面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真技術(shù)

李乾治，王曉鋒，劉淵，葉海洋

（1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122；2.江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院，無錫 214122）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全球信息共享，特別是天地網(wǎng)絡(luò)融合的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)引起全球的廣泛關(guān)注[1-3]。空間網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、不受地理環(huán)境限制，與地面網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)天地信息共享是未來一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的目標(biāo)。作為具有戰(zhàn)略意義的國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)于維護(hù)國(guó)家利益、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義[4]。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、、移動(dòng)通信網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)融合而成，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度動(dòng)態(tài)，技術(shù)體制多樣，解決大量技術(shù)難點(diǎn)耗時(shí)耗資巨大，因此，需要建立天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)各類新技術(shù)與安全防御策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[5-6]。伴隨著云計(jì)算、虛擬化、SDN等的技術(shù)發(fā)展，基于虛擬化的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)成為當(dāng)前的主流[7-8]?；谔摂M化技術(shù)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真也得到了一定的研究[9-12]，可構(gòu)建具有天地一體化衛(wèi)星鏈路特性的仿真網(wǎng)絡(luò)。

有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的顯著特征是高度動(dòng)態(tài)變化[4]，包括衛(wèi)星軌道與姿態(tài)等實(shí)時(shí)變化等。文獻(xiàn)[9-12]通過衛(wèi)星鏈路特性參數(shù)事先計(jì)算與設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路特性的仿真，但難以應(yīng)對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。

針對(duì)上述問題，本文基于OpenStack云平臺(tái)[13]與衛(wèi)星工具包 STK（Satellite Tool Kit）[14]，提出了一種面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真方法。該方法使用衛(wèi)星工具包STK構(gòu)建基于理論計(jì)算的衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)，使用OpenStack構(gòu)建基于云平臺(tái)的衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)，并研究了衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)技術(shù)。動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)技術(shù)綜合了STK的衛(wèi)星理論模型實(shí)時(shí)精確計(jì)算優(yōu)勢(shì)與OpenStack云平臺(tái)（融合了虛擬化技術(shù)與SDN技術(shù)）的衛(wèi)星鏈路仿真的高吞吐量與靈活切換優(yōu)勢(shì)。一方面，通過衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)精確測(cè)算各種衛(wèi)星鏈路的特性參數(shù)，并將上述參數(shù)實(shí)時(shí)加載到衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中，可實(shí)時(shí)仿真出具有衛(wèi)星鏈路動(dòng)態(tài)特性的天地一體化網(wǎng)絡(luò)；另一方面，當(dāng)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化時(shí)（例如衛(wèi)星軌道與姿態(tài)調(diào)整等），衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)可將動(dòng)態(tài)變化加載到衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)中，觸發(fā)其進(jìn)一步實(shí)時(shí)計(jì)算并將動(dòng)態(tài)結(jié)果傳導(dǎo)到衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化仿真。

1 相關(guān)工作

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真與模擬的相關(guān)研究主要集中于面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型、基于離散事件模擬的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)字仿真以及基于虛擬化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真3個(gè)方面：

（1）面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型

STK[14]是進(jìn)行衛(wèi)星各種性能分析的軟件包，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建模和分析方面具有優(yōu)勢(shì)，可用于新理論模型的驗(yàn)證[15]，航天器三維模型動(dòng)畫演示[16]，衛(wèi)星覆蓋測(cè)算[17]，以及衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)結(jié)果評(píng)估[18]，但STK僅僅計(jì)算理論參數(shù)，并不能仿真實(shí)際協(xié)議與業(yè)務(wù)流量。

（2）基于離散事件模擬的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)字仿真

基于離散事件模擬（Discrete Event Simulation）技術(shù)的數(shù)字仿真被廣泛應(yīng)用于新型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)評(píng)測(cè)與驗(yàn)證中。文獻(xiàn)[19]基于NS2模擬了衛(wèi)星鏈路，并用于Abis接口的性能評(píng)估；文獻(xiàn)[20]基于OPNET模擬了MPLS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并用于評(píng)測(cè)服務(wù)質(zhì)量；文獻(xiàn)[21]對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的“星-地”鏈路進(jìn)行了建模，并基于OMNeT++軟件進(jìn)行了特性仿真；文獻(xiàn)[22]基于離散事件模擬技術(shù)仿真了“星-地”混合網(wǎng)絡(luò)，并用于分析吞吐量、延遲與誤碼率等方面的性能?；陔x散事件模擬的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)字仿真，可以構(gòu)建復(fù)雜的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能，且具有成本低、可擴(kuò)展性高的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)字仿真并不具備加載真實(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)與流量的能力，在仿真逼真性上具有一定的局限性。

