基于OPNET的无线信道干扰对系统性能的影响研究

　　摘要：以研究陆上无线通信信道中干扰对系统性能的影响为目标，基于OPNET仿真平台，建立了干扰节点对一般自由空间模型无线通信的干扰仿真模型。根据仿真结果，分析了干扰对无线信道传输的影响，随着干扰节点与收信机距离的变化，误比特率呈现一种单调非线性变化趋势。同时，干扰节点的功率，决定了干扰有效距离。

　　0 引言

　　无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输，信道性能的好坏直接决定着通信的质量，因此随着宽带无线网络的发展和多媒体技术的进步，无线网络的研究越来越引起人们的兴趣。

　　无线通信的特点是传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性，干扰作为无线传播过程中必不可少的一个影响因子，对信道传输作用非常大，有效的通信干扰能够对各个阶段的战斗行动带来影响，使敌方接收不到有效信息，从而使其作战过程无法统一。

　　另一方面，干扰也可以向敌方隐蔽其作战目的，从而破坏对方的指挥。因此，对影响干扰的因素进行研究分析就非常重要。为了得到距离、发射机功率和干扰效果的关系，本文通过加入移动的干扰节点，并采用不同的干扰发射机功率，通过OPNET网络仿真软件进行仿真实验分析，所得仿真结果可为实际作战提供理论参考依据。

　　1 OPNET仿真机制概述

　　1.1 OPNET的特点

　　首先，OPNET采用三层建模机制，顶层的网络层对应现实的网络，反映现实的通信结构；中间层是节点模型，体现网络服务特点；层是进程模型，利用FSM（有限状态机）表现协议或者算法的思想。其次，OPNET采用离散事件的仿真方法，它是在FSM 的基础上实现的，是基于事件的，并不影响仿真数据的特性，仿真效率比较高。再次，OPNET内嵌了很多性能统计器，它会自动采集模拟过程的结果数据，有强大的统计性和集成分析性能。，OPNET 仿真模型库为客户提供了一系列的仿真模型，在这些模型的基础上，实现对网络的仿真，用户也可根据自己的需要，添加、修改已有的源代码，设计自己的模型。

　　1.2 OPNET的仿真建模流程

　　使用OPNET仿真大体可以分为以下6个步骤：配置网络拓扑；配置业务；收集统计量；运行仿真；调试模块再次仿真；发布结果和拓扑。

　　1.3 OPNET无线信道管道阶段简介

　　在OPNET 无线信道仿真中，对于每个发射和接收信道对，它们之间的整个无线传输过程可以用一系列功能单一的子传输阶段的组合（见）来描述，其中涉及到一系列参数计算。有些无线链路的参数互为因果，时间上有先后顺序，所以传输阶段的排列顺序也应按照实际传输的先后来定，每个阶段都有各自不同的功能。

　　

　　2 无线电通信

　　2.1 无线电通信过程

　　无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波的形式辐射出去。中间通过无线信道进行传输，当电磁波到达接收地点后，由天线接收（仅仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。这中间的无线传输信道由于其开放和不确定性对通信干扰影响。其过程如所示。

　　

　　2.2 干扰的基本原理

　　在无线电通信系统中，信息传播是在开放的信道中进行的，发射机发射的信号经过开放的空中信道传送到接收机端被接收机接收。由于信号来自开放的传播媒介，所以接收机在接收信号的同时不可避免地会接收到一部分与信号具有一定相关性的非信号成分，即通常所说的噪声和干扰，致使通信接收系统检测有用信号时必然存在着不确定的因素。干扰向空中辐射的干扰信号，通过无线信道到达通信系统的接收端，当接收机在接收通信信号的同时接收到干扰信号时，就对通信产生了干扰。原理图如所示。

　　

　　3 距离、功率对干扰效果的影响

　　在无线电通信过程中，干扰是必须要考虑的一个因素，因为它对系统的性能影响非常大，但同时影响干扰效果的因素也是多方面的。一方面，当输入信号电平保持一定的时候，接收机输入端干扰信号的功率对干扰效果影响很大，干扰功率主要受干扰发射机输出功率、天线方向性的影响；另一方面，在一定的距离范围内，随着干扰节点和收信机之间距离的变化，收信机受干扰的程度也不一样。

　　3.1 网络模型

　　本文是在自由空间模型下，不考虑外界雨、雪等自然环境条件的干扰，仅仅通过加入一个移动的干扰节点，采用OPNET来仿真干扰节点距离、干扰发射机输出功率对收信机误比特率的影响。

　　网络模型如所示，在实验中通过添加移动的干扰节点jam来改变与收信机之间的距离，并采用不同的干扰机发射功率来进行仿真实验。在实验中，通信采用全向天线，天线高度为3 m,干扰节点和收信机节点的各属性设置相同，data rate（bps）设为1 024,packet formats设为all formatted,bandwidth（kHz）设为10,min frequency（MHz）设为300,干扰节点的坐标为（0.5,2.5），发信机节点坐标（3,3），收信机节点坐标为（4,3），单位为km.

      

图 4  网络模型图

　　3.2 进程模型

　　在本网络模型中，无线收信机的进程模型如所示，红色表示非强制状态，进入代码区执行后停下来，交给仿真，等待下中断。如果初始状态init产生包流，那么进入到下一个状态generate,在进入代码区中生成包，否则到达另一个状态stop.误比特率是无线管道的第十二个阶段，该阶段主要是计算错误接收包的情况，它是衡量数据在规定时间内数据传输性的指标，是衡量一个通信系统可靠性的主要的判断依据。在OPNET 中通过调用函数dra_ber_mt （OP_SIM_CON-  TEXT_ARG_OPT_COMMA Packet * pkptr）实现，同时信道的模型也是在此阶段完成的。

　　

　　3.3 仿真结果与分析

　　通过OPNET 仿真软件，得到干扰节点和收信机距离、干扰节点功率与收信机误比特率的关系，如所示。

　　

　　中纵坐标表示误比特率（ber），横坐标表示干扰节点和收信机的距离。仿真结果可以看出在一定的环境下，收信机的误比特率随着干扰节点与收信机之间距离的减少而增加，并且在二者近距离的时候，变化幅度比较大，变化率较快，在逐渐远离的时候，以较小的幅度逐渐降低，当移动到一定距离（干扰有效距离）之外时，接收机不再受干扰节点的影响，误比特率趋近于0.

　　其次增大干扰节点发射功率，干扰的有效距离也逐渐增大，如干扰节点发射功率为200 W时，干扰有效距离是800 m,而当功率增加到400 W 时，干扰有效距离增加到1 000 m.而且，在一定范围内（500~1 000 m），随着干扰节点的功率增大，其干扰效果（接收机的误误比特率）也会相应增大。即在信号电平一定的情况下，可以通过采取增加干扰节点功率的方法来使干扰效果更加明显，干扰节点功率越大，干扰效果越好。

　　4 结语

　　应用OPNET Modeler网络仿真软件，通过引入移动的干扰节点，设置相应参数进行仿真，并根据仿真结果进行分析，在一定范围内，干扰节点和收信机之间的距离、收信机接收到的干扰节点的功率都可以对收信机的接收产生影响。本文所建立的仿真模型符合客观实际，定性分析结果与实际系统一致。无线信道通信环境非常复杂，在本文研究的基础上，下一步的工作可考虑增加天气、环境、地形、收发节点移动等干扰因素的建模，从而使仿真更贴近实际系统。并在定量的前提下，对无线通信仿真进行研究。（作者：梁向阳，李敏）