MF-TDMA衛星通信網(wǎng)絡(luò )仿真

MF-TDMA 衛星網(wǎng)絡(luò )是由地面主站、備用主站、網(wǎng)控中心、眾多從站、衛星轉發(fā)器等單元組成，系統的主要業(yè)務(wù)是話(huà)音、數據、視頻，但各衛通站通信能力大小不同，每個(gè)地面站作為主叫或被叫，向網(wǎng)控中心站申請衛星信道資源，因此必須對衛星網(wǎng)絡(luò )資源與信息進(jìn)行有效管理與調配，使其可以應對各種復雜的突發(fā)情況，適應應用任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )本身和外部條件的變化，保證衛星網(wǎng)絡(luò )穩定、可靠、持續和高效運行。

RatiONal Rose 工具是美國Rational 公司開(kāi)發(fā)的用于分析和設計面向對象系統的強大工具，可以幫助先建模，再進(jìn)行功能測試，從而保證系統結構合理、運行正常。Rational Rose 工具支持可視化開(kāi)發(fā)測試用例模型，結合衛星網(wǎng)絡(luò )的的實(shí)際情況，主要進(jìn)行業(yè)務(wù)建模、分析建模、設計建模，然后完成用例驅動(dòng)、迭代和增量測試任務(wù)。

主要介紹衛星網(wǎng)絡(luò )中比較重要的幾個(gè)設計要素的測試方法，并通過(guò)仿真建模對網(wǎng)絡(luò )化業(yè)務(wù)傳輸要求的TDMA 技術(shù)體制進(jìn)行探討研究。

1 網(wǎng)絡(luò )模型組成及業(yè)務(wù)流程

1. 1 網(wǎng)絡(luò )模型

以MF TDMA 方式組網(wǎng)應用時(shí)，主站發(fā)送TDMA參考信號并作為全網(wǎng)各站的時(shí)間參考基準、一個(gè)備份主站用于主站出現故障時(shí)接替主站的工作。一般業(yè)務(wù)站以主站為參考，并按照主站下發(fā)的時(shí)隙表在分配給本站的時(shí)隙內發(fā)送信息。衛星通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現模型如圖1 所示。

圖1 衛星網(wǎng)絡(luò )半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò )的架構

網(wǎng)絡(luò )運行中幀同步設計、呼叫業(yè)務(wù)量的調整、射頻鏈路功率調整等設計方法是網(wǎng)絡(luò )高效運行的關(guān)鍵技術(shù)。為此建立如下測試模型和測試流程。
測試人員利用序列圖取得測試腳本所需的信息，測試過(guò)程包括4 個(gè)步驟:

①將序列圖轉換為流程圖; ②從流程圖識別要測試的路徑，首先識別入口——出口路徑，這樣所有的判定分支都會(huì )至少被采用一次，每一條跟蹤的路徑就成為一個(gè)測試用例; ③識別特殊的異常情況，即用于開(kāi)發(fā)測試實(shí)例以測試與被測實(shí)現相關(guān)的異常處理; ④識別要采用特定路徑所需要的輸入和狀態(tài)，當滿(mǎn)足所有的路徑條件時(shí)就會(huì )沿該路徑而行,測試用例定義需要滿(mǎn)足路徑條件的特定輸入和狀態(tài)。最后確定每個(gè)測試實(shí)例的預期結果，完成測試包，得到的測試包可以用一個(gè)規定腳本語(yǔ)言在一個(gè)用戶(hù)測試驅動(dòng)程序中實(shí)現。

1. 2 MF TDMA 系統定時(shí)同步模型

定時(shí)是TDMA 系統的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它為系統運行提供時(shí)間基準，是初始捕獲和同步保持的基礎。

初始捕獲是指地球站開(kāi)始發(fā)射突發(fā)時(shí)，保證其能夠正確地進(jìn)入指定的時(shí)隙，而不會(huì )誤入其他時(shí)隙造成干擾的過(guò)程。

1. 3 申請話(huà)音進(jìn)展模型

建立一個(gè)雙工的用戶(hù)模型，既能作為主叫也能作為被叫。當作為主叫時(shí)，用戶(hù)根據加載的業(yè)務(wù)發(fā)出呼叫請求; 而作為被叫時(shí)，則需要對主叫作出必要的應答，以保證通話(huà)鏈路的建立. 整個(gè)測試流程如下: 終端用戶(hù)站發(fā)送呼叫申請幀并獲取信道分配幀,申請成功后則將信道分配包傳給用戶(hù)進(jìn)程，若申請失敗則通知擁護進(jìn)程失敗的信息，這些過(guò)程為流程圖識別的測試路徑。

