基于ITS和OPNET软件联合的短波网络仿真方法*

周得敏，刘芸江，李曼，白翔

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安710077；2.中电集团第三十研究所，成都610041）

基于ITS和OPNET软件联合的短波网络仿真方法*

周得敏1，刘芸江1，李曼1，白翔2

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安710077；2.中电集团第三十研究所，成都610041）

针对OPNET网络仿真软件不能体现短波天波传输特点的问题，分析了短波天波传输信道的特性，给出了天波传输方式下的路径长度和传输损耗的计算方法。介绍了OPNET网络仿真软件和ITS短波信道模拟软件，结合信道计算方法和软件仿真原理，分析了两种软件在短波网络仿真中的契合点，提出了基于两种软件联合的短波网络仿真方法。通过将联合仿真方法在短波网络性能分析中的应用，得到的结果能够体现短波信道特点，说明该联合仿真方法能够为OPNET软件下的短波网络仿真提供较真实的短波信道环境。

短波通信，联合仿真，ITS，OPNET

0 引言

短波天波通信以电离层为中继，具有抗毁能力强、成本低廉、顽存性好等特点，是远程通信的有效方式，也是战争中最可靠的通信方式之一［1］。19世纪50年代人们就对短波无线信道机制进行研究和建模，经历了Watterson模型［2］和vogler模型［3］由窄带到宽带的重要阶段。美国电信科学学会（ITS）在二战初期就开始收集电离层数据，来评估短波天波通信系统的性能，20世纪90年代后期，该机构发表了一篇权威的宽带信道模型仿真器实现方法的论文，后被称为ITS模型［4］。20世纪初，ITS机构在前期大量经验计算的基础上，开发出了ITS短波信道模拟软件，通过计算机仿真得到短波频率、信号振幅与太阳活动及纬度、高度等因素之间的数据关系。

在研究短波通信时，网络仿真是必要的研究手段，目前还没有能够直接体现短波信道特点的网络仿真工具，对短波信道的研究集中在信道建模分析。文献［5］利用System View软件，根据短波信号的时间选择性衰落和频率衰落特性，仿真了短波电离层反射对信号的影响。文献［6］根据ITS信道模型结构从信道的衰落特性和噪声干扰两方面进行了建模和计算机仿真。文献［7］利用散射函数对信道进行了仿真，为短波扩频通信的通信设计提供信道测试平台。文献［8］设计了一种以Watterson模型为基础的纯软件短波信道仿真算法，并应用MATLAB软件仿真实现。

本文在分析短波信道特性的基础上，利用ITS软件仿真实际条件下短波信道的传输特性参量，为OPNET软件提供无线信道的仿真数据，通过修改OPNET无线管道阶段程序，实现在OPNET网络仿真软件中更贴近实际的研究短波网络。

1 短波信道的传输特性

1.1传输路径长度的计算

短波通信的传播方式分为地波传播和天波传播。地波传播为视距传播，通信距离近，信号损耗小；天波传播的信号路径不同于地波传播，电波先辐射到电离层，经电离层反射到地面接收，传输距离通常可达到2 000 km～3 000 km。所以，天波信号的传输路径长度远远大于发射站与接收站之间的直线距离，由此造成的自由空间损耗和信号时延等结果都与视距传输不同。

图1 短波天波单跳传播路径

如图1所示的天波传播模型中，假设地表和电离层都是平坦的，且电波在地表和电离层上的反射属于镜面反射。信号从发射站T点发出，在电离层P处经反射后折回地面接收站R点，O点为地球球心，D为发射站与接收站之间地表距离，d为地球球心O分别到发射站T和接收站R的两条直线夹角的弧度表示，则弧度d的计算方法为：

其中，x1、x2分别为发射站T和接收站R的地理纬度，y1、y2分别为发射站T和接收站R的地理经度。由此可得地表距离：D=R·d。设电离层反射点P到地面的高度为h，则天波传播的路径长度可近似为：