（3）基于虛擬化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真

基于虛擬化、SDN等技術(shù)，可保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)與流量的逼真性，并具有仿真規(guī)模的可擴(kuò)展、仿真網(wǎng)絡(luò)可靈活構(gòu)建等優(yōu)勢(shì)，因此成為了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。

文獻(xiàn)[11]基于云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向延時(shí)容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Networks，DTN）的仿真平臺(tái)EmuStack，通過使用輕量級(jí)虛擬化技術(shù)提升了仿真規(guī)模，使用流量控制工具 TC（Traffic Control）對(duì)“星-地”鏈路的延時(shí)、通斷及丟包率進(jìn)行了仿真；文獻(xiàn)[8]基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的思想，借助于KVM全虛擬化技術(shù)與SDN技術(shù)，設(shè)計(jì)了虛擬路由器、虛擬交換機(jī)、虛擬鏈路等組件，并通過研究符合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、DTN網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的處理組件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、DTN網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星鏈路的仿真；文獻(xiàn)[9-10]基于云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，并重點(diǎn)研究了面向衛(wèi)星鏈路性能特性（如帶寬、延遲及誤碼率等）的仿真技術(shù)；文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種DTN網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試平臺(tái)TUNIE，利用虛擬化技術(shù)與SDN技術(shù)來仿真DTN環(huán)境，通過控制數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路時(shí)變比特率、誤碼率以及傳輸延遲的仿真。

文獻(xiàn)[8-12]的工作重點(diǎn)是基于虛擬化實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星鏈路性能特性的仿真，但所提的仿真方法僅僅是預(yù)先設(shè)置了仿真場(chǎng)景，并通過STK等工具對(duì)衛(wèi)星鏈路特性參數(shù)事先計(jì)算與靜態(tài)設(shè)置[9-11]，因此，不能滿足天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)態(tài)變化的仿真需求。

2 面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真架構(gòu)

2.1 動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)思路

STK的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型能夠有效刻畫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹㈡溌诽匦缘葎?dòng)態(tài)特性及衛(wèi)星在軌運(yùn)行、軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)變更等場(chǎng)景，可以準(zhǔn)確分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為，且具有成本低、管理簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性高的優(yōu)點(diǎn)，但并不能仿真實(shí)際協(xié)議與業(yè)務(wù)流量。云平臺(tái)OpenStack融合了虛擬化、SDN等技術(shù)，基于OpenStack的網(wǎng)絡(luò)仿真，不僅能夠運(yùn)行真實(shí)業(yè)務(wù)流量，而且仿真結(jié)果具有較高逼真度和可擴(kuò)展性，但OpenStack缺乏相關(guān)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型支持。為此，有必要綜合STK與云平臺(tái)兩者的優(yōu)勢(shì)，研究?jī)烧呷诤系奶斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)仿真方法。

考慮到天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)態(tài)變化，如何無縫融合STK與云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)、衛(wèi)星姿態(tài)變化等場(chǎng)景的實(shí)時(shí)仿真是關(guān)鍵。為此本文提出了面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真方法，其基本思路如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)思路

