基于OPNET的LEO衛星網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真平臺研究

引言

　　未來(lái)全球通信系統的重要組成部分就是低軌衛星網(wǎng)絡(luò )通信系統。由于低軌衛星通信系統的建立周期長(cháng)、投資巨大，一旦建成不易對系統更改等特點(diǎn)，必須在系統實(shí)現前進(jìn)行精確的仿真驗證。OPNET是一款性能優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò )仿真軟件，能夠對網(wǎng)絡(luò )結構、設備和應用進(jìn)行設計、建模、分析和管理，能夠滿(mǎn)足大型復雜網(wǎng)絡(luò )的仿真需求，在網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議仿真方面具有一定的優(yōu)勢。然而，盡管OPNET提供了豐富的標準節點(diǎn)模型、鏈路模型、協(xié)議模塊等等，但并沒(méi)有提供任何低軌衛星標準模塊，給低軌衛星網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真帶來(lái)一定的困難。當前一些基于OPNET的低軌衛星仿真，大多數是將陸地網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)利用有線(xiàn)鏈路連接，通過(guò)離散化有線(xiàn)鏈路的通斷，近似模擬低軌衛星網(wǎng)絡(luò )中的切換以及拓撲結構變化。這種方法需要針對特定低軌衛星網(wǎng)絡(luò )在仿真之前進(jìn)行復雜的運算，而且不具有通用性。文章通過(guò)分析低軌衛星協(xié)議體系結構，簡(jiǎn)化協(xié)議體系中的某些部分，在OPNET上實(shí)現了低軌衛星網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真平臺。這個(gè)平臺支持非面相連接網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議的開(kāi)發(fā)。最后在該仿真平臺上加載動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，對仿真平臺進(jìn)行了驗證。

　　1衛星通信系統協(xié)議體系結構

　　根據衛星通信系統設計不同(軌道類(lèi)型，星上處理或者彎管，ISL的設計方式)采取的網(wǎng)絡(luò )結構有許多種。根據低軌衛星通信當前發(fā)展趨勢，本文主要研究具有星上處理/星上交換(OBP/OBS)以及星間鏈路(ISL)支持的低軌衛星網(wǎng)絡(luò )，其協(xié)議體系結構如圖1所示。

　　由圖1可以看出星上協(xié)議中ATM與IP之間的關(guān)系。早期的寬帶IP衛星系統大多采用基于ATM的傳輸技術(shù)。但是一些研究人員認為IPoverSatellite方案與IPoverATM方案相比具有更大的好處：

　　(1)開(kāi)銷(xiāo)小。Bell實(shí)驗室仿真表明如果采用IPoverATMoverSONET的結構，大約有22%～29%的開(kāi)銷(xiāo)，而在其中SONET的開(kāi)銷(xiāo)大約是4%。因此，將ATM層去掉，將會(huì )使星上資源得到更充分的利用。

　　(2)易于實(shí)現千兆分組網(wǎng)絡(luò )。目前，采用ATM技術(shù)的多媒體衛星的實(shí)驗干線(xiàn)速率已達622Mbps。但是在提升到吉比特時(shí)，ATM的開(kāi)銷(xiāo)大這一缺點(diǎn)制約了線(xiàn)速的繼續提高。

　　(3)降低系統復雜度。在RS塊狀編碼、交織和FEC等技術(shù)支持下，衛星鏈路可達準光纖質(zhì)量。因此無(wú)需采用ATM復雜的QoS保證機制便能抵御無(wú)線(xiàn)信道的誤碼。

　　本文將根據圖1的協(xié)議框架圖建立無(wú)連接的IPoverSatellite網(wǎng)絡(luò )協(xié)議仿真平臺。

　　2OPNET節點(diǎn)模型

　　低軌衛星網(wǎng)絡(luò )通信系統由空中衛星網(wǎng)絡(luò )和地面網(wǎng)關(guān)兩部分組成?？罩行l星網(wǎng)絡(luò )的主要特點(diǎn)有：

