高空平臺站空地鏈路信道建模與QualNet仿真*

鄭 藝，王玉文，鄧 杰，尚小富

(電子科技大學航空航天學院，成都611731)

1 引言

近年來，高空平臺通信網絡的研究吸引了人們越來越多的興趣與注意，由于采用無線通信方式，空地鏈路通信過程中的信號在空間中傳播就不可避免地受到自然環境的影響，例如降雨、云霧、大氣吸收和多徑效應等。這些效應是動態的，與場景關聯的。因而準確揭示和模擬它們對網絡性能的影響成為了目前的一項挑戰。已有的高空平臺的網絡仿真中，對信道模型方面考慮十分理想，影響了仿真結論的準確性。因此，對空地鏈路信道建模仿真，以表現其對高空平臺空地鏈路性能的影響，便成為了目前研究的現實需求。

高空平臺站信道建模仿真方面的研究已經開展了一段時間:文獻［1］研究了高空平臺站通信的小尺度衰落模型;文獻［2］詳細研究了多天線信道模型;文獻［3］總結并且分析了應用于高空平臺站通信的信道模型，揭示了各個模型的優勢與劣勢;施春強［4］等人從多徑衰落和降雨衰減兩個方面綜合考慮，建立了一種信道統計模型。

上述文獻的研究者一般通過建立數學模型來模擬高空平臺通信信道，并采用Matlab仿真來進一步研究空地鏈路信道的各種特性。這種傳統方法在對高空平臺通信系統進行仿真的信道問題中并不適用。另外，目前常用的網絡仿真器，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站空地鏈路信道的建模仿真中。

本文將對高空平臺站通信中的空地鏈路信道進行建模仿真，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引起的小尺度衰落。以QualNet為平臺并使用C語言編程，建立適用于高空平臺站的空地鏈路信道模型，并搭建了基于QualNet的半實物仿真系統。

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，針對上述的衰減存在一些模型，但工程中應用最廣泛的是ITU－R模型，因此本文在QualNet網絡仿真器中主要對該系列模型進行研究。

2.1.1 雨衰模型

電磁波受雨滴的吸收和散射影響而產生的衰減稱為雨衰，它主要與雨滴的幾何尺寸、降雨強度、雨區范圍、信號頻率、極化方式等有關。對于10 GHz以上的頻段，雨衰是影響通信鏈路質量的一個主要因素。目前對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雨衰模型預計超過年均時間0.01%的衰減 A0.01(dB)，可用式(1)計算:

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

對于預測衰減超過年均為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。

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

式中，θ是仰角，Kl為比衰減系數，Kl可以由式(5)計算得到:

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(絕對濕度)。當頻率低于10 GHz，該衰減可以忽略不計，但是當頻率高于10 GHz時，其衰減隨著頻率的增加而增加，特別是對于低仰角的情況尤其明顯。

ITU－R計算大氣吸收衰減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(dB/km)，rw為水蒸氣衰減系數(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的總體衰減[5]。計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)為對流層閃爍損耗(dB)。本文忽略對流層閃爍損耗對通信的影響，所以總體衰減公式又可以簡化為

其中，當 p＜1.0%時，那么 AC(p)=AC(1%)，AG(p)=AG(1%)?？盏劓溌沸诺赖木C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

接收機收到的信號是發送信號經過不同的路徑到達接收機的各個信號的總和，由于接收機與發射機在短時間或者近距離內產生很小的相對運動，使得各個信號相互干涉，而導致信號幅度和相位較大變化的現象，這種現象叫做小尺度衰落。小尺度衰落一般包含有兩種衰落模式:如果當前存在一個主要的平穩信號部分，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Ricean模型中的主導信號變弱，復合信號類似于噪聲信號時，信號的包絡線為Rayleigh分布，那么衰落模型稱作Rayleigh模型。

對高空平臺站與地面站通信的場景來說，一般存在LOS路徑，因此本文主要對Ricean衰落[13]進行建模仿真。當為Ricean衰落時，在第i時刻衰落幅度ri表示為

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

Ricean分布的衰落密度函數可以表示為

通過考慮非相干的Ricean分布衰落序列的產生方法，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變量，方差為。由式(13)得到衰落分布包絡，將ri轉化為ri_dB(dB)，那么式(13)可以轉化為式(14):

3 硬件在環仿真系統平臺

硬件在環仿真又稱為半實物仿真，是一種在仿真系統中接入實物，以取代相應部分的數學模型的仿真。半實物仿真接口IP Network Emulator(IPNE)允許QualNet仿真系統直接加載實物，準確方便地實現了真實節點網絡接口與仿真器中模擬節點接口之間數據的實時交互。

在鏈路建模仿真中，可以引入半實物仿真技術，將實物、數學模型和物理模型結合起來組成復雜的鏈路半實物仿真系統[14]，以此提高仿真精度，降低研發成本?；赒ualNet的半實物仿真系統的仿真結構如圖1所示。

圖1 基于QualNet的半實物仿真結構Fig.1 The structure of HITL simulation based on QualNet

仿真環境由3個通過以太網連接在一起的外接設備組成，其中QualNet主機運行QualNet仿真軟件，構造虛擬網，另外兩個外接設備分別作為與虛擬網絡中的虛擬節點S、虛擬節點D相互映射的實際設備。實際節點接口與虛擬節點接口的映射是通過QualNet中IPNE模塊實現的。

