衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)度仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)研究*

馬駿超 郭福亮 曾 斌

(1.海軍工程大學(xué)計(jì)算機(jī)系 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)度仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)研究*

馬駿超1郭福亮1曾 斌2

(1.海軍工程大學(xué)計(jì)算機(jī)系 武漢 430033)(2.海軍工程大學(xué)管理工程系 武漢 430033)

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的負(fù)載設(shè)備不斷測(cè)量采集數(shù)據(jù),并通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),根據(jù)任務(wù)要求調(diào)度星載設(shè)備并進(jìn)行路由是當(dāng)前的研究重點(diǎn)問題。因此需要建立一種仿真工具,能夠?qū)πl(wèi)星通信鏈路、路由策略以及調(diào)度算法進(jìn)行模擬和性能評(píng)估。為此提出了該仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)思想,并論述了系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù),包括星間路由、設(shè)備負(fù)載調(diào)度以及信道仿真算法等。最后給出了一個(gè)典型仿真腳本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò); 星間路由; 網(wǎng)絡(luò)仿真; 設(shè)備調(diào)度

Class Number TP301

1 引言

為了充分展示衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在分布資源管理以及全球監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì),需要采用更新的通信網(wǎng)絡(luò)仿真手段。這種全方位的仿真技術(shù)將涵蓋網(wǎng)絡(luò)層、協(xié)議層、信息發(fā)布層以至表達(dá)層等各個(gè)方面,以便能夠表達(dá)出海、陸、空、天一體化的網(wǎng)絡(luò)特性。所以仿真對(duì)象的范圍也非常廣泛,包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性、衛(wèi)星上下行鏈路(UDLs)、星間鏈路、衛(wèi)星負(fù)載調(diào)度、傳輸協(xié)議、星間和星地路由以及天基流量等。

盡管現(xiàn)在從不同角度研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的文獻(xiàn)有不少[1～2],但衛(wèi)星設(shè)備級(jí)調(diào)度方面的研究還很少。為此本文主要討論如何設(shè)計(jì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真的架構(gòu),該架構(gòu)指明了要建立一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真模型需要對(duì)哪些基本元素進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)這些元素提出設(shè)計(jì)方案。研究人員可以利用這個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu),設(shè)計(jì)符合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究人員需要的各種網(wǎng)絡(luò)仿真模型,并可以對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中鏈路層協(xié)議、路由機(jī)制、傳輸層協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以至應(yīng)用類型等各個(gè)方面進(jìn)行研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分：

1) 仿真節(jié)點(diǎn)：仿真節(jié)點(diǎn)仿真的對(duì)象主要為衛(wèi)星或地面站。

2) 仿真管理器：監(jiān)控整個(gè)仿真場(chǎng)景的運(yùn)行。

3) 數(shù)據(jù)通道：節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。

4) 控制通道：管理器與仿真節(jié)點(diǎn)之間的命令傳輸通道。

5) STK：本系統(tǒng)利用STK來執(zhí)行有關(guān)具體衛(wèi)星的軌道計(jì)算。

系統(tǒng)的工作流程如下：

1) 用戶根據(jù)自己的需求建立仿真場(chǎng)景的配置文件,其格式由系統(tǒng)通過XML語言規(guī)范,并通過控制臺(tái)把它提交給仿真管理器。

2) 仿真管理器遠(yuǎn)程啟動(dòng)STK,并以客戶端的形式建立與STK的TCP連接。

3) 仿真管理器接著啟動(dòng)控制通道、數(shù)據(jù)通道以及節(jié)點(diǎn)控制器。

4) 節(jié)點(diǎn)控制器根據(jù)場(chǎng)景配置文件發(fā)送相應(yīng)命令至各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn),使之進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。

5) 仿真運(yùn)行過程中,仿真管理器的STK接口把各仿真節(jié)點(diǎn)以及自身內(nèi)部模塊的計(jì)算請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給STK,并回傳對(duì)應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文。請(qǐng)求/應(yīng)答報(bào)文的類型主要包括當(dāng)前仿真時(shí)刻、指定衛(wèi)星處于視距(LOS)通信的持續(xù)時(shí)間、指定衛(wèi)星對(duì)之間的距離、衛(wèi)星的軌道位置等,這些消息都緩存在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

6) LOS事件保存在事件隊(duì)列中,當(dāng)事件時(shí)鐘到達(dá)后通過調(diào)用相應(yīng)事件處理程序重新計(jì)算星際路由,并把路由更新消息發(fā)送至各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)。

