基于SDN的卫星LTE融合网络及其性能仿真

尹先兵，徐展琦，肖永伟，马 涛，孙晨华

(1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071； 2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

基于SDN的卫星LTE融合网络及其性能仿真

尹先兵1，徐展琦1，肖永伟2，马 涛1，孙晨华2

(1.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071； 2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

软件定义网络技术SDN将网络控制功能与转发功能分离，使网络架构变得简明清晰。在简述传统卫星网络和地面LTE网络优势的基础上，概述卫星LTE星地融合网络，将SDN技术的核心思想引入卫星网络，提出基于SDN的卫星LTE融合网络架构，使用NS-3网络仿真软件实现对所提融合网络模型的仿真平台搭建，通过对不同场景下仿真数据的分析，评估所构建网络的性能，给出SDN卫星LTE融合网络的优势。

长期演进；软件定义网络；星地融合网络；网络性能评估；仿真平台

0 引言

LTE网络具有高速无线传输、优化的网络架构、灵活的频谱利用和优良的服务质量 (Quality of Service，QoS)保证等优点[1]，卫星通信系统可以连接海陆空以及不利于铺设通信设施的地区，特别是重大自然灾害导致地面通信网络损坏时，仍能给接入用户提供无缝通信服务[2]。卫星与地面LTE星地融合网络系统集成两种网络各自的优势，已成为各界关注的焦点。将网络功能虚拟化NFV引入卫星通信可有效降低设计和生产成本，易于运行维护和管理。

文献[3]提出一种通过卫星LTE链路的业务减小时延的方法，设计和评估一种传输层协议性能的方案。文献[4]将地面LTE移动通信系统与宽带卫星通信系统相融合，并基于NS-3对星地融合网络完成仿真模型构建和网络性能评估。文献[5]阐述将LTE空中接口用于星间数据传输的可能性，并给出3种改进方法，分析表明LTE空中接口经适当修改可应用于卫星信道。文献[6]提出一种软件定义卫星网络架构，该架构基于SDN的集中控制模式，可增强空间网络之间的协作性。

本文提出一种可行的SDN框架下的星地LTE融合网络架构，利用SDN技术中的控制与数据分离的概念，釆用空间部分负责数据转发和地面部分集中控制的方式，将复杂的控制功能转移到地面控制中心，实现对卫星网络的集中控制和管理。

1 基于SDN的星地网络架构及通信数据流

NS-3是NS-2功能增强与改进的开源网络仿真工具[7-8]，它继承现阶段优秀网络仿真工具的优点，且克服很多缺点，广泛运用于科学研究和系统性能仿真等。NS-3系统中所包含的OpenFlow模块可以模拟SDN设备[9]，NS-3系统的LTE模块可以很精确地模拟LTE-EPC网络，但NS-3系统中尚没有卫星链路模块，为此设计简化的卫星链路Satlink模块，用来模拟融合网络中的卫星部分。

1.1 基于SDN的融合网络架构

图1给出了基于SDN的卫星LTE融合体系架构。

图1 基于SDN的融合网络架构

LTE是LTE-EPC模型接入部分[10]，主要包含eNB和UE网元。EPC包括P-GW、S-GW、MME、HSS和PCRF等。3颗SDN-enabled卫星作为vSwitch，根据SDN 控制器下发的流表进行数据匹配和转发。信关站作为卫星地面融合宽带通信网的地面站设备[11]，它具有路径选取、协议转换、移动性管理和资源分配等功能。网络操作控制中心NOCC用于接收来自空间卫星的状态信息和发送到卫星上的控制信息，SDN C控制器负责建立和管理维护SDN-enabled设备上的流表，控制底层设备数据面的转发。

