江 川，黃國(guó)策，王炳和，陳 玙

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077;2.武警工程大學(xué) 信息工程系，西安710086)

1 引言

隨著短波通信系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，如何評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能，以及如何選擇或開發(fā)適用于短波網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議就成了制約短波通信發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。短波信道是影響短波通信性能的決定性因素之一，對(duì)于短波信道的合理建模也成了短波網(wǎng)絡(luò)評(píng)估的重要方面。短波天波信道是一個(gè)時(shí)變信道，其中存在著多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及各種時(shí)間尺度的衰落。為了克服短波信道復(fù)雜惡劣的特點(diǎn)，一種方法是通過(guò)物理層的抗干擾波形、現(xiàn)代的編碼交織以及高速跳頻等技術(shù)來(lái)提高單跳鏈路的可靠性[1－2];另一種方法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層及以上協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的互通性，以網(wǎng)絡(luò)的可靠性來(lái)彌補(bǔ)單條鏈路的可靠性不足這一問(wèn)題[2－3]。

目前，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能的方法主要有3種:一是實(shí)地測(cè)試，這種方法真實(shí)性最高，但是成本很大，尤其是對(duì)于短波網(wǎng)絡(luò)這種覆蓋范圍極大的網(wǎng)絡(luò)而言，長(zhǎng)時(shí)間實(shí)地測(cè)試一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開銷是巨大的，另外，實(shí)地測(cè)試也難以歷經(jīng)所有可能的環(huán)境變化情況，所以這一方法僅適合于系統(tǒng)最終定型時(shí)進(jìn)行小規(guī)模實(shí)驗(yàn);二是實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物測(cè)試，即使用短波信道模擬器連接若干短波電臺(tái)和調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，這一方法比較適合于鏈路級(jí)仿真，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)級(jí)仿真則略顯不足，因?yàn)槎滩ㄐ诺滥M器可連接的電臺(tái)數(shù)量有限，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，難以反映短波節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)之后的情景;三是完全采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，根據(jù)短波網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立相應(yīng)的信道模型、協(xié)議棧模型(節(jié)點(diǎn)模型)和業(yè)務(wù)流模型，從而評(píng)估網(wǎng)絡(luò)在不同環(huán)境下的性能表現(xiàn)。這一方法具有最大的靈活性，在計(jì)算機(jī)硬件條件允許的情況下，可以任意改變網(wǎng)絡(luò)仿真的規(guī)模，但為了使仿真結(jié)果具有可信性，所建立的模型必須能夠準(zhǔn)確地反映相應(yīng)對(duì)象的特征，例如信道模型的衰落變化規(guī)律及統(tǒng)計(jì)特征是否與實(shí)際相符、業(yè)務(wù)流量分布是CBR還是泊松模型等[4]。

軟件仿真已被證明是一種可靠的網(wǎng)絡(luò)評(píng)估方法。常用的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有OPNET、NS2、GLOMOSIM等。其中，OPNET是著名的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，其實(shí)現(xiàn)了大量的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型，比較適合用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及性能評(píng)估，也可用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及算法的仿真。目前已有若干在OPNET環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的短波信道仿真模型[5－6]，這些模型都是基于事先計(jì)算好的信道慢衰落參數(shù)，然后將慢衰落參數(shù)導(dǎo)入仿真模型中，再加入一定的隨機(jī)擾動(dòng)來(lái)模擬信道的變化情況。這種方法簡(jiǎn)單易行，但是對(duì)于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)仿真而言，需要計(jì)算的鏈路數(shù)量太多，而且哪兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路參數(shù)需要被計(jì)算也是不可預(yù)知的，如何高效地計(jì)算并組織計(jì)算結(jié)果成為了新的挑戰(zhàn)。為了解決大規(guī)模的短波網(wǎng)絡(luò)仿真問(wèn)題，需要一種新型的短波信道仿真方法。NS2是一款開源的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，在科研領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和改進(jìn)，其可靠性和真實(shí)性已被廣泛認(rèn)可[7]。為了仿真短波網(wǎng)絡(luò)，可以采用NS2作為平臺(tái)，利用其易于擴(kuò)展的特性，在此基礎(chǔ)上建立符合短波網(wǎng)絡(luò)特征的信道模型、協(xié)議模型和業(yè)務(wù)模型。本文主要關(guān)注短波天波信道模型在NS2環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)，下文所說(shuō)的短波信道均指短波天波信道。

