基于OPNET的LEO衛(wèi)星網絡協(xié)議仿真平臺研究

引言

　　未來全球通信系統(tǒng)的重要組成部分就是低軌衛(wèi)星網絡通信系統(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，必須在系統(tǒng)實現前進行精確的仿真驗證。OPNET是一款性能優(yōu)良的網絡仿真軟件，能夠對網絡結構、設備和應用進行設計、建模、分析和管理，能夠滿足大型復雜網絡的仿真需求，在網絡層協(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(jié)點模型、鏈路模型、協(xié)議模塊等等，但并沒有提供任何低軌衛(wèi)星標準模塊，給低軌衛(wèi)星網絡協(xié)議仿真帶來一定的困難。當前一些基于OPNET的低軌衛(wèi)星仿真，大多數是將陸地網絡節(jié)點利用有線鏈路連接，通過離散化有線鏈路的通斷，近似模擬低軌衛(wèi)星網絡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(wèi)星網絡在仿真之前進行復雜的運算，而且不具有通用性。文章通過分析低軌衛(wèi)星協(xié)議體系結構，簡化協(xié)議體系中的某些部分，在OPNET上實現了低軌衛(wèi)星網絡協(xié)議仿真平臺。這個平臺支持非面相連接網絡的路由協(xié)議的開發(fā)。最后在該仿真平臺上加載動態(tài)路由協(xié)議，對仿真平臺進行了驗證。

　　1衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議體系結構

　　根據衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計不同(軌道類型，星上處理或者彎管，ISL的設計方式)采取的網絡結構有許多種。根據低軌衛(wèi)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(wèi)星網絡，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。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)開銷小。Bell實驗室仿真表明如果采用IPoverATMoverSONET的結構，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。

　　(2)易于實現千兆分組網絡。目前，采用ATM技術的多媒體衛(wèi)星的實驗干線速率已達622Mbps。但是在提升到吉比特時，ATM的開銷大這一缺點制約了線速的繼續(xù)提高。

　　(3)降低系統(tǒng)復雜度。在RS塊狀編碼、交織和FEC等技術支持下，衛(wèi)星鏈路可達準光纖質量。因此無需采用ATM復雜的QoS保證機制便能抵御無線信道的誤碼。

　　本文將根據圖1的協(xié)議框架圖建立無連接的IPoverSatellite網絡協(xié)議仿真平臺。

　　2OPNET節(jié)點模型

　　低軌衛(wèi)星網絡通信系統(tǒng)由空中衛(wèi)星網絡和地面網關兩部分組成?？罩行l(wèi)星網絡的主要特點有：

　　(1)由于衛(wèi)星之間存在相對運動導致空中衛(wèi)星網絡拓撲結構快速持續(xù)變化。

　　(2)衛(wèi)星網絡與地面網關之間存在高速的運動，為確保通信的持續(xù)必須進行頻繁的切換。

　　整個衛(wèi)星網絡的協(xié)議劃分如圖2所示。OPNET提供的標準節(jié)點模塊對涉及到的協(xié)議進行了細致的模擬，修改起來的工作量巨大，為了避免修改OPNET標準節(jié)點模塊，把Gateway節(jié)點拆分為兩個節(jié)點：OPNET標準路由器和低軌衛(wèi)星網關，這兩個節(jié)點用PPP鏈路直接連接，可以省去鏈路層協(xié)議的設計。低軌衛(wèi)星網關的切換管理模塊實時檢測天線的俯仰角，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絡層協(xié)議的設計上，對位置注冊管理功能進行了簡化，由一個全局獨立節(jié)點來實現。例如網關可達網絡列表應該由低軌衛(wèi)星網關實現，每個網關都應該保存一個列表，這個列表中包括各個網關及其連接到的Internet子網地址。網關與衛(wèi)星映射關系應該由Satellite節(jié)點實現，實時向其他衛(wèi)星節(jié)點通告自己當前接入的網關標識。簡化后需要做的仿真工作有：衛(wèi)星地面網關節(jié)點模型，衛(wèi)星節(jié)點模型，GlobalNode模型。

　　下面對本文簡化掉數據鏈路層的合理性進行分析。數據鏈路層的基本功能是在兩個相鄰節(jié)點間建立和維持數據鏈路，為網絡層提供無差錯的通信服務，它可以細分為邏輯鏈路控制層(LLC)和媒體接入控制層(MAC)。MAC層的任務是在發(fā)送數據時，按某種規(guī)則從LLC層接收數據，然后執(zhí)行媒體訪問規(guī)程，查看鏈路狀態(tài)，如可發(fā)送，將給數據加上控制信息，形成幀，送往物理層;在接收數據時，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層的任務是完成兩通信實體間點到點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。本文假設每顆衛(wèi)星只有一個地面網關接入，因此只要LLC有數據業(yè)務流接入MAC就可以對其進行轉發(fā)，不存在鏈路的爭用，不用實現MAC層的協(xié)議。此外把每個節(jié)點的數據包緩沖區(qū)設置為無限大，因此不會存在溢出丟包現象，自然形成先進先出的策略，在帶寬小的鏈路上實現瓶頸效應，所以也不用實現LLC層的數據幀傳輸與流量控制。

　　為了保證每顆衛(wèi)星在同一時刻只有一個地面網關接入，把網絡場景劃分為三種。第一種，每顆衛(wèi)星只有一個地面接入網關。第二種，每顆衛(wèi)星存在兩個以上地面接入網關，但是同一顆衛(wèi)星覆蓋下的兩個網關之間不存在數據流業(yè)務。第三種，每顆衛(wèi)星存在兩個以上地面網關，但只有處于相同衛(wèi)星覆蓋下的地面網關之間存在數據業(yè)務。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、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)星只有一個地面網關接入，編程過程中可以不再考慮沖突檢測、信道預留、業(yè)務的優(yōu)先級處理等數據鏈路層功能，符合前面所提簡化。2.1地面網關節(jié)點模型要實現的功能

　　(1)切換管理，向GlobalNode通告與衛(wèi)星的映射關系;

　　(2)向GlobalNode通告可以到達的子網地址;

　　(3)數據包的封裝與解封;

　　(4)上行鏈路的各個pipeline階段。

　　2.2Satellite節(jié)點要實現的功能

　　(1)路由地面網關發(fā)送來的數據包;

　　(2)網絡協(xié)議平臺，在其上實現非面向連接的路由協(xié)議;

　　(3)下行鏈路的各個pipeline階段;

　　(4)星間鏈路的各個pipeline階段;

　　(5)導入STK(SatelliteToolsKit)衛(wèi)星軌道文件。

　　2.3GlobalNode要實現的功能

　　(1)存放網關可達子網列表，供網關封包時查詢;

　　(2)存放網關與衛(wèi)星映射列表，供衛(wèi)星節(jié)點星上路由時查詢。

　　3仿真驗證

　　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)星網絡，兩個地面網關處于不同衛(wèi)星覆蓋范圍內，網關所連接的Internet中有一對客戶機/服務器采用TCP連接進行數據傳輸。仿真結果將比較通過低軌衛(wèi)星網絡進行TCP連接與通過地面網絡進行TCP連接之間的擁塞控制窗口，切換前后時延變化。仿真設置為：客戶端(longitude-161.8,latitude-29.14)下載服務器端(longitude-15.2,latitude-20.9)上大小為1Mbit的文件，帶寬瓶頸為10Mbps,整個過程每5s重復一次，直至仿真結束，仿真的網絡場景拓樸結構如圖3所示。

　　場景拓樸整個仿真時間為100s,在60s時刻客戶端接入網關發(fā)生星地切換。仿真結果如圖4、5所示。