图2给出所提网络架构的仿真平台搭建过程，包括创建节点、网络拓扑和通信机制等相关操作。

图2 仿真的基本流程

1.2 融合网络通信数据流

卫星覆盖范围内的卫星用户与地面用户进行通信时，IP报文由卫星用户的内部通用应用程序产生，经过SDN-enabled同步卫星的流表匹配和转发，发送到地面用户上，实现二者的通信。图3给出卫星用户与地面用户间数据流通信过程。

卫星用户发送的数据包通过本地的TCP/IP协议转发到该卫星用户的网络设备LteUeNetDevice上，完成如下操作：① 使用传输流模板 (Traffic Flow Templates,TFTs)对报文进行分类，并确定其无线承载ID；② 鉴定相应PDCP协议实例，分别对该报文进行PDCP、RLC、MAC协议的封装；③ 通过LTE无线协议栈把该报文发送到SDN-enabled同步卫星。

SDN-enabled卫星的网络设备LteEnbNetDevice接收该报文，解析和去掉报文中IP数据载荷前面的无线承载协议标头，然后向上传递到SDN设备。卫星上的SDN设备接收报文，进行如下操作：① 恢复无线承载ID，解析IP头部信息；② 查找卫星SDN设备中存储的OpenFlow流表，找到与解析出来的标头信息相匹配的流表项；③ 如果存在多个相匹配的流表项，则按照预先设定的优先级来匹配要执行的动作，再对数据包进行转发。

从同步卫星SDN设备转发的数据包通过本地TCP/IP协议转发到网络设备P2PNetDevice上，添加卫星网络链路层DL协议标头，再通过模拟的星地点对点链路发送到地面信关站。

地面信关站设备接收到该报文，进行如下操作：① 解析和去除数据包的DL协议标头，通过本地的TCP/IP协议传递到信关站上层数据收发中心；② 信关站上层数据收发中心会解析数据包的IP标头信息，根据IP标头信息进行相应的操作；③ 添加地面网络链路层L2协议头，转发到网络设备NetDevice，再通过地面以太网接口连接到地面用户设备。

地面用户设备接收到数据包后，按照地面TCP/IP规范对其进行解封装，获得通信数据信息，从而实现双方的通信。

图3 卫星用户与地面用户间数据流通信过程

2 仿真场景与结果分析

2.1 仿真场景设置

吞吐量定义为单位时间内无差错传送数据分组的数目，在仿真中改变系统参数，通过读取仿真程序产生的trace文件和pdcp文件，统计与分析用户通信过程的吞吐量。表1给出具体参数设置，根据通信是否存在星间链路和用户终端类型的不同，融合网络性能可以分为6种通信场景对其进行分析。

表1 仿真场景的参数设置

参数名称参数值仿真时间3s卫星发射功率73dBWUE发射功率10dBm数据包发送间隔2Nms(N=0～10)卫星链路带宽1～6Mbps(间隔0.5)用户的数目50～150个,步长10

场景1：相同卫星覆盖领域的2个卫星用户终端进行通信；

场景2：相同卫星覆盖领域的卫星用户终端与地面移动用户终端通信；

场景3：相同卫星覆盖领域的卫星用户终端与地面固定用户终端通信；

场景4：不同卫星覆盖领域的2个卫星用户终端进行通信；

场景5：不同卫星覆盖领域的卫星用户终端与地面移动用户终端通信；

场景6：不同卫星覆盖领域的卫星用户终端与地面固定用户终端通信。

图4 吞吐量随数据包发送间隔变化曲线

2.2 仿真结果分析

2.2.1 不同数据包发送间隔下的网络性能

仿真中设置数据包发送间隔以2Nms变化，卫星链路带宽设置为3 Mbps，用户数目设置为90，图4给出吞吐量与数据包发送间隔的关系图。吞吐量在初始阶段缓慢增长，吞吐量在数据包发送间隔为8 ms时达到最大值，超过8 ms后，吞吐量随着数据包发送间隔的增大而逐渐下降，因为业务速率变小后，在仿真时间内进入网络的业务数据变少，吞吐量在相应地减小。由于星间链路的影响，同一卫星覆盖范围内的用户吞吐量比跨卫星通信时的吞吐量大。

