CN101155088A - 卫星网络协议仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星网络协议仿真系统和方法，基于STK和OPNE Tmodeler构建和实施。该仿真系统包括星座模块、网络模块、队列模块、路由模块、数据包发生器和结果评价模块；仿真方法首先通过STK进行星座建模，使用XML描述STK仿真的结果，再通过OPNET的EMA导入，产生网络模块，利用OPNET的协议仿真功能，建立队列模块、路由模块，进行协议仿真，最后通过结果评价模块进行性能分析。本发明为卫星网络提供一个简单且通用的仿真系统和方法，能支持各种通信模式和卫星星座网络各层的协议仿真。

Description

卫星网络协议仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域，特别是涉及一种卫星网络协议仿真系统及方法。

背景技术

星座网络能提供全球的覆盖以及多样的业务，因此成为了下一代互联网(NGI)的必要组成部分。卫星网络还能为人口稀少区域的用户提供宽带接入。卫星网络当前面临的主要挑战是设计适合的网络协议，而在设计过程中仿真评价是必不可少的。

在构建协议仿真平台时，必须考虑卫星网络的特性：1.卫星高速地围绕地球运动。这种高速的移动性使得网络拓扑快速而规则地改变，对于网络层和路由层的协议就必须应对复杂的处理情况。2.星上的处理能力和电源都有限，这在一定程度上限制了常见的MAC和路由层的协议应用于卫星网络上。

下面是国内外关于卫星网络协议仿真器的研究工作。

GaliLEO是一款专为LEO/MEO星座设计的能支持面向连接或面向无连接通信模式的网络仿真器。典型的应用包括，仿真接入技术、路由策略和容错管理。仿真器是用Java编写的，能通过动态加载的方式集成用户定制的模块。但其协议仿真的功能并不完善，仅仅关注路由协议。

NS-2是一款可扩展的基于事件驱动的网络仿真器，但其并不直接支持卫星星座。TomHenderson将其扩展用于仿真卫星星座，他构建了一个基于数据包级别的LEO网络仿真器，并提供了一些基本的仿真细节。

OPNET是一款功能强大的基于事件驱动的网络仿真器，提供图形用户接口。但它也不能直接支持卫星星座。OPNET中仅仅把卫星节点视为中继节点。当前也有一些基于OPNET的卫星仿真机制，大都是将陆地节点通过离散化其链路的通断来近似模拟卫星网络。

发明内容

现有技术中对于卫星仿真的研究在对于仿真的效率和仿真建模的复杂性上，都存在有待改进的地方。本发明提供一种卫星网络协议仿真系统和方法，为卫星网络提供一个通用的仿真系统和方法，支持各种卫星星座网络各层的协议。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：

一种卫星网络协议仿真系统，其基于STK和OPNET modeler构建，其特征在于，包括星座模块、网络模块、队列模块、路由模块、数据包发生器和结果评价模块，其中：

星座模块的构建在STK中实现，STK仿真产生卫星网络拓扑参数并运行仿真，输出仿真结果文件，此结果文件要转成XML格式的OPNET标准输入文件；

网络模块由上述的XML文件和OPNET的EMA库生成，其将星座模块中的卫星网络拓扑参数以OPNET能识别的方式反映在OPNET中；

队列模块负责实时监控网络的链路状况，并将数据包发生器产生的需要转发的数据包放入队列；

路由模块用来更新路由表并将数据包转发到目的节点的下一跳，队列模块中待发出的数据包通过查路由模块中的路由表进行转发；

数据包发生器用于产生网络中的流量；

结果评价模块用于根据OPNET仿真结果评价网络协议的功效和性能指标。

所述的卫星网络拓扑参数包括星间链路的连接关系和传输时延。

所述的数据包发生器可产生指数分布或泊松分布的流量，数据包发生器考虑的流量密度还依据地理和时间的因素。

一种卫星网络协议仿真方法，其基于STK和OPNET modeler实现，其特征在于包括如下步骤：

1)使用STK建立星座模块，仿真卫星星座，运行仿真得到制定卫星星座网络的卫星网络拓扑参数，该卫星网络拓扑参数描述仿真场景，输出仿真结果文件；

2)将STK输出的仿真结果文件转换成OPNET标准格式XML导入，由XML文件和OPNET的EMA库生成网络模块，网络模块将星座模块中的卫星网络拓扑参数以OPNET能识别的方式反映在OPNET中；

3)在网络模块下创建队列模块和路由模块，队列模块负责实时监控网络的链路状况，并将需要转发的数据包放入队列；路由模块用来更新路由表并将数据包转发到目的节点的下一跳，队列模块中待发出的数据包通过查路由模块中的路由表进行转发；

