传输路径性能（精选四篇）
传输路径性能 篇1
一、传统TCP在无线网络中存在的问题
1、不能有效判断网络状态。
一般来讲, 有线网络只具有拥塞和非拥塞这两种状态, 因此, 网络终端在控制网络传输时只需要对此种状态进行判断即可。然而, 对无线网络进行网络传输控制时, 除了需要对无线网络的拥塞与非拥塞状态进行判断之外, 还需要对无线网络的断开状态以及切换状态进行判断, 因此, 相对有线网络的拥塞控制而言, 无线网络的拥塞控制就显得尤为复杂。
2、盲目启动拥塞控制机制。
在接收到三个相同的确认数据包时, TCP发送端会启动快速重传算法, 而且位于TCP发送端的超时计数器在这个时候会对丢失的数据包进行超时重传, 在这种发送端认为网络达到饱和状态的情况下, 网络数据发送端就会及时的启动拥塞控制算法, 通过减小慢启动阈值以及发送窗口的大小来达到缓解无线网络压力的目的。但是, 无线网络中, 造成数据包丢失的原因有很多种, 不只是因为网络饱和, 因此, 由网络饱和导致TCP拥塞控制算法的盲目启动只会降低无线网络的性能。
3、窗口管理机制不健全。
在拥塞避免以及慢启动这两个阶段, 随着发送端接收到确认数据包数量的不断增加, 数据发送端的发送窗口就会不断的增大。然而, 在数据包较低的传输速度下, 无线网络就不能够得到充分的利用, 此外, 无线网络的部分特性极大的增加了确认数据包丢失的概率, 从而大大降低了无线网络的传输性能。
二、无线网络传输性能的改进方案
1、端到端的改进方案。
所谓端到端的改进就是修改TCP协议, 把传输过程中出现的各类错误交由TCP发送端处理, 这样一来, TCP就能够对各类形式的数据包丢失进行准确的区分, 从而就能够对各类传输环境下数据包丢失的情况做出有效的处理。首先是对数据包丢失的原因进行判断, 其次根据原因采取相应的措施。在判断数据包丢失原因的时候通常采取两种算法, 其中一种是NCPLD算法, 通过对时延阈值以及往返时延的大小进行比较, 来判断数据包丢失类型。另外一种是带宽估计算法, 直接对网络的可用带宽进行估算。
2、数据链路层的改进方案。
数据链路层的改进方案旨在从底层来对TCP性能进行改善, 这里所说的底层就是数据链路层。TCP协议之所以不能够在无线网络中发挥出良好的性能, 就是因为无线网络的自然属性不同于有线网络, 因此, 从底层出发来改善TCP能够有效的解决TCP在无线网络中面临的问题。由于数据链路层位于物理层上, 因此, 数据链路层协议不仅可以相对快速的接收数据帧丢失的各类信息, 还可以有效的对物理层进行控制。此外, 由于数据链路层协议上各项操作的执行与高层协议之间都是相互独立的, 因此对于无线网络协议中的各类分层结构, 该方案也具有极强的适应性, 因此, 就没有必要去维持各种连接状态。一般来讲, 数据链路层的改进方案主要有自适应数据帧长方案、自适应纠错编码、FEC/ARQ混合机制以及TCP-DCR。
3、分段连接改进方案。
在分段连接方案中, TCP连接被分段成两部分, 一部分作为固定发送端与基站的连接, 另一部分作为基站与移动终端的连接。当无线网络被固定发送端屏蔽的时候, 就会发生数据包丢失的现象, 而分段连接方案则可以有效地解决该问题, 通过在无线网络中隐藏固定发送端来解决数据包丢失问题, 而不用去对TCP协议作出任何修改。在这种情况下, 就不会因为数据包的比特发生错误而使TCP发送端盲目的启动拥塞控制算法, 这样一来, 就能够使无线网络中TCP的性能得到有效的提升。
三、总结
无线网络给人们的生产及生活带来极大的便利, 然而, 其自身的一些特性却影响了无线网络中TCP协议性能的发挥, 使无线网络不能够得到很好的利用。针对无线网路中TCP面临的一系列问题, 要采取有效的措施对其进行改进, 使其更好地发挥作用。然而, 在改进无线网络传输性能的过程中还存在许多其它的问题, 比如TCP的友好性以及公平性问题等, 相信随着计算机网络以及通信技术的不断发展, 这些问题能够得到很快的解决。
参考文献
[1]邓红卫.基于NS2的无线网络传输性能仿真分析[J].衡阳师范学院学报.2008. (06) :127-128.
[2]蒋翰洋.基于802.11e EDCA的无线网络传输性能仿真与分析[J].计算机与现代化.2010. (10) :15-16.