2 短波信道模型

2.1 影響短波信道參數(shù)的因素

短波的天波傳播是依賴于電離層對(duì)電磁波的反射來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以短波信道的特征與電離層的變化特征密切相關(guān)，而影響電離層的因素主要有太陽(yáng)黑子數(shù)、季節(jié)、晝夜、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的地理位置等，對(duì)于多跳傳播模式而言，影響因素還包括地面反射點(diǎn)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等因素[8]。

由于電離層的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)以及電離層濃度、厚度的不斷變化，電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多徑和多普勒等效應(yīng)，從而導(dǎo)致短波信道成為頻率選擇性和時(shí)間選擇性信道。此外，與其他無(wú)線通信方式一樣，短波通信還受接收機(jī)附近噪聲信號(hào)強(qiáng)度的影響。

2.2 Walnut Street模型

為了在多時(shí)間尺度上對(duì)短波信道進(jìn)行合理的仿真，1997年，短波技術(shù)咨詢委員會(huì)(為美國(guó)政府提供關(guān)于短波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的建議)在Walnut Street召開會(huì)議，此次會(huì)議達(dá)成的結(jié)果被稱作Walnut Street模型。根據(jù)Walnut Street模型，從時(shí)間尺度上看，可將短波信道衰落劃分為三類。

(1)由地理因素及太陽(yáng)活動(dòng)引起的慢衰落

慢衰落是指衰落周期在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)的衰落，慢衰落的產(chǎn)生跟地球和太陽(yáng)的規(guī)律性運(yùn)動(dòng)有關(guān)，兩者的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電離層密度不斷變化，從而引起經(jīng)電離層反射的電磁波的衰落情況也隨之改變。慢衰落的情況可根據(jù)著名的電離層傳播預(yù)測(cè)軟件IONCAP(或由此衍生的VOACAP和ICEPAC)計(jì)算得出，對(duì)抗慢衰落主要依靠合理的短波頻率規(guī)劃和ALE技術(shù)。

VOACAP是美國(guó)之音公司(VOA)基于ICEPAC開發(fā)的用于計(jì)算短波信道的衰落、時(shí)延、信噪比以及最高可用頻率等參數(shù)的軟件，其核心的傳播預(yù)測(cè)模型和算法與ICEPAC相同。VOACAP根據(jù)輸入的兩個(gè)通信對(duì)象的經(jīng)緯度、太陽(yáng)黑子數(shù)、通信雙方使用的天線參數(shù)等就可計(jì)算出短波鏈路的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)平均參數(shù)，包括信噪比、最高可用頻率、鏈路可靠性等，主要用于鏈路的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和用頻規(guī)劃。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其可靠性已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，所以短波信道仿真模型中的慢衰落可以使用VOACAP軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

(2)由電離層運(yùn)動(dòng)等活動(dòng)引起的中等時(shí)間尺度衰落

中等時(shí)間尺度衰落主要是指衰落周期在數(shù)秒到數(shù)十秒的衰落，一般由電離層的不規(guī)則活動(dòng)引起。中等時(shí)間尺度的衰落周期與一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間相當(dāng)，一般要靠鏈路層以上的協(xié)議使用ARQ協(xié)議進(jìn)行克服，也是短波鏈路層以上協(xié)議設(shè)計(jì)的主要考慮因素。

Goodman認(rèn)為[9]，在中緯度地區(qū)，由 E層和 F層引起的中等時(shí)間尺度衰落的頻率大約為10次/分鐘，衰落的統(tǒng)計(jì)特性符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，衰落深度在0～20 dB之間。Furman和McRae也指出在短波信道的SNR變化除了短期的Watterson模型引起的和長(zhǎng)期的慢變化之間，還存在一種中等時(shí)間尺度的符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的波動(dòng)，這一波動(dòng)的幅度在幾個(gè)dB之間，而且他們?cè)贛elbourne和Rochester之間的鏈路實(shí)際測(cè)試也表明了存在一種標(biāo)準(zhǔn)差為4 dB、時(shí)間常數(shù)為10 s的對(duì)數(shù)正態(tài)分布的SNR波動(dòng)。