7) 調(diào)度模塊從STK接口獲取衛(wèi)星位置信息,從地理信息庫獲取地表信息,利用它們計(jì)算衛(wèi)星負(fù)載的調(diào)度時(shí)間,并產(chǎn)生調(diào)度事件,通知衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8) 仿真節(jié)點(diǎn)從控制通道獲取路由更新及調(diào)度消息,并執(zhí)行自己的功能模塊,如根據(jù)調(diào)度事件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)類型的數(shù)據(jù)流,根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送等。

9) 節(jié)點(diǎn)控制器從各仿真節(jié)點(diǎn)中獲取狀態(tài)信息,并發(fā)送到顯示終端。

3 仿真管理器

本文重點(diǎn)介紹仿真管理器采用的路由算法和調(diào)度算法。

3.1 路由算法

系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)路由算法,利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)來動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑。

3.1.1 上下行鏈路路由

為了降低衛(wèi)星切換概率,選擇對(duì)地面站G具有最大剩余覆蓋事件的衛(wèi)星S作為UDL出口路由器。其算法為：

從STK中獲得并計(jì)算的參數(shù)有：rf:衛(wèi)星S覆蓋區(qū)的半徑。rf=R·[arccos(R/rs·cosθmin)-θmin],其中R為地球半徑,rs為衛(wèi)星軌道半徑,θmin為地面站G的最小仰度角;(v,δ):衛(wèi)星S覆蓋區(qū)的移動(dòng)速率及方向;G(ag,og):地面站G的緯度、經(jīng)度;S(as,os):衛(wèi)星S的緯度、經(jīng)度。

1) 計(jì)算S相對(duì)G的方位角(AM)：

sinα=sin|og-os|sinas/sinγ

(1)

cosγ=cosagcosascos(os-og)+sinagsinas

(2)

(3)

2) 計(jì)算S相對(duì)于G的剩余覆蓋時(shí)間：設(shè)時(shí)刻T后,衛(wèi)星從位置P移動(dòng)到位置P′,且這時(shí)地面站處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)邊界,PP′表示事件T內(nèi)衛(wèi)星的移動(dòng)路徑。

如果P,P′和G處于一條直線：

(4)

否則ε=∠GPP′=|π-|AM-δ||,在球面三角形GPP′上采用sine函數(shù)

(5)

則PP′可被寫為

(6)

(7)

3.1.2 星間鏈路路由

當(dāng)前研究較為廣泛的星間路由協(xié)議PRP(基于概率的路由協(xié)議)把具有最小切換開銷的ISLs作為最優(yōu)路徑。這種方法的缺點(diǎn)是假設(shè)鏈路開銷是時(shí)間和位置的線性函數(shù)[3]。但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在用于實(shí)時(shí)監(jiān)控(如C4ISR)時(shí),它的流量是動(dòng)態(tài)相關(guān)的,當(dāng)調(diào)度流量的突發(fā)性較大時(shí),該算法會(huì)導(dǎo)致PRP路徑出現(xiàn)擁塞情況,而且PRP算法也較為復(fù)雜。而文獻(xiàn)[4]認(rèn)為具有最小跳躍次數(shù)的路徑才能最大限度地減少資源消耗。我們的算法也是基于該論點(diǎn)。

(p,q)：目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在衛(wèi)星矩陣中的坐標(biāo)。

3) 路徑選擇規(guī)則：從源到目的的路徑集合中,計(jì)算每條路徑的流量,其中流量最小的路徑為最優(yōu)選擇。

(8)

4) 約束條件：

(9)

一旦仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)出連接請(qǐng)求或鏈路狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),即可利用修改的Dijkstra算法來搜索具有最小開銷的路徑。這種算法所要求的計(jì)算量小,可以在ISL帶寬可變的條件下尋找最優(yōu)路徑[5],比較適合采用不同類型衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的天基拓?fù)洵h(huán)境。它把鏈路負(fù)載(數(shù)據(jù)流)直接作為路徑開銷并認(rèn)為具有最大可用帶寬的路徑開銷最小。

3.2 調(diào)度算法

當(dāng)衛(wèi)星處于某一空間軌道坐標(biāo)時(shí),如果所能觀測(cè)的地表類型與預(yù)設(shè)的目標(biāo)類型相符合時(shí),星載設(shè)備開始工作,收集數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)流量。我們通過一個(gè)JPEG文件來表示地表數(shù)據(jù)。衛(wèi)星所關(guān)心的地理目標(biāo)用特殊符號(hào)表示,并把其作為JPEG文件中對(duì)應(yīng)位置的象素值。算法如下：

1) 調(diào)度算法的輸入?yún)?shù)(從STK得到)有：衛(wèi)星在處于某一軌道坐標(biāo)時(shí)的時(shí)間、衛(wèi)星需要觀測(cè)的目標(biāo)類型,軌道周期。