光传送网的传输性能和传输限制 篇2
20世纪70年代，低损耗的光纤用于通信开启了光通信的新纪元。随后，人们用光纤光缆代替传统通信网的电线电缆，研究光纤通信的器件和技术，相继产生了0.85 μm、1.3 μm多模光纤通信系统，1.3 μm、1.5 μm单模光纤通信系统。很快，不管是在陆地上还是在海底都建起了光纤传输网，全世界敷设的光缆总长超过了几千万公里，传送网的技术体制从准同步数字体系(PDH)发展到同步数字体系(SDH)，数字速率从几百兆比特每秒发展到吉比特每秒；但由于时分复用(TDM)的技术的限制，以SDH技术为基础的传送网吞吐量仍然十分有限，而各种语音、数据、图像等通信业务量猛增又要求传送网提供更大的带宽和容量，因此，90年代中期波分复用(WDM)技术应运而生。
WDM能够在一根光纤上传送多路光信号，多路信道的间隔从大于25 nm发展到小于3.2 nm，后者称为密集波分复用(DWDM)。单波长信道速率为2.5 Gbit/s或10 Gbit/s时，采用DWDM技术就可在单根光纤上实现太比特每秒数量级的超高速、超大容量传输。
因特网的兴起，数据业务量的爆炸性增长，推动了传输技术和传送网的发展。在光纤传输线路上加上光放大器，形成了更大容量、更长距离的传输系统，从而减少了线路中光/电、电/光转换的电中继再生器。除了点到点的传输采用了光纤线路外，组成传送网的基本网络单元，如数字交叉连接器(DXC)、分插复用器(ADM)和终端复接器(TM)，仍然是一些电设备，并在电域中实现传送网必须完成的信号复接、路由选择、监测等其他功能。所以严格说来，这种传送网只是对传统电传送网的改进。
DWDM的技术发展和应用是组建光传送网(OTN)的关键[1,2]，以波分复用器件和光网络单元，如光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)等，组成不同的拓扑结构，提供以波长为单位的透明通道，在光域上实现光信号的传输、复用、路由、监控、保护等功能。这样的网络才称之为光传送网。
光传送网和传统的传送网相比，具有如下优点：
(1)传输容量大(可适应未来B－ISDN对传输容量的要求)、成本低、便于网络扩展和升级；
(2)提供透明光平台，可作为不同信号格式、比特率和调制方式的光信号的传输载体；
(3)具有灵活组网能力，能对波长通道重选路由改变网络的逻辑拓扑，可提供网络故障恢复和监测；
(4)避免了光信号的光/电、电/光转换及其昂贵的转换设备，既提高了网络单元的吞吐量，又减少了设备投资。
光网络的这些优势吸引了世界各国的研究机构和相关通信公司，他们投入了大量的资金和人力研究全光网络。近10年来，相继产生了MONET网、WEST网、PHOTON网、OPEN网、NTON网、CAINONET网等网络[3－5]，与OTN相关的多种技术也在不断趋于成熟。单纤的复用通道数从几路扩大到十几路、32路、64路、128路……单信道的传输速率也从几吉比特每秒发展到上百吉比特每秒，而且2.5 Gbit/s、10 Gbit/s传输速率的设备已经商用。EDFA和Raman光放大技术及器件将进一步提高传输距离和带宽，并降低系统成本。各种类型的光网络单元设备正在被研制，如可任选波长分插的16波长OADM，容量为32×10 Gbit/s的OXC，可灵活配置不同的波道速率、具有不同容量(160×10 Gbit/s、640×2.5 Gbit/s等)的OADM等。因此在OTN的传输技术、系统器件、组网规范、标准化等方面，有许多工作等待我们去做。
2 传输性能
目前OTN处在组建、发展之中，存在着许多不确定的技术因素，关于它的性能描述尚无明确的规定。2001年ITU－T SG32提出了G.873“光传送网的要求”建议，SG15提出了G.959.1“光传送网的物理层接口”建议。中国近几年也建立了WDM光传输技术和设备的相关标准，但这些建议和标准仅可为评价、规范OTN性能提供一些参考。我们在研究传输技术和传输系统时，常常以传输带宽、传输容量、传输距离等来描述网络的传输能力，除此之外还需要有反映传输信号质量好坏的评价指标。对OTN的演变、特点及其传输技术、系统测量等方面进行研究之后，本文认为可采用以下几个主要的性能指标来衡量OTN的传输性能：
工作波段(包括了单信道中心波长及信道间隔)
波长信道数
单信道传输速率
信道间隔度
无中继传输距离
接收信号误码率
接收信号信噪比
抖动(来自传输线路)
这些指标不但可以反映OTN的传输带宽、传输容量、传输距离，还可以说明信号的传输质量等。现将这些指标分述如下：
(1)工作波段即为传输带宽，将光纤原有的3个低损耗窗口再加上L波段、S波段及全波光纤，使光纤传输从1.28 μm到1.625 μm连成一片，为宽带传送网提供了适用的传输介质。