4 空地鏈路信道仿真

4.1 基于QualNet的信道模型仿真設計

在無線通信網絡中，電波傳播對通信鏈路甚至網絡都有一定的影響，但網絡仿真器中所具有的簡易模型又不能對高空平臺空地鏈路信道進行準確地建模。QualNet網絡仿真器應用廣泛，有標準的五層網絡架構，具有可擴展性強的特點，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致的空地鏈路信道模型，其信道模型架構如圖2所示。

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

4.2 仿真實驗平臺搭建及場景配置

仿真系統中，在虛擬無線鏈路上視頻信息的實時傳輸是將真實數據注入虛擬無線通信鏈路，這樣可以增加仿真的可信性。由于模擬高空平臺站的仿真器是視頻流實時傳輸的平臺，將其作為視頻流的產生器;模擬地面站的仿真器可以從QualNet接收實時的視頻流數據，并且顯示出來。上述兩個仿真器和QualNet仿真主機通過同一個交換機的不同端口相連接。實際節點的IP地址設置在同一個網段內，將QualNet仿真主機的IP地址設置為默認網關。硬件在環仿真系統的架構及其配置如圖3所示。

圖3 硬件系統在環仿真架構Fig.3 Hardware in the loop simulation architecture

QualNet的仿真場景中，有一個作為地面基站的固定節點，位于(N20°，E110°)，一個作為高空平臺站的移動節點，該移動節點從固定節點正上方以200 km/h的速度向東飛行，飛行高度為海拔30 km，高空平臺站向地面基站每秒鐘發送4個512 B的數據包，鏈路帶寬為2 Mb/s，仿真時長30 min。場景配置如圖4所示。

圖4 場景配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the scenario

物理層涉及的部分參數如表1所示。

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

該仿真場景所處地域與綜合路徑損耗有關的部分氣象信息如表2所示。

表2 場景部分氣象參數Table2 Meteorological parameters

4.3 仿真實驗結果與分析

4.3.1 綜合路徑損耗模型仿真

在仿真實驗場景中，空地鏈路通信頻率分別設置為 10 GHz、15 GHz、20 GHz、25 GHz，而其他場景參數保持不變，進行場景仿真，獲得超過年均時間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量的最主要因素，而云衰與大氣吸收衰減都低于雨衰對鏈路的影響;而后兩者衰減模型的研究對于提高建模仿真的準確度是很必要的。

圖5 超過年均時間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

將鏈路通信頻率設定為20 GHz，分別仿真得到不同時間百分比的雨衰，如圖8所示。由圖可以得出，在超過年均時間0.1%和0.01%的雨衰較大，而超過年均時間1%和10%的雨衰都維持在很低的水平，這表明在大部分時間中，雨衰對鏈路通信影響甚微。但是當降雨量增大時，極大提高了降雨衰減，嚴重危害鏈路的正常通信。在通信鏈路建立時，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，準確的雨衰模型對高空平臺通信網絡的研究設計至關重要，具有重要的現實意義和應用價值。

圖8 超過年均時間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

設置空地鏈路的頻率為20 GHz，時間百分比取0.1%，傳播模型分別設置為自由空間損耗模型和綜合路徑損耗模型，分別仿真得到兩場景下的接收端信號功率變化情況，如圖9所示?？梢钥闯?，當降雨量達到年平均時間的0.1%時，大氣效應對空地鏈路通信質量有明顯的影響。

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

4.3.2 小尺度衰落模型仿真

在仿真場景中，由于忽略了地形因素，高空平臺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景下的小尺度衰落。在下面的仿真實驗中，通信頻率為20 GHz。

對于高空平臺站與地面基站通信鏈路的具體場景，一般設置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一計算，得到了地面基站接收到的信號功率，如圖11所示。

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

4.3.3 綜合信道模型通信仿真

在仿真實驗中，通信頻率設置為20 GHz，年平均時間百分比取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驗的傳播模型。通過仿真，分別獲得各自的數據包投遞率，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，當傳播模型為自由空間損耗模型時，包投遞率為99.98%，將近達到百分之百;當傳播模型為無Ricean衰落的綜合損耗模型時，包投遞率為94.027%，低于自由空間損耗模型;當傳播模型為有Ricean衰落的綜合損耗模型時，包投遞率下降到88.411%，為三者中最低。

在半實物仿真實驗中，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驗的傳播模型，在視頻接收節點的顯示器上，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量的差異:自由空間損耗模型下的鏈路通信質量最好，而有Ricean衰落的綜合損耗模型下的鏈路通信質量最差，同時也更接近真實場景。

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

5 結論

本文通過分析降雨、云霧、大氣吸收等大氣效應引起的衰減以及多徑效應引起的衰落，在QualNet仿真器中通過編程實現了空地鏈路信道建模仿真并搭建了半實物仿真平臺，該仿真相較于在Matlab軟件中進行的傳統信道仿真來說，可以更廣泛地應用于通信系統的研究中，為分析高空平臺通信系統的信號覆蓋和系統性能優化等提供了現實方法和研究平臺。下一步可通過使用QualNet與Matlab聯合仿真更加細化信道建模，相信可以實現更精細的仿真分析。

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