面向卫星移动通信的系统级仿真平台设计与实现*

吴承洲，苏泳涛，刘剑锋，余 翔，李瑞华

（1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065；2.中国科学院计算技术研究所无线通信技术研究中心，北京 100190；3.国家移动卫星移动通信工程技术研究中心，江苏 南京 210000）

0 引 言

近年来，ITU、3GPP 和SaT5G 等国际组织正在开展卫星与地面移动通信融合的研究工作，我国也大力投入天地一体化信息网络的研制和建设，卫星移动通信在未来移动通信系统中必将扮演重要角色[1-4]。然而，卫星通信系统的技术体制复杂、建设周期长、运营维护成本耗费巨大，行业普遍采用仿真平台，节省系统功能测试和网络运营的成本和时间[5-6]。

基于上述情况，国内外学者采取了不同的方法手段，设计卫星移动通信系统的仿真平台，以支撑某项技术的研究和论证。文献[7]搭建了卫星移动通信链路级仿真平台，对单链路物理层的编译码、调制与解调等技术进行仿真论证。文献[8]设计了支持OFDM 多址方式的仿真平台，对GEO 卫星移动通信系统中信道预测、抑制峰均比和呼叫接纳控制关键技术进行了研究论证。文献[9]基于OPNET仿真软件，搭建LEO 卫星移动通信系统级仿真平台，对3G 协议体制下的基本通信流程进行仿真。文献[10]针对多波束卫星网络中的同频干扰问题，设计了系统级仿真平台，对卫星信道和波束间干扰进行建模与仿真分析。文献[11]基于OPNET 仿真软件，设计了5G 系统和卫星通信系统的模型，用于网络规划、设计和性能分析。文献[12]基于NS3技术，设计了LEO 卫星物联网仿真平台，用于网络协议设计。上述研究主要针对卫星网络的链路分析、物理层关键技术、干扰分析和网络规划方面的需求开展仿真平台的设计，仿真平台往往只能适用于某一种网络架构和技术体制，难以支撑多星、多站、多波束、多链路、多用户的卫星通信系统中灵活组网、体制论证、协议设计、关键技术验证的需求。

针对以上问题，本文设计了可适用于多星、多站、多波束、多链路和多用户自由组网的卫星移动通信系统级仿真平台，详细分析仿真平台架构中的重点模型，研究仿真平台工作流程，并选择典型性的通信环节，验证了仿真平台的有效性。

1 仿真平台架构设计

卫星移动通信系统通常由用户段、空间段和地面段组成，如图1 所示。用户段由手持、车载、机载、船载和固定等类型的终端构成，空间段由一颗或多颗透明转发或支持星上处理的卫星构成，地面段由信关站、核心网、网络控制中心、路由设备等构成。

图1 卫星移动通信系统的基本组成

本文基于两级递阶控制设计了仿真平台，第一级控制整个仿真平台构建场景、配置参数、分配任务等；第二级控制节点模型的仿真行为，从而满足卫星通信系统中灵活组网、体制论证、协议设计、关键技术验证的需求。因此，采用分层的设计思想，以模块化解耦合的设计原则对各层的功能进行逻辑划分，设计了卫星移动通信系统级仿真平台架构如图2 所示，包括存储管理层、配置管理层、中间适配层、统计分析层和态势呈现层。

存储管理层是仿真平台的基础支撑层，以卫星通信系统的结构特点进行了划分，可提供卫星移动通信系统中的节点模型、通信协议体制、算法模型等仿真模块的模型库，各存储库中的模型互不耦合、相互独立，可灵活调用模型进行仿真场景搭建。

配置管理层作为整个系统仿真平台的主控单元，通过灵活的配置参数加载，可以满足用户的灵活组网和协议体制设计的需求，同时支持对关键技术进行针对性研究。

中间适配层为仿真过程中应用第三方软件提供调用接口，可以通过适配接口实现平台的扩展，丰富平台的功能，例如，调用卫星工具软件包(Satellite Tools Kit, STK)接口进行卫星轨道文件导入，采用SQL 接口进行数据存储，通过MATLAB 接口用于仿真数据分析等。

图2 卫星移动通信系统级仿真平台架构

统计分析层主要用于对仿真过程中的数据进行统计，并支持根据仿真需求进行相关统计数据的分析，从而辅助用户进行关键技术研究分析或协议体制论证分析。

态势呈现层是将重点观测的仿真数据或经由统计分析模块形成的仿真图表信息进行直观的呈现。

平台工具链列举了卫星移动通信系统级仿真平台所使用的开发工具，例如OPNET、MATLAB 等仿真软件，以及C/C++、Python 等编程语言，同时工具链可以根据仿真需求进行相应扩展。