(2)单信息传输速率和波长信道数共同决定网络的传输容量，DWDM和TDM的结合可以有效地提高网络的传输容量。当光源谱线被有效利用时，可以提高单信道传输速率，而光纤的损耗、色散和各种线性、非线性串扰则是提高传输速率的主要限制。波长信道数的提高必须采取抑制非线性效应，改善WDM器件的滤波特性等措施。
(3)信道隔离度反映了各信道对串扰的抵御能力，串扰主要来自传输光纤的非线性效应、网络单元器件的非理想滤波、EDFA的自发辐射等。在设计网络系统时，首先要保证网络单元器件的隔离度达到要求(一般为45 dB～60 dB)。
(4)无中继传输距离主要与传输速率、光纤非线性、色散、损耗、EDFA噪声有关，通常它只有几十公里。研制新型光纤，进行合理的色散管理，有效地抑制非线性效应和噪声，可以增加无中继传输距离。
(5)误码率直接表示了信号传输的质量优劣，它反映了色散、非线性等各种传输限制共同对信号的影响，因此需要从多方面采取措施来降低误码率。中国建立的WDM标准中，对不同速率下的误码率有明确的规定:对于10 Gbit/s的光纤传输系统要求误码率小于10－9。CAINONET总体组为确保传输信号质量，要求误码率达到10－12。
(6)信噪比是另一个直接反映传输信号质量好坏的指标，不同的传输信号，对应地有不同的信噪比要求：若传输的是数字信号，信噪比应该达到20 dB～25 dB，而对于模拟电视信号，信噪比相应地应取为40 dB～43 dB。
(7)由光纤线路引入的抖动相对于系统中数字复接设备产生的抖动要小得多，所以迄今为止国际上还没有关于线路抖动容限的规定。研究表明，这种抖动主要源于EDFA的自发辐射噪声积累和光纤的各种色散非线性效应。当光信号传输距离达到上千公里时，光纤线路引入的抖动将影响传输信号的脉冲幅度和相位[6]，其大小与数字复接设备产生的抖动具有可比性，这是不可忽略的，因此对于超长距离的OTN，抖动指标是不可缺少的。
上述的主要传输性能指标将在OTN的发展和应用中得到检验。
3 主要传输限制
OTN能够传送任何业务层的信号，由于其透明性网络中间节点不提供电处理、再生等功能，那么光信号在传送过程的损伤就无法消除。光信号的损伤源于色散、非线性、串扰、噪声等影响，这些影响的积累是连续的、模拟的，从而导致光信号传输质量下降、误码严重。这种性能恶化随着传输距离的增大和网络规模的扩大而越来越严重。那么对OTN有哪些主要的传输限制呢？下面根据现阶段的技术和器件水平从光纤的损耗、色散、EDFA的噪声积累、光纤和EDFA的非线性效应以及光网络单元引入的线性串扰等方面进行分析[7－10]。
3.1 光纤的损耗
光纤的损耗限制了传输距离，虽然可以通过光放大器进行补偿，但网络中常采用多个EDFA级联，导致信号的增益谱变宽、各波长信道的增益不均衡，加上光源波长和滤波器中心波长随温度漂移，使各波长通道呈现出较大的增益差，所导致的功率差若不及时地被网络系统的功率均衡器均衡，将引起接收端某些波长通道功率过小或过高，产生严重误码或接收机过载。
3.2 光纤的色散
光纤色散使光信号脉冲展宽、光接收灵敏度下降，导致均衡困难、误码率增加，因此要保证通信质量，就不得不减少传输距离，加大码间距，也就是说色散限制了传输中继距离和传输速率。从色散的机理来看，有色度色散和偏振模色散两种。当信号的传输速度大于等于10 Gbit/s时，必须考虑这两种色散的影响，现已研究了多种方法对光纤的色度色散实现有效的补偿，例如线性啁啾光栅可消除数千公里的长途传输色散，而偏振模色散具有随机性，对它的测量、补偿不是很容易。目前PMD的补偿尚处于研究、探索阶段。另外，不管采用什么方法补偿色散，所引入的插入损耗均会限制传输距离。
3.3 非线性效应
组成OTN的有源、无源器件都会引入非线性影响。光纤的非线性影响较严重，它包括了四波混频(FWM)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)等，其中XPM将信号的相位调制转化为强度调制，产生的影响最大，通过增加光纤的有效面积，可减轻这种影响。FWM的影响也不小，当采用的光纤工作波长区域有较小的色散时，FWM的危害会起作用。光放大器同样也引入XPM、FWM、SRS等非线性影响，而且XPM的影响比来自光纤的影响还要大， FWM的影响在L波段中要大于在C波段中，需要精心设计EDFA使其FWM最小化。另外，研究表明可采用最佳的光信号脉宽来抑制因XPM引入的非线性。
3.4 EDFA的噪声积累
当EDFA放大各波长通道光信号时，对自身能级间的自发跃迁所产生的自发辐射同时也放大了，而且所引入的各波长通道噪声指数不一致，从而导致信噪比降低，这种自发辐射噪声还随着EDFA的级联数增加而增加，所以利用EDFA是无法改善信号质量的。在现有技术条件下，光电转换对于消除噪声积累是行之有效的。
3.5 线性串扰
