低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真模擬

引言

　　未來全球通信系統(tǒng)的重要組成部分就是低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。由于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立周期長、投資巨大，一旦建成不易對系統(tǒng)更改等特點(diǎn)，必須在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)行精確的仿真驗(yàn)證。OPNET是一款性能優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、分析和管理，能夠滿足大型復(fù)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)模型、鏈路模型、協(xié)議模塊等等，但并沒有提供任何低軌衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)模塊，給低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真帶來一定的困難。當(dāng)前一些基于OPNET的低軌衛(wèi)星仿真，大多數(shù)是將陸地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用有線鏈路連接，通過離散化有線鏈路的通斷，近似模擬低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的切換以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。這種方法需要針對特定低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在仿真之前進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，而且不具有通用性。文章通過分析低軌衛(wèi)星協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，簡化協(xié)議體系中的某些部分，在OPNET 上實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)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(yàn)證。

　　1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同（軌道類型，星上處理或者彎管，ISL 的設(shè)計(jì)方式）采取的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有許多種。根據(jù)低軌衛(wèi)星通信當(dāng)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)議體系結(jié)構(gòu)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(wèi)星系統(tǒng)大多采用基于ATM的傳輸技術(shù)。但是一些研究人員認(rèn)為IP over Satellite 方案與IP over ATM方案相比具有更大的好處：

　?。?）開銷小。Bell 實(shí)驗(yàn)室仿真表明如果采用IP over ATM over SONET 的結(jié)構(gòu)，大約有22%～29%的開銷，而在其中SONET的開銷大約是4%。因此，將ATM層去掉，將會使星上資源得到更充分的利用。

　?。?）易于實(shí)現(xiàn)千兆分組網(wǎng)絡(luò)。目前，采用ATM 技術(shù)的多媒體衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)干線速率已達(dá)622Mbps。但是在提升到吉比特時(shí)，ATM的開銷大這一缺點(diǎn)制約了線速的繼續(xù)提高。

　　（3）降低系統(tǒng)復(fù)雜度。在RS 塊狀編碼、交織和FEC 等技術(shù)支持下，衛(wèi)星鏈路可達(dá)準(zhǔn)光纖質(zhì)量。因此無需采用ATM復(fù)雜的QoS 保證機(jī)制便能抵御無線信道的誤碼。

　　本文將根據(jù)圖1的協(xié)議框架圖建立無連接的IP over Satellite網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真平臺。

　　2 OPNET 節(jié)點(diǎn)模型

　　低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由空中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)關(guān)兩部分組成。空中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有：

　?。?）由于衛(wèi)星之間存在相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致空中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速持續(xù)變化。

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

　　整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議劃分如圖2 所示。OPNET 提供的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)模塊對涉及到的協(xié)議進(jìn)行了細(xì)致的模擬，修改起來的工作量巨大，為了避免修改OPNET 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)模塊，把Gateway節(jié)點(diǎn)拆分為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：OPNET標(biāo)準(zhǔn)路由器和低軌衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)用PPP 鏈路直接連接，可以省去鏈路層協(xié)議的設(shè)計(jì)。低軌衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)的切換管理模塊實(shí)時(shí)檢測天線的俯仰角，以及信號功率，決定是否切換到另一顆衛(wèi)星。此外為了把精力都放在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計(jì)上，對位置注冊管理功能進(jìn)行了簡化，由一個(gè)全局獨(dú)立節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。例如網(wǎng)關(guān)可達(dá)網(wǎng)絡(luò)列表應(yīng)該由低軌衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)網(wǎng)關(guān)都應(yīng)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(wèi)星映射關(guān)系應(yīng)該由Satellite節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)向其他衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)通告自己當(dāng)前接入的網(wǎng)關(guān)標(biāo)識。簡化后需要做的仿真工作有：衛(wèi)星地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模型，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型，Global Node 模型。