1. 4 射頻及鏈路模型

射頻模型包括上行射頻和下行射頻2 部分，前者主要是對地面站的發(fā)送功率進(jìn)行處理，后者主要確定誤碼問(wèn)題。這里對上行鏈路做了限制，即申請路徑只能傳到網(wǎng)控中心; 在下行鏈路，主要確認衛星模塊傳來(lái)的信號功率是不是到達此鏈路所連接的射頻模塊所需要的信噪比，如果是則將其接收，否則予以?huà)仐?。所有的幀傳輸都要?jīng)過(guò)一個(gè)衛星信道的時(shí)延并滿(mǎn)足接收站功率控制要求。

為每個(gè)站的調制器的突發(fā)信噪比都配置一個(gè)值，這個(gè)值用于傳輸功率控制。遠端站將它們從控制站收到的參考突發(fā)的信噪比報告給控制站,TDMA幀頭的一個(gè)域就是用于這一目的的，控制站調整它的傳輸功率電平，將信噪比值控制在一個(gè)期望的范圍內。各遠端站也調整它們的上行功率，使得它們的突發(fā)在接收時(shí)與參考突發(fā)有著(zhù)相同的信噪比。

2 測試模型仿真

2. 1 網(wǎng)絡(luò )同步參數設置

同步保持調整間隔時(shí)間是指為了保持全網(wǎng)的同步，需要對突發(fā)發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行調整的周期。調整的越頻繁，各類(lèi)誤差對同步保持的影響就越小，而調整過(guò)程本身帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)就越大; 反之各類(lèi)誤差對同步保持的影響就越大，而調整過(guò)程本身帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)就越小。因此系統設計時(shí)應折中考慮。

同步保持誤差是在一定的同步保持調整周期( 同步保持調整間隔時(shí)間) 內，突發(fā)發(fā)送時(shí)刻所能達到的準確度。它與衛星漂移引起的誤差、時(shí)鐘穩定度引起的誤差、邏輯電路抖動(dòng)以及調整精度等因素有關(guān)。

2. 2 話(huà)音參數設置

系統的網(wǎng)絡(luò )結構為網(wǎng)狀網(wǎng)，系統參數描述如下:

①系統中每站最大支持20 個(gè)話(huà)音信道; 每個(gè)信道的速率為2 400 bps; ②每個(gè)站發(fā)送時(shí)間間隔服從t= 500 s 的指數分布，發(fā)送數據包包長(cháng)服從均值k= 1 240 bit 的泊松分布，總的站數是100 個(gè)，信道重發(fā)3 次，重發(fā)時(shí)間服從指數分布; ③衛星延遲時(shí)間為0. 27 s;④中央站為1 個(gè)網(wǎng)控站，服務(wù)速率為9 600 bps; ⑤假定中央站接收到小站的數據包，即為一次呼叫成功; ⑥站的數量逐步增多。其中，接續時(shí)延是指一個(gè)呼叫從產(chǎn)生到接通，從而準備通話(huà)之前的時(shí)間。

2. 3 功率調整參數設置

功率調整機制的建立，需要衛星網(wǎng)絡(luò )各站參數聯(lián)動(dòng)響應，為此用Rational Rose 工具建立的特殊測試流程為: 識別要采用特定路徑所需要的輸入數據和狀態(tài)，當滿(mǎn)足所有的路徑條件時(shí)就會(huì )沿該路徑而行，不滿(mǎn)足時(shí)給出告警并提示可行指數，所有測試用例中定義的數據需要滿(mǎn)足路徑條件的特定輸入數據和狀態(tài)。在功率調整測試用例中可設置如下參數。

( 1) 信噪比參數設置

在每個(gè)站的參數文件中定義3 個(gè)參考突發(fā)的信噪比值，以達到期望的鏈路質(zhì)量:

最小信噪比( Minimum Es/No) 為70;適中信噪比( Moderate Es/No) 為100;最大信噪比( Maximum Es/No) 為130。