根據(jù)前人的研究和實(shí)測(cè)結(jié)果，中等時(shí)間尺度的變化可使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布變量來(lái)表示，其標(biāo)準(zhǔn)差和時(shí)間常數(shù)應(yīng)可以在仿真時(shí)進(jìn)行配置。

(3)由多徑效應(yīng)引起的快衰落

快衰落是指衰落周期在1 s以下的衰落，一般是由于多徑和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的?？焖ヂ淇梢允褂醚訒r(shí)抽頭加權(quán)的Watterson模型來(lái)表示，其導(dǎo)致的衰落需由Modem使用自適應(yīng)均衡、交織和糾錯(cuò)編碼等物理層技術(shù)來(lái)克服。一般認(rèn)為，由多徑導(dǎo)致的衰落服從瑞利分布，因此，在仿真中應(yīng)根據(jù)多徑時(shí)延的長(zhǎng)短，對(duì)瑞利衰落的參數(shù)進(jìn)行配置。

綜上所述，短波信道中不同時(shí)間尺度的衰落具有各自不同的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)于慢衰落，可以采用VOACAP軟件預(yù)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，中等時(shí)間尺度的衰落采用符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量來(lái)模擬，快衰落則使用符合瑞利分布的隨機(jī)變量來(lái)模擬，然后將三者疊加，就可以獲得比較接近實(shí)際衰落情況的短波信道模型了。

3 NS2中的短波信道傳播模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 NS2中的信道傳播模型的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

要在NS2環(huán)境下實(shí)現(xiàn)短波信道模型，首先必須理解NS2對(duì)信道模型的實(shí)現(xiàn)方法和信道模塊與其他模塊之間的接口。NS2中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)電臺(tái)接口模型如圖1所示。

圖1 NS2中的無(wú)線接口模型Fig.1 Wireless interface model in NS2

從圖1中可以看出，無(wú)線接口由邏輯鏈路層模塊(LL)、接口隊(duì)列(IFq)、糾錯(cuò)模塊(FEC)、信道接入控制模塊(MAC)、輸入和輸出誤幀模塊(InError、OutError)、物理層(Netif)、信道傳播模型(Radio Propagation model)、天線模塊(Antenna)和信道模塊(Channel)組成。其中FEC、InError和OutError模塊為可選模塊，默認(rèn)情況下并不包含在模型中。

信道傳播模塊的功能是根據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，包括發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、通信距離等，來(lái)計(jì)算源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包能否被目的節(jié)點(diǎn)正確接收。通常，目的節(jié)點(diǎn)判斷一個(gè)數(shù)據(jù)包能否正確接收的標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)包到達(dá)接收天線時(shí)的功率或信噪比，NS2中信道傳播模型的輸出是接收功率，信噪比和信干比則交給MAC層來(lái)處理。

NS2中，Radio Propagation Model的輸入?yún)?shù)為從Netif獲得的數(shù)據(jù)包，從數(shù)據(jù)包的頭部可以提取出發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的id，從而得到兩者對(duì)應(yīng)的位置，以及發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、收發(fā)節(jié)點(diǎn)的天線增益等參數(shù)。根據(jù)所采用的信道傳播模型，加以計(jì)算就可以得到到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)接收機(jī)的信號(hào)功率。將接收到的信號(hào)功率與接收機(jī)的接收門限值相比，就可以判定此數(shù)據(jù)包應(yīng)該被正確接收或者是標(biāo)記為有誤碼的數(shù)據(jù)包，如果接收功率太低就直接將數(shù)據(jù)包丟棄。

NS2實(shí)現(xiàn)了3種傳播模型，分別為Freespace、TwoRayGround和 Shadowing模型。其中 Freespace和TwoRayGround是確定性模型，即輸入相同的參數(shù)，輸出的結(jié)果也是相同的;Shadowing模型則加入了一定的隨機(jī)性，使輸出結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。這3種模型都比較簡(jiǎn)單，一般用在覆蓋范圍較小的局域網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，并不適合用于短波天波信道的計(jì)算。

