CN105871487A - 一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，能够为用户提供创建自己所需卫星移动通信系统场景的各种基本模型，满足用户对不同网络环境的设计需求。其包括仿真模型库模块、仿真功能实现模块和网络集合管理模块；仿真模型库模块用于提供卫星移动通信仿真模型；仿真功能实现模块从仿真模型库模块中分别调用相应仿真模型实现对应的仿真功能，其包括网络卫星移动通信网络拓扑管理模块、卫星移动通信链路计算及映射模块和卫星移动通信协议仿真模块三个子模块；网络集合管理模块用于对仿真功能实现模块中的三个子模块进行组合和调度，使三个仿真功能实现模块相互配合完成仿真功能，并且对网络卫星移动通信网络拓扑管理模块进行无线资源管理。

Description

一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统

技术领域

本发明涉及卫星移动通信仿真领域，具体为一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统。

背景技术

近些年来，随着卫星技术的进步，卫星移动通信在国防建设、经济发展以及社会生活等方面都发挥着越来越重要的作用。卫星通信技术面临着高时延、高衰落等有异与地面通信系统的通信难题，同时相比于地面系统，卫星通信系统造价高昂、构造复杂，并且不易改造。

与地面通信系统类似，卫星通信技术的发展也离不开仿真测试平台的支撑，系统级的仿真验证可以快速的、低成本的评估系统方案和算法的性能，定量分析星上有效载荷算法和架构改进对全系统性能的影响，从而降低风险，避免在设计层面就埋下问题和风险，符合有效载荷设计和发展的未来趋势。同时，通过仿真软件直观的演示星地链路的传输性能、业务提供能力等，从而更形象直观的展示技术方案的先进性。

当前较流行以下四款网络仿真器如下：

1.NS2：NS2(Network Simulator version 2)网络仿真器是一种面向对象的网络仿真器。NS2软件配有仿真过程动态观察器，可以在仿真运行结束后，动态察看仿真的运行过程，观察跟踪的数据。NS2功能强大，可扩展性强，执行效率高，已广泛应用于局域网、广域网、无线移动网和卫星网络的仿真。

2.OMNeT++:OMNeT++是一种离散事件仿真器，具备可嵌入式仿真内核和强大图形界面接口，可运行于多个操作系统平台，具备编程，调试和跟踪支持等功能并支持分布式并行仿真。

3.DTNsim：DTNsim是用Java语言编写的离散事件模拟器，用来模拟DTN(Distributed Transient Network，分布的瞬态网络)中传输中断或失败时的消息存储转发。DTNsim还支持消息的分片传送。如果一个消息传送过程中碰到连接关闭，而已经有消息分片成功被节点接收，那么该节点将会等待剩余的消息分片的到来。

4.ONE：ONE适用于DTN网络环境的路由协议和应用研究分析的模拟器，具有离散事件驱动、面向对象和模拟真实网络环境的特点。ONE将移动模型、DTN路由和可视化的图形界面整合为一体，非常容易进行扩展，并可以提供大量的分析模型和结果报告。

虽然这四款仿真软件有着非常优秀的仿真性能，但是在仿真卫星移动通信方案时，存在着无法逾越的缺点：NS2缺少对DTN网络环境很好的支持。同时，NS2进行多节点仿真时，不能够传输实际数据，这导致无法进行真实数据的传输。OMNET++需要用户自己实现特定功能。DTNsim是专门为DTN网络环境设计的模拟器。但是，它只是单纯地关注于路由的仿真。同时，在多节点仿真时，不能进行真实数据的传输。ONE网络模拟器只实现了DTN协议的BP部分，在进行多节点仿真时，只是传送虚拟数据(数据信息的信息)，既不能实现真实数据传送也不能体现数据流向。

综上所述，NS2和OMNET++网络仿真器缺乏对DTN网络环境良好支持，需用户进行特定的开发。而DTNsim和ONE网络仿真器虽然是专门为DTN网络环境设计的模拟器，但是都有各自的缺陷。而且在多节点仿真时，其都只能模拟虚拟数据传输，不能进行真实数据传送，不能满足卫星移动通信仿真的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，能够为用户提供创建自己所需卫星移动通信系统场景的各种基本模型，配置清晰独立的架构模型，满足用户对不同网络环境的设计需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，包括仿真模型库模块、仿真功能实现模块和网络集合管理模块；

所述的仿真模型库模块用于提供卫星移动通信仿真模型；

所述的仿真功能实现模块从仿真模型库模块中分别调用相应仿真模型实现对应的仿真功能，其包括网络卫星移动通信网络拓扑管理模块、卫星移动通信链路计算及映射模块和卫星移动通信协议仿真模块三个子模块；

所述的网络集合管理模块用于对仿真功能实现模块中的三个子模块进行组合和调度，使三个仿真功能实现模块相互配合完成仿真功能，并且对网络卫星移动通信网络拓扑管理模块进行无线资源管理。

优选的，还包括通过模型特化为仿真模型库模块提供仿真模型库数据的仿真基础模块；所述的仿真基础模块包括卫星通信节点模块，卫星通信信道模块和卫星通信协议模块。

进一步，所述的卫星通信节点模块包括卫星转发器模块、天线模块、终端模块、地面站模块以及卫星模块。

进一步，所述的卫星通信信道模块包括大尺度衰落模块和多径衰落模块，大尺度衰落模块包括云雾衰减模块、雨衰模块、大气衰减模块和对流层衰减模块.