OTN的基本网络单元(如OADM、WDM器件、光开关、滤波器等)中的非理想滤波，将引起信号功率泄露，产生主信号与串扰信号处于相同或不同频带的同频或异频串扰，其中异频串扰可以通过滤波器滤除，而同频串扰在传输过程中将有相应的积累和相关性，它们引起各波长通道的功率变化、误码率增加。当波长通道数增加，通道间隔减少时，这种线性串扰的影响就更严重，即这种串扰限制了OTN的传输容量和规模。
这些传输限制对OTN的影响极大。当前OTN传输技术和器件的进步为解决上述传输限制作出了一定的努力。例如，为抑制光纤的色散、损耗和非线性效应而不断研制出新型光纤：更低损耗的非零色散光纤、大有效面积光纤、低色散斜率光纤等；为降低线性串扰而采取了通过提高OTN基本网络单元器件性能的措施：借助于EDFA与Raman光纤放大器混合使用，来改善其噪声特性、提高信噪比。
4 结束语
本文所研究和确定的工作波段、波长信道传输速率等传输性能指标反映了OTN基础技术(DWDM)的特点，能够对OTN的传输性能给予主要、基本的评价。所分析的OTN主要传输限制是当前十分关注的研究课题。而对OTN的传输限制还有光源的线宽及啁啾性、光放大器带宽及增益、信号编码类型及码长、输入功率等，因篇幅所限，这里从略。
以DWDM技术为基础的OTN向着超大容量、超长距离、超高速率的方向发展，它将充分利用DWDM的网络资源和技术优势，使传输技术和网络设施跃上新台阶。现阶段的研究和应用已显示出OTN的发展活力和优势，在传输性能方面已有显著提高[9,10]：在国外，单信道传输速率10 Gbit/s已经商用并正向40 Gbit/s迈进；在国内2.5 Gbit/s已经商用并正在扩大10 Gbit/s的应用。几十路的波长通道数已广泛应用，实验室水平则达到了上百、上千路，对应地信道间隔也从3.2 nm发展到0.4 nm(有报道现正在研究0.2 nm的相关问题)。实用系统的传输容量已达到几百吉比特每秒，实验室研究水平突破了太比特每秒的水平。OFC‘2001会议上报道DWDM传输容量已达10.92 Tbit/s。传输距离也从几百公里到上万公里。当前不断更新的通信新技术、新器件和通信新业务的商业需求是发展OTN的巨大驱动力，在全球范围内的多种OTN研究、实施方案正在不断地向前推进，对OTN发展中的新问题、新限制尚需不断地去认识，去解决。OTN的新进展必将在不断的努力中产生。 □
参考文献
1 Bischoff,et al. Operation and maintenance for an all－optical transport network. IEEE communications Magazine, Nov 1996: 136－141
2 Kathy T.Terabit DWDM Systems:A service providers view of drivers and features. OFC2001 WS1,2001
3 Alferness R,et al. A practical version for optical transport networking. Bell labs Technical Journal,Jan－March 1999: 3－18
4 Chbat M W, et al. Toward wide－scale all－optical transparent networking: the ACTS Optical Pan－European Network(OPEN) project. IEEE J, on selected areas in commun, sept 1998, 16(7): 1226－1244
5 Katsumi Emura. Multi－terabit/s DWDM: Technologies and perspectives. OFC2001,ML1,2001
6 Sahara A,et al. 40 Gbit/s return－to－zero transmission over 500 km of standard fiber using chirped fiber Bragg gratings with small group delay ripples. OFC2001, ThF5, 2001
7 Eiichi Shinbano, et al. 96x11.4 Gbit/s transmission over 3 800 km using C－band EDFA and non－zero dispersion shifted fiber. OFC2001, TUN2, 2001
8 Garrent L D,et al. Dispersion management in optical network. IOOC/ECOC97 Technical Digest,1997(3): 73－76