2 配置管理模型和核心节点模型设计

配置管理层和存储管理层是仿真平台支持灵活组网、加载不同协议体制和关键技术研究的核心，是本文研究的重点。

2.1 配置管理模型

配置管理模型是仿真平台的第一级控制单元，负责根据用户具体仿真需求对应的配置参数进行解析，并基于解析后转化生成的配置参数从系统存储数据库中加载相对应的节点模型、通信协议体制、算法模型等，进而将加载得到的仿真模型抽象后构建生成具体的仿真任务，并输入到相应仿真节点状态机中，触发各节点的状态转移，从而实现对系统仿真整体运行过程的控制，设计如图3 所示。

图3 仿真平台配置管理模型设计

其中，仿真场景配置可用于灵活配置终端、信关站、卫星等通信节点仿真实例化数量。同时，根据具体仿真需求，配置仿真各通信节点或基础通信模型的类型，如终端类型、天线类型、信道类型等。

网络规划配置通过联合仿真场景配置，完成系统仿真平台中多星、多站、多波束、多链路、多用户的灵活组网建模，支持用户设置卫星轨道高度、各类通信节点的地理位置、卫星波束数量、卫星天线角度等参数，从而可以实现不同通信覆盖需求。同时，网络规划配置可以支持卫星波束无线资源的静态配置，如每个波束初始可用的工作总带宽、发射总功率等，并根据加载的用户自定义均衡算法，实现仿真过程中不同卫星之间、不同波束之间的无线资源动态协调，充分支持对整体网络部署的验证与优化。

仿真行为配置通过加载终端移动轨迹、卫星工作模式、通信协议体制和算法等模型，可用于生成终端、信关站和卫星等通信节点的一个或多个仿真任务，每个仿真任务均包含一系列仿真事件，按设定的时间点顺序，载入到上述实例化通信节点的状态机，推进系统仿真平台的运行。

统计参数配置主要根据用户需求，设置需要重点观测的系统性能指标参数集合及其参数统计方式，如信噪比采用样本点统计，吞吐量采用累加值统计等，针对性的参数配置有利于降低存储空间，提高统计分析效率。

2.2 通信节点模型

通信节点根据配置管理层下发的仿真任务控制节点的仿真行为，推进仿真的运行。下面对存储管理层中终端、卫星和信关站三个核心通信节点进行建模。

2.2.1 终端建模

根据配置管理层下发终端的仿真任务，配置协议体制类型、移动轨迹、业务类型等参数，控制终端的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，终端需要进行多种状态切换，则需要对终端可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，终端节点模型状态转移图如图4 所示，具体状态转移如下。

图4 终端节点模型状态转移图

终端完成仿真初始化后，根据配置管理层下发的终端仿真任务，解析形成一系列仿真事件，并按序输入到事件仿真器中。事件仿真器维护一个事件队列，并根据各个事件类型，在指定时间点形成相应的事件中断，触发其他状态的仿真运行。

协议配置中断用于指示终端加载对应的协议体制，并触发启用状态监听，终端监听并根据状态转移事件中断指示，触发进行入网或业务申请等操作，更新协议状态；终端位置加载中断用于触发加载终端位置信息，对终端的移动行为进行仿真；业务中断触发业务发生器生成指定大小和类型的业务包，触发终端进行相应的业务操作；事件仿真器中事件全部处理完成以后，本次仿真任务结束，继续进入任务监听状态，根据下一个仿真任务指示进行相应操作，直到仿真结束。

2.2.2 卫星建模

根据配置管理层下发卫星的仿真任务，配置卫星工作模式、协议类型、运动轨迹等参数，控制卫星的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，卫星需要进行多种状态切换，则需要对卫星可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，卫星节点模型状态转移图如图5 所示，具体状态转移如下。

卫星完成仿真初始化后，根据配置管理层下发的卫星仿真任务，解析形成一系列仿真事件中断，推进卫星节点的仿真运行。

当进行卫星位置更新时，通过调用STK 接口，完成当前卫星运动轨迹信息的加载；根据用户配置的卫星工作模式，加载相应的卫星载荷类型，如果配置星上处理工作模式，则同时加载用户配置的协议体制模型。

图5 卫星节点模型状态转移

2.2.3 信关站建模

根据配置管理层下发到信关站的仿真任务，配置信关站工作模式、协议类型、无线资源管理算法等属性，控制信关站的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，信关站需要进行多种状态切换，则需要对信关站可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，信关站节点模型状态转移图如图6 所示，具体状态转移如下。

图6 信关站节点模型状态转移

与终端类似，协议配置中断用于指示信关站加载对应的协议体制，当完成协议栈加载后，相应协议模块开始监听事件仿真器生成的其他事件中断，并根据事件指示推进协议流程的有序运转。

3 仿真平台工作流程分析

卫星移动通信系统仿真平台完成一次基本通信工作流程如图7 所示，具体如下。

（1）仿真平台在（帧号,时隙号）=（0,0）时刻启动，相应开启了配置管理单元、系统存储数据库、统计分析和态势呈现等4 个线程。

（2）用户输入仿真需求参数集，配置管理单元根据参数集对应的配置参数进行解析，并基于解析后转化生成的配置参数进行相应的加载或配置：

仿真场景配置从系统存储数据库中加载终端、信关站、卫星等通信节点，同时配置终端类型、天线类型、卫星信道类型等通信节点或基础通信模型的类型。

网络规划配置通过联合仿真场景配置设置卫星轨道高度、各类通信节点的地理位置、卫星波束数量、卫星天线角度等参数，同时对卫星波束无线资源进行静态配置，包括每个波束初始可用的工作总带宽、发射总功率等；此外根据加载的用户自定义均衡算法，实现仿真过程中不同卫星之间、不同波束之间的无线资源动态协调。