4)在仿真场景和队列模块及路由模块下，设置具体业务流情形，并运行仿真；

5)以图表的形式显示OPNET仿真结果；

6)如果路由协议不能适应卫星网络的要求，返回步骤3)，修改路由模块，如果卫星网络拓扑发生变化，回到步骤1)，生成新的网络拓扑参数。

所述的卫星网络拓扑参数包括星间链路的连接关系和传输时延。

所述OPNET仿真结果包括时延，吞吐量。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明为卫星网络提供一个简单且通用的仿真系统和方法，能支持各种通信模式和卫星星座网络各层的协议仿真。

附图说明

图1是卫星网络协议仿真系统体系结构图；

图2是卫星网络协议仿真方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的卫星网络协议仿真系统和方法是基于STK和OPNET modeler。STK用于卫星网络的建模并导出网络场景数据。然后使用XML描述场景数据，通过OPNET的EMA库将其导入到OPNET modeler中，然后在OPNET中建模仿真指定的卫星网络协议。

STK(Satellite Tool Kit)是美国AGI公司出品的卫星仿真设计工具包，目前是航天工业领先的卫星分析和可视化工具，用于分析复杂的陆地、海洋、航空及航天任务，确定最佳解决方案。STK支持卫星设计的整个生命周期，包括概念设计、需求定义、设计、制造、测试、发射、运行和应用。

OPNET Modeler(简称OPNET)是OPNET公司出品的网络仿真软件。OPNET最初是为了研究网络性能，用于辅助网络管理。经过多年的发展，OPNET已经成为业界领先的网络仿真软件，广泛应用于网络仿真，网络性能分析，网络管理等各个方面。

OPNET在Radio增强版中提供了对卫星网络的支持。体现在

1.节点类型。增加了移动和卫星节点，用于仿真地面节点和卫星网络节点。

2.链路类型。增加了无线链路，利用相应的Pipeline Stage来刻画无线链路。

3.天线。卫星和地面移动节点的模型中可以设置天线。OPNET提供了天线编辑器来设置天线的属性。

4.卫星轨道。卫星节点拥有轨道属性。轨道属性可以通过导入STK定义的轨道文件来设置，也可以编写OPNET的EMA(External Model Access)代码来设置。

如图1所示是卫星网络协议仿真系统的体系结构。星座建模仿真部分的功能通过在STK中建模实现，协议仿真部分的功能通过在OPNET中进行标准化建模的方法来实现。研究网络协议的功能模块分布在网络模块、队列模块和路由模块。OPNET中的通信网络定义在三个被称之为模型域(网络域、节点域、进程域)的层次结构上。卫星网络拓扑定义在网络域，这里的每一个卫星为一个通信实体，即节点。通过节点域的建模为每个通信设备进行配置和互连。节点模型由许多小的模块构成一个卫星的功能，而这些小的模块又通过有限状态机进行进程模型的建模。卫星网络协议仿真系统定制的主要模块如图的虚线框所示

星座模块

星座模块的构建在STK中实现。此模块负责提供必要的OPENT仿真参数。包含两个重要的过程。首先STK仿真产生卫星网络拓扑参数，对于星间链路(ISL)间断连通或断开的动态特性，本发明中主要关注ISL的连接关系和全网络的传输时延，可以在STK中定义星座类型、轨道和卫星数；然后运行仿真，STK输出仿真结果文件。

由于通过OPNET导入STK的输出文件时，只能保留轨道参数，而丢失网络拓扑参数，因此不能直接导入。故将STK的输出转成XML格式的OPNET标准输入文件。

网络模块

网络模块是将星座模块中的网络信息以OPNET能识别的方式反映在OPNET中。网络模块由上述的XML文件和OPNET的EMA库生成。STK仿真得到的ISL链路长度被用来计算传输时延。

通过层次化的XML文件能较为容易地抽象出网络对象的属性。当网络拓扑模块改变时能很容易地使用此方法生产新的拓扑参数，这样系统的扩展性得到增强。

队列模块

队列模块负责实时监控网络的链路状况，并将需要转发的数据包放入队列。同时，路由算法还能使用收集到的链路状况信息。

数据包被放置于适合的FIFO队列。每个输出链路使用不同策略的队列，以适应不同的应用，来评估路由的性能。对时延敏感的流量制定较高的优先级，对于没有QoS要求的流量赋予较低的优先级。队列也可以被设置为FCFS(先到先服务)的策略来评价，来比较不同路由的性能。