9 Proceedings, OFC2000: TUN2, WDD45, ME3, TuJ7, WM28, WW3, WDD38, TUG4, WS2
10 Proceedings,OFC2000: TuE, TUG4, TuJ2, ThA4
(收稿日期：2001－10－10)
作者简介
一种短波传输网络性能仿真方法 篇3
在现代军事通信系统中, 无线传输方式占据着重要的地位, 无线传输使用了长波、中波、短波、超短波以及卫星等多种手段。尤其短波可以实现远距离信息传输, 在国际通信、防汛救灾、海难救援以及军事通信等方面发挥了独特的重要作用, 短波成为了世界各国中远程通信传输的主要手段。
对短波传输的研究需要进行系统正确性、灵活性和可靠性等方面的论证和实验, 采用计算机模拟与仿真技术是促进短波传输技术快速发展的重要保障手段。在研制中需要对以短波传输为主的网络的系统性能指标进行仿真和验证, 以指导进行相应的测试实验环境的建设。该方法是通过信道级仿真得到短波信道的详细信道特征参数, 以函数方式加载到网络级仿真链路模型的管道阶段, 使得能够将符合短波信道的特征参数加载到网络级仿真过程中。这样, 一方面能够更加准确地进行短波信道的仿真实现, 另一方面又能够在网络级进行高效的网络性能的仿真应用。
1短波传输技术
20世纪80年代以来, 计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展, 促进了短波传输技术和装备的更新换代, 随着微处理技术、数字信号处理技术、自适应技术和扩频通信技术等现代信息技术的大量应用, 大大提高了短波通信的质量和数据传输速率, 增强了自动化、新业务传送能力, 提高了自适应与抗干扰能力, 形成了现代短波通信新技术、新体制。
现代短波信道技术:一类是信道自适应技术, 另一类是短波通信电子防御技术。
短波通信装备数字化:利用软件无线电技术来改变传统的短波通信网络的结构, 形成新型的基于软件无线电的数字化短波系统, 是现代短波通信一个新趋势。
短波通信网络技术:短波通信网络主要包括短波自组织网和短波跳频网。
2短波信道仿真
短波信道是一个复杂的多径衰落信道, 当信号通过短波信道时, 会产生多径、衰落和多普勒频移等现象, 要想用一个数学模型全面地描述短波信道特性, 是不现实的。但是对于某些特殊的短波通信网络, 可以根据一些统计规律, 有所侧重地建立近似的信道模型。
2.1短波信道仿真数学模型
Watterson模型是CCIR推荐的一种短波信道模型, 虽然被世界各地的短波通信技术人员广泛使用, 但它是一种窄带信道模型, 适用的信道带宽不超过12 kHz。因此, 人们以Watterson模型为基础, 对其进行扩展和补充, 提出了各种短波宽带信道模型。
Volger短波宽带信道模型是建立在实测数据基础之上, 并通过理论抽象得出来的, 它不仅适用于短波窄带信道, 同样也适用于短波宽带信道。Volger信道模型发展的ITS模型, 突破以往经验型模型的设计思路, 不再以实际测量数据为唯一依据, 而以电离层的物理模型为基础, 提出了一种新的短波宽带信道模型, 适用于各种短波传播情况。
Watterson模型把每个传播模式看成一个抽头, 并且乘上一个衰减因子, 而ITS模型的每一个模式由多个抽头延迟线组成, 每一个延迟线经历独立的衰落, 其权重按照功率延迟线的幅度分配。从实际来看ITS模型很好地体现了模式内的功率延迟分配情况, 使模式内的分辨率提高, 提高了信道的准确性。从实测来看, 这个模型很好地体现了信道的本来特征, 跟其他Watterson模型相比更加准确。
2.2短波信道仿真实现
短波信道仿真实现采用MATLAB工具软件进行设计和开发。MATLAB 软件系列产品是一套高效强大的工程技术数值运算和系统仿真软件, 被誉为“巨人肩膀上的工具”。研发人员借助 MATLAB软件能迅速测试设计构想, 综合评测系统性能, 快速设计更好方案来确保更高技术要求。
MATLAB有如下几个特点:编程效率高;使用方便;扩充能力强;语句简单, 内涵丰富;方便的绘图功能。
短波传输系统仿真是一个循环往复的过程, 它从当前系统出发, 通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原短波网络的仿真模型, 然后通过仿真实验得到相关的数据。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论, 然后把这个结论应用到对当前短波系统的改造中, 并且开始升级系统仿真过程。短波传输系统仿真流程如图1所示。
短波传输系统仿真一般分成3个步骤:仿真建模、仿真实验和仿真分析。短波传输系统仿真是一个螺旋式发展的过程, 因此这3个步骤可能需要循环执行多次才能够获得令人满意的仿真结果。
