应用时变拓扑动态模型的星间网络性能测试系统设计

尹卿 于澎 白力舸 胡帆 方凯

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

卫星星座由多颗卫星组成，卫星之间通过无线链路进行通信，实现信息传输，从而形成星座通信网络。由于卫星之间的可见性受到地球遮挡或天线指向限制等因素影响，星座拓扑结构存在时变需求；同时，由于通信体制影响，星座拓扑结构需要进行主动快速变化。因此，时变拓扑星座的星间网络性能是卫星星座通信的基础，能够保障数据的可靠性和时效性。在实际工作过程中，网络协议可能会由于卫星在轨相对运动引入的频率动态效应(定义为多普勒效应与信号传输时延变化效果之和)导致传输数据出现错误。如何在时变拓扑模拟的基础上考核频率动态效应对星间网络协议传输性能的影响，是测试系统设计的难点。

现有国内外星间网络性能测试主要集成于星间链路测试平台,用于对星间网络协议的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层进行功能验证。国外“全球导航卫星系统”(GNSS)星间链路测试平台的研究项目比较多样，侧重点各有不同，主要分为星间链路射频通道功能及性能验证和星间链路信号及算法性能验证两大类。GNSS多星座模拟器(NAVYS)是由ESA支持研制的针对GNSS的星座模拟设备，将完整的配置端口提供给用户，包含独立的卫星轨道参数、卫星时钟、卫星天线方向图、功率参数、波形、伪随机码(PRN码)、子载波模式和多径传输方案等，能够对现有的星座及未来将会有的GNSS星座信号进行全方位仿真模拟[1]。星间链路工程开发单元(ISL EDU)是由美国空军研究实验室(AFRL)研制的星间链路信号性能测试平台，侧重于星间传输信号本身性能的测试，测试过程与卫星收发信机本身硬件设备相对独立，适用于星间链路信号体制验证过程及星间链路软件测试过程[2]。“伽利略”卫星信号测试设备(GSVF)是由ESA支持研制的专用卫星导航系统模拟测试平台，可用于对计划中的“伽利略”卫星导航信号和信息结构性能进行评估[3-6]。时变目标系统的测试平台多针对相控阵体制系统设计，侧重于验证相控阵体制功能的正确性[7-10]。国内导航系统模拟平台侧重于其他卫星导航电文对被测卫星星历等的影响，能够将被测卫星的导航工作状态进行系统性的测试[11]；卫星网络半实物仿真环境可对卫星网络进行建模，在网络层模拟卫星网络的拓扑结构、卫星轨道运行带来的动态拓扑变化，以及空间电磁信号传输导致的长时延、高误码率等空间环境特点，同时为网络管理提供虚拟的被管对象，能够支持面向应用层的业务流传输，演示验证卫星网络的管理体系结构、概念、管理算法和管理协议[12]。现有测试平台在进行星间网络协议工作环境模拟时，并未将时变拓扑星座的频率动态模型与星间网络协议传输性能的测试相结合，导致星间网络协议实际运行环境与真实的在轨状态相比存在一定的偏差，使测试结果可靠性降低，因此需要对测试模拟环境进行完善。

本文提出一种面向时变拓扑星座的星间网络性能测试系统设计，应用时变拓扑动态模型，针对时变拓扑结构频率动态工作条件进行模拟，提高星间网络工作环境模拟的真实性，暴露网络可能存在的性能问题，以弥补现有测试系统的不足。最后，应用测试系统进行测试用例集运行，完成时变拓扑频率动态条件对星间网络性能影响的实际验证。

1 星间网络性能测试系统设计

进行时变拓扑星座星间网络性能测试时，需要使星间网络工作模拟环境与在轨工作环境尽可能保持一致，一致度越高，越能提前暴露星间网络在轨工作的潜在问题。为了提高工作环境模拟的真实性，需要在模拟时增加信号频率动态模拟功能，而时变拓扑结构要求通信目标快速切换，因此发送信模拟号的频率动态效应也要在数个目标之间快速切换，如何实现此功能是测试系统设计的难点。本文针对时变拓扑星座频率动态效应模拟进行设计，并利用时变拓扑数据收发功能配合完成星间网络性能测试。

