基于OPNET的無線信道干擾對系統性能的影響研究

摘 要： 以研究陸上無線通信信道中干擾對系統性能的影響為目標，基于OPNET仿真平臺，建立了干擾節點對一般自由空間模型無線通信的干擾仿真模型。根據仿真結果，分析了干擾對無線信道傳輸的影響，隨著干擾節點與收信機距離的變化，誤比特率呈現一種單調非線性變化趨勢。同時，干擾節點的功率，決定了干擾有效距離。文中建立的仿真模型對網絡規劃及優化配置具有一定的參考價值。

關鍵詞： OPNET； 無線通信； 干擾； 誤比特率

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0027?03

0 引 言

無線信道是移動通信的傳輸媒體，所有的信息都在這個信道中傳輸，信道性能的好壞直接決定著通信的質量，因此隨著寬帶無線網絡的發展和多媒體技術的進步，無線網絡的研究越來越引起人們的興趣。

無線通信[1]的特點是傳播的開放性、接收環境的復雜性和通信用戶的隨機移動性，干擾作為無線傳播過程中必不可少的一個影響因子，對信道傳輸作用非常大，有效的通信干擾能夠對各個階段的戰斗行動帶來影響，使敵方接收不到有效信息，從而使其作戰過程無法統一。另一方面，干擾也可以向敵方隱蔽其作戰目的，從而破壞對方的指揮。因此，對影響干擾的因素進行研究分析就非常重要。為了得到距離、發射機功率和干擾效果的關系，本文通過加入移動的干擾節點，并采用不同的干擾發射機功率，通過OPNET[2]網絡仿真軟件進行仿真實驗分析，所得仿真結果可為實際作戰提供理論參考依據。

1 OPNET仿真機制概述

1.1 OPNET的特點

首先，OPNET采用三層建模機制，最頂層的網絡層對應現實的網絡，反映現實的通信結構；中間層是節點模型，體現網絡服務特點；最底層是進程模型，利用FSM（有限狀態機）表現協議或者算法的思想。其次，OPNET采用離散事件的仿真方法，它是在FSM的基礎上實現的，是基于事件的，并不影響仿真數據的特性，仿真效率比較高。再次，OPNET內嵌了很多性能統計器，它會自動采集模擬過程的結果數據，有強大的統計性和集成分析性能。最后，OPNET 仿真模型庫為客戶提供了一系列的仿真模型，在這些模型的基礎上，實現對網絡的仿真，用戶也可根據自己的需要，添加、修改已有的源代碼，設計自己的模型。

1.2 OPNET的仿真建模流程

使用OPNET仿真大體可以分為以下6個步驟：配置網絡拓撲；配置業務；收集統計量；運行仿真；調試模塊再次仿真；發布結果和拓撲報告。

1.3 OPNET無線信道管道階段簡介

在OPNET無線信道仿真中，對于每個發射和接收信道[3]對，它們之間的整個無線傳輸過程可以用一系列功能單一的子傳輸階段的組合（見圖1）來描述，其中涉及到一系列參數計算。有些無線鏈路的參數互為因果，時間上有先后順序，所以傳輸階段的排列順序也應按照實際傳輸的先后來定，每個階段都有各自不同的功能。

2 無線電通信

2.1 無線電通信過程

無線電發射機輸出的射頻信號功率[4]，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波的形式輻射出去。中間通過無線信道進行傳輸，當電磁波到達接收地點后，由天線接收（僅僅接收很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。這中間的無線傳輸信道[2]由于其開放和不確定性對通信干擾影響最大。其過程如圖2所示。

2.2 干擾的基本原理

在無線電通信系統中，信息傳播是在開放的信道中進行的，發射機發射的信號經過開放的空中信道傳送到接收機端被接收機接收。由于信號來自開放的傳播媒介，所以接收機在接收信號的同時不可避免地會接收到一部分與信號具有一定相關性的非信號成分，即通常所說的噪聲和干擾[5]，致使通信接收系統檢測有用信號時必然存在著不確定的因素。干擾向空中輻射的干擾信號，通過無線信道到達通信系統的接收端，當接收機在接收通信信號的同時接收到干擾信號時，就對通信產生了干擾。原理圖如圖3所示。