① 仿真建模:
根据实际短波传输系统建立仿真模型的过程, 它是整个短波传输系统仿真过程中的一个关键步骤, 因为仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果以及仿真结果的真实性和可靠性;
② 仿真实验:
在仿真实验过程中, 通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值, 以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应, 以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能;
③ 仿真分析:
在仿真分析过程中, 用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息, 但是这些信息只是一些原始数据, 一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度, 从而获得对仿真系统性能的一个总体评价。仿真分析的结果一般都绘制成图表形式, 仿真工具一般都具有很强的绘图功能, 能够便捷地绘制各种类型的图表。
3短波传输网络仿真
3.1实现思路
短波传输网络的实现工具采用商业通用仿真工具OPNET, 该工具对短波信道的特征参数具有良好的外部接口, 便于进行短波传输网络的网络级仿真实现。
OPNET Modeler基于一系列层次化的图形编辑器, 即网络、节点和进程模型图形编辑器。网络模型描述系统的拓扑结构, 由节点和链路构成;节点编辑器通过刻画功能模块之间的数据流来展示网络设备和系统的体系结构;进程编辑器使用强大的有限状态机来支持规范、协议、应用、算法以及排队策略, 每个状态包括任意的C/C++代码以及专门为协议设计的库函数。
OPNET采用一系列管道阶段来模拟链路的特性。其中无线链路共有14个管道阶段, 其构成如图2所示。前6个管道阶段属于发射机模块, 分别为传输延迟阶段、链路闭合阶段、信道匹配阶段、发射机天线增益阶段和传播延迟阶段, 它们决定了发送所需时间、接收机信道、传播时间及发射机天线增益等相关功能;后8个管道阶段属于接收机部分, 分为接收机天线增益、接收功率、背景噪声、干扰噪声、SNR及BER、误码分配及误码校正阶段, 它们可决定接收机天线增益、传输的接收功率, 计算背景噪声和干扰、计算SNR和BER以及一些后期处理过程。
在短波信道仿真的基础上, 通过利用OPNET仿真软件的管道模型的特点, 将上述离散数据点, 利用OPNET的EMA生成不同仿真条件下的短波信道关于S/N值对应的曲线, 该曲线反映了网络级的短波链路特性。然后, 通过相关节点属性值, 获取当前仿真的条件, 确定仿真的信道环境和不同的技术体制, 来决定采用特定的短波信道的SNR对应曲线。同时, 通过管道模型计算当前短波信道的SNR值, 查表可以确定对应的值, 根据后面的管道模型, 来决定数据包的误码个数以及数据包是被接收或者丢弃。
3.2仿真实现
3.2.1 仿真输入
(1) 网络拓扑
网络拓扑由4个节点构成, 由短波电台构成的拓扑结构如图3所示, 在2个对端节点上加载用户入口节点, 生成话音业务, 仿真在干扰条件下的网络性能指标。
(2) 仿真配置
在仿真中配置2个用户节点, 均加载相同的业务流量。业务流量配置参数为:话音终端数量为150个;呼出话务量下限为30 erl;呼出话务量上限为40 erl;平均通话时长为120 s。
仿真过程中, 采用1台干扰机对节点2和节点3之间的信道进行干扰, 干扰节点2的接收机。
3.2.2 仿真结果
话音业务呼叫接通率统计结果如表 1所示。话音业务平均接通率对比曲线如图4所示。
话音业务平均接通率随干扰功率的增大而下降;在一次仿真运行中干扰机距离接收机越近, 误码率越大, 话音业务平均接通率下降。
将短波信道仿真结果加载到网络性能仿真系统中, 能够反应网络性能对话音业务的支撑程度, 为短波通信网络的仿真提供一种信道级和网络级仿真相结合的设计思路。
4结束语
将短波传输的信道级仿真和网络级仿真相结合来进行短波传输网络性能研究的仿真设计思路, 不仅能够针对上述实验的话音业务进行仿真验证, 还能够对短波传输甚至无线传输网络进行研究, 该仿真研究思路能够为无线技术的研究与论证提供一种技术手段。
参考文献
[1]崔鸿雁, 蔡云龙, 刘宝玲.宽带无线通信技术[M].北京:人民邮电出版社, 2008.
[2]马楠, 唐恬, 王莹, 等.系统级仿真方法与Wi MAX仿真[J].无线电工程, 2007, 37 (3) :4-6.
[3]董彬虹, 李少谦.短波通信的现状及发展趋势[J].信息与电子工程, 2007, 5 (1) :1-5.