进一步，所述的卫星通信协议模块包括PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层协议模块及对应的协议包模块。

优选的，还包括通过网络集合管理模块实现对仿真演示验证系统管理和控制的仿真交互界面模块。

进一步，所述的仿真交互界面模块还用于通过网络集合管理模块获取仿真演示验证系统的运行信息及仿真结果，并进行显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用能够支持用户通过存储模型数据创建自己的节点模型、信道模型和协议模型形成仿真模型库，使得仿真平台具有优良的可扩展性，并将繁杂的仿真基础模型封装，使得系统构成更加简明，具有可重用性和普遍性；通过仿真功能实现模块能够仿真不同的卫星协议、不同卫星网络拓扑、不同卫星系统配置、不同的卫星通信相关技术，并依次从网络、链路和协议进行仿真，从而实现对卫星通信系统设计、卫星通信技术的评估。

进一步的，通过仿真处理中核心的三层架构配合提供仿真模型数据的仿真基础模块和进行管理、控制和交互的交互界面模块形成清晰的五层架构，更好的为用户提供了其接入和操作的入口，仿真交互模块调用网络集合管理模块的接口，用户通过仿真交互界面便捷地管理仿真模型库、配置仿真场景、控制仿真过程、跟踪仿真参数跟踪、展示仿真结果、展示仿真场景，使得仿真平台具有良好的交互性。

进一步的，通过仿真交互模块通过网络集合管理模块对仿真功能实现模块进行调用和组合管控，从而能够自定义网络拓扑、大尺度衰落参数、多径衰落模型、协议仿真参数，创建用户所需的卫星移动通信场景。

附图说明

图1为本发明实例中所述系统的结构图。

图2为本发明实例中所述系统中交互界面模块示意图。

图3为本发明实例中所述系统仿真时的整体仿真流程。

图4为本发明实例中所述系统中仿真模型库构成图。

图5本发明实例中所述系统中图形形式的仿真信息示意图。

图6本发明实例中所述系统实现卫星移动通信端到端仿真流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，采用了包含仿真基础模块、仿真模型库模块、仿真功能实现模块、网络集合管理模块及仿真交互界面模块构成的五层架构，具有优良的可扩展性和便捷的可操作性。

其中，仿真基础模块采用面向对象的仿设计并编写。根据模块类型，将模块划分为卫星移动通信节点、卫星移动通信协议、卫星移动通信信道模三类，模块化地实现仿真基本功能，其中卫星通信节点模块包括卫星转发器模块、天线模块、终端模块、地面站模块以及卫星模块；卫星通信信道模块包括大尺度衰落模块和多径衰落模块，大尺度衰落模块包括云雾衰减模块、雨衰模块、大气衰减模块、对流层衰减模块；卫星通信协议模块，包含PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层协议模块及对应的协议包模块。

仿真模型库支持扩展的卫星通信节点模型包括卫星转发器模型、天线模型、终端模型、地面站模型以及卫星模型；仿真模型库支持扩展的卫星通信信道仿真模型包括大尺度衰落模型和多径衰落模型，大尺度衰落模块包括云雾衰减模型、雨衰模型、大气衰减模型、对流层衰减模型。同时仿真模型库提供模型仿真、修改、增删及离线存储接口供上层模块调用。

仿真功能实现模块均从模型库中调用相应仿真元件组合而成，分别负责实现各自的仿真过程，包括卫星移动通信网络拓扑管理模块、卫星移动通信链路计算及映射模块、卫星移动通信协议仿真模块。网络拓扑管理模块负责实现对网络节点和信道模型的管理，确定卫星模块、关口站模块和终端模块的数量及位置，并确定当前仿真场景下所使用的信道模型；链路计算及映射模块通过网络拓扑管理模块所提供的接口，获取链路计算所需要的信息，完成链路计算返回载噪比、时延，并完成链路级到系统级的映射，通过载噪比确定通信链路的物理层传输误码率；协议仿真模块实现协议传输过程的仿真，并仿真自适应编码、速率匹配等协议相关的卫星移动通信核心技术，最终统计出相关性能参数并存储，所述协议仿真模块支持GMR-1 3G协议仿真。

网络集合管理模块负责将三个仿真功能实现模块的组合与调度，使三个仿真功能实现模块相互配合完成仿真功能，同时路由、呼叫准入、资源分配、切换管理也在网络集合管理模中实现。网络管理模块将三个仿真功能实现模块与仿真模型库接口进行重新封装。

仿真交互界面模块通过网络集合管理模块接口实现对仿真平台的管理和控制，同时通过网络集合管理模块获取仿真平台的运行信息及仿真结果，并展示给用户。仿真交互界面模块所包含的具体功能包括：仿真模型库展示与管理、控制仿真过程、配置仿真场景、跟踪仿真参数、仿真性能展示、仿真场景展示六项功能。