如圖1所示，動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)。衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)由STK生成，包含了組成天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的各種要素，如天基骨干衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星星座、各種航天器等，STK融合了衛(wèi)星軌道模型、大氣吸收模型、雨衰模型及衛(wèi)星通信信道模型等，可對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星軌道要素、衛(wèi)星接收機(jī)天線、發(fā)射機(jī)天線參數(shù)及衛(wèi)星通信品質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)由云平臺(tái)OpenStack生成，主要是基于全虛擬化技術(shù)與輕量級(jí)虛擬化技術(shù)，構(gòu)建天基骨干衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星星座、各種航天器等虛擬化仿真單元，并基于SDN技術(shù)，構(gòu)建虛擬化仿真單元間的基礎(chǔ)連接關(guān)系，形成了與衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)主要是用途是進(jìn)行天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算，衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的具體復(fù)現(xiàn)，是真正展開天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)驗(yàn)證的環(huán)境。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)處理與描述主要將衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)中的星間可見性、衛(wèi)星鏈路長(zhǎng)度、衛(wèi)星鏈路通信品質(zhì)等參數(shù)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為可實(shí)際進(jìn)行虛擬化仿真的通斷性、鏈路延時(shí)、鏈路誤碼率等參數(shù)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)差異化仿真主要使云平臺(tái)能夠逼真仿真出鏈路間歇性、延時(shí)及誤碼率等衛(wèi)星鏈路動(dòng)態(tài)特性。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)處理與描述方法以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)差異化仿真主要采用文獻(xiàn)[9-10]中所提技術(shù)，這里不再贅述。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)正向動(dòng)態(tài)控制主要將衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)計(jì)算獲得的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的各類衛(wèi)星鏈路的通斷性、鏈路延時(shí)、鏈路誤碼率等參數(shù)實(shí)時(shí)加載到衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中，借助于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)差異化仿真，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)的各類參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)正向動(dòng)態(tài)控制在第4節(jié)會(huì)重點(diǎn)展開介紹。

面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控主要監(jiān)測(cè)衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的各種可能動(dòng)態(tài)變化（例如通信鏈路、飛行器軌道、衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星姿態(tài)等），并將相應(yīng)變化實(shí)時(shí)反饋到衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)中，通過進(jìn)一步實(shí)時(shí)計(jì)算并將動(dòng)態(tài)結(jié)果傳導(dǎo)到衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)基于云平臺(tái)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化仿真。面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控在第5節(jié)會(huì)重點(diǎn)展開介紹。

2.2 動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真體系架構(gòu)

面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真體系架構(gòu)融合了OpenStack云平臺(tái)分布式架構(gòu)以及通過STKX接口實(shí)現(xiàn)的STK場(chǎng)景管控系統(tǒng)。如圖2所示，主要分為STK衛(wèi)星模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)及OpenStack云平臺(tái)兩部分，其中OpenStack云平臺(tái)主要包括控制節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、若干計(jì)算節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)均采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議NTP，選取控制節(jié)點(diǎn)時(shí)間作為統(tǒng)一時(shí)間參考，以保證各節(jié)點(diǎn)間的同步性與實(shí)時(shí)性。

圖2 天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真架構(gòu)

STK衛(wèi)星模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)層面，為OpenStack云平臺(tái)提供衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真源數(shù)據(jù)；OpenStack云平臺(tái)負(fù)責(zé)整個(gè)仿真平臺(tái)的控制層面，接收到仿真數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制天地一體化仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼靶l(wèi)星仿真鏈路的鏈路特性，保持衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)與STK衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c鏈路特性的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)融合而成。天地一體化網(wǎng)絡(luò)高性能仿真架構(gòu)采用多尺度融合仿真思想，融合全虛擬化技術(shù)KVM及輕量級(jí)虛擬化技術(shù)Docker，結(jié)合低軌與高軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)自身特性，采用不同的虛擬化技術(shù)，不僅提高了仿真性能還能避免物理資源浪費(fèi)。高軌骨干衛(wèi)星、信關(guān)站節(jié)點(diǎn)采用全虛擬化技術(shù)進(jìn)行仿真，能夠滿足天基骨干衛(wèi)星鏈路高通量需求；天基接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)則采用輕量級(jí)虛擬化技術(shù)進(jìn)行仿真，能夠滿足天基接入節(jié)點(diǎn)快速轉(zhuǎn)發(fā)需求。基于圖2，天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真總體工作流程如下（圖中步驟1至步驟5）：

步驟1.首先STK場(chǎng)景管控系統(tǒng)利用STKX接口初始化與STK的連接；

步驟2.STK場(chǎng)景管控系統(tǒng)加載STK場(chǎng)景文件，并設(shè)定STK中仿真場(chǎng)景相關(guān)參數(shù)，主要包括STK場(chǎng)景星歷時(shí)間、雨衰模型及大氣吸收模型、場(chǎng)景運(yùn)行步長(zhǎng)等參數(shù)；借助STK中3D模型與2D地圖模型中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖上鄳?yīng)衛(wèi)星場(chǎng)景的拓?fù)涿枋鑫募?；利用STK中的計(jì)算模型進(jìn)行鏈路計(jì)算分析，根據(jù)對(duì)對(duì)象間可見性建模計(jì)算出衛(wèi)星鏈路通斷，根據(jù)對(duì)鏈路距離建模計(jì)算出衛(wèi)星鏈路延時(shí)，根據(jù)對(duì)衛(wèi)星對(duì)象接收機(jī)、發(fā)射機(jī)建模計(jì)算出衛(wèi)星鏈路誤碼率；