2.2.2 不同用户数目下的网络性能

仿真中设置用户数目从50～150变化，卫星链路带宽设置为3 Mbps，数据包发送时间间隔设置为8 ms，图5给出吞吐量与卫星覆盖范围内用户数目的关系图。随着用户数目的增加，吞吐量基本处于下降的趋势；且在用户数目增加到90的时候，由于卫星能附着用户已经接近饱和，吞吐量减小到一个很低的水平(<150 kbps)。由于星间链路的影响，同一卫星覆盖范围内的用户吞吐量比跨卫星通信时的吞吐量大。

图5 吞吐量与用户数目的关系

图6 吞吐量与卫星链路带宽的关系

2.2.3 不同卫星链路带宽下的网络性能

仿真中设置卫星链路带宽从1～6 Mbps变化，用户数目设置为90，数据包发送时间间隔设置为8 ms，图6给出了吞吐量与卫星链路带宽的关系图。每个场景的吞吐量随卫星链路带宽增大而呈现增长趋势。当卫星链路带宽逐渐增大时，场景1和场景4因为没有经过星地馈电链路，吞吐量没有像其他场景情况下的吞吐量那样剧烈增长，由于星间链路的存在，跨卫星通信情况下的吞吐量明显小于卫星范围内通信时的吞吐量。

当卫星链路带宽小于2.5 Mbps，吞吐量的增长相对比较缓慢，当卫星链路带宽大于2.5 Mbps时，吞吐量呈现快速增长的趋势，说明星地链路带宽对吞吐量有比较大的影响。

3 结束语

本文提出基于SDN的卫星LTE融合网络架构，使用NS-3搭建仿真平台以评估所提融合网络的网络性能。通过理论计算和分析可知，配置更新周期减小使得基于SDN的融合网络具有更好的实时性和灵活性。此外，SDN技术简化卫星的设计和减少地面站的数目，降低系统成本。本研究对于SDN的应用场景、星地融合网络的研究有一定的参考价值。

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[4] 张哲.基于NS-3的LTE星地融合网络的性能仿真研究[D].西安:西安电子科技大学,2015.

[5] 陈长猛,曾维军.LTE空中接口在卫星通信中的适用性[J].无线通信技术,2011,20(4):20-23.

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ConvergedSatelliteandTerrestrialLTENetworkBasedon
SDNandItsPerformanceSimulation

YIN Xian-bing1,XU Zhan-qi1,XIAO Yong-wei2,MA Tao1,SUN Chen-hua2

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China; 2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, the 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Software Defined Networking (SDN) technology separates the control function from the forwarding function,which makes network architecture simple and clear.Based on a brief introduction to advantages of traditional satellite network and terrestrial LTE networks,the converged satellite and terrestrial LTE network is reviewed.The converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN is proposed by applying SDN technology to satellite network.Then the simulation platform construction of the proposed converged network model is implemented by using the NS-3 network simulation software.The performance of the converged network is evaluated through analysis of simulation data under different scenarios,and the advantages of the converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN are given.

long term evolution;software defined network;converged satellite and terrestrial networks;network performance evaluation;simulation platform

TN927

A

1003-3114(2017)06-20-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.05

尹先兵，徐展琦，肖永伟，等.基于SDN的卫星LTE融合网络及其性能仿真[J].无线电通信技术,2017,43(6):20-23.

[YIN Xianbing,XU Zhanqi,XIAO Yongwei,et al.Converged Satellite and Terrestrial LTE Network Based on SDN and Its Performance Simulation[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):20-23.]

2017-08-10

国家自然科学基金项目(61572391)

尹先兵(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向：卫星网络和软件定义网络。徐展琦(1962—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：光网络、宽带卫星、SDN/NFV。