手机电视信号传输损耗性能分析 篇4
作为一种新兴媒体,手机电视在带给人们方便的同时,也对信号质量提出了更高的要求。手机电视信号在传播过程中,会产生衰落并受到噪声干扰,从而导致信号功率衰减和误码增加[1]。前人在大量经验的基础上总结出了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型[2],本文在此模型为基础,用MATLAB对手机电视信号传输系统进行仿真,以降低信号损耗为出发点,仿真出直通视距和非直通视距对信号衰落的影响,给出了电波频率和基站高度对损耗的影响,并结合无线信号传输模型,分析了非直通视距损耗与街道宽度和天线高度的关系[3],对实际工程起到了定向指导的作用。
1 Cost 231-Walfisch-Ikegami模型
Cost 231-Walfisch-Ikegami模型主要应用在市区内信号传输时路径损耗的预测,这种损耗与建筑物高度、街道宽度以及建筑物之间的距离有关[4],是经验模型和理论模型的一种结合,主要用于800 ~2 000 MHz的频段[5]。在实际应用中存在2 种情况: 一种是基站与接收端存在直通视距( LOS) 的情况; 另一种是基站与接收端不存在直通视距( NLOS) 的情况。
① 如果基站与接收端存在直通视距( LOS) ,信号路径损耗L( d B)[6]:
式中,d( km) 为传播距离,f( MHz) 为载波频率。
② 如果基站与接收端不存在直通视距( NLOS) ,信号路径损耗L( d B)[7]:
式中,L0表示自由空间传播损耗; Lrts表示房顶到街道的散射和绕射损耗; Lmsd表示多屏绕射损耗。
③ 不存在( 非) 直通视距的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型简化[8]
假设基站天线高度比房屋平均高度要高,即Δhb>0( 这是因为基站天线一般安装在较高建筑物顶层) ,则非直通视距( NLOS) 路径损耗L( d B) 可简化为:
式中,d是通信距离( km) ,f是载波频率( MHz) ,Lori是街道取向因子。
2 模型仿真及结果分析
根据式( 1 ) 和式( 2 ) 模型,设置参数: f =900 MHz,基站发射功率Pt= 10 d Bw,基站发射天线增益Gt= 12 d Bd,发送端的插入损耗Li= 0 d B,发送端的馈线损耗L1= 3 d B,建立Matlab仿真[9],可得到适合小区手机电视信号传输的直视和非直视信号衰减仿真结果如图1 和图2 所示。
图1 表示在建筑物间距离为b = 36 m的情况下,电波传播模型路径损耗在不同频率下随距离的变化曲线。从仿真图上可以看出,在其他条件一定的情况下,电波传播路径损耗随着电波的频率增加而增大。例如,当距离d = 1 100 m,频率f= 100 MHz时的路径损耗为81 d B,而f = 1 000 MHz时的路径损耗为102 d B。同时,电波传播路径损耗随着传播距离的增大而变大。例如,当f = 100 MHz时,d =900 m的路径损耗为79.5 d B,而d = 2 100 m的路径损耗达到了88.5 d B。
图2 表示在非直通视距传播的情况下,电波传播模型路径损耗在不同载波频率时,其随着传输距离变化的曲线。取hb= 20 m,b = 50 m,w = 20 m,hm= 1.5 m,设置不同的h值( 即基站高度取不同的值) ,运行仿真。从仿真图上可以看出,在其他条件一定的情况下,电波传播路径损耗随着电波的基站高度的增加而增大。例如,当距离d = 1 000 m时,载波频率f= 1 000 MHz时的路径损耗为137.3 d B,而d = 500 m时的路径损耗只是125.9 d B。这说明随着信号传输距离的增加,信号传播路径损耗不断增大。这是比较容易理解的,因为随着传输距离的增加,接收端与发射端的距离随着增加,必然会引起路径损耗的增加,同时电波传播路径损耗随着载波频率的增大而变大。例如,当f = 100 MHz时,d =1 000 m的路径损耗为112.7 d B,而f = 500 MHz的路径损耗达到了130.5 d B。
从图1 和图2 中的曲线对比可以看出,在条件相同的情况下,非直视通路路径损耗比直视通路路径损耗要大,这是因为非直视路径传播信号要经过反射,绕射等途径才能到达接收端,这样就增加了信号的损耗。因此要根据实际情况,在不同的环境下采取不同的模型来预测路径的损耗[10]。
3 非直通视距路径损耗影响因素
根据非直通视距简化模型式( 3) ,参数设置同上,通过Matlab仿真[11],可得到以下结果。
3.1 损耗与街道宽度的关系
在实际应用中,发射基站一般都比建筑物平均高度要高,而无线信号传输路径一般也不存在直通视距,从图3 中可以看出,信号衰落与传输距离、载波频率、街道宽度、基站与建筑物平均高度的差值、接收端与建筑物平均高度的差值及信号的入射方向有关。在特定环境中,建筑物平均高度一定,接收端高度为1 ~ 3 m,信号入射方向选取损耗最大的角度90°计算,根据模型,可以得到不同街道宽度随着传输距离变换产生的衰减,如图3 所示。
图3 是在街道宽度w不同时,信号随传输距离增加产生衰减的关系曲线。其中: 假设基站天线高度hb= 25m,建筑物平均高度hr= 20m,接收端hm=2 m,信号入射角即 φ = 90°即Lori= 0,以及载波频率f = 1 000 MHz。
