OPNET和STK聯(lián)合的空間光骨干網(wǎng)絡仿真設計

張?zhí)┙?，李勇軍，趙尚弘，王星宇，王蔚龍

(空軍工程大學 信息與導航學院, 陜西 西安710077)

引言

空間信息網(wǎng)絡是以同步衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星、飛機等空間平臺為載體，實時獲取、傳輸、處理空間信息的網(wǎng)絡系統(tǒng)[1-3]，具有網(wǎng)絡拓撲高動態(tài)變化、網(wǎng)絡業(yè)務類型多樣、微波和激光鏈路并存等特征[4]。空間光通信具有容量大、頻帶寬、速率高等優(yōu)點，構建衛(wèi)星與地面站組成的光骨干網(wǎng)絡有助于我國構建空間信息網(wǎng)絡[5]。要對上述網(wǎng)絡性能進行定量分析,對涉及到的關鍵技術進行可行性驗證，必然要借助高保真度仿真系統(tǒng)。STK是美國AGI公司開發(fā)的衛(wèi)星工具軟件[6]，廣泛應用于航天、航空領域，可以快速方便地分析空間信息網(wǎng)絡中各種復雜任務，并確定最佳方案[7]。OPNET是一款功能強大的通信仿真軟件，擁有豐富的無線網(wǎng)絡仿真模型，并能和其他仿真軟件進行協(xié)同仿真[8]。

本文基于STK和OPNET聯(lián)合構建了空間光骨干網(wǎng)絡仿真平臺，基于STK設計了由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地面網(wǎng)3部分組成的網(wǎng)絡架構[9-10]，在OPNET環(huán)境中，開發(fā)了網(wǎng)絡協(xié)議模型和節(jié)點進程模型，聯(lián)合STK和OPNET對網(wǎng)絡性能進行了仿真驗證。

1 網(wǎng)絡架構模型

空間光骨干網(wǎng)絡架構如圖1所示。其中4顆GEO衛(wèi)星構成天基骨干網(wǎng)絡，10顆LEO衛(wèi)星組成單軌道面星座的天基接入網(wǎng)，4個地面衛(wèi)星站構成地面網(wǎng)[11]。OPNET仿真平臺利用STK提供的衛(wèi)星、地面、鏈路等指標參數(shù)構建網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)模型，如圖2所示。衛(wèi)星軌道參數(shù)及地面站坐標如表1所示。

表1 衛(wèi)星軌道參數(shù)及地面站坐標

圖1 空間光骨干網(wǎng)絡架構Fig.1 Space optical backbone network architecture

圖2 網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)模型Fig.2 Network simulation system model

天基骨干網(wǎng)由4顆GEO衛(wèi)星組成。天基骨干網(wǎng)的鏈路連通關系為：左右2顆GEO衛(wèi)星具有1條與相鄰GEO衛(wèi)星的固定激光鏈路，每顆衛(wèi)星具有4條與低軌業(yè)務衛(wèi)星的可變激光鏈路，每顆同步衛(wèi)星具有的4副天線均在衛(wèi)星下方，分別負責4個方位的通信任務，如圖3所示。中間2顆GEO衛(wèi)星具有一條與相鄰GEO衛(wèi)星固定激光鏈路，分別有4條對地固定鏈路(2條激光鏈路和2條微波備用鏈路)，還有2條對LEO衛(wèi)星的動態(tài)激光鏈路。4顆GEO衛(wèi)星構建一個由星間激光鏈路組成的天基骨干網(wǎng)絡環(huán)網(wǎng)[12]。

圖3 GEO衛(wèi)星骨干節(jié)點激光通信終端 Fig.3 GEO satellite backbone node laser communication terminal