　　下面對本文簡化掉數(shù)據(jù)鏈路層的合理性進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能是在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間建立和維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，為網(wǎng)絡(luò)層提供無差錯(cuò)的通信服務(wù)，它可以細(xì)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(shù)據(jù)時(shí)，按某種規(guī)則從LLC 層接收數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行媒體訪問規(guī)程，查看鏈路狀態(tài)，如可發(fā)送，將給數(shù)據(jù)加上控制信息，形成幀，送往物理層； 在接收數(shù)據(jù)時(shí)，從物理層接收到數(shù)據(jù)幀，并檢查數(shù)據(jù)幀中的控制信息，判斷是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，將正確的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀傳輸與流量控制，為上層提供數(shù)據(jù)報(bào)與虛電路兩種不同服務(wù)。本文假設(shè)每顆衛(wèi)星只有一個(gè)地面網(wǎng)關(guān)接入，因此只要LLC有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流接入MAC就可以對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不存在鏈路的爭用，不用實(shí)現(xiàn)MAC層的協(xié)議。此外把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)設(shè)置為無限大，因此不會存在溢出丟包現(xiàn)象，自然形成先進(jìn)先出的策略，在帶寬小的鏈路上實(shí)現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，所以也不用實(shí)現(xiàn)LLC層的數(shù)據(jù)幀傳輸與流量控制。

　　為了保證每顆衛(wèi)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)場景劃分為三種。第一種，每顆衛(wèi)星只有一個(gè)地面接入網(wǎng)關(guān)。第二種，每顆衛(wèi)星存在兩個(gè)以上地面接入網(wǎng)關(guān)，但是同一顆衛(wèi)星覆蓋下的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)之間不存在數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。第三種，每顆衛(wèi)星存在兩個(gè)以上地面網(wǎng)關(guān)，但只有處于相同衛(wèi)星覆蓋下的地面網(wǎng)關(guān)之間存在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通過對這三種場景組合可以搭配出所有的仿真場景。第二種仿真場景可以拆分成多個(gè)第一種仿真場景的組合。第三種仿真場景可以采用固定節(jié)點(diǎn)、有線鏈路近似模擬。因此，只要完成第一種仿真場景，所有的問題就都可以解決。在第一種仿真場景中每顆衛(wèi)星只有一個(gè)地面網(wǎng)關(guān)接入，編程過程中可以不再考慮沖突檢測、信道預(yù)留、業(yè)務(wù)的優(yōu)先級處理等數(shù)據(jù)鏈路層功能，符合前面所提簡化。2.1 地面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模型要實(shí)現(xiàn)的功能

　?。?）切換管理，向GlobalNode 通告與衛(wèi)星的映射關(guān)系；

　?。?）向Global Node 通告可以到達(dá)的子網(wǎng)地址；

　?。?）數(shù)據(jù)包的封裝與解封；

　?。?）上行鏈路的各個(gè)pipeline 階段。

　　2.2 Satellite 節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)的功能

　　（1）路由地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的數(shù)據(jù)包；

　?。?）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議平臺，在其上實(shí)現(xiàn)非面向連接的路由協(xié)議；

　?。?）下行鏈路的各個(gè)pipeline 階段；

　?。?）星間鏈路的各個(gè)pipeline 階段；

　?。?）導(dǎo)入STK（Satellite Tools Kit）衛(wèi)星軌道文件。

　　2.3 Global Node 要實(shí)現(xiàn)的功能

　?。?）存放網(wǎng)關(guān)可達(dá)子網(wǎng)列表，供網(wǎng)關(guān)封包時(shí)查詢；

　?。?）存放網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星映射列表，供衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)星上路由時(shí)查詢。

　　3 仿真驗(yàn)證

　　在本文所建立的仿真系統(tǒng)平臺上，作者仿真了TCP 協(xié)議在動(dòng)態(tài)路由上的性能。仿真場景采用Iridium 系統(tǒng)的一部分作為空中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)地面網(wǎng)關(guān)處于不同衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，網(wǎng)關(guān)所連接的Internet 中有一對客戶機(jī)/服務(wù)器采用TCP 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。仿真結(jié)果將比較通過低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TCP 連接與通過地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TCP 連接之間的擁塞控制窗口，切換前后時(shí)延變化。仿真設(shè)置為：客戶端（longitude- 161.8, latitude-29.14）下載服務(wù)器端（longitude- 15.2, latitude- 20.9）上大小為1Mbit 的文件，帶寬瓶頸為10Mbps, 整個(gè)過程每5s 重復(fù)一次，直至仿真結(jié)束，仿真的網(wǎng)絡(luò)場景拓樸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　場景拓樸整個(gè)仿真時(shí)間為100s, 在60s 時(shí)刻客戶端接入網(wǎng)關(guān)發(fā)生星地切換。仿真結(jié)果如圖4、5所示。