测试系统需要具备的主要功能包括：①时变目标数据模拟生成；②时变目标数据接收判读；③星间多普勒及传输时延模拟。其中，时变目标数据的生成及接收判读功能通过软件实现；星间多普勒及传输时延模拟通过硬件频率调节及时延调节模拟。图1为星间网络测试系统架构，星间多普勒及传输时延模拟模块作为核心模拟单元嵌入其中，为验证其功能，需要与星间信息生成模块、星间信息接收模块等配合工作。管理控制模块、测试评估模块用于完成测试设备控制和测试数据管理功能，由可独立运行的具有用户交互图形界面的星间网络测试软件和自动化执行脚本提供。星间多普勒及传输时延模拟模块、建链规划表及路由表解析管理模块，提供频率动态及时变拓扑的模拟计算功能；星间信息生成模块、星间信息接收模块实现数据模拟生成及接收判读功能，由驻留运行在星间链路终端模拟器硬件平台上的星间网络模拟软件以软件服务的形式提供。

图1 测试系统架构框图Fig.1 Diagram of test system architecture

2 星间多普勒及传输时延模拟模块

2.1 时变拓扑动态模型

本文星间网络性能测试系统适用的卫星星座采用时分双工(TDD)模式进行星间通信。被测卫星将通信时段划分为一系列等长时间段(即时隙)，每个通信时隙内被测卫星指向不同的目标卫星并与之建立星间链路(简称建链)，星座时变拓扑结构依据建链规划信息进行快速更改，现有星座时变拓扑更新周期仅为秒级，星座拓扑结构在实际工作中快速转变。在测试被测卫星的网络性能时，也需要按照模拟的建链目标灵活产生可控的激励信号，并根据时变拓扑结构处理并输出的结果对被测卫星进行正确性检查。图2为卫星时变拓扑信号示意。

图2 卫星时变拓扑信号示意Fig.2 Diagram of time-varying topology signal of navigation satellite

图2中，S(t)为传输的时域信号，Si为第i个传输时隙(i=0,1,2,…,N-1)，Ts为每个时隙的持续时间，Ai(t)为第i个时隙内传输的时域信号，时隙内传输帧数为M，Fj为第j帧传输信号(j=1,2,…,M)，TF为每帧的传输时间(TF=Ts/M)，每帧内数据(单位：bit)为Y，单比特传输时间Tbit=TF/Y。

时变拓扑条件下传输的信号时域可表示为

[t-(i-1)Ts]∈[0,Ts)

(1)

第i个时隙内传输的时域信号为

[t-(j-1)TF]∈[0,TF)

(2)

式中：Fi,j(t)为第i个时隙传输的第j帧信号；Δti,j为第i个时隙传输第j帧信号引入的传输时延。

考虑将信号调制于频率为f的载波信号进行传输，静态传输信号可表示为

SQ(t)sin(2πft+φ)

(3)

式中：SI(t)和SQ(t)分别为QPSK调制当前帧内传输的I路和Q路的信息序列；φ为载波信号初始相位。

卫星在轨实际工作中存在高频率动态过程，多普勒效应将使载波信号频率f产生动态变化Δf(t)，将式(3)进行补充修正，可得

Fi,j(t)=SI(t)cos(2π(f+Δf(t))t+φ)+

SQ(t)sin(2π(f+Δf(t))t+φ)

(4)

使用复数表示，信号为

Sc(t)=(SI(t)+jSQ(t))e-j(ω1t+φ1)=

(5)