3 距離、功率對干擾效果的影響

在無線電通信過程中，干擾是必須要考慮的一個因素，因為它對系統的性能影響非常大，但同時影響干擾效果的因素也是多方面的。一方面，當輸入信號電平保持一定的時候，接收機輸入端干擾信號的功率對干擾效果影響很大，干擾功率主要受干擾發射機輸出功率、天線方向性的影響；另一方面，在一定的距離范圍內，隨著干擾節點和收信機之間距離的變化，收信機受干擾的程度也不一樣。

3.1 網絡模型

本文是在自由空間模型[6]下，不考慮外界雨、雪等自然環境條件的干擾，僅僅通過加入一個移動的干擾節點，采用OPNET來仿真干擾節點距離、干擾發射機輸出功率對收信機誤比特率的影響。

網絡模型如圖4所示，在實驗中通過添加移動的干擾節點jam來改變與收信機之間的距離，并采用不同的干擾機發射功率來進行仿真實驗。在實驗中，通信采用全向天線，天線高度為3 m，干擾節點和收信機節點的各屬性設置相同，data rate（bps）設為1 024，packet formats設為all formatted，bandwidth（kHz）設為10，min frequency（MHz）設為300，干擾節點的坐標為（0.5，2.5），發信機節點坐標（3，3），收信機節點坐標為（4，3），單位為km。

3.2 進程模型

在本網絡模型中，無線收信機的進程模型[7]如圖5所示，紅色表示非強制狀態，進入代碼區執行后停下來，交給仿真，等待下一次中斷。如果初始狀態init產生包流，那么進入到下一個狀態generate，在進入代碼區中生成包，否則到達另一個狀態stop。誤比特率是無線管道的第十二個階段，該階段主要是計算錯誤接收包的情況，它是衡量數據在規定時間內數據傳輸精確性的指標，是衡量一個通信系統可靠性的主要的判斷依據。在OPNET中通過調用函數dra_ber_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。

3.3 仿真結果與分析

通過OPNET仿真軟件，得到干擾節點和收信機距離、干擾節點功率與收信機誤比特率的關系，如圖6所示。

圖6中縱坐標表示誤比特率（ber），橫坐標表示干擾節點和收信機的距離。仿真結果可以看出在一定的環境下，收信機的誤比特率隨著干擾節點與收信機之間距離的減少而增加，并且在二者近距離的時候，變化幅度比較大，變化率較快，在逐漸遠離的時候，以較小的幅度逐漸降低，當移動到一定距離（干擾有效距離）之外時，接收機不再受干擾節點的影響，誤比特率趨近于0。

其次增大干擾節點發射功率，干擾的有效距離也逐漸增大，如干擾節點發射功率為200 W時，干擾有效距離是800 m，而當功率增加到400 W時，干擾有效距離增加到1 000 m。而且，在一定范圍內（500～1 000 m），隨著干擾節點的功率增大，其干擾效果（接收機的誤誤比特率）也會相應增大。即在信號電平一定的情況下，可以通過采取增加干擾節點功率的方法來使干擾效果更加明顯，干擾節點功率越大，干擾效果越好。

4 結 語

應用OPNET Modeler網絡仿真軟件，通過引入移動的干擾節點，設置相應參數進行仿真，并根據仿真結果進行分析，在一定范圍內，干擾節點和收信機之間的距離、收信機接收到的干擾節點的功率都可以對收信機的接收產生影響。本文所建立的仿真模型符合客觀實際，定性分析結果與實際系統一致。無線信道通信環境非常復雜，在本文研究的基礎上，下一步的工作可考慮增加天氣、環境、地形、收發節點移動等干擾因素的建模，從而使仿真更貼近實際系統。并在定量的前提下，對無線通信仿真進行研究。

參考文獻

[1] 劉海博，吳怡.無線移動信道特性分析[J].現代電子技術，2010，33（23）：74?79.

[2] 陳敏.OPNET網絡仿真[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3] 張銘，竇赫蕾，常春藤.OPNET Modeler與網絡仿真[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 劉海斌.移動通信中無線信道的傳播特性分析[J].中國新技術產品，2012（20）：37?41.

[5] 張容，何明浩，王振華.通信中干擾及抗干擾技術綜述[J].四川兵工學報，2011，32（5）：115?119.

[6] 陳敏，張金文，李少謙.短波通信中寬帶信道建模方法與比較[J].電子科技大學學報，2003，39（25）：62?70.

[7] 張劍.基于OPNET仿真建模方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.