在短波通信中，信道情況復(fù)雜，影響因素多，且系統(tǒng)性能往往受限于多徑和多普勒的影響，因此，原有的信道傳播模型難以滿足短波網(wǎng)絡(luò)仿真的需求，需要另外實(shí)現(xiàn)短波信道模型或借助外部軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)短波信道的模擬。

根據(jù)第2節(jié)對(duì)短波信道衰落情況的分析，我們?cè)贜S2中建立一個(gè)HFPropagation模塊，并在Tcl語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)所需參數(shù)的配置接口。

3.2 使用VOACAP計(jì)算慢衰落的方法

VOACAP的 Linux版本(VOACAPL)是由 J.Watson使用Fortran語(yǔ)言編寫的，而NS2基于分裂對(duì)象模型，使用C++和Tcl語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，兩者難以直接集成。但是，Linux操作系統(tǒng)具有靈活的system()系統(tǒng)調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)兩者的自動(dòng)化數(shù)據(jù)交互，從而使得在NS2中生成 VOACAP所需要的參數(shù)，而后VOACAP利用生成的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并返回計(jì)算結(jié)果成為可能。下面介紹具體的實(shí)施步驟。

安裝好VOACAPL后，根據(jù)軟件的使用說(shuō)明，在Linux環(huán)境變量中配置VOACAPL的運(yùn)行路徑，而后就可以在命令行運(yùn)行VOACAPL程序了。在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路參數(shù)的計(jì)算時(shí)，VOACAPL的運(yùn)行參數(shù)包括itshfbc文件夾的路徑、一個(gè)輸入文件和一個(gè)輸出文件，輸入文件是所需計(jì)算的鏈路的配置文件，包含太陽(yáng)黑子數(shù)、收發(fā)雙方的經(jīng)緯度、發(fā)射功率、使用頻率、天線類型等參數(shù)，輸出文件用來(lái)存放計(jì)算結(jié)果，結(jié)果中包含MUF、平均衰落、平均SNR等，可根據(jù)仿真需求提取出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

為了在仿真過(guò)程中計(jì)算一條短波鏈路的慢衰落參數(shù)，必須先根據(jù)鏈路兩端的通信節(jié)點(diǎn)的位置、發(fā)射功率、使用頻率、天線類型等參數(shù)，生成一個(gè)VOACAPL所需要的輸入配置文件，然后通過(guò)system(“voacapl～/itshfbc input_file output_file”)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)計(jì)算鏈路參數(shù)，計(jì)算結(jié)果被寫入到輸出文件;最后使用awk來(lái)解析出所需要的參數(shù)，具體代碼為system(“awk‘$0 ～ /LOSS/{print$2}’output_file＞snr.out”)，其含義為逐行匹配輸出文件，將含有“LOSS”(表示衰落)的行的第二列(所需頻率對(duì)應(yīng)的列)打印到 loss.out文件中，再打開 loss.out就可以讀取出所需的參數(shù)了。

3.3 HFPropagation模塊的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

HFPropagation模塊在C++中實(shí)現(xiàn)為一個(gè)類，其繼承自NS中傳播模型的基類Propagation類。

HFPropagation模塊依賴的外部配置參數(shù)如表1所示。

表1 HFPropagation模塊需要的配置參數(shù)Table1 Arguments need to be configured in HFPropagation module

除了以上配置參數(shù)外，還需考慮以下問(wèn)題:

(1)VOACAP計(jì)算鏈路參數(shù)的最高時(shí)間分辨率是1 h，所以當(dāng)時(shí)間處于兩個(gè)整點(diǎn)之間的時(shí)候，需要對(duì)慢衰落進(jìn)行插值，本文采用的是簡(jiǎn)單的線性插值;

(2)由于采用system系統(tǒng)調(diào)用計(jì)算鏈路參數(shù)的時(shí)間開銷較大，為了避免重復(fù)計(jì)算鏈路的慢衰落參數(shù)，在HFPropagation類中增加了一個(gè)靜態(tài)的雙向鏈表的頭指針，此雙向鏈表中的第一個(gè)元素保存著源nodeid、目的nodeid、頻率值以及相應(yīng)的衰落參數(shù)。當(dāng)某條鏈路上第一次有數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)，就根據(jù)此鏈路的參數(shù)計(jì)算慢衰落的參數(shù)，然后將這些參數(shù)加入到雙向鏈表中，下次再有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，就不用重新計(jì)算同一鏈路的慢衰落參數(shù)了。注意:由于短波鏈路的不對(duì)稱性，A→B和B→A在鏈表中是兩個(gè)不同的元素;