GEO衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，將LEO衛(wèi)星節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包進行接收并轉(zhuǎn)發(fā)給地面站。GEO節(jié)點包含MAC層、IP層和傳輸層進程，如圖4所示。MAC層收到LEO衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)幀后依據(jù)本節(jié)點的位置決定是否轉(zhuǎn)發(fā)，如果該GEO為兩側(cè)的GEO,那么就向其臨近的GEO進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則直接發(fā)送到地面終端；MAC層收到地面?zhèn)鱽淼男帕畎蠼慌cIP層進行路由尋址；IP層負責對地面上傳衛(wèi)星的信令包進行尋址，并交與MAC層發(fā)送。

圖4 GEO節(jié)點進程模型Fig.4 GEO node process model

天基接入網(wǎng)由10顆LEO衛(wèi)星組成，10顆LEO衛(wèi)星采用太陽同步軌道，均勻分布在一個軌道面內(nèi)，軌道高度800 km，軌道傾角為98.608°，軌內(nèi)構建激光固定鏈路，形成一個典型環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構，如圖5所示。

圖5 10顆低軌衛(wèi)星構建單軌道平面星座 Fig.5 10 LEOs construct a single orbit plane constellation

LEO衛(wèi)星節(jié)點產(chǎn)生3種不同類型的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)包依據(jù)路由表信息進行發(fā)送，包括MAC層進程、IP層進程、傳輸層進程以及應用層進程，如圖6所示。應用層包括3個進程分別用來產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)，并且封裝為標準CCSDS數(shù)據(jù)包；傳輸層將應用層數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)并存儲備份,以供重傳使用；IP層負責根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址找出數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱还?jié)點地址，完成路由功能；MAC層將收到上層的應用數(shù)據(jù)包進行包復用后重新封裝為虛擬信道傳輸幀，并進行虛擬信道的調(diào)度。

圖6 LEO節(jié)點進程模型Fig.6 LEO node process model

地面網(wǎng)由4個地面站構成，4個地面站分別設置在北京、三亞、昆明、喀什，其中北京和三亞與中間兩顆GEO中的東側(cè)一顆連接，昆明和喀什與西側(cè)一顆GEO連接。

地面節(jié)點主要完成對GEO衛(wèi)星下發(fā)的數(shù)據(jù)進行接收，包括MAC層進程、IP層進程、傳輸層進程以及應用層進程，如圖7所示。MAC層進程主要負責將收到的衛(wèi)星下發(fā)的數(shù)據(jù)包進行解復用，再將數(shù)據(jù)包傳遞給IP層。IP層進程在接收包時直接將收到的數(shù)據(jù)包進行向上層轉(zhuǎn)發(fā)；傳輸層根據(jù)收到的包的進程標識將該數(shù)據(jù)包發(fā)送至相應的應用層進程；應用層收到數(shù)據(jù)包后提取包數(shù)據(jù)內(nèi)容，存入文件，提取包接受時間與包創(chuàng)建時間進行端到端時延等參數(shù)的統(tǒng)計。

圖7 地面節(jié)點進程模型Fig.7 Ground station node process model

2 網(wǎng)絡仿真協(xié)議模型

為了保證空間光骨干網(wǎng)絡高效運行，首先分別對GEO衛(wèi)星節(jié)點、LEO衛(wèi)星節(jié)點、地面節(jié)點構建應用層、傳輸層、IP層、MAC接入層和物理層這5類協(xié)議模型[13-14]。

2.1 應用層協(xié)議模型

應用層主要進行報文的創(chuàng)建及發(fā)送，根據(jù)不同的業(yè)務需求設定不同類型的優(yōu)先級，供網(wǎng)絡層進行隊列操作。LEO衛(wèi)星節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的時間間隔服從均勻分布、泊松分布分別模擬均勻業(yè)務與突發(fā)業(yè)務兩種業(yè)務類型。LEO衛(wèi)星節(jié)點模擬產(chǎn)生高速率、大長度報文包格式。在仿真中設置LEO衛(wèi)星節(jié)點優(yōu)先級，如同時接入多顆LEO衛(wèi)星，業(yè)務存在競爭時，LEO衛(wèi)星固定兩顆LEO衛(wèi)星業(yè)務優(yōu)先級最高，優(yōu)先級高的衛(wèi)星優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 傳輸層協(xié)議模型