路由模块

路由模块的功能是用来更新路由表并将数据包转发到目的节点的下一跳。

本发明使用离散时间动态拓扑的概念，为每个离散后的拓扑快照离线地计算路由表。在每个快照的初始，相应的路由表被载入。

数据包发生器

数据包发生器用于产生网络中的流量。可产生指数分布或泊松分布等的流量。数据包发生器考虑的流量密度还依据地理和时间的因素。

结果评价模块

通过以下参数来评估性能：算法的复杂度、时延、可扩展性和可靠性。这些参数通过仿真结果的图表展现，它们用于评价网络协议是否提供了最大效率，这是结果评价模块的主要功能。

星上有限的计算能力对算法复杂度有很高的要求，路由算法必须简单而高效。

时延表征了从源到目的的传输时间，对于时延敏感的应用，如话音、视频，对实时性要求较高。因此对时延需要有保证。

可靠性意味着所选的协议必须具有健壮性。丢包和误码率因尽可能小。丢包率可以通过比较发送的总数据包和接收到的总数据包来得到。

可扩展性意味着此仿真的方法不会依赖于特性的星座类型和网络规模，它能支持任何一种星座类型和卫星数量。

如图2所示是卫星网络协议仿真方法的工作流程。

第一步，使用STK仿真卫星星座。运行仿真得到制定卫星星座网络的主要参数，如传输时延、ISL的连接关系。

第二步，将STK的输出文件(文本格式)转换成OPNET标准格式XML导入。XML文件用来描述网络仿真的场景信息，可用于自动生成OPNET中的网络模型。

第三步，在第二步创建的场景下进行节点建模，创建队列模块和路由模块。

第四步，在第二步的网络模型和第三步的节点模型下，设置具体业务流情形，并运行仿真。

第五步，以图表的形式显示仿真结果，关注诸如时延、吞吐量等前面描述的仿真参数。通过结果评价网络协议的性能。如果路由协议不能适应卫星网络的要求，返回的第三步，修改路由模块。如果星座网络拓扑发生变化，回到第一步，生成新的网络参加参数。

Claims (6)

1.一种卫星网络协议仿真系统，其基于STK和OPNET modeler构建，其特征在于，包括星座模块、网络模块、队列模块、路由模块、数据包发生器和结果评价模块，其中：

星座模块的构建在STK中实现，STK仿真产生卫星网络拓扑参数并运行仿真，输出仿真结果文件，此结果文件要转成XML格式的OPNET标准输入文件；

网络模块由上述的XML文件和OPNET的EMA库生成，其将星座模块中的卫星网络拓扑参数以OPNET能识别的方式反映在OPNET中；

队列模块负责实时监控网络的链路状况，并将数据包发生器产生的需要转发的数据包放入队列；

路由模块用来更新路由表并将数据包转发到目的节点的下一跳，队列模块中待发出的数据包通过查路由模块中的路由表进行转发；

数据包发生器用于产生网络中的流量；

结果评价模块用于根据OPNET仿真结果评价网络协议的功效和性能指标。

2.如权利要求1所述的卫星网络协议仿真系统，其特征在于所述的卫星网络拓扑参数包括星间链路的连接关系和传输时延。

3.如权利要求1所述的卫星网络协议仿真系统，其特征在于所述的数据包发生器可产生指数分布或泊松分布的流量，数据包发生器考虑的流量密度还依据地理和时间的因素。

4.一种卫星网络协议仿真方法，其基于STK和OPNET modeler实现，其特征在于包括如下步骤：

1)使用STK建立星座模块，仿真卫星星座，运行仿真得到制定卫星星座网络的卫星网络拓扑参数，该卫星网络拓扑参数描述仿真场景，输出仿真结果文件；

2)将STK输出的仿真结果文件转换成OPNET标准格式XML导入，由XML文件和OPNET的EMA库生成网络模块，网络模块将星座模块中的卫星网络拓扑参数以OPNET能识别的方式反映在OPNET中；

3)依据网络模块创建队列模块和路由模块，数据包发生器产生网络中的流量，队列模块负责实时监控网络的链路状况，并将数据包发生器产生的需要转发的数据包放入队列；路由模块用来更新路由表并将数据包转发到目的节点的下一跳，队列模块中待发出的数据包通过查路由模块中的路由表进行转发；

4)在仿真场景和队列模块及路由模块下，设置具体业务流情形，并运行仿真；

5)以图表的形式显示OPNET仿真结果；

6)如果路由协议不能适应卫星网络的要求，返回步骤3)，修改路由模块，如果卫星网络拓扑发生变化，回到步骤1)，生成新的网络拓扑参数。

5.如权利要求4所述的卫星网络协议仿真方法，其特征在于所述的卫星网络拓扑参数包括星间链路的连接关系和传输时延。

6.如权利要求4所述的卫星网络协议仿真方法，其特征在于所述OPNET仿真结果包括时延，吞吐量。

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