卫星通信网络技术体制验证*

2022-02-12翟华

电讯技术 2022年1期

翟华

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

目前，针对大型、复杂网络的技术体制验证方法在国内外均开展了大量研究[1-3]。从近几年网络验证方法发展与验证环境构建情况来看，逐渐呈现出由单机/单设备验证向网络综合集成验证演进、由传输链路验证向网络化组网通信验证演进、由阶段性验证向全链条验证演进、由特定场景下的验证向分布式环境联合验证演进、由关键技术试验验证向网络体制综合验证演进的趋势。目前，在空间网络，尤其是天基信息网络领域，关于技术体制验证方法的研究仍缺乏理论、系统性的描述，在网络集成方法、体制验证标准、网络性能评价准则等方面仍有待进一步完善。

卫星通信网络是以卫星平台为载体，为陆、海、空、天各类用户提供全球覆盖、宽带高速、随遇接入等通信服务的复杂网络系统，通常采用多节点部署、星间、星地互联的方式构建，具备天基组网通信、数据广播分发、数据中继、天地互联通信等能力[4-7]。卫星通信网络的研制建设存在网络复杂、规模庞大、研制周期长、工程投入大以及网络兼容难等诸多问题[8-14]，需要开展试验验证工作，对网络的架构、技术体制、关键技术和潜在问题等进行有效验证，以确定网络技术体制和指标体系，从而为卫星通信网络的研制建设提供技术支撑。然而，目前卫星通信网络领域技术体制验证方法缺乏理论性、系统性研究。为解决此问题，本文首先针对卫星通信网络技术的典型试验验证方法进行了分析，给出了全物理验证、数字仿真验证、半实物仿真验证[15-18]三种方法的优缺点分析，同时结合卫星通信网络特点，对适用于卫星通信网络的技术体制验证方法及验证内容进行了探讨，研究结果可为后续卫星通信网络建设工作的开展提供参考。

1 典型验证方法分析

通信网络的技术体制涵盖网络架构、传输技术体制、链路接入体制、网络协议、管理控制体制等多方面，针对通信网络的技术体制验证方法主要包括全数字仿真法、半实物验证法、全物理验证法等。

1.1 全数字验证法

全数字验证法通常基于通用服务器、计算机及专用仿真开发工具，采用抽象、简化的模型设计，实现对真实网络不同粒度、不同层次的仿真模拟，之后通过大量、反复的试验获取数据并进行性能统计分析。

采用全数字验证方法的关键在于网络中各类模型的构建，包括网络中的节点模型、链路模型、协议模型、业务应用模型等，模型设计的逼真程度直接影响数字验证方法所得结果的可信度。以网络中的某节点设备为例，构建节点模型需要首先对设备的输入、输出信号进行分析得到信号描述，然后对设备的工作流程进行抽象描述并采用仿真软件实现全流程模拟，如图1所示。

图1 节点模型构建示意图

为进一步提高数字验证方法验证结果的可信度，通常根据不同系统层次的特点、仿真验证内容等选取不同的专用仿真工具，可构建单点仿真验证环境，也可构建分布式仿真验证环境联合实现网络的整体性能仿真验证，如图2所示。

图2 分布式仿真环境示意图

数字验证方法具有实现简单、结果研制周期短、成本低等优点，尤其适合大规模节点、复杂网络的建模及性能仿真。尽管如此，数字验证方法也存在如下不足与缺点：

(1)经过抽象、建模、省略部分细节得到的体制模拟，缺乏可移植性，且无法真实还原被验证网络的真实体制与应用，部分测试结果缺乏物理解释；

(2)仿真验证环境下通常以概率统计特性描述通信网络的具体特征，忽略了小颗粒度单位(如单个数据包)可能遇到的问题，从而导致与实际网络测试结果有差异；

(3)仿真环境不能完全模拟自然环境、人为因素等真实网络运行中存在的部分外界影响因素，并且试验的耗时并非网络真实的运行时间，而是受限于其使用的硬件平台性能，因此对复杂网络的模拟可能超出预期的等待期限。

1.2 半实物验证法

半实物验证法是将数字验证与物理验证有机结合起来形成的一种验证方法，其目的在于兼备两种验证方法的优势，从而在保证真实可信的基础上方便、灵活地实现对网络技术体制的验证。

在半实物验证中，将目标网络中部分节点或者链路采用真实的物理设备实现，其余节点采用数字模拟手段来代替。同时，实际物理环境与数字仿真系统之间进行数据交互，既能够满足网络体制在实现上的真实性，又能够保证网络运行过程中的实时性。因此，半实物验证方法具有还原程度高、构建成本较低、扩展性与伸缩性强等特点。图3给出了半实物验证法的环境构建示意。

图3 半实物验证环境示意图

考虑到全数字仿真模拟试验环境在链路传输特性、网络拓扑结构、用户移动性等方面与真实的空间多星环境存在较大差异，所设计的半实物验证系统中需要设置可支持物理性能验证的最小原型系统。如图3所示，为保障星地及星间链路性能仿真，需设置至少2颗卫星节点；为保障接入性能、路由性能及管控性能仿真，需设置至少1个用户节点、1个地面管理节点及与之相连的地面网络，其余节点可通过数字模拟进行仿真。