在傳輸層中采用n-ARQ協(xié)議，也即衛(wèi)星通信中的后退N步ARQ。后退N步ARQ協(xié)議對傳統(tǒng)的自動重傳請求進行了改進，從而實現(xiàn)了在接收到ACK之前能夠連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)包。

2.3 網(wǎng)絡層協(xié)議模型

網(wǎng)絡層根據(jù)最長時間接入算法生成靜態(tài)拓撲表，并用拓撲快照方式給出，根據(jù)靜態(tài)拓撲表再采用最短路徑算法可以得出其靜態(tài)路由表，從而實現(xiàn)路由選擇、節(jié)點地址分配和識別功能。能夠讀取路由表進行路由配置，并按照路由表規(guī)則對數(shù)據(jù)進行路由[15]。例如當網(wǎng)絡進行第5次切換，生成的靜態(tài)拓撲表如表2所示。

表2 網(wǎng)絡靜態(tài)拓撲表

表2中，0表示鏈路斷開，1表示建立鏈路，表格規(guī)格為26×26。依次描述如下：GND_BJ、GND_SY、GND_KS、GND_KM分別為地面站北京、三亞、喀什、昆明；GEO_E1、GEO_E2、GEO_E3、GEO_E4表示GEO_E的4副LEO接入天線；GEO_M11、GEO_M12表示GEO_M1的2幅接入天線；GEO_M21、GEO_M22表示GEO_M2的2幅接入天線；GEO_W1、GEO_W2、GEO_W3、GEO_W4表示GEO_W的4副LEO接入天線；10顆LEO衛(wèi)星依次為LEO101-LEO110。由表中數(shù)據(jù)可知，北京和沈陽的地面站與GEO_M1建立了通信鏈路，喀什和昆明的地面站與GEO_M2建立通信鏈路，GEO_E與GEO_M1建立通信鏈路，GEO_W與GEO_M2建立通信鏈路。LEO101、LEO102、LEO104、LEO106、LEO107、LEO108、LEO110分別與GEO_W3、GEO_E4、GEO_E3、GEO_E2、GEO_M11、GEO_M22、GEO_W2接入天線建立通信鏈路。

2.4 MAC層協(xié)議模型

在MAC層協(xié)議模型中，定義了空間光網(wǎng)絡幀結(jié)構、虛擬信道封裝過程及虛擬信道的復用與調(diào)度方式。虛擬信道子層主要針對低速率業(yè)務數(shù)據(jù)，將多個同等級的低速率數(shù)據(jù)復用為高速率數(shù)據(jù)。

2.5 物理層協(xié)議模型

物理層協(xié)議模型包括天線模型和無線收發(fā)機組模型。無線收發(fā)機組實現(xiàn)無線信道環(huán)境建模和傳輸過程計算，可以設置頻率、帶寬、功率、調(diào)制編碼方式等信道參數(shù)。天線模型支持全向和定向天線設計和導入，能夠?qū)崿F(xiàn)全向收發(fā)數(shù)據(jù)和定向收發(fā)數(shù)據(jù)，即廣播通信和點對點通信。

網(wǎng)絡中共有4類光鏈路(LEO-LEO，LEO-GEO，GEO-GEO，GEO-地面)，每種鏈路均有3種調(diào)制方式，分別為OOK、BPSK、DPSK。每種鏈路的通信速率如表3所示。針對不同的調(diào)制方式分別計算相應鏈路誤碼率。

表3 不同鏈路間的通信速率

1) 采用OOK調(diào)制，系統(tǒng)Q因子及BER表示為

(1)

(2)

2) 采用BPSK調(diào)制，PLO是本振光功率(10 mW)，系統(tǒng)Q因子及BER為

(3)

(4)

3) 采用DPSK調(diào)制，系統(tǒng)Q因子及BER表達式為

(5)

