基于OPNET的Ka頻段衛星信道仿真建模與研究

梁向陽，李 娟

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，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就是頻帶較寬，可用帶寬可達到3 500 MHz。因此，Ka波段衛星通信系統可為高速衛星通信、千兆寬帶數字傳輸、高清電視（HDTV）、等新業務提供一種嶄新的手段是未來衛星通信的必然趨勢。Ka波段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka頻段的衛星通信系統中，降雨引起的電波衰減是影響衛星通信線路傳輸質量的一個重要因素，因此針對降雨衰減特性的方法研究成為了Ka頻段衛星信道中的關鍵性問題之一。但由于條件所限，通常無法在設備研制的全過程中都進行現場實驗。而構建能反映實際鏈路特性的信道模擬仿真系統，是研究和設計Ka頻段衛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參數，建立Ka頻段衛星信道模型，對此模型進行仿真，仿真數據更為可靠，為今后的信道衰減研究提供了參考依據。

1 Ka頻段信道仿真建模分析

1.1 OPNET概述

OPNET[2]是一個網絡仿真技術軟件包，它能夠準確地分析復雜網絡的性能和行為，在網絡模型中的任意位置都可以插入標準的或用戶指定的探頭，以采集數據和進行統計。通過探頭得到的仿真輸出可以以圖形化顯示、數字方式觀察、或者輸出到第3方的軟件包。其產品結構有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、系統集成、咨詢服務、大學、行政機關等方面被廣泛應用。OPNET提供了三層建模機制，最上層為網絡層，反映網絡拓撲結構；中間層為節點層，由相應的協議模型構成，反映設備特性；最底層為進程模型，以有限狀態機來描述。三層模型和實際的網絡、設備、協議完全對應，全面反映了網絡的相關特性。

1.2 SAM模型分析

SAM模型優勢在于發現對于任何降雨率，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系，而雨滴的半徑則與降雨率有關。當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[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。文獻[6]中ITU-2R給出了云致衰減的表達式，計算得衰減值Ac。

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ITU-2R建議[7]，提出了信道衰減模型：Atotal=。當電波頻率大于20 GHz時，氧氣吸收作用非常嚴重，占主導地位，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。當電波穿過降雨區域時，由于雨滴會吸收電磁波，同時產生散射與輻射，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。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

本仿真實驗環境為：操作系統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 進程模型建立

OPNET中進程模型使用有限狀態機（FSM）來描述進程的邏輯行為。有限狀態機使用狀態轉換圖（STD）來表示狀態的轉換。進程模型的相關操作使用C或C++語言描述，并通過OPNET提供的文本編輯器對代碼進行編輯。本模型中無線收信機的進程模型如圖2所示。初始狀態init下如果產生包流，則到達下一狀態generate生成包。否則到達令一個狀態stop。收信機功率是無線管道的第八階段，該階段計算到達包的信號接收功率。使用函數wlan_power_mt（OP_SIM_CONTEXT_ARG_OPT_COMMA Packet*pkptr）實現。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 進程模型圖Fig.2 Process model

2.2 節點模型建立

OPNET中節點模型用于定義每一個節點的行為。一個節點通常由多個模塊組成，其行為由其使用的不同的模塊決定，每個模塊完成節點一部分的功能。無線收發信息的模型內部結構如圖3所示。節點設計思路是將移動衛星節點發出的包送到地面移動接收站，在通過地面移動接收站發送到各個所需的站點。在OPNET中移動節點軌跡的定義可以是基于段的，也可以是基于向量的。本設計采用基于段的軌跡，用一系列預定義的點來模擬運動的。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路徑的三維坐標組成。在仿真中，移動對象根據為其定義的軌跡逐點移動。通過在緊鄰給定時刻前后，在軌跡點間插入新值來確定對象該時刻的位置。

圖3 節點模型圖Fig.3 Node model

2.3 網絡模型建立

主要使用Network Editor。使用鏈路、節點模型為它的底層模型。如果針對已有的實際網絡進行研究還可以使用HP網絡節點管理器自動導入。本模型在上述的節點和進程模型的基礎上，根據衛星移動節點與地面移動收信機的節點模型建立了所需的網絡模型，如圖4所示。

圖4 網絡模型Fig.4 Network model

在實際應用中，仿真選取的降雨區為中國西安，設定天線仰角為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域性分布，因此在預測中，應充分利用當地的降雨數據。而區域性的分布數據會導致降雨衰減值的精度下降，文中的仿真過程適當增加了站點的數量，以減小此誤差。圖4中地面站分別接收衛星傳播的信息。

除本模型采用西安地區較為可信的降雨狀況，即最大降雨率，取了多個站點的降雨數據信息，在西安地區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信號衰減的真實情況。在同一條件參數下，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度及雨滴大小、大氣吸收和云致衰減等因素，對模型進行仿真，實驗結果表明，了降雨量會造成信道衰減，雨滴強度及大氣吸收也會造成信道衰減。

3 結 論

針對Ka頻段衛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、降雨強度，雨滴及云致衰減多因素，建立了Ka頻段衛星通信信道仿真模型，并基于OPNET平臺進行仿真。同時該模型結構簡單、參數較少，且可以忽略極化方式對參數的影響。與傳統頻率因子轉換的雨衰預測模型相比，該模型適用范圍較廣，理論上可以對任意一次降雨進行實時測試，具有較好理論研究意義與應用前景。

[1]陳道明.新一代Ka頻段通信衛星[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網絡建模與仿真[J].西安電子科技大學，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.

[4]H R Prupacher，K V Beard.A wind tunnel investigation of the internal circulation and shape of water drops falling at terminal velocity in the air Quart[J].Journ.Roy.Meteor.Soc，1970，96（408）：247-256.

[5]ITU-2R Recommendation6762121992，Attenuationby Atmospheric Gases in the Frequency Range 12-350 GHz，Propagation in Non-lonized Media[S].1992.

[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.

[8]Oguchi.T..Eletromagntic wave propagation and scattering in rain and other hydrometerors[J].Proc.IEEE.1983，71 （9）：1029-1078.

[9]QIU S B.The distribution of 1-min rainfall rate in China[J].Journal of China Institute of Communication，1996，17 （3）:79-83.