对I和Q两路信号使用cos(ω2t+φ2)和sin(ω2t+φ2)进行第2级正交调制，可得

Sout(t)=SI(t)cos ((ω2+ω1)t+(φ2+φ1))+

SQ(t)sin ((ω2+ω1)t+(φ2+φ1))

(6)

式中：ω2为第2级调制信号角频率；φ2为第2级调制信号初始相位。

因此，对于调制信号S(t)的载波频率(f+Δf(t))，可采用第1级调制多普勒模拟频率(Δf(t)+fIF)，第2级上变频频率(f-fIF)方式进行过程模拟，其中fIF为中频调制频率。

根据多普勒效应公式可得

Δfd(t)=Δf(t)+fIF=

(7)

式中：Δfd(t)为第1级调制频率；Vs(t)为目标卫星与被测卫星之间径向相对运动速度；c为真空光速，若目标卫星接近被测卫星，运算符号取“-”，反之取“+”；fIF选取需要保证Δfd(t)>0。

卫星在轨相对运动在产生多普勒效应的同时，也伴随着星间绝对距离的变化表现为星间信号传输时延的变化。

2.2 模块设计

图3 星间多普勒及传输时延模拟模块框图Fig.3 Diagram of simulation module of inter-satellite Doppler and transmission delay

对调制输出的包含多普勒频率变化信息的传输信号Fi，j(t)，按照每间隔T0插入特定时延进行信号传输时延模拟，时延值由对星间距离曲线SDopplor(t)进行采样(采样结果表示为SDopplor(nT0))获得。

星间多普勒及传输时延模拟模块模拟系统的故障模式包括：系统时延导致的时隙间数据串扰，见式(8)；系统时延导致的时隙内传输误帧，见式(9)，其中，ε为系统编码纠错能力能修正的最大误码数。故障模式示意如图4所示。

(8)

(9)

图4 故障模式示意Fig.4 Diagram of fault models

3 星间信息生成模块及接收判读模块工作方式

星间信息生成模块完成时变拓扑星座数据模拟生成功能。首先，查询当前时变拓扑规划信息，获得卫星在顺序各时隙的建链目标卫星、通信速率等信息。同时，针对将要进行的星间网络性能测试项目调用测试用例库，获得预设测试用例中的待传输信息，包括信息计划传输的时隙号、发送的数据类型、发送信息的最终目标卫星号、发送信息次数及发送信息数据域的具体内容。将时变拓扑信息和预设测试用例信息作为输入，生成星间信息模拟产生规则，如图5(a)所示。按照星间信息模拟产生规则，每个时隙准备下一个时隙待发送星间信息，并在下一个时隙内完成信息的全部发送。发送结束后，继续按照生成规则中的下一时隙信息准备发送数据，并重复发送步骤，直至生成规则中的全部时隙传输信息完成发送。

星间信息接收模块完成时变拓扑星座数据放入、接收及正确性判读。首先，查询当前时变拓扑规划信息和路由规划信息，获得卫星在顺序各时隙的建链目标卫星、通信速率等信息，结合预设的测试用例(与星间信息生成模块调用用例相同)计算得出星间信息接收判读规则，如图5(b)所示。由星间信息接收模块实时接收被测卫星发送的星间信息。在一个时隙结束后，对结束时隙内接收到的全部数据进行综合统计，包括接收数据类型、接收数据次数、接收数据目标卫星号等，并将统计结果发送到测试评估模块。测试评估模块接收星间信息接收模块发送的分类统计结果，并与星间信息接收判读规则进行比对，得出统计信息中与判读规则不一致的部分并输出。

时隙号数据类型源卫星目标卫星发送次数0TypeASat1Sat2101TypeASat2Sat3202TypeBSat3Sat4303TypeBSat4Sat5404TypeCSat5Sat6505TypeCSat6Sat7106TypeDSat7Sat8207TypeDSat8Sat9308TypeESat9Sat10409TypeESat10Sat1150……………