1.2传输损耗计算

传输损耗［9］定义为信号从发射天线发出到接收天线接收前信号的衰减程度，用dB表示。可以归纳总结为主要3类损耗：自由空间中的传输损耗（Lbf）、电离层吸收损耗（Li）和地面反射损耗（Lg）。因此，从发射端到接收端的信号损耗可以表示为：

式中，Gt、Gr分别为发射天线和接收天线增益。

电离层吸收损耗（Li）包括反射区域的偏移损耗和非反射区域的吸收损耗。Li受多种因素的影响，较直接的因素有电离层的电子密度、电子碰撞频率、电波入射角度以及电波频率等，这些因素又受到太阳活动强度、季节变化、昼夜变化、纬度等自然条件影响。ITS机构根据电波最多能量被反射时的电离层位置，将反射分为E层、Es层、F1层和F2层4种模式，每种模式有不同的计算损耗和校正参数的方式，计算过程复杂。简要给出电波穿过D层时的吸收损耗计算方法：

其中，Φ为100 km高度处电波方向和地面法线的夹角；fv为垂直测探频率；v为电子碰撞频率；h'为反射区域的垂直高度；hp为反射区域的分段高度；C为光速。

地面反射损耗（Lg）受地表介电常数、地表导电率等因素影响，其计算方法［10］为：

式中，Rv、Rh分别为垂直极化和水平极化的反射系数，受电波频率及地表导电率等因素影响。

2 联合仿真方法描述

2.1OPNET软件的无线管道阶段

OPNET软件是一种功能强大的网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模提供了全面的模拟仿真开发环境，可以通过修改其特有的管道阶段模型来模拟无线信道环境。在管道阶段中，仿真内核对每个传输包与接收相关的各种属性值（如传输时延、信号增益、信号损耗等）进行计算，并将计算结果以常量的形式赋值给传输数据属性（Transmission Data Attribute，TDA），TDA可理解为仿真内核中保留的存储空间，每个包有唯一的地址参数与之对应［11］。管道阶段中数据包处理流程如图2所示。

图2 管道阶段数据处理流程

在短波天波信道中，信号是经电离层反射到地面接收，不受地面障碍物和地形影响，而OPNET原有管道阶段属于视距传播，因此，信号以短波天波传输时需要将阶段2设置为闭合，避免传输链路因地形等因素中断。阶段5中计算传播路径长度L的方法需要重新定义，如式（2）所示。阶段7中对传输损耗的计算，原模型只考虑如式（4）表示的自由空间传输损耗（Lbf），因此，需要增加电离层吸收损耗（Li）和地面反射损耗（Lg），如式（3）所示。阶段4、6分别计算发/收天线的增益，原模型根据收发端的位置坐标和辐射角度计算天线增益，体现的是视距传输情形，显然不适用于短波天波传输。阶段11中仿真内核通过调用TDA中存储的SNR值，在调制曲线中读取相应的误码率（BER），而波形设计不同，信噪比-误码率曲线就不同，因此，需要参考短波波形设计，在OPNET中重新绘制调制曲线图。

所以，为较准确反映短波信道特性，需要对管道阶段2、4、5、6、7和调制曲线6个方面进行及修改。

2.2ITS信道模拟软件

ITS软件在大量经验计算的基础上开发，用来研究短波频率、信号振幅与太阳活动、纬度及高度等因素之间的密切关系。用户可通过设置收发站点的坐标信息、时间信息、太阳黑子数、预选频率、收发天线以及仿真方法等参数，经过软件查询和计算，能以分布图或文本的方式输出对应场景下的最大可用频率（MUF）、反射点高度（V-HITE）、传输损耗（LOSS）、收/发天线增益（TGAIN/RGAIN）、系统可靠性（REL）等信道参量。ITS软件虽然是基于实测数据的专用短波信道模拟软件，对短波信道性能计算具有较高的可信度，但ITS软件只能仿真短波网络物理层的性能，对于整个短波网络的组网方式或协议性能等无法进行仿真。ITS仿真参数设置如图3所示。