(3)為了使節(jié)點(diǎn)的位置能夠使用經(jīng)緯度表示，在MobileNode類中添加了兩個(gè)變量:longitude和latitude，分別表示經(jīng)度和緯度，兩者的正值表示東半球和北半球，負(fù)值表示西半球和南半球。另外，需要在MobileNode類中添加一個(gè)字符數(shù)組，用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)所使用的天線類型，以備在生成VOACAP的輸入配置文件時(shí)使用;

(4)為了反映出信道衰落的多時(shí)間尺度特征，給不同時(shí)間尺度的衰落值設(shè)置了一個(gè)老化周期，即，每計(jì)算出一個(gè)新的衰落值時(shí)，記下當(dāng)前時(shí)間，當(dāng)此鏈路數(shù)據(jù)包再次進(jìn)入傳播模型時(shí)，首先檢查上次衰落值的計(jì)算時(shí)間，如果時(shí)間過(guò)期了，就重新計(jì)算，否則繼續(xù)使用上次計(jì)算的衰落值;

(5)為了減小計(jì)算量，僅當(dāng)鏈路中有數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)才計(jì)算衰落參數(shù)，當(dāng)鏈路中沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，并不需要周期性地計(jì)算信道衰落情況;

(6)生成VOACAP的輸入數(shù)據(jù)文件的時(shí)候，要注意文件的格式，數(shù)字的有效長(zhǎng)度和精度、同一行不同字段之間的空格數(shù)量等參數(shù)都有嚴(yán)格的限制，具體格式可參考VOACAP安裝時(shí)自帶的輸入數(shù)據(jù)文件格式。

綜合考慮以上因素，一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)HFPropagation模塊的處理流程如圖2所示。

圖2 HFPropagation模塊的處理流程Fig.2 Process flow of HFPropagation module

3.4 對(duì)于NS2軟件的其他修改

除了在NS2的C++環(huán)境中實(shí)現(xiàn)HFPropagation模塊外，還需要將所需配置的參數(shù)變量與Tcl環(huán)境中的變量進(jìn)行綁定，同時(shí)在Command成員函數(shù)中設(shè)置修改這些配置參數(shù)的方法。另外，還需在Tcl的庫(kù)中設(shè)置HFPropagation類中成員變量的默認(rèn)值。最后，將HFPropagation加入Makefile中的OBJ_CC列表之中，重新編譯NS2軟件，就可以使用此模塊了。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所實(shí)現(xiàn)的短波信道傳播模型的正確性，設(shè)置了如下的仿真場(chǎng)景。短波站點(diǎn)A、B、C組成一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)，3個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度分別為 A(39.91N，116.41E)、B(39.75N，108.91E)、C(23.16N，113.23E);三者共用一個(gè)頻率組，頻率組中包含 4.3 MHz、6.9 MHz、10.1 MHz 3 個(gè)頻率。通過(guò)仿真測(cè)試A→B、B→C、C→A 3條鏈路在一天之中分別在3個(gè)頻率點(diǎn)上的衰落情況。

其他仿真參數(shù)如表2所示。根據(jù)NASA公布的太陽(yáng)活動(dòng)數(shù)據(jù)，2013年10月的太陽(yáng)黑子數(shù)平均為85.6，標(biāo)準(zhǔn)差為 24.1，本文將太陽(yáng)黑子數(shù)設(shè)置為100，表示電離層受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響較大;為了獲得較高的增益，3個(gè)短波通信臺(tái)站的天線假設(shè)都是方向性的對(duì)數(shù)周期天線，發(fā)射功率均為1 kW，天線效率假設(shè)為65%，即有效輻射功率650 W;環(huán)境噪聲根據(jù)CCIR的推薦值，設(shè)置為－150 dBW;根據(jù)2.2節(jié)的Walnut Street模型，這里選取10 min作為慢衰落的老化周期，10 s作為中等時(shí)間尺度衰落的老化周期，1 s作為快衰落的老化周期。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table2 Argument settings of simulation