步驟3.通過STK衛(wèi)星模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)與云平臺(tái)接口，推送衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋鑫募野匆欢〞r(shí)間步長(zhǎng)向云平臺(tái)上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)推送衛(wèi)星鏈路仿真源數(shù)據(jù)；

步驟4.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎?lián)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)解析拓?fù)涿枋鑫募馕鲂畔ü?jié)點(diǎn)信息及網(wǎng)段信息，節(jié)點(diǎn)信息主要包括節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)大小、衛(wèi)星鏡像類型；網(wǎng)段信息包括網(wǎng)絡(luò)名、網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)；

步驟5.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)仿真模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)控制云平臺(tái)中衛(wèi)星鏈路特性，主要包括鏈路通斷、延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)、數(shù)據(jù)分組丟失率及帶寬等。

步驟6.反向?qū)崟r(shí)調(diào)控模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真網(wǎng)絡(luò)中地面站針對(duì)衛(wèi)星的調(diào)控指令，包括軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)調(diào)控、太陽帆板閉合等動(dòng)態(tài)參數(shù)，虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將調(diào)控指令發(fā)送到計(jì)算模型的反向調(diào)控模塊，并且指令將被發(fā)送到STK模擬節(jié)點(diǎn)中的MATLAB上，由MATLAB遠(yuǎn)程控制STK對(duì)計(jì)算模型中相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道參數(shù)、太陽能帆板形態(tài)或者衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整。

3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)正向動(dòng)態(tài)控制

天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星鏈路特性多樣且具有時(shí)變性，仿真過程中對(duì)時(shí)變性要求最高的即為鏈路延時(shí)，原因在于衛(wèi)星一直處于不斷運(yùn)動(dòng)中，衛(wèi)星間鏈路長(zhǎng)度也在時(shí)刻變化。為此，重點(diǎn)介紹鏈路延遲參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制過程，其他參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制過程類似。

3.1 鏈路延遲參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制

面向鏈路延遲參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制過程仿真流程如圖3所示。主要步驟如下：

步驟1.鏈路延遲參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制驅(qū)動(dòng)引擎首先初始化與STK連接。

步驟2.完成初始化后驅(qū)動(dòng)引擎開始工作，獲取當(dāng)前時(shí)刻時(shí)間T。

步驟3.驅(qū)動(dòng)引擎利用MATLAB并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，使用STK接口函數(shù)stkAccReport獲取當(dāng)前時(shí)刻T下衛(wèi)星計(jì)算模型當(dāng)中衛(wèi)星鏈路長(zhǎng)度。

步驟4.根據(jù)衛(wèi)星鏈路長(zhǎng)度計(jì)算鏈路延時(shí)數(shù)據(jù)。

步驟5.驅(qū)動(dòng)引擎將鏈路兩端衛(wèi)星名、延時(shí)數(shù)據(jù)封裝成XML格式的延時(shí)報(bào)告，具體格式見圖3，并將該報(bào)告上傳至云平臺(tái)。

步驟6.云平臺(tái)解析延時(shí)報(bào)告，獲取鏈路兩端衛(wèi)星名、延時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星名匹配到相應(yīng)的虛擬衛(wèi)星鏈路，并行配置每條虛擬衛(wèi)星鏈路延時(shí)。

圖3 面向鏈路延遲參數(shù)的正向動(dòng)態(tài)控制

3.2 衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)鏈路延時(shí)并行動(dòng)態(tài)仿真

在衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)部署完成之后，對(duì)于仿真節(jié)點(diǎn)及仿真拓?fù)湫畔?，都將保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)鍵信息包括衛(wèi)星名、實(shí)例名、網(wǎng)段名等，關(guān)鍵屬性表如表1所示。