尽管如此，半物理验证方法在环境构建过程中也存在三个难点问题。

(1)科学合理划分物理节点、数字节点边界。如何在复杂网络节点中挑选出哪些采用物理设备、哪些采用数字模拟实现，直接决定了半物理验证环境构建与验证科目的可行性。一般情况下，涉及到大规模用户、多组参数配置反复测试或者其他物理设备不易调试的场景可采用数字模拟节点实现，其余场景优先使用物理设备环境。

(2)标准化交互接口设计。复杂网络系统验证中，往往涉及多类物理设备，其接口形式复杂多样，如何设计物理设备节点与数字模拟节点间的信息交互接口也是难点之一。实际操作中，首先应对设备接口进行规范，在特殊情况下也可以通过适当增加接口转换设备来实现。

(3)统一合理的数据结果处理。物理设备实测数据与数字仿真指标数据具有较大的差异性，如何进行统一化数据处理与性能评估，关系到半实物验证的实用性。经过对数据的去量纲化、归一化处理并采用合适的评估算法是解决这一难题的有效途径。

1.3 全物理验证法

全物理验证法是严格按照网络建设中的网络架构设计、接口设计、信息流程等，利用网络内各节点的实物设备，采用完全真实的物理链路、技术体制以及上层应用软件，构建全物理的体制验证环境。一般情况下，为减少研制周期、降低成本投入，全物理验证大多采用搭建最小规模原型系统的方式，在保证网络功能体系完备、验证项目齐全的基础上，尽量减少冗余链路与设冗余备参与。另外，针对卫星通信网络中的卫星节点、航天器用户等天基节点，也可采用地面模拟设备代替，并通过微波/激光链路模拟设备最大程度还原空间环境对传输链路带来的影响。

采用全物理的验证方法，能够尽可能地贴近实际工程系统，真实反映各类技术体制、各节点设备在网络运行过程中的状态，可提高验证结果的逼真度、可信度，同时方便对设备的调试与完善。图4给出了卫星通信网络全物理验证环境的构建示意图。

图4 全物理验证环境示意图

全物理验证方法受限于环境规模、研制周期等因素，也存在一定的不足。

一是网络规模受限，无法验证部分多用户、大容量的场景。全物理验证的环境不等同于实际的网络环境，因此在构建的最小原型网络环境中，一般很难实现大规模用户设备的调装与联试，无法对部分体制开展验证。

二是由于研制周期具有不确定性，导致验证实施计划不可控。一方面验证环境的搭建需要各类设备状态可靠、接口关系稳定之后开展，并且更改测试条件时对参数的配置耗时较长，导致测试效率低下；另一方面，在验证过程中发现的问题需要设备间反复调试确定，且可控性、可重复性较差，一旦发现问题需等待部分单机设备修改完善后方可进行下一步。因此，物理验证方法通常需要较长的研制周期。

三是全要素、全流程的体制验证成本较高。由于物理验证环境涉及的设备种类繁多、接口复杂，在环境构建与试验过程中需要耗费大量的人力、物力，造成较高的成本。

综上所述，全物理验证、全数字验证、半实物验证方法的优缺点对比如表1所示。

表1 典型验证方法优缺点对比

2 卫星通信网络技术体制验证

2.1 网络架构

未来的全球覆盖卫星通信网络由空间段、地面段和用户段三个部分构成，如图5所示。

图5 卫星通信网络架构

空间段主要由多个卫星节点组成，卫星节点具备陆、海、空、天各类用户接入以及大容量传输交换能力，多个卫星节点之间通过微波或激光星间链路实现互联。

地面段包括所有与空间段节点有关的基础设施，承担着支撑网络运行的任务，主要包括运行管理管理中心、关口站等。关口站通常配置微波或激光链路，完成与卫星节点间的通信。

用户段包括陆、海、空、天各类卫星终端，通常具备通过微波或激光链路接入卫星通信网络的能力，为用户提供通信传输服务。

2.2 技术体制架构

参考通信网络分层结构模型，卫星通信网络的技术体制涉及物理层、链路层、网络层以及管理控制、安全保密等各方面的技术体制，技术体制框架如图6所示。

图6 卫星通信网络技术体制框架示意图

其中，物理层的链路传输体制主要包括微波链路传输体制、激光链路传输体制，以及自适应传输体制等；链路层的接入控制体制主要包括信令接入体制、业务接入体制等；网络层的路由交换体制包括微波交换体制、激光交换体制、光电混合交换体制，以及标准路由、自定义路由等。此外，还包括管理控制面的网络管理、资源管理体制，以及安全保密体制等。