(6)

式中：q是電子電荷；B是帶寬(比特率Rb)；PASE是ASE噪聲功率(PASE=nsp(Gr-1)hfB，h為普朗克常數(shù)，f為載波頻率；nsp=5)；ID是暗電流(1 nA)；kB是波爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度(300 K)；RL是負載電阻(50 Ω)；R為探測器響應度(0.8)；Gr(30 dB)為前置放大器增益;Pr為接收機接收的光功率，則：

Pr=Pt·hp·hl·ha

(7)

式中：Pt為發(fā)射光功率；hp幾何擴散與指向誤差引起的鏈路損耗；hl為大氣吸收效應引起的鏈路損耗；ha為大氣湍流引起的鏈路損耗。

將星間光通信系統(tǒng)的發(fā)送機參數(shù)、鏈路傳輸參數(shù)和接收機各參數(shù)的初始值設定為相同值，如表4所示。在此基礎上對OOK、BPSK、DPSK 3種調(diào)制方式下系統(tǒng)誤碼率隨傳輸距離進行仿真，以此來比較星間光通信采用不同調(diào)制方式的通信性能。

表4 星間光通信系統(tǒng)參數(shù)

如圖8所示，星間光通信系統(tǒng)的誤碼率隨著傳輸距離的增大而增大，系統(tǒng)的通信性能也因此得到降低。傳輸距離在500 km～1 500 km的范圍內(nèi)變化時，在OOK工作模式下，誤碼率變化范圍為3.94e-26～0.108，當傳輸距離小于760 km時誤碼率低于1e-6；在DPSK工作模式下，誤碼率變化范圍為4.124e-38～0.064，當傳輸距離小于840 km時誤碼率低于1e-6；在BPSK工作模式下，誤碼率變化范圍為8.19e-80～8.29e-11，當傳輸距離大于1 500 km時誤碼率仍低于1e-6，還能夠達到正常通信的要求。因此可以得出在初始參數(shù)設定相同時，僅對距離因素進行考慮，采用BPSK調(diào)制方式情況下，系統(tǒng)具有最佳通信效果，DPSK調(diào)制方式誤碼率略低于OOK調(diào)制方式。

圖8 誤碼率隨傳輸距離的變化情況Fig.8 Variation of BER with transmission distance

3 性能仿真與結(jié)果分析

3.1 空間光骨干網(wǎng)絡工作流程

空間光骨干網(wǎng)絡工作流程如下：

1) 所有LEO衛(wèi)星均為數(shù)據(jù)生成源節(jié)點，地面站為數(shù)據(jù)宿節(jié)點；

2) 當LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星建立鏈路后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給GEO衛(wèi)星，若接入GEO衛(wèi)星為左右兩顆節(jié)點，則通過GEO骨干鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給中間節(jié)點然后落地到地面站，若接入衛(wèi)星為中間節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā)落地；

3) 當LEO衛(wèi)星沒有接入任何一顆GEO衛(wèi)星，則通過LEO軌間鏈路找到最近的一顆接入LEO衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)工作流程同2)。

