OPNET和STK联合的空间光骨干网络仿真设计

张泰江，李勇军，赵尚弘，王星宇，王蔚龙

(空军工程大学 信息与导航学院, 陕西 西安710077)

引言

空间信息网络是以同步卫星、中低轨卫星、飞机等空间平台为载体，实时获取、传输、处理空间信息的网络系统[1-3]，具有网络拓扑高动态变化、网络业务类型多样、微波和激光链路并存等特征[4]。空间光通信具有容量大、频带宽、速率高等优点，构建卫星与地面站组成的光骨干网络有助于我国构建空间信息网络[5]。要对上述网络性能进行定量分析,对涉及到的关键技术进行可行性验证，必然要借助高保真度仿真系统。STK是美国AGI公司开发的卫星工具软件[6]，广泛应用于航天、航空领域，可以快速方便地分析空间信息网络中各种复杂任务，并确定最佳方案[7]。OPNET是一款功能强大的通信仿真软件，拥有丰富的无线网络仿真模型，并能和其他仿真软件进行协同仿真[8]。

本文基于STK和OPNET联合构建了空间光骨干网络仿真平台，基于STK设计了由天基骨干网、天基接入网和地面网3部分组成的网络架构[9-10]，在OPNET环境中，开发了网络协议模型和节点进程模型，联合STK和OPNET对网络性能进行了仿真验证。

1 网络架构模型

空间光骨干网络架构如图1所示。其中4颗GEO卫星构成天基骨干网络，10颗LEO卫星组成单轨道面星座的天基接入网，4个地面卫星站构成地面网[11]。OPNET仿真平台利用STK提供的卫星、地面、链路等指标参数构建网络仿真系统模型，如图2所示。卫星轨道参数及地面站坐标如表1所示。

表1 卫星轨道参数及地面站坐标

图1 空间光骨干网络架构Fig.1 Space optical backbone network architecture

图2 网络仿真系统模型Fig.2 Network simulation system model

天基骨干网由4颗GEO卫星组成。天基骨干网的链路连通关系为：左右2颗GEO卫星具有1条与相邻GEO卫星的固定激光链路，每颗卫星具有4条与低轨业务卫星的可变激光链路，每颗同步卫星具有的4副天线均在卫星下方，分别负责4个方位的通信任务，如图3所示。中间2颗GEO卫星具有一条与相邻GEO卫星固定激光链路，分别有4条对地固定链路(2条激光链路和2条微波备用链路)，还有2条对LEO卫星的动态激光链路。4颗GEO卫星构建一个由星间激光链路组成的天基骨干网络环网[12]。

图3 GEO卫星骨干节点激光通信终端 Fig.3 GEO satellite backbone node laser communication terminal

GEO卫星作为数据中继卫星，将LEO卫星节点产生的数据包进行接收并转发给地面站。GEO节点包含MAC层、IP层和传输层进程，如图4所示。MAC层收到LEO卫星传来的数据帧后依据本节点的位置决定是否转发，如果该GEO为两侧的GEO,那么就向其临近的GEO进行转发，否则直接发送到地面终端；MAC层收到地面传来的信令包后交与IP层进行路由寻址；IP层负责对地面上传卫星的信令包进行寻址，并交与MAC层发送。

图4 GEO节点进程模型Fig.4 GEO node process model

天基接入网由10颗LEO卫星组成，10颗LEO卫星采用太阳同步轨道，均匀分布在一个轨道面内，轨道高度800 km，轨道倾角为98.608°，轨内构建激光固定链路，形成一个典型环状网结构，如图5所示。

图5 10颗低轨卫星构建单轨道平面星座 Fig.5 10 LEOs construct a single orbit plane constellation

LEO卫星节点产生3种不同类型的数据，并且将数据包依据路由表信息进行发送，包括MAC层进程、IP层进程、传输层进程以及应用层进程，如图6所示。应用层包括3个进程分别用来产生不同类型的数据，并且封装为标准CCSDS数据包；传输层将应用层数据包进行转发并存储备份,以供重传使用；IP层负责根据数据包的目的地址找出数据传输的下一节点地址，完成路由功能；MAC层将收到上层的应用数据包进行包复用后重新封装为虚拟信道传输帧，并进行虚拟信道的调度。

图6 LEO节点进程模型Fig.6 LEO node process model

地面网由4个地面站构成，4个地面站分别设置在北京、三亚、昆明、喀什，其中北京和三亚与中间两颗GEO中的东侧一颗连接，昆明和喀什与西侧一颗GEO连接。

地面节点主要完成对GEO卫星下发的数据进行接收，包括MAC层进程、IP层进程、传输层进程以及应用层进程，如图7所示。MAC层进程主要负责将收到的卫星下发的数据包进行解复用，再将数据包传递给IP层。IP层进程在接收包时直接将收到的数据包进行向上层转发；传输层根据收到的包的进程标识将该数据包发送至相应的应用层进程；应用层收到数据包后提取包数据内容，存入文件，提取包接受时间与包创建时间进行端到端时延等参数的统计。

