證明聯(lián)合仿真方法體現(xiàn)了短波網(wǎng)絡(luò)的信道特點，提高了OPNET軟件下仿真短波網(wǎng)絡(luò)的真實性。

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A Combined Simulation Method of HF Network Based on ITS and OPNET

ZHOU De-min1，LIU Yun-jiang1，LI Man1，BAI Xiang2
（1.Institute of Information and Navigation，Airforce Engineering University，Xi’an 710077，China；2.No.30 Institute of CETC，Chengdu 610041，China）

Aiming at the problem of the OPNET can’t reflect the feature of high frequency（HF）communication via skywave propagation.Firstly，the characteristics of HF skywave channel are analyzed，and the calculation methods of transmission path length and power loss are given out.The OPNET for network simulation and the ITS for channel simulation are introduced，according to the principles of channel calculation and software simulation，a combined simulation method based on the inner integrated point of two softwares is developed.By using the combined simulation method in a HF network for performance analysis，the result can reflect the characteristic of HF channel，which proved that the combined simulation method can provide more realistic channel condition for OPNET when simulating a HF network.

HF communication，combined simulation，ITS，OPNET

TN92

A

1002-0640（2016）11-0016-05

2015-10-15

2015-11-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（61302153）

周得敏（1990-），男，甘肅山丹人，碩士研究生。研究方向：短波地空網(wǎng)MAC協(xié)議。