表1 拓?fù)湫畔?kù)屬性表

云平臺(tái)解析延時(shí)驅(qū)動(dòng)引擎上傳的XML格式的延時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告，將報(bào)告信息下發(fā)給圖2中鏈路延時(shí)聯(lián)動(dòng)模塊，主要包括發(fā)送方衛(wèi)星名、接收方衛(wèi)星名以及延時(shí)數(shù)據(jù)，延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)流程如下：

步驟1.查詢拓?fù)湫畔?kù)，根據(jù)發(fā)送方衛(wèi)星名sate_src與接收方衛(wèi)星名sate_dst，確定鏈路網(wǎng)段名net；

步驟2.根據(jù)鏈路網(wǎng)段名，確定云平臺(tái)上發(fā)送方衛(wèi)星sate_src的實(shí)例名Ins_name；

步驟3.根據(jù)鏈路網(wǎng)段名，確定云平臺(tái)上發(fā)送方衛(wèi)星sate_src與接收方衛(wèi)星sate_dst相連接的網(wǎng)卡MAC地址；

步驟 4.調(diào)用 Libvirt API，根據(jù) Ins_name與 MAC地址，獲取發(fā)送方衛(wèi)星sate_src在OVS上的虛擬網(wǎng)卡tap設(shè)備；

步驟5.在發(fā)送方衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)sate_src所在的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，使用TC流量限制策略在tap上建立網(wǎng)卡規(guī)則，若此前規(guī)則為空則直接建立netem隊(duì)列規(guī)則；若已存在則直接覆蓋當(dāng)前規(guī)則。

4 面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控

實(shí)時(shí)仿真過程中，不同的衛(wèi)星仿真行為往往導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路、飛行器軌道、衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星姿態(tài)等參數(shù)出現(xiàn)不可預(yù)料的調(diào)整，為此，面向衛(wèi)星虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真網(wǎng)絡(luò)中地面站針對(duì)衛(wèi)星的調(diào)控指令，包括軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)調(diào)控、太陽帆板閉合等動(dòng)態(tài)參數(shù)，研究實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)的反饋技術(shù)，將上述變化反饋到衛(wèi)星模型網(wǎng)絡(luò)中，通過進(jìn)一步實(shí)時(shí)計(jì)算并將動(dòng)態(tài)結(jié)果傳導(dǎo)到衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)基于云平臺(tái)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化仿真。

4.1 面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控流程

圖4詳細(xì)描述了面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控流程。OpenStack云計(jì)算平臺(tái)上的虛擬地面站節(jié)點(diǎn)能夠向虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，要求衛(wèi)星進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)操作、調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)或太陽能帆板（形態(tài)控制）。在接收到命令后，虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將調(diào)控指令發(fā)送到計(jì)算模型的反向調(diào)控模塊，然后調(diào)控指令將被發(fā)送到STK模擬節(jié)點(diǎn)中的MATLAB上，由MATLAB通過功能函數(shù)stkSetPropClassical、stkSetAttitudeCBI、AddArticlation 分別控制STK對(duì)計(jì)算模型中相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)和太陽能帆板（形態(tài)控制）進(jìn)行調(diào)整。此外，天地一體化衛(wèi)星仿真網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)虛擬衛(wèi)星鏈路的鏈路特性也將發(fā)生變化。

圖4 面向STK計(jì)算模型的反向?qū)崟r(shí)調(diào)控流程

表2 衛(wèi)星軌道參數(shù)

4.2 衛(wèi)星三維模型的建立

逼真的三維模型對(duì)于提高系統(tǒng)的仿真效果，增強(qiáng)仿真可信度具有關(guān)鍵作用。衛(wèi)星三維模型如圖5所示，基本圖元包括圓柱形、多邊形以及球形等。由基本圖元組成太陽能帆板、衛(wèi)星天線等局部模型，再由局部模型共同構(gòu)成衛(wèi)星三維模型。衛(wèi)星三維模型腳本是一個(gè)倒置的樹狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)圖元組件都需要一個(gè)父物體，衛(wèi)星模型為所有組件的父物體。