另外，在控制站參數文件中定義一個(gè)下行鏈路控制值。這個(gè)參數的意義是: 有多少遠端站接收控制站突發(fā)信號的質(zhì)量低于期望值才能導致控制站增大發(fā)送功率。

( 2) 雨區發(fā)射功率調整

如果控制站檢測到它不能將功率電平增加到期望值，它將在參考突發(fā)中設置一個(gè)標志，告訴各遠端站。遠端站跟著(zhù)凍結自己的功率電平。它們從本站的參數文件中讀取最新功率電平值。

( 3) 更新、整理、歸類(lèi)

如果控制站處于雨區，參考突發(fā)的上行傳輸衰減將會(huì )增加，各遠端站將報告接收質(zhì)量變差。由于當地情況不同，有些站的信號質(zhì)量會(huì )低于最小信噪比 (Minimum Es/ No) 的閾值，當接收信號質(zhì)量差的站數超過(guò)控制站下行鏈路控制參數值( Down Linkpower Control) 時(shí)，控制站在功率控制機制的控制下增加發(fā)射功率電平。當下行鏈路控制值較小時(shí)，控制站的反應會(huì )早些，功率電平會(huì )馬上增加。

遠端站匯報實(shí)際接收的信噪比?！?最大、適中與最小信噪比”作為控制站的參數，控制站比較報上來(lái)的值和控制參數，將值歸類(lèi)?！白畲?、適中與最小信噪比”作為該站的參數，由遠端站自己歸類(lèi)，向控制站報告結果。

3 系統測試

3. 1 同步系統測試結果

通過(guò)建立的測試模型，對網(wǎng)絡(luò )同步系統各參數進(jìn)行測試得到如下結果: 幀長(cháng)度的選取首先要考慮衛星鏈路的傳輸時(shí)延和話(huà)音業(yè)務(wù)對傳輸時(shí)延的要求。話(huà)音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延一般要求在400 ms 以?xún)?，衛星鏈路的傳輸時(shí)延大約為270 ms，同時(shí)考慮到傳輸設備的處理時(shí)延，幀長(cháng)一般不超過(guò)110 ms，綜合考慮各種因素的影響不小于80 ms 為宜。

為了解決網(wǎng)絡(luò )規模與主載波幀效率間的矛盾,系統引入了超幀結構。但超幀結構的引入使各站占用申請時(shí)隙的機會(huì )從一幀一次變成了一超幀一次,根據對話(huà)音業(yè)務(wù)呼叫建立時(shí)間限制的仿真，最大超幀長(cháng)度定為16 幀。
圖2 同步保持誤差數據統計衛星漂移的典型速率為2. 8 m/ s，系統要求的時(shí)鐘穩定度為1 ( 10- 8/ 日，典型的同步保持調整間隔時(shí)間為一個(gè)超幀，以最長(cháng)超幀16 幀，最長(cháng)幀長(cháng)110ms進(jìn)行分析,仿真同步保持誤差小于10 s，保證網(wǎng)絡(luò )的同步運行。同步誤差仿真數據如圖2所示?？梢钥闯?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/仿真測試">仿真測試結果滿(mǎn)足系統要求。

圖2 同步保持誤差數據統計

3. 2 業(yè)務(wù)接入系統測試結果

系統提供話(huà)音、數據和視頻3 種業(yè)務(wù)接入，采用MF TDMA 虛路由技術(shù)體制，可以組成全網(wǎng)狀網(wǎng)。

各站間平均業(yè)務(wù)互通量為1 Mbps，采取相應的流量控制、排隊和調度機制，通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )話(huà)音業(yè)務(wù)大話(huà)務(wù)量的測試仿真，系統的平均呼叫成功率統計如圖3 所示，呼叫接續時(shí)延統計如圖4 所示。

圖3 系統的平均呼叫成功率

圖4 系統的平均接續時(shí)延

在上述業(yè)務(wù)背景下，系統的呼叫成功率在87%左右，而平均接續時(shí)延維持在1. 1 s 左右，這個(gè)結果滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量要求。

4 結束語(yǔ)

使用Rational Rose 工具設計的模型，測試人員可以根據MF TDMA 衛星網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)設計出很多測試用例，獲得大量數據，很方便地捕獲設計缺陷，從而能以較小的代價(jià)盡可能多地找出網(wǎng)絡(luò )設計中存在的各種缺陷，有效指導系統設計，使網(wǎng)絡(luò )得到最佳的配置。