图3 ITS软件参数设置

2.3联合仿真流程

由于OPNET无线管道各阶段的计算结果以不同的TDA形式存储在仿真内核中，仅为能否正确接收包提供依据，其计算过程对包的接收并没有影响。因此，可以联合专用的短波信道模拟软件ITS，利用ITS软件输出的V-HITE、LOSS、TGAIN和RGAIN数据，在管道阶段中替代原有的信道参数计算过程，更贴近实际的模拟信号在短波信道中的传输，为研究短波网络提供更真实的信道环境。联合仿真流程如图4所示。

图4 联合仿真流程

3 联合仿真实现

3.1网络仿真场景

模拟通信场景为2014年12月5日，西安和上海两地之间各有4个站点进行TDMA组网测试，测试组网后数据包的正确接收率性能，持续时间00∶00～24∶00，并查得当日太阳黑子数为77。

3.2频率选择

首先，根据查询的太阳黑子数和两地的地理坐标，利用ITS软件估计可用频率范围，选择合适的通信频率。由ITS输出的信燥比（SNR）的时间分布等高图如图5所示。

图5 ITS软件SNR仿真结果

在短波通信中，可用的通信频率昼夜有别，从图中也可以看出可用频率范围有很大幅度的变化。为了体现同一短波信道不同时间通信质量的变化特点，且有一个频率作为对照频率，选择两个可用时间段不同的频率f1=7 000 kHz和f2=18 000 kHz进行24 h网络仿真。

3.3ITS信道数据采集

ITS软件可以计算在特定频率和电离层参数下，短波信道的传输损耗等参量。在仿真条件中加入选定的通信频率7 000 kHz和18 000 kHz，同时将模拟运行时间设置为00∶00～24∶00，结果输出间隔为1 h，选取需要输出的参量为：VHITE（电离层反射高度）和SNR（接收信号信噪比）。选择Run/Circuit方式运行仿真，得到以.out文本文件输出的仿真结果，如图6所示。

图6 ITS软件参量输出结果

分别将两个频率对应的仿真结果以数组形式记录，对应每个时间段的信道参数，如VHITE1［0］=267，表示在时间段00∶00～1∶00之间，以频率7000kHz通信时电离层反射高度为267 km。结果整理如下：

3.4OPNET管道阶段修改

在OPNET管道阶段源代码的基础上，将从ITS中采集到的数据，以分组的形式根据不同的仿真时间区间直接赋值给相应的TDA或中间变量。从前面对管道阶段的阐述可知，从每一个管道阶段来看，为较准确反映短波信道特性，需要对管道阶段2、4、5、6、7和调制曲线6个方面进行及修改。但由于阶段4、6、7的计算结果，最终是在阶段10中计算SNR时使用，可以直接将SNR值在阶段10中赋值给TDA。因此，只需要修改管道阶段2、5、10和调制曲线。具体方法修改如下：

阶段2：该阶段的目的是判断发送的信号能否达到接收机信道，即是否在视距内，其主要考虑物理因素，如障碍物和地表等。天波通信为非视距传输，即使在山谷间也依然有效，因此，直接将结果OPC_TURE赋值给符号常量OPC_TDA_RA_CLOSURE，表示链路闭合。

阶段5：该阶段的目的是计算信号从发射站到接收站的传播时间，根据传输距离式（2），将从ITS采集的数据VHITE赋值给变量h，由L/C计算传输时延。

阶段10：该阶段的目的是计算接收信号的SNR，并根据SNR值从调制曲线中读取相应的误码率BER，因此，可将从ITS采集的数据SNR赋值给符号常量OPC_TDA_RA_SNR。如果需要仿真某一固定SNR水平下的网络性能，可将SNR赋值为一个值。