圖5 衛(wèi)星三維模型示例

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

所構(gòu)建的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景由天基接入網(wǎng)絡(luò)、天基骨干網(wǎng)絡(luò)以及地面網(wǎng)絡(luò)組成。天基接入網(wǎng)絡(luò)由120顆LEO衛(wèi)星組成，天基骨干網(wǎng)絡(luò)由6顆GEO衛(wèi)星組成。地面用戶可以通過天基接入網(wǎng)絡(luò)連接到天地一體化網(wǎng)絡(luò)，從而獲得衛(wèi)星電話等服務(wù)。天基骨干網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)長(zhǎng)途通信和信息交換。

天基接入網(wǎng)和天基骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：天基骨干網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，且能夠?yàn)槲覈?guó)提供不間斷連接服務(wù)；天基接入網(wǎng)能覆蓋中國(guó)及周邊地區(qū)，地面用戶易于從全球任何地方連接進(jìn)天基接入網(wǎng)，包括高緯度地區(qū)。

圖6和圖7展示的分別是天地一體化網(wǎng)絡(luò)的全局和部分場(chǎng)景，衛(wèi)星軌道參數(shù)如表2所示。場(chǎng)景方案主要包括120顆低軌道LEO衛(wèi)星、6顆高軌道GEO衛(wèi)星。低軌道LEO衛(wèi)星分為12個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道面10顆衛(wèi)星，GEO星座分布在一個(gè)軌道面，負(fù)責(zé)為地面寬帶用戶接入衛(wèi)星接入天基骨干網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽、Ftp上傳下載、Email郵件以及即時(shí)通訊等寬帶服務(wù)，低軌道LEO衛(wèi)星星座為地面用戶提供注冊(cè)、通話、短信等服務(wù)。

圖6 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)整體場(chǎng)景

圖7 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)局部場(chǎng)景

5.2 仿真場(chǎng)景的軟硬件環(huán)境

基于OpenStack Mitaka版本、STK11及MATLAB 2013a搭建了本文提出的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，用于仿真5.1節(jié)中的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)所采用的計(jì)算資源為2臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器，分別為計(jì)算節(jié)點(diǎn)1與計(jì)算節(jié)點(diǎn)2組成，如圖8所示。計(jì)算節(jié)點(diǎn)1采用Dell PowerEdge R830機(jī)架式服務(wù)器，處理器為Intel Xeon E5-4620 v4*2，內(nèi)存64G；計(jì)算節(jié)點(diǎn)2采用Dell PowerEdge R730 2U機(jī)架式服務(wù)器，處理器為Intel Xeon CPU E5-2620 v3*2，內(nèi)存 16G。OpenStack平臺(tái)的物理服務(wù)器，包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均通過以太網(wǎng)交換機(jī)互連，操作系統(tǒng)均為Centos 7.2。

天地一體化仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴鹎闆r如圖8所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要由天基接入網(wǎng)和天基骨干網(wǎng)組成。其中，120顆天基接入網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)1，衛(wèi)星分布在12個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面10顆衛(wèi)星；6顆天基骨干網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)2上，衛(wèi)星分布在同一軌道，呈雙環(huán)結(jié)構(gòu)，臨近衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)互相備份。二層交換機(jī)負(fù)責(zé)天基接入網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)內(nèi)部通信，跨計(jì)算節(jié)點(diǎn)通信則通過Open vSwitch交換機(jī)，連接至物理交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)天基接入網(wǎng)與天基骨干網(wǎng)的互聯(lián)互通。

圖8 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景部署

5.3 衛(wèi)星鏈路延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真測(cè)試

在STK計(jì)算模型中構(gòu)建圖8中的天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。其中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星鏈路主要分為兩類：一類是相同高度軌道星間ISL類型鏈路，包括軌道內(nèi)鏈路及軌道間鏈路，另一類是不同高度軌道間IOL類型鏈路。星歷周期設(shè)置為16 Jan 2020 00:00:00.000到17 Jan 2019 00:00:00.000，仿真步長(zhǎng)為60秒。

衛(wèi)星靜態(tài)、動(dòng)態(tài)鏈路延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真測(cè)試結(jié)果分別如圖9、圖10所示。圖9表明，衛(wèi)星靜態(tài)鏈路的延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真具有很高的逼真性；圖10表明，衛(wèi)星鏈路延時(shí)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)曲線與衛(wèi)星鏈路長(zhǎng)度曲線周期性及動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，表明也能夠支撐衛(wèi)星動(dòng)態(tài)鏈路的延時(shí)仿真，且同樣具有很高的逼真性。