每次有新的LEO與GEO建立鏈路時，考慮建鏈時間，LEO-GEO之間的激光鏈路建立鏈路時間是20 s的固定值，其他鏈路均為固定鏈路，不考慮捕獲時間。

建鏈時間主要為了考慮天線的捕獲時間，若捕獲前該節(jié)點沒有與GEO鏈路連接，拓撲表維持一段時間直至捕獲成功，按照新拓撲表計算路由；若捕獲前該節(jié)點存在與GEO鏈路，則立即斷開該鏈路，生成新的拓撲表，直至捕獲成功按照新的拓撲表計算路由，即拆鏈表持續(xù)時間為鏈路捕獲時間。仿真中周期性業(yè)務設置為每秒40個包，每個包長4 096 bit；突發(fā)業(yè)務產(chǎn)生時間不定，每次發(fā)生時產(chǎn)生80個包，包長4 096 bit；設定每次仿真實驗運行時間為12 h。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖9(a)、圖9(b)分別表示空間光骨干網(wǎng)絡仿真過程中網(wǎng)絡的全局平均時延和實時時延。由圖9可知，在網(wǎng)絡開始運行的前期出現(xiàn)了較強的時延抖動，這是由于網(wǎng)絡開始運行時，LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星未建立連接，鏈路開始建鏈需要考慮天線的捕獲時間。穩(wěn)定后全局平均時延為1.06 s,網(wǎng)絡實時時延最大為5.48 s，最小為0.35 s。這是由于大部分LEO產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包經(jīng)由一顆GEO衛(wèi)星直接轉(zhuǎn)發(fā)至地面站所以時延較小，部分業(yè)務經(jīng)由LEO、GEO衛(wèi)星通過星間鏈路經(jīng)多跳傳遞后再到地面站，導致此類業(yè)務的實時時延較大。

圖9 網(wǎng)絡全局時延Fig.9 Network global delay

圖10和圖11為網(wǎng)絡吞吐量隨時間的變化情況。圖10(a)和圖11(a)分別表示GEO與LEO衛(wèi)星及地面站間的實時吞吐量，由于LEO衛(wèi)星產(chǎn)生的業(yè)務類型中除固定業(yè)務外還有隨機產(chǎn)生的突發(fā)業(yè)務，導致實時吞吐量大小隨機變化。LEO與GEO衛(wèi)星實時吞吐量最大值為0.68 Gb/s，最小值為0.20 Gb/s。GEO與地面站實時吞吐量最大值為0.88 Gb/s，最小值為0.30 Gb/s。

圖10 LEO與GEO衛(wèi)星吞吐量Fig.10 Throughput of LEO and GEO

圖11 GEO與地面站吞吐量Fig.11 Throughput of GND and GEO

圖9、圖10和圖11分別對空間光骨干網(wǎng)絡的全局平均時延、實時時延以及網(wǎng)絡吞吐量隨時間的變化情況進行了仿真測試。測試結(jié)果表明天基光骨干網(wǎng)絡最大時延為5.48 s，最小時延為0.35 s，平均時延為1.06 s。地面站實時吞吐量最大值為0.88 Gb/s，最小為0.3 Gb/s。LEO與GEO衛(wèi)星實時吞吐量最大值為0.68 Gb/s，最小值為0.20 Gb/s。仿真結(jié)果表明，本文設計的協(xié)議模型和網(wǎng)絡架構能夠使光骨干網(wǎng)絡平臺具備低時延、高吞吐量的目的，能夠有效支撐衛(wèi)星業(yè)務高效傳輸。實驗結(jié)果符合實際需求，對工程實踐具備理論參考價值。

4 結(jié)論

論文基于OPNET和STK聯(lián)合構建了空間光骨干網(wǎng)絡仿真平臺。分析了空間光骨干網(wǎng)絡架構并設計了相應的節(jié)點模型和應用層、傳輸層、IP層、MAC接入層和物理層這五類協(xié)議模型。通過構建的仿真平臺，對網(wǎng)絡的全局平均時延和實時時延，GEO與LEO衛(wèi)星間吞吐量和GEO與地面站吞吐量進行了仿真分析，驗證了平臺的功能。測試結(jié)果表明天基光骨干網(wǎng)絡最大時延為5.48 s，最小時延為0.35 s，平均時延為1.06 s。地面站實時吞吐量最大值為0.88 Gb/s，最小為0.3 Gb/s。測試結(jié)果表明,網(wǎng)絡架構和網(wǎng)絡協(xié)議能支撐衛(wèi)星業(yè)務高效傳輸，對空間光骨干網(wǎng)絡的工程應用具有指導意義，為我空間信息網(wǎng)絡建設提供強有力的理論、仿真分析以及實驗數(shù)據(jù)支撐。