仿真行为配置加载终端移动轨迹、卫星工作模式、通信协议体制和算法等模型，同时生成终端、信关站和卫星等通信节点的一个或多个仿真任务。

统计参数配置设置需要重点观测的系统性能指标参数集合及其参数统计方式。

（3）开始进行小区搜索、接入请求、业务请求、业务运行、退网等基本通信流程的仿真。

（4）仿真过程中记录用户信息、业务信息和仿真性能指标等，并将上述数据实时存入统计数据库中，实现统计分析功能。

（5）分析数据库中存储的统计数据，进行指定关键流程展示、性能指示曲线展示等，实现态势呈现功能。

图7 卫星移动通信系统级仿真平台的工作流程

4 仿真平台验证

4.1 系统仿真参数设计

基于本文设计的卫星移动通信系统级仿真平台，选择卫星移动通信中重要的、典型的随机接入过程进行仿真，仿真参数配置如表1 所示。

表1 仿真参数配置

其中，关于涉及退避时间和延迟时间的参数考虑为：终端发送RACH 后，若2 秒内未收到网络侧的接入响应，则触发随机退避重发RACH，重传次数NRa取1、2、3 时对应退避时间t ∈[1,4)*0.04秒、t ∈[1,8)*0.04 秒、t ∈[1,16)*0.04 秒，其 中t ∈[1,4)指t 从1 到3 区间中随机取一个整数，以此类推。配置RACH 最大发送4 次，若终端尝试发送4 次RACH，仍未成功收到随机接入响应，则认为接入失败。

随机接入选择时隙ALOHA(S-ALOHA)机制有前导码方案[13]，其具体接入流程见图8。为充分验证系统有效性，随机选择1000个样本点数进行仿真，即用户数配置为20 个、60 个、100 个时，分别需要仿真50 次、17 次、10 次。

图8 随机接入流程

4.2 仿真结果分析

不同终端数目随机接入时间的累计分布概率CDF 曲线如图9 所示，不同终端数目平均随机接入时间仿真结果如图10 所示。

图9 不同终端数目随机接入时间的CDF

图10 不同终端数目平均随机接入时间

卫星采用透明转发模式，仅考虑信令空口传输时延，单条信令传输时延可表示为：

其中，DUE_WX表示终端与卫星之间的距离，单位：米，DWX_XGZ表示卫星与信关站之间的距离，c 为 光 速3×108m/s。设 置DUE_WX与DWX_XGZ均 取3.6×107m，则tdelay约等于0.24 秒。

（1）理论数据计算

以100 个用户为例，前导码16 个，首次最多接入16 个用户，统计得到仿真初始化、终端同步和接收系统广播用时2 秒左右，4 条接入消息传输总时延为4*tdelay=0.96 秒，故理论上的首批终端接入时间为2.96 秒；

剩余未接入用户数84 个，在退避窗口内包含3个PRACH 发送时机，结合16 个前导码，第二次理论最多能接入48 个用户，连同首次接入的16 个用户，共接入64 个，考虑到RAR 响应监听需要2 秒，故第二次发起接入起始时间点为第4 秒，退避时间0.04 秒～0.12 秒，再加上接入消息传输时延，第二次接入时间理论是5 秒～5.12 秒；

剩余未接入用户数36 个，本次退避窗口内最多包含7 个PRACH 发送时机，下次理论最多能接入112 个用户，发起时间点大约在第6 秒，退避时间0.04 秒～0.32 秒，第三次接入时间大约在7 秒～7.5 秒；

同时，由于前导码序列选择的随机性，导致完成3 次接入后，仍有少量用户存在碰撞，根据前述分析，第四次接入时间理论是9 秒～10 秒。

（2）仿真结果

上述理论计算得出的4 个拐点，与图9 中曲线4 个拐点基本一致。同时，图10 仿真结果表明，随着用户数增加，碰撞的几率增大，平均随机接入时间增大。通过上述仿真，初步验证了仿真平台设计的可行性。

5 结 语

卫星移动通信系统目前处于高速发展阶段，新一代卫星移动通信系统的组网架构、协议体制和关键技术等都处于待论证状态，卫星网络的技术体制本身十分复杂，基于实际系统开展研究的操作流程繁琐、不易实现。为了方便科研人员开展相关技术的预研工作、缩短开发周期，本文设计了能支持多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网的系统级仿真平台架构，并针对配置管理层和存储管理层的主要模型进行分析设计；其次，研究了仿真平台工作流程；最后，选择卫星移动通信中典型的随机接入过程进行仿真，验证了本文设计的系统级仿真平台的有效性。