OPNET卫星网络通信节点天线仿真与分析(2)

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4.1天线建模的基本原理17

4.2天线方向图设计..18

4.3外部模型接口设计.22

4.4本章小结..24

5典型卫星网络通信场景仿真与结果分析..25

5.1天线指向..25

5.2卫星系统建模26

5.3仿真与分析.28

5.4本章小结..31

结论..33

致谢..34

参考文献.35
1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论1.1 1.1 1.1 1.1 课题背景及意义课题背景及意义课题背景及意义课题背景及意义20 世纪以来，卫星通信以其能够实现全球覆盖通信、海陆空移动通信、应急救灾通信、解决飞速发展的网络业务量以及在广播、医疗、手持通信、 Internet 等领域的应用等优势 [2]，得到了迅猛的发展并成为国内外的研究热点。不管是在民用还是军事上，卫星通信都得到了空前广泛的应用。例如在现代军事领域中，常常需要实现陆海空三地作战。需要的业务种类繁多，包括文件传输、音频视频传输等等，这就要求系统的覆盖范围要广，实时性性能要好，体积要小，而卫星通信系统正符合这些要求。在民用领域中，卫星通信系统有着多方面的长处。不仅覆盖范围广（能实现全球无盲区覆盖），涉足诸如沙漠、荒岛以及一些偏远山区，而且在经济效益上更有突出优势。此外，在面临自然灾害等情况时，地面通信受阻，该系统更是必不可少的。尤其在救灾抢险、搜寻伤者的过程中起着至关重要的作用。目前，我国的卫星通信虽仍处于起步和发展阶段，但已初具规模，为我国社会经济发展、国防建设、科技进步等方面贡献了巨大的力量。对于空间段的天线系统，其主要功能是发射与接收无线电信号。其中星载天线主要负责接收发射机发送的上行链路信号和发射下行链路信号给接收机这两项工作。从功能上分，卫星天线有两种类型：一类是遥测、遥控和信标用高频或甚高频天线 [ 3 ]，其功能是接收指令以及向地面发送信标和遥测数据；另一类是通信用的微波定向天线，顾名思义，其功能是用于与地面节点的通信。对于地球站天线系统，它的主要功能是实现能量的转换，其中天线的任务是将大功率的上行射频信号定向的发射给卫星，并接收卫星转发来的下行射频信号。概括的说，天线是一个辐射或接收无线电波的装置，任何依靠空间传播电磁波工作的无线电设备都离不开天线。实际天线系统的研制和建设是一项庞大而复杂的系统工程，投资规模巨大、运行维护复杂，因此在建设之前非常必要对天线的总体设计方案和各种关键技术进行充分的仿真建模论证。按照所要建模的卫星网络系统设计建立相应天线模型，模拟天线辐射或接收工作过程，验证其波束宽度、增益大小设置是否正确、合理，为卫星网络通信系统建设提供有益的参考。仿真建模工作还能够用于设计和验证天线指向处理算法，以实现增益最大化，为天线跟踪系统的研究提供有价值的理论依据。
1.2 1.2 1.2 1.2 国内外研究水平综述国内外研究水平综述国内外研究水平综述国内外研究水平综述自 20 世纪 50 年代以来，卫星通信得到了快速的发展。由于卫星通信离不开天线，因此天线的理论研究也随之得到了发展。现在对天线的分析方法逐步在完善，已从电磁场一般理论中分离出来，成为独立的一套理论体系 [4]。国内外对天线的理论研究已经较为成熟。为了适应现代化通信设备的需求，国内外对天线的研究主要在小型化、宽频带和多波段、智能方向图控制等主要方面展开源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/ 。其中，小型化来自于缩小通信设备体积的实际需要；宽频带是随着通信容量需求增加而直接带来的变化；多波段是由于要求天线能够在两个或两个以上的窄带内有良好的性能。智能方向图控制是利用某种准则的算法去调节天线方向图形状，从而达到强化有用信号而抑制干扰信号的目的[5]。这些研究都是为了得到高性能的天线，满足无线通信中对天线性能方面的需求。目前，对于天线类型及参数进行相应研究的工具有很多种，例如 M MANA GAL 、GRASP9 、 Ansoft HFSS 等等。 MMANA GAL 是利用矩量法计算的天线系统分析软件；GRASP9 能设计出多类型的天线模型，还能分析不同的馈源对天线的影响；在 AnsoftHFSS 中，能够通过仿真得到天线的增益、方向图、效率等各类天线特性参数。目前已经有仿真表明 , 采用 Ansoft HFSS 所得到的天线参数与对实际天线测量的结果相当匹配。这些工具都能够较为精确的仿真天线的性能，但却不能与整个空间网络很好的结合起来。 OPNET 中天线的建模仿真是通过天线在各个方向上的增益来实现的，虽然它无法确切的模拟一个实际的天线系统，但作为一款强大的网络仿真工具，它有独立的天线模块并且能够与整个卫星网络通信系统完全结合起来，实现卫星网络一体化的仿真。目前来说，利用 OPNET 对天线建模并仿真的研究手段和技术还不是很成熟，基本局限于理论上的分析。因此，本文采用 OPNET 网络仿真软件进行天线的设计和建模，并开展对卫星网络系统典型通信场景的仿真及分析工作。