　　(1)由于衛星之間存在相對運動(dòng)導致空中衛星網(wǎng)絡(luò )拓撲結構快速持續變化。

　　(2)衛星網(wǎng)絡(luò )與地面網(wǎng)關(guān)之間存在高速的運動(dòng)，為確保通信的持續必須進(jìn)行頻繁的切換。

　　整個(gè)衛星網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議劃分如圖2所示。OPNET提供的標準節點(diǎn)模塊對涉及到的協(xié)議進(jìn)行了細致的模擬，修改起來(lái)的工作量巨大，為了避免修改OPNET標準節點(diǎn)模塊，把Gateway節點(diǎn)拆分為兩個(gè)節點(diǎn)：OPNET標準路由器和低軌衛星網(wǎng)關(guān)，這兩個(gè)節點(diǎn)用PPP鏈路直接連接，可以省去鏈路層協(xié)議的設計。低軌衛星網(wǎng)關(guān)的切換管理模塊實(shí)時(shí)檢測天線(xiàn)的俯仰角，以及信號功率，決定是否切換到另一顆衛星。此外為了把精力都放在網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的設計上，對位置注冊管理功能進(jìn)行了簡(jiǎn)化，由一個(gè)全局獨立節點(diǎn)來(lái)實(shí)現。例如網(wǎng)關(guān)可達網(wǎng)絡(luò )列表應該由低軌衛星網(wǎng)關(guān)實(shí)現，每個(gè)網(wǎng)關(guān)都應該保存一個(gè)列表，這個(gè)列表中包括各個(gè)網(wǎng)關(guān)及其連接到的Internet子網(wǎng)地址。網(wǎng)關(guān)與衛星映射關(guān)系應該由Satellite節點(diǎn)實(shí)現，實(shí)時(shí)向其他衛星節點(diǎn)通告自己當前接入的網(wǎng)關(guān)標識。簡(jiǎn)化后需要做的仿真工作有：衛星地面網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)模型，衛星節點(diǎn)模型，GlobalNode模型。

　　下面對本文簡(jiǎn)化掉數據鏈路層的合理性進(jìn)行分析。數據鏈路層的基本功能是在兩個(gè)相鄰節點(diǎn)間建立和維持數據鏈路，為網(wǎng)絡(luò )層提供無(wú)差錯的通信服務(wù)，它可以細分為邏輯鏈路控制層(LLC)和媒體接入控制層(MAC)。MAC層的任務(wù)是在發(fā)送數據時(shí)，按某種規則從LLC層接收數據，然后執行媒體訪(fǎng)問(wèn)規程，查看鏈路狀態(tài)，如可發(fā)送，將給數據加上控制信息，形成幀，送往物理層;在接收數據時(shí)，從物理層接收到數據幀，并檢查數據幀中的控制信息，判斷是否發(fā)生傳輸錯誤，將正確的數據幀去掉控制信息后送至LLC層。LLC層的任務(wù)是完成兩通信實(shí)體間點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上的數據幀傳輸與流量控制，為上層提供數據報與虛電路兩種不同服務(wù)。本文假設每顆衛星只有一個(gè)地面網(wǎng)關(guān)接入，因此只要LLC有數據業(yè)務(wù)流接入MAC就可以對其進(jìn)行轉發(fā)，不存在鏈路的爭用，不用實(shí)現MAC層的協(xié)議。此外把每個(gè)節點(diǎn)的數據包緩沖區設置為無(wú)限大，因此不會(huì )存在溢出丟包現象，自然形成先進(jìn)先出的策略，在帶寬小的鏈路上實(shí)現瓶頸效應，所以也不用實(shí)現LLC層的數據幀傳輸與流量控制。

　　為了保證每顆衛星在同一時(shí)刻只有一個(gè)地面網(wǎng)關(guān)接入，把網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景劃分為三種。第一種，每顆衛星只有一個(gè)地面接入網(wǎng)關(guān)。第二種，每顆衛星存在兩個(gè)以上地面接入網(wǎng)關(guān)，但是同一顆衛星覆蓋下的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間不存在數據流業(yè)務(wù)。第三種，每顆衛星存在兩個(gè)以上地面網(wǎng)關(guān)，但只有處于相同衛星覆蓋下的地面網(wǎng)關(guān)之間存在數據業(yè)務(wù)。通過(guò)對這三種場(chǎng)景組合可以搭配出所有的仿真場(chǎng)景。第二種仿真場(chǎng)景可以拆分成多個(gè)第一種仿真場(chǎng)景的組合。第三種仿真場(chǎng)景可以采用固定節點(diǎn)、有線(xiàn)鏈路近似模擬。因此，只要完成第一種仿真場(chǎng)景，所有的問(wèn)題就都可以解決。在第一種仿真場(chǎng)景中每顆衛星只有一個(gè)地面網(wǎng)關(guān)接入，編程過(guò)程中可以不再考慮沖突檢測、信道預留、業(yè)務(wù)的優(yōu)先級處理等數據鏈路層功能，符合前面所提簡(jiǎn)化。