从图3 可以看出,信号随着传输距离的增加,损耗呈对数曲线衰减,并且街道越窄衰减越大。容易理解,街道越窄信号通过的障碍越多,会产生更多的反射及散射,增大了信号的损耗。反之,街道越宽,信号损耗越小。并且,简化公式与w = 18 m时的Cost 231-Walfisch-Ikegami模型的损耗公式重合,且简化后的公式损耗是其他损耗的平均水平,如果w的取值范围是10 ~ 30 m之间,损耗误差不超过5 d B,简化模型具有可行性。
3.2 损耗与天线高度的关系
图4 是在基站天线hb不同时,信号随传输距离增加产生衰减的关系曲线。其中: 假设基站天线高度w = 18m,建筑物平均高度hr= 20m,接收端hm=2 m,信号入射角 φ = 90°即Lori= 0,以及载波频率f =1 000 MHz。
从图4 可以看出,信号随着天线高度、传输距离的增加,损耗呈对数曲线衰减,并且发射天线高度越低衰减越大,天线高度hb= 25 m的衰减曲线位于高度为hb= 40 m的天线曲线上方,25 m高的天线衰减明显>40 m高的天线。容易理解,天线越低信号通过的障碍越多,会产生更多的反射及散射,增大了信号的损耗。反之,天线越高,信号损耗越小,但它有极限,当天线高度达到一定程度,信号损耗就不会随着其高度增高而变大。
从图4 中可知,简化公式与hb= 30 m时的Cost231-Walfisch-Ikegami模型的损耗公式重合,且简化后的公式损耗是其他损耗的平均水平,如果hb的取值范围是25 ~ 40 m之间,那么损耗误差不超过5 d B,简化模型具有可行性。
4 结束语
本文介绍了Cost 231-Walfisch-Ikegami模型,该模型在计算信号衰落时考虑比较全面,适合于中等城市城区,并给出了其使用范围及参数[12]。模型主要考虑了存在直通视距和非直通视距的两种情况,把非直通视距的衰落公式进行了化简处理,找出了街道宽度和天线高度对信号衰落的影响,并对其进行分析。利用这个关系,可以根据损耗对街道宽度及天线高度的要求来确定发射信号的功率,从而减少不必要的能耗。
摘要：选用Cost 231-Walfisch-Ikegami模型对手机无线信号传输模型进行了简化,通过仿真,分析了手机电视信号在直通视距和非直通视距下传输损耗的特点。在直通视距情况下,传播路径损耗随电波频率增加而增大,在非直通视距情况下,损耗随着基站高度增加而增大。接着给出了在非直通视距情况下,街道宽度和天线高度对损耗的影响,街道越窄衰减越大,发射天线高度越低衰减越大,指导了实际工程应用。
关键词：手机电视信号,信道衰落,损耗,Cost231-Walfisch-Ikegami模型
参考文献
[1]李楠.三网融合背景下手机电视发展关键问题研究[D].长春:东北师范大学,2011:11-18.
[2]Cui S,Goldsmith A J,Bahai_A.Modulation Optimization under Energy Constraints[C]∥Communications,2003.ICC'03.IEEE International Conference on.IEEE,2003,4:2805-2811.
[3]石晓杰.“手机电视”技术与应用研究[D].北京:北京邮电大学,2007:10-19.
[4]Schurgers C,Raghunathan V,Srivastava M.Power Management for Energy-aware Communication Systems[C]∥ACM Trans.Embedded Comput.Syst.2003,2:431-447.
[5]Krunz M,Muqattash A.Transmission Power Control in Wireless Ad Hoc Networks:Challenges,Solutions,and open issues[J].IEEE Network Magazine,2004,18:8-14.
[6]Zhang F,Chanson S T.Throughput and Value Maximization in Wireless Packet Scheduling under Energy and Time constraints.Proc[C]∥IEEE Real-Time Systems Symposium(RTSS),2003:324-334.
[7]Monks J P,Bharghavan V,Hwu W.A power controlled multiple access protocol for wireless packet Networks.INFOCOM 2001[C]∥Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE,2001:219-228.
[8]Laneman J N,Wornell G W,Tse D N C.An Efficient Protocol for Realizing Cooperative Diversity in Wireless Networks.Information Theory[C]∥Proceedings.2001.IEEE International Symposium on,2001:24-29.
[9]李新民,扈平.基于MATLAB的两径模型仿真分析[J].无线电工程,2012,42(3):21-24.
[10]范晓静.室内无线传播模型的研究与仿真[J].科技信息,2010(26):131-131.
[11]高自新,吴新华.无线衰落信道的空时编码技术研究[J].无线电通信技术,2011,37(1):30-33.