2.3 验证方法

由卫星通信网络的网络架构、技术体制架构可以看出，一方面，卫星通信网络所需验证的技术体制涉及的方面较多，尤其在接入控制体制、管理控制体制等验证时，需要针对大规模用户下的网络压力能力进行测试，因此无法单纯依靠物理试验环境实现；另一方面，网络中可能会涉及到激光或微波链路混合传输体制，以及陆/海/空/天用户，尤其是针对天基用户，通过数字验证方法不能使验证结果达到预期的真实、可信程度。综上所述，卫星通信网络体制验证较适合采用半物理验证方法。

为充分验证、评估卫星通信网络各个层面的技术体制，本文所搭建的卫星通信网络体制验证环境由物理试验验证系统、数字仿真验证系统，以及配套的性能评估系统、综合显示控制系统等部分构成，如图7所示。

图7 天基网络体制验证环境构成示意图

(1)物理试验验证系统

物理试验验证系统由模拟卫星节点、地面关口站节点、网络管理控制中心、卫星用户终端以及相关的试验验证支撑等设备构成，能够覆盖星间激光或微波链路、激光或微波馈电链路、各类用户链路、网络管理控制等诸要素，实现最小原型系统构建。

(2)数字仿真验证系统

数字仿真验证系统采用分布式环境部署，具备卫星覆盖仿真、卫星可见性仿真、拓扑构型仿真、协议仿真、网络性能仿真、传输体制仿真等功能。考虑到卫星通信网络技术体制复杂、节点类型多，可采用基于云计算的开放式仿真平台，直接移植真实设备上运行的体制协议进行仿真测试与验证实现，提高逼真度与可信度。数字仿真验证系统组成以及与物理试验验证系统间的交互如图8所示。

图8 半实物验证环境构成

数字仿真验证系统中覆盖仿真、拓扑构型仿真等空间段系统相关仿真可采用通用仿真软件(如STK等)，也可根据系统仿真需求与场景设置，通过研制专用软件实现。

(3)性能评估系统

性能评估系统通过收集物理试验验证系统、数字仿真验证系统中各层面技术体制验证产生的各类数据，建立性能评估所需的数据资源库，构建包含系统链路传输、接入控制、路由交换、管理控制等能力在内的评估指标体系和评估模型，通过相应的评估模型和算法，对系统的技术体制及综合运行性能进行评估分析。

一般情况下，性能评估系统根据系统评估需求研制专用软件。在执行过程中包含建立评估指标体系、确定评估算法、展示评估结果等步骤。

(4)显示控制系统

显示控制系统通过网络接口对验证环境中的相关单元进行配置管理、运行控制和过程监测。采用与物理试验验证系统、数字仿真验证系统统一的接口，实现系统联动和信息交互。

2.4 验证内容

基于半实物试验验证环境，针对卫星通信网络重点开展以下方面的体制验证，如图9所示。

图9 体制验证内容

(1)网络架构验证

卫星通信网络支持多种形式的组网通信能力，需要对卫星通信网络的网络架构进行验证，包括网状组网、星状组网、点对点传输，以及混合架构等进行验证。限于物理试验验证系统的组网规模，该项验证内容适宜在数字仿真验证系统中进行。

(2)链路传输体制验证

卫星通信网络涉及到激光/微波多种传输链路，根据收发端节点类型的不同，链路分为骨干、馈电、用户等多种类型。针对每种类型传输链路的体制，需要从传输速率、误码率、丢包率等方面进行验证。该项验证内容需要实际环境作为支撑，适宜在物理试验验证系统中进行。

(3)路由交换体制验证

卫星通信网络支持不同速率需求的星间、星地、星与用户间的信息传输交换。路由交换体制验证主要包括标准路由、自定义路由，以及激光交换、微波交换、光电混合交换等体制验证。该项验证内容同时涉及真实协议体制，又涉及大规模用户以验证路由规模，因此需在物理试验验证系统、数字仿真验证系统中同步开展验证。

(4)接入控制体制验证

卫星通信网络支持陆、海、空、天不同类型的用户，需要满足各类用户的随遇接入需求。接入控制体制验证主要包括业务接入体制、信令接入体制等验证。同时接入控制体制验证需要大量用户参与以充分开展网络的压力测试，较适宜在数字仿真验证系统中进行。

(5)管理控制体制验证

卫星通信网络资源受限，可支持用户类型、数量多，因此需要对相应的管理控制体制进行验证，包括网络管理体制、资源管理体制、管理的流程、管理开销等。同时，需要大规模用户终端参与，以充分检验体制的合理性，可在物理试验验证系统、数字仿真验证系统中同步开展。

2.5 验证流程

卫星通信网络采用半实物验证方法进行体制验证时，根据验证内容可分别在物理试验验证系统、数字仿真验证系统中开展验证相应项目的测试；性能评估系统收集测试验证数据，建立对应评估指标体系、评估模型及算法，完成性能评估；系统评估结果反馈给物理试验验证系统、数字仿真验证系统，辅助进行关键体制参数调整，形成“验证、评估、反馈、调整、验证”的技术体制及系统性能评估闭环优化设计流程。整体验证流程如图10所示。