图7 地面节点进程模型Fig.7 Ground station node process model

2 网络仿真协议模型

为了保证空间光骨干网络高效运行，首先分别对GEO卫星节点、LEO卫星节点、地面节点构建应用层、传输层、IP层、MAC接入层和物理层这5类协议模型[13-14]。

2.1 应用层协议模型

应用层主要进行报文的创建及发送，根据不同的业务需求设定不同类型的优先级，供网络层进行队列操作。LEO卫星节点产生数据包的时间间隔服从均匀分布、泊松分布分别模拟均匀业务与突发业务两种业务类型。LEO卫星节点模拟产生高速率、大长度报文包格式。在仿真中设置LEO卫星节点优先级，如同时接入多颗LEO卫星，业务存在竞争时，LEO卫星固定两颗LEO卫星业务优先级最高，优先级高的卫星优先转发。

2.2 传输层协议模型

在传输层中采用n-ARQ协议，也即卫星通信中的后退N步ARQ。后退N步ARQ协议对传统的自动重传请求进行了改进，从而实现了在接收到ACK之前能够连续发送多个数据包。

2.3 网络层协议模型

网络层根据最长时间接入算法生成静态拓扑表，并用拓扑快照方式给出，根据静态拓扑表再采用最短路径算法可以得出其静态路由表，从而实现路由选择、节点地址分配和识别功能。能够读取路由表进行路由配置，并按照路由表规则对数据进行路由[15]。例如当网络进行第5次切换，生成的静态拓扑表如表2所示。

表2 网络静态拓扑表

表2中，0表示链路断开，1表示建立链路，表格规格为26×26。依次描述如下：GND_BJ、GND_SY、GND_KS、GND_KM分别为地面站北京、三亚、喀什、昆明；GEO_E1、GEO_E2、GEO_E3、GEO_E4表示GEO_E的4副LEO接入天线；GEO_M11、GEO_M12表示GEO_M1的2幅接入天线；GEO_M21、GEO_M22表示GEO_M2的2幅接入天线；GEO_W1、GEO_W2、GEO_W3、GEO_W4表示GEO_W的4副LEO接入天线；10颗LEO卫星依次为LEO101-LEO110。由表中数据可知，北京和沈阳的地面站与GEO_M1建立了通信链路，喀什和昆明的地面站与GEO_M2建立通信链路，GEO_E与GEO_M1建立通信链路，GEO_W与GEO_M2建立通信链路。LEO101、LEO102、LEO104、LEO106、LEO107、LEO108、LEO110分别与GEO_W3、GEO_E4、GEO_E3、GEO_E2、GEO_M11、GEO_M22、GEO_W2接入天线建立通信链路。

2.4 MAC层协议模型

在MAC层协议模型中，定义了空间光网络帧结构、虚拟信道封装过程及虚拟信道的复用与调度方式。虚拟信道子层主要针对低速率业务数据，将多个同等级的低速率数据复用为高速率数据。

2.5 物理层协议模型

物理层协议模型包括天线模型和无线收发机组模型。无线收发机组实现无线信道环境建模和传输过程计算，可以设置频率、带宽、功率、调制编码方式等信道参数。天线模型支持全向和定向天线设计和导入，能够实现全向收发数据和定向收发数据，即广播通信和点对点通信。

网络中共有4类光链路(LEO-LEO，LEO-GEO，GEO-GEO，GEO-地面)，每种链路均有3种调制方式，分别为OOK、BPSK、DPSK。每种链路的通信速率如表3所示。针对不同的调制方式分别计算相应链路误码率。

表3 不同链路间的通信速率

1) 采用OOK调制，系统Q因子及BER表示为

(1)

(2)

2) 采用BPSK调制，PLO是本振光功率(10 mW)，系统Q因子及BER为

(3)

(4)

3) 采用DPSK调制，系统Q因子及BER表达式为

(5)

(6)

式中：q是电子电荷；B是带宽(比特率Rb)；PASE是ASE噪声功率(PASE=nsp(Gr-1)hfB，h为普朗克常数，f为载波频率；nsp=5)；ID是暗电流(1 nA)；kB是波尔兹曼常数；T是绝对温度(300 K)；RL是负载电阻(50 Ω)；R为探测器响应度(0.8)；Gr(30 dB)为前置放大器增益;Pr为接收机接收的光功率，则：

Pr=Pt·hp·hl·ha

(7)

式中：Pt为发射光功率；hp几何扩散与指向误差引起的链路损耗；hl为大气吸收效应引起的链路损耗；ha为大气湍流引起的链路损耗。

将星间光通信系统的发送机参数、链路传输参数和接收机各参数的初始值设定为相同值，如表4所示。在此基础上对OOK、BPSK、DPSK 3种调制方式下系统误码率随传输距离进行仿真，以此来比较星间光通信采用不同调制方式的通信性能。