2) 利用JAVA圖像庫獲取在該軌道坐標(biāo)下所能觀測(cè)的地表信息。

3) 沿著衛(wèi)星后續(xù)坐標(biāo)點(diǎn)掃描地表,并計(jì)數(shù)i。

4) 當(dāng)?shù)乇碇蹬c目標(biāo)值相同時(shí),計(jì)數(shù)i停止。

5) 由于已知軌道周期以及坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目,所以可以計(jì)算出從一個(gè)坐標(biāo)到另一個(gè)坐標(biāo)的時(shí)間。因此根據(jù)i就可以計(jì)算出衛(wèi)星設(shè)備打開的時(shí)間。

6) 隨后算法繼續(xù)沿著運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)掃描地表并計(jì)數(shù)j,當(dāng)發(fā)現(xiàn)地表值已不再符合時(shí),停止計(jì)數(shù)j,這時(shí)可以利用j計(jì)算出設(shè)備負(fù)載的持續(xù)工作時(shí)間,即流量的持續(xù)時(shí)間。

7) 把設(shè)備的開啟持續(xù)時(shí)間、關(guān)閉持續(xù)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的流量類型放入事件隊(duì)列中。

4 仿真節(jié)點(diǎn)

仿真節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要功能是對(duì)天基信道鏈路進(jìn)行建模。由于各個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)距離遙遠(yuǎn)而且遭受干擾較多,所以對(duì)天基鏈路的仿真應(yīng)該反映出其高延遲、位錯(cuò)率以及信號(hào)衰減[6]等特性。

4.1 BER仿真

在衛(wèi)星信道中采用較多的調(diào)制方法為四相移相鍵控(QPSK)。這時(shí)所需帶寬可表示為

BN=(1+ρ)Rb/2

(10)

其中ρ為滾降值。當(dāng)采用提升Cosine濾波時(shí),ρ一般為0.3左右。

接收方的信號(hào)輻射流密度(天線每單元所捕獲的信號(hào)能量)可被表達(dá)為

DM=EIRP/(4πr2)

(11)

其中r為傳送方到接收方的距離,即地面站和衛(wèi)星間距離,EIRP(等效全向輻射功率)為傳輸天線增益和傳輸功率的綜合效果。

設(shè)[X]為X的分貝值,即[X]=10log10XorX=10[X]/10。信號(hào)噪聲比SNR可表達(dá)為

[C/N]=[PR]-[PG]

(12)

其中PR為所接收到的傳輸功率,PG為高斯白噪聲。

接收方天線增益(GR)可表示為

GR=4πηA/λ2

(13)

其中A(天線效率)一般為0.55。λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

所接收的功率即可表達(dá)為

[PR]=[EIRP]+[GR]-[Losses]

(14)

其中[Losses]包含自由空間損耗(FSL),接收方線損耗以及傳輸路徑損耗,FSL可表達(dá)為

[FSL]=10log(4πr/λ)2

Boltzman′常數(shù)[K]=-228.6。高斯噪聲可表達(dá)為PG=KTGBN=NoBN。所以PG可表示為

[PG]=10log10(KTGBN)

(15)

則整條線路的信噪比[C/N]可表達(dá)為

[C/N]= [EIRP]+[GR]-[Losses]

-[K]-[TN]-[BN]

(16)

上式的另一種表達(dá)為

[C/N]=[EIRP]+[G/T]-[Losses]-[K]-[BN]

(17)

由于信號(hào)噪聲密度比

[C/NO]=[C/N]+[BN]

(18)

所以有下式

[C/NO]=[EIRP]+[G/T]-[Losses]-[K]

(19)

利用飽和流密度式(11)和式(19)可寫成

[C/NO]=[DM]+[Ao]+[G/T]-[Losses]-[K]

(20)

其中Ao為以GHz為單位的頻率函數(shù)。

此時(shí)整條鏈路單位頻段內(nèi)位能量與噪聲比為

[Eb/No]=[C/No]-[Rm]=C/N]+[BN]-[Rm]

(21)

對(duì)于QPSK而言,Rm的值為4。

對(duì)于以QPSK調(diào)制的衛(wèi)星信號(hào),BER可用[Eb/No]計(jì)算

(22)

由于一條完整的衛(wèi)星信道包含上、下行兩條鏈路,設(shè)(N/C)U和(N/C)D分別表示上、下行鏈路的噪聲信號(hào)比,則文獻(xiàn)[4]已經(jīng)證明：

N/C=(N/C)U+(N/C)D

(23)

上式可進(jìn)一步寫成

最后利用[C/N]=-[N/C],則完整信道的[C/N]可寫成

(24)

