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低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真模擬

作者: 時間:2011-09-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/155693.htm

  未來全球通信系統(tǒng)的重要組成部分就是低軌通信系統(tǒng)。由于低軌通信系統(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(xiàn)前進(jìn)行精確的驗證。OPNET是一款性能優(yōu)良的軟件,能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/網(wǎng)絡(luò)">網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計、建模、分析和管理,能夠滿足大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的需求, 在網(wǎng)絡(luò)層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)點模型、鏈路模型、模塊等等,但并沒有提供任何低軌標(biāo)準(zhǔn)模塊,給低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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)點利用有線鏈路連接,通過離散化有線鏈路的通斷,近似低軌衛(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 上實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真平臺。這個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態(tài)路由協(xié)議,對仿真平臺進(jìn)行了驗證。

  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)計不同(軌道類型,星上處理或者彎管,ISL 的設(shè)計方式)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:

  (1)開銷小。Bell 實驗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)星的實驗干線速率已達(dá)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(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??罩行l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要特點有:

 ?。?)由于衛(wèi)星之間存在相對運動導(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。

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

  整個衛(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)點模塊對涉及到的協(xié)議進(jìn)行了細(xì)致的,修改起來的工作量巨大,為了避免修改OPNET 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點模塊,把Gateway節(jié)點拆分為兩個節(jié)點:OPNET標(biāo)準(zhǔn)路由器和低軌衛(wèi)星網(wǎng)關(guān),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(shè)計。低軌衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的設(shè)計上,對位置注冊管理功能進(jìn)行了簡化,由一個全局獨立節(jié)點來實現(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)實現(xiàn),每個網(wǎng)關(guān)都應(yīng)該保存一個列表,這個列表中包括各個網(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)點實現(xiàn),實時向其他衛(wèi)星節(jié)點通告自己當(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)點模型,衛(wèi)星節(jié)點模型,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相鄰節(jié)點間建立和維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路,為網(wǎng)絡(luò)層提供無差錯的通信服務(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,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,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)是完成兩通信實體間點到點鏈路上的數(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,不用實現(xiàn)MAC層的協(xié)議。此外把每個節(jié)點的數(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現(xiàn)瓶頸效應(yīng),所以也不用實現(xiàn)LLC層的數(shù)據(jù)幀傳輸與流量控制。

  為了保證每顆衛(wèi)星在同一時刻只有一個地面網(wǎng)關(guān)接入,把網(wǎng)絡(luò)場景劃分為三種。第一種,每顆衛(wèi)星只有一個地面接入網(wǎng)關(guān)。第二種,每顆衛(wèi)星存在兩個以上地面接入網(wǎng)關(guān),但是同一顆衛(wèi)星覆蓋下的兩個網(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。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(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。


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