表4 星间光通信系统参数

如图8所示，星间光通信系统的误码率随着传输距离的增大而增大，系统的通信性能也因此得到降低。传输距离在500 km～1 500 km的范围内变化时，在OOK工作模式下，误码率变化范围为3.94e-26～0.108，当传输距离小于760 km时误码率低于1e-6；在DPSK工作模式下，误码率变化范围为4.124e-38～0.064，当传输距离小于840 km时误码率低于1e-6；在BPSK工作模式下，误码率变化范围为8.19e-80～8.29e-11，当传输距离大于1 500 km时误码率仍低于1e-6，还能够达到正常通信的要求。因此可以得出在初始参数设定相同时，仅对距离因素进行考虑，采用BPSK调制方式情况下，系统具有最佳通信效果，DPSK调制方式误码率略低于OOK调制方式。

图8 误码率随传输距离的变化情况Fig.8 Variation of BER with transmission distance

3 性能仿真与结果分析

3.1 空间光骨干网络工作流程

空间光骨干网络工作流程如下：

1) 所有LEO卫星均为数据生成源节点，地面站为数据宿节点；

2) 当LEO卫星与GEO卫星建立链路后将数据转发给GEO卫星，若接入GEO卫星为左右两颗节点，则通过GEO骨干链路转发给中间节点然后落地到地面站，若接入卫星为中间节点直接转发落地；

3) 当LEO卫星没有接入任何一颗GEO卫星，则通过LEO轨间链路找到最近的一颗接入LEO卫星进行数据转发，转发工作流程同2)。

每次有新的LEO与GEO建立链路时，考虑建链时间，LEO-GEO之间的激光链路建立链路时间是20 s的固定值，其他链路均为固定链路，不考虑捕获时间。

建链时间主要为了考虑天线的捕获时间，若捕获前该节点没有与GEO链路连接，拓扑表维持一段时间直至捕获成功，按照新拓扑表计算路由；若捕获前该节点存在与GEO链路，则立即断开该链路，生成新的拓扑表，直至捕获成功按照新的拓扑表计算路由，即拆链表持续时间为链路捕获时间。仿真中周期性业务设置为每秒40个包，每个包长4 096 bit；突发业务产生时间不定，每次发生时产生80个包，包长4 096 bit；设定每次仿真实验运行时间为12 h。

3.2 仿真结果分析

图9(a)、图9(b)分别表示空间光骨干网络仿真过程中网络的全局平均时延和实时时延。由图9可知，在网络开始运行的前期出现了较强的时延抖动，这是由于网络开始运行时，LEO卫星与GEO卫星未建立连接，链路开始建链需要考虑天线的捕获时间。稳定后全局平均时延为1.06 s,网络实时时延最大为5.48 s，最小为0.35 s。这是由于大部分LEO产生的数据包经由一颗GEO卫星直接转发至地面站所以时延较小，部分业务经由LEO、GEO卫星通过星间链路经多跳传递后再到地面站，导致此类业务的实时时延较大。

图9 网络全局时延Fig.9 Network global delay

图10和图11为网络吞吐量随时间的变化情况。图10(a)和图11(a)分别表示GEO与LEO卫星及地面站间的实时吞吐量，由于LEO卫星产生的业务类型中除固定业务外还有随机产生的突发业务，导致实时吞吐量大小随机变化。LEO与GEO卫星实时吞吐量最大值为0.68 Gb/s，最小值为0.20 Gb/s。GEO与地面站实时吞吐量最大值为0.88 Gb/s，最小值为0.30 Gb/s。

图10 LEO与GEO卫星吞吐量Fig.10 Throughput of LEO and GEO

图11 GEO与地面站吞吐量Fig.11 Throughput of GND and GEO

图9、图10和图11分别对空间光骨干网络的全局平均时延、实时时延以及网络吞吐量随时间的变化情况进行了仿真测试。测试结果表明天基光骨干网络最大时延为5.48 s，最小时延为0.35 s，平均时延为1.06 s。地面站实时吞吐量最大值为0.88 Gb/s，最小为0.3 Gb/s。LEO与GEO卫星实时吞吐量最大值为0.68 Gb/s，最小值为0.20 Gb/s。仿真结果表明，本文设计的协议模型和网络架构能够使光骨干网络平台具备低时延、高吞吐量的目的，能够有效支撑卫星业务高效传输。实验结果符合实际需求，对工程实践具备理论参考价值。

4 结论

论文基于OPNET和STK联合构建了空间光骨干网络仿真平台。分析了空间光骨干网络架构并设计了相应的节点模型和应用层、传输层、IP层、MAC接入层和物理层这五类协议模型。通过构建的仿真平台，对网络的全局平均时延和实时时延，GEO与LEO卫星间吞吐量和GEO与地面站吞吐量进行了仿真分析，验证了平台的功能。测试结果表明天基光骨干网络最大时延为5.48 s，最小时延为0.35 s，平均时延为1.06 s。地面站实时吞吐量最大值为0.88 Gb/s，最小为0.3 Gb/s。测试结果表明,网络架构和网络协议能支撑卫星业务高效传输，对空间光骨干网络的工程应用具有指导意义，为我空间信息网络建设提供强有力的理论、仿真分析以及实验数据支撑。