圖9 天地一體化衛(wèi)星靜態(tài)鏈路延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真測(cè)試

圖10 天地一體化衛(wèi)星動(dòng)態(tài)鏈路延時(shí)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)仿真測(cè)試

5.4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋾r(shí)變測(cè)試

衛(wèi)星與信關(guān)站間鏈路連接關(guān)系存在間歇性，因此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)刻都在發(fā)生變化。為驗(yàn)證OpenStack云平臺(tái)支持對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)變仿真，測(cè)試對(duì)象為leo_01和leo_02兩條鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，分別在T1時(shí)刻與T2時(shí)刻，查看該低軌衛(wèi)星星座拓?fù)涞倪B接關(guān)系，兩時(shí)刻測(cè)試拓?fù)淙鐖D11（a）（b）所示。可見兩時(shí)刻各衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系發(fā)生了變化。將leo_unsec_01_01切斷與leo_unsec_02_01低軌衛(wèi)星的連接的yy_net133網(wǎng)絡(luò)。拓?fù)淝袚Q前l(fā)eo_unsec_01_01與leo_unsec_02_01間數(shù)據(jù)包路由途徑如圖11（c）所示，數(shù)據(jù)包經(jīng)，拓?fù)淝袚Q后leo_unsec_01_01與leo_unsec_02_01間數(shù)據(jù)包路由途徑如圖11（d）所示，切換后由leo_unsec_01_01衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包將經(jīng)過leo_unsec_01_02衛(wèi)星和leo_unsec_02_02衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)到leo_unsec_02_01。

圖11 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋾r(shí)變測(cè)試

5.5 衛(wèi)星姿態(tài)實(shí)時(shí)變化仿真測(cè)試

為驗(yàn)證OpenStack云平臺(tái)對(duì)STK中計(jì)算模型反向狀態(tài)調(diào)控的有效性，反向調(diào)控實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用低軌天基接入衛(wèi)星leo_unsec_01_01，在云平臺(tái)中反向調(diào)控模塊監(jiān)控到仿真網(wǎng)絡(luò)中地面信關(guān)站對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)控指令，該指令傳輸?shù)組ATLAB中，MATLAB使用stkSetAttitudeCBI功能函數(shù)直接控制STK計(jì)算模型中該衛(wèi)星的太陽能帆板打開。

表3 太陽帆板展開角/deg

太陽帆板展開角具體參數(shù)如表3所示。Panel_1、Panel_2、Panel_3、Panel_4、Panel_5 為衛(wèi)星太陽帆板鉸鏈機(jī)構(gòu)，通過改變鉸鏈展開角度從而控制太陽帆板閉合狀態(tài)。OpenStack云平臺(tái)向STK中衛(wèi)星計(jì)算模型發(fā)送太陽帆板調(diào)控指令，開始執(zhí)行衛(wèi)星太陽帆板展開操作。衛(wèi)星太陽帆板模型展開過程如圖12所示，可見能夠支持衛(wèi)星計(jì)算模型的反向調(diào)控控制。

圖12 太陽能帆板的展開

6 結(jié)語

天地一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為信息時(shí)代的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于促進(jìn)國(guó)家科技發(fā)展具有重要作用。在實(shí)際部署之前，天地一體化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)間互聯(lián)安全網(wǎng)關(guān)及終端接入鑒權(quán)等必須經(jīng)過嚴(yán)格的評(píng)估和驗(yàn)證，因此仿真測(cè)試平臺(tái)的存在必不可少。基于STK計(jì)算模型與云平臺(tái)提出的一種面向天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的仿真衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)架構(gòu)，融合STK與OpenStack仿真優(yōu)勢(shì)，分別采用鏈路延時(shí)驅(qū)動(dòng)引擎與星地鏈路切換引擎，由計(jì)算模型驅(qū)動(dòng)仿真網(wǎng)絡(luò)，保持了延時(shí)與切換信息的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)；此外，支持OpenStack云平臺(tái)對(duì)STK計(jì)算模型的反向調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真平臺(tái)不僅能夠滿足天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星鏈路延時(shí)時(shí)變仿真需求，而且支持對(duì)仿真衛(wèi)星的反向調(diào)控，能夠支持各種實(shí)際應(yīng)用的部署與性能評(píng)估。