(a)星间信息发送模块模拟产生规则示例

(b)星间信息接收判读规则示例

注：示例对应测试用例为当前时隙发送信息通过下一时隙由被测卫星转出。

图5 星间信息模拟产生规则示例和星间信息接收判读规则示例

Fig.5 Rules of generation and estimation of inter-satellite information

4 测试系统应用及功能验证

为了对测试系统功能进行测试，设计一个典型的测试用例。测试系统模拟20个星座拓扑节点(建链目标循环周期N=20)，按照顺序与被测卫星建链模拟时变拓扑规划，每个时隙信息传输速率为50帧/时隙，在每个建链时隙中发送目标为下一时隙建链目标的星间信息，星间信息类型固定为TypeD，时隙内发送次数固定为50帧/时隙，模拟过程循环执行。

测试过程中设计故障模式如下。

(1)系统传输时延导致时隙间数据串扰。设置各时隙内帧传输时延，使经过被测卫星处理后的传输时延满足式(8)，根据被测卫星路由规划得出在时隙5(S5)应该接收到的星间信息目标地址为Sat5；时隙6(S6)应该接收到的星间信息目标地址为Sat6；此时，时隙4(S4)中的部分数据(按照用例应由被测卫星在S5中转发回测试系统)将由于传输时延而串扰至S5发出(按照用例会由被测卫星在时隙6(S6)中转发回测试系统)，测试系统星间信息接收模块将识别出S6接收目标错误，同时S5中将判读出传输误帧或丢帧。

(2)系统传输试验导致时隙内传输误帧。设置时隙12(S12)内各帧传输时延，使经过被测卫星处理后的传输时延满足式(9)；此时，S12中的部分数据帧将无法完成解析识别，导致S12接收有效帧出现误帧，继而使时隙13(S13)中测试系统接收到的被测卫星转发的有效帧数量减少。

在测试用例循环后的统计结果，如图6～9所示。根据显示结果可知：此星间网络性能测试系统能够模拟时变拓扑星座频率动态效果，并对测试结果按照信息类型和收发时隙进行分类统计，能够按照测试判读规则进行星间信息接收正确性判读。在预设的故障模式影响下，按照预期判读出S5中系统传输时延导致时隙数据串扰，并判读出S13的误帧错误和误帧数量。由于系统模拟的频率动态过程参照在轨卫星运动过程，因此上述故障模式异常出现时刻与模拟的卫星运动过程直接相关，并非每个循环周期均能出现，在极限动态条件下异常问题更易暴露；另外，时隙数据串扰可能导致受扰时隙有效数据处理错误，造成有效帧总数下降。试验结果证明：本文设计的星间网络性能测试系统在模拟时变拓扑频率动态条件下完成了对星间网络协议工作中的故障模式测试，测试结果与预期一致；也成功发现了在静态条件下无法发现的被测卫星星间网络性能存在的小概率异常问题，弥补了现有测试平台在星间网络协议工作环境模拟时的不足。

注：部分目标卫星的频率动态曲线重合。图6 目标卫星频率动态曲线Fig.6 Frequency dynamic curve of target satellites

图7 时变目标频率动态模拟结果Fig.7 Frequency dynamic simulation results of time-varying targets

注：本次测试累计统计时长等于19 080个时隙总时长。图8 测试结果统计界面Fig.8 Statistical interface of test results

图9 测试结果分析Fig.9 Test results analysis

5 结束语

针对时变拓扑星座星间通信网络，本文设计并实现了一种星间网络性能测试系统，针对性地完善了频率动态模拟功能，并通过设计故障模式与卫星协同完成了测试系统功能的可行性验证。测试结果表明：该测试系统能够在模拟时变拓扑频率动态条件下完成星间网络性能测试，且可根据测试用例及时变拓扑对发送星间信息及接收判读规则进行动态生成，具备发现在静态条件下无法发现的星间网络小概率异常问题，可广泛应用于各种测试场景，为星间网络性能测试提供支持。