3.5OPNET调制曲线修改

图7 调制曲线图

在管道阶段11中，仿真内核通过接收信号的信噪比读取相应的误码率。短波信道接收的信号强度弱，且信噪比变化幅度较大，OPNET中原有的调制曲线不适用于短波信号的信噪比和误码率变化情况，文献［12］中短波宽带波形的调制曲线，绘制调制曲线图如图7所示。

4 效果验证

根据仿真场景，在OPNET中建立网络仿真模型，设置8个节点，采用TDMA多址接入方式，模拟西安、上海各4个节点进行通信，具体建立模型过程可参考文献［13］。输出数据包接收率和接收数目曲线如图8和图9所示。

图8 数据包接收率

图9 数据包接收数

定义数据包接收率为每个小时内节点接收包的数量与发出包的数量的比值。由图8可以看出，当通信频率为7 000 kHz时，从0点到1点、6点到次日0点之间通信质量较好，数据包接收率在80%～90%之间；从1点到6点，数据包接收率急剧下降，最低时不足5%。当通信频率为18 000 kHz时，从0点到11点、23点到次日0点之间通信质量较好，数据包接收率在基本维持在90%；11点后接收率开始急剧下降，在12点到23点之间几乎为0。对照图9也可以看出，在通信频率为7 000 kHz时的约1点到6点和通信频率为18 000 kHz的12点到23点之间几乎没有接收到数据包。当使用OPNET自带的管道阶段模型时，数据包的接收率一直保持在90%以上，显然不符合短波信道特点。

所以，OPNET自带的信道模型不能反映不同通信频率上通信质量的差别，也不能反映短波信道的时变特性。与图5比较可以看出，由改造后的信道模型仿真得到的数据包接收率和ITS软件仿真得到的7 000 kHz和18 000 kHz两个频率在不同时间段通信质量的强弱是一致的，说明改进之后的OPNET信道模型可以较真实地反应短波信道特性。同时，也可以验证一条短波选频上的规律，短波可用通信频率昼夜有别，且通常昼频高于夜频。

5 结论

本文分析了短波天波信道的传输特性，给出了传播路径和传播损耗的计算方法，并结合OPNET网络仿真软件和ITS信道模拟软件的仿真原理，提出一种基于ITS和OPNET软件的短波网络联合仿真方法。详细描述了联合仿真实现的步骤和对OPNET软件无线管道阶段的修改方法。最后将联合仿真方法运用到短波网络场景中进行网络性能分析，结果证明联合仿真方法体现了短波网络的信道特点，提高了OPNET软件下仿真短波网络的真实性。

［1］胡中豫.现代短波通信［M］.北京：国防工业出版社，2005：2-140.

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［3］VOGLER L E，HOFFMEYER J A.A model for wideband HF propagation channels［J］.Radio Science，1993，28（6）：1131-1142.

［4］LEMMON J J.Model for the simulation of wideband HF noise and interference［C］//HF Radio Systems and Techniques Fifth International Conference，1991：349-353.

［5］王亚军，张玉，谢明祥.短波电离层反射信道模型的建立与仿真［J］.电波科学学报，2004，19（3）：357-361.

［6］孙萍，张水莲，秦志强.ITS宽带短波信道及其噪声的建模和仿真［J］.通信技术，2009，42（02）：15-17.

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［8］张传浩，程健庆，陈利风.短波信道模型仿真实现及改进算法研究［J］.指挥控制与仿真，2009，31（6）：76-83.

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［11］李馨，叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2006：257-290.

［12］夏斌，黄河，翟卫忠.短波电离层信道的Watterson模型仿真性能分析［J］.系统仿真学报，2009，21（2）：207-210.

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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

国家自然科学基金资助项目（61302153）

周得敏（1990-），男，甘肃山丹人，硕士研究生。研究方向：短波地空网MAC协议。