仿真結(jié)果如圖3～5所示，圖中的時(shí)間已從UTC轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)貢r(shí)間。

圖3 A到B的鏈路仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of A to B

圖4 B到C的鏈路仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of B to C

圖5 C到A的鏈路仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of C to A

從仿真結(jié)果中可以看出，低頻在夜間的衰落較小，在白天的衰落較大;當(dāng)所用頻率與信道的MUF較為接近時(shí)，衰落最小，以上3條鏈路中的MUF在8～11 MHz之間，而所選擇的10.1 MHz的頻率與之最接近，所以獲得了最小的衰落;由于A和B的距離較近，且兩者與C的距離較遠(yuǎn)，因此A→B的信道衰落明顯低于后兩者，B→C和C→A由于距離接近，且環(huán)境情況類似，所以有著類似的信道衰落。從仿真結(jié)果圖中得出的這些結(jié)論基本與理論和經(jīng)驗(yàn)相吻合，證明了此模型的正確性。

5 結(jié)論

本文采取NS2和VOACAP聯(lián)合仿真的方法實(shí)現(xiàn)了短波信道多時(shí)間尺度模型，使得在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算信道參數(shù)成為可能，突破了現(xiàn)有方法需要事先計(jì)算信道參數(shù)的不足，提高了仿真的靈活性。仿真結(jié)果表明，此模型能夠較為真實(shí)地反映短波信道的特征，由頻率、站點(diǎn)位置、時(shí)間、外部環(huán)境等因素的變化所引起的信道特征的改變均能在此模型中體現(xiàn)出來(lái)，并且與實(shí)測(cè)值和日常經(jīng)驗(yàn)相符，為后期的短波網(wǎng)絡(luò)仿真奠定了基礎(chǔ)。

本文采用的NS2和VOACAP數(shù)據(jù)交互方法是system系統(tǒng)調(diào)用，參數(shù)解析使用的是awk;system調(diào)用和awk的使用具有一定的時(shí)間開銷，如果需要進(jìn)一步提高計(jì)算性能，可以將VOACAP的算法使用C語(yǔ)言或C++實(shí)現(xiàn)，同時(shí)引入正則表達(dá)式的庫(kù)來(lái)解析計(jì)算結(jié)果;將系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換為函數(shù)調(diào)用，這樣可以進(jìn)一步加速計(jì)算過(guò)程，減少仿真時(shí)間。

[1]MIL－STD－188－110C，Interoperability and performance standards for data modems[S].

[2]MIL－STD－188－141C，Interoperability and performance standards for medium and high frequency radio systems[S].

[3]STANAG 5066，NATO Standardization Agreement:Profile for High Frequency(HF)Radio Data Communications[S].

[4]Koski E，Chen S，Pudlewski S，et al.Network simulation for advanced HF communications engineering[C]//Proceedings of 12th IET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques.York:IEEE，2012:1－5.

[5]Song Yu，Jiang Xuping.Modeling and Application of OPNET－Based Pipeline Stages for HF Channel Simulation[C]//Proceedings of 2009 International Forum on Information Technology and Applications.Chengdu:IEEE，2009:458－460

[6]Zhang Zhuo，Xiang Donglei，Liu Qianli，et al.Wireless Modeling of HF Networks in OPNET[C]//Proceedings of 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications.Hangzhou:IEEE，2007:285－288.

[7]柯志亨，程榮祥.NS2仿真實(shí)驗(yàn)—多媒體和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.KE Zhi－h(huán)eng，CHENG Rong－xiang.NS2 simulation experiment:multimedia and wireless communication[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.(in Chinese)

[8]Goodman J M.HF Communications:Science and Technology[M].New York，NY:Van Nostrand Reinhold，1992.

[9]Furman W，McRae D.Evaluation and Optimization of Data Link Protocols for HF Data Communication Systems[C]//Proceedings of 1993 IEEE Military Communications Conference.Boston，MA:IEEE，1993:67－72.