同理,完整信道的Eb/No和BER可按式(24)方法計(jì)算得到。

由于(N/C)U和(N/C)D可以根據(jù)STK報(bào)告計(jì)算得到,利用帶寬BN按上述公式可求出[C/No],[Eb/No]和BER。

4.2 延遲控制

STK以秒為步長(zhǎng)發(fā)送報(bào)文,延遲控制程序利用STK的“接近報(bào)告”消息獲取衛(wèi)星進(jìn)入通信范圍內(nèi)的持續(xù)時(shí)間(接近時(shí)間)[7]。進(jìn)一步,對(duì)于衛(wèi)星對(duì)的每一次接近,算法都要計(jì)算出延遲保持相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的相互距離。

延遲控制算法如下：

1) 欲發(fā)送的報(bào)文緩存到一個(gè)FIFO隊(duì)列中,且隊(duì)列長(zhǎng)度與該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路的傳輸容量相等。

2) 當(dāng)隊(duì)列中的報(bào)文被延遲了報(bào)文頭中指定的時(shí)間后即可出列。出列的報(bào)文數(shù)應(yīng)該與傳輸鏈路能夠容納的報(bào)文數(shù)相等。

3) 出列的報(bào)文數(shù)(Nf)按以下方法計(jì)算。該計(jì)算需要兩個(gè)參數(shù)：傳輸時(shí)間(dt)和傳播延遲(dp)。

dt=Sp/BN·Sp(Average Packet Size)

(25)

Nf=dp/dt

(26)

4) 在算法中需要考慮的另一個(gè)參數(shù)是延遲抖動(dòng),由于衛(wèi)星相互距離不斷變化,延遲也會(huì)發(fā)生改變,這種變化會(huì)使隊(duì)列長(zhǎng)度也跟著發(fā)生變化。從STK對(duì)不同軌道衛(wèi)星距離給出的延遲結(jié)果得出,最大的延遲抖動(dòng)為每分鐘3秒,也就是隊(duì)列長(zhǎng)度在約25個(gè)報(bào)文范圍內(nèi)變化,這種變化是比較平滑的。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們?cè)O(shè)置了不同的仿真場(chǎng)景在該系統(tǒng)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),現(xiàn)對(duì)其中一個(gè)場(chǎng)景的仿真結(jié)果作簡(jiǎn)要分析說明。

例如一個(gè)3軌道,每軌道8顆均勻分布的衛(wèi)星的星座場(chǎng)景,加上一個(gè)地面站。其配置如下

表1 24個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的仿真場(chǎng)景

該場(chǎng)景能夠以小于30顆的衛(wèi)星對(duì)地球進(jìn)行最大范圍的覆蓋。其中SMA為橢球長(zhǎng)半軸,Ecc為軌道偏心率。Inc為軌道傾角,AoP為近地點(diǎn)俯角,RAoA為升交點(diǎn)赤經(jīng)。

該仿真場(chǎng)景中有五種對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的調(diào)度類型1,2,3,4 or 5。1為觀測(cè)陸地和海洋;2為觀測(cè)陸地和冰原;3為觀測(cè)海洋和冰原;4為觀測(cè)沙漠和綠洲;5為觀測(cè)陸地、海洋和冰原。

表2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景配置

結(jié)果如表3所示。

表3 調(diào)度結(jié)果

ON表示衛(wèi)星被調(diào)度開啟的時(shí)刻,OFF為衛(wèi)星負(fù)載持續(xù)工作時(shí)間。

6 結(jié)語

本文闡述了建立衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型的各個(gè)元素,并闡述了如何建立各種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及如何建立空間環(huán)境下的鏈路。接下來,通過對(duì)一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)和對(duì)仿真結(jié)果的分析,對(duì)文章所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真架構(gòu)的可靠性和對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信仿真的支持性進(jìn)行了驗(yàn)證。

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Simulation Tool Design for Equipment Scheduling of Satellite Networks

MA Junchao1GUO Fuliang1ZENG Bin2

(1. Department of Computer, Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. Department of Management, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

As satellite equipments in the satellite network keep on making measurements and gathering data which are forwarded by the inter-satellite node, therefore it is important to design a simulation tool for the performance evaluation and modelling of satellite communication channel, routing methods and scheduling algorithms. An architecture and design of the simulation system is proposed, which describes the key technologies including inter-satellite routing, equipment scheduling and channel simulation. Finally the experiment data is given according to a typical simulation scenario.

satellite networks, Inter-satellite routing, network simulation, equipment scheduling

2014年6月11日,

2014年7月29日

馬駿超,男,碩士研究生,研究方向:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。郭福亮,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用。曾斌,男,教授,研究方向:網(wǎng)絡(luò)管理及信息管理。

TP301

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.016