所述的卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统采用C++代码实现，仿真界面模块采用Qt编写。

具体的，本发明采用面向对象的设计，构建卫星移动通信仿真基础模块。卫星移动通信仿真基础模块分为三大类：卫星通信节点模块,包括卫星转发器模块、天线模块、终端模块、地面站模块以及卫星模；卫星通信信道模块，包括大尺度衰落模块和多径衰落模块，大尺度衰落模块包括云雾衰减模块、雨衰模块、大气衰减模块、对流层衰减模块和多径模块；卫星通信协议模块，包含PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层协议模块及对应的协议包模块。

在仿真基础模块的基础上，构建仿真模型库。模型库将各类型的基础模块进行特化存储，并建立对应的访问、增删、编辑、离线存储接口，用户通过上述接口实现对仿真模型库的访问与管理。仿真模型库支持扩展的卫星通信节点模型包括卫星转发器模型、天线模型、终端模型、地面站模型以及卫星模型；仿真模型库支持扩展的卫星通信信道仿真模型包括大尺度衰落模型和多径衰落模型，大尺度衰落模块包括云雾衰减模型、雨衰模型、大气衰减模型、对流层衰减模型。

在仿真模型库的基础上构建三个仿真功能模块，包括网络拓扑管理模块、链路计算及映射模块和协议仿真模块，模块化地实现仿真过程。网络拓扑管理模块负责实现对网络节点和信道模型的管理，确定卫星模块、关口站模块和终端模块的数量、类型、位置及业务状态，并确定当前仿真场景下所使用的信道模型；链路计算及映射模块通过网络拓扑管理模块所提供的接口，获取链路计算所需要的链路信息，完成链路计算返回载噪比，并完成链路级到系统级的映射，通过载噪比确定这一仿真时刻物理层的误包率；协议仿真模块负责仿真卫星移动通信协议的功能，将链路计算及映射得到的物理层误包率，向协议上层映射，最终统计出各层协议的协议传输性能参数并存储，同时仿真协议传输相关的卫星通信核心技术，包括链路自适应算法、自适应编码算法、速率匹配算法。

网络集合管理模块将三个仿真功能实现模块通过组合的方式结合起来，实现仿真全过程，并实现对仿真结果的收集、分析与处理，卫星移动通信路由算法、呼叫准入算法、资源分配算法、切换管理算法也在这个模块中通过接口的方式实现。网络集合管理模块实现对三个核心模块及仿真模型库模块接口的重新封装，为仿真交互模块提供仿真和控制其他模块的接口。

仿真交互模块调用网络集合管理的相关接口，实现仿真模型库展示与管理、控制仿真过程、配置仿真场景、跟踪仿真参数、仿真性能展示、仿真场景展示六项功能。

本发明所述系统，在进行仿真时，其仿真流程如下。

(1)仿真模型创建：用户判断是否需要创建新的仿真模型，如果需要则利用交互界面的模型库管理功能，进行仿真模型的扩展；如果不需要，则直接进行仿真场景配置。

(2)仿真场景创建：用户使用交互界面的仿真场景配置功能设置仿真参数、配置仿真网络拓扑、设置信道模型和协议参数。并根据仿真场景，修改底层的路由算法、呼叫准入算法、资源分配算法、切换管理算法对应的接口，完成仿真场景的创建。

(3)仿真运行及控制：仿真场景建立以后，用户通过仿真交互模块控制仿真的开始、暂停与终止，仿真系统的运行由网络集合管理模块协调三个仿真功能实现模块完成。仿真运行时，网络拓扑管理模块对已经创建的仿真网络进行网络更新，更新所有节点的位置、业务状态，网络更新过程中终端节点和地面关口站节点会发起业务请求；随后网络拓扑管理模块分析业务请求，进行路由、呼叫准入，如果呼叫准入允许，则进行资源分

配、切换判断及处理、创建通信链路，如果呼叫准入被拒绝，则通过仿真界面提示用户，并显示相关原因；通信链路创建后，链路计算及映射模块从网络拓扑管理模块中提取所需的通信节点参数、信道参数，进行链路传输过程的计算，获取当前链路的载噪比，然后使用映射模型将载噪比映射成为物理层包的误包率；映射完成后，协议仿真模块利用物理层包的误包率和生成随机数的方式，判决此次物理层包传输是否正确，并以此向MAC层、RLC层、PDCP层映射，得到此次链路传输的性能统计。仿真过程在业务结束或者仿真终止之前，依照上述流程不断进行业务更新，路由、呼叫准入、资源分配、切换管理，然后进行链路计算及映射，最后进行协议传输仿真及统计，仿真暂停是，仿真在本次仿真结束后暂停仿真，仿真终止时，仿真系统在本次仿真结束后终止仿真，并清除整个仿真系统。仿真统计结果按照类型不同分为无线传输统计结果、协议传输统计结果，其中无线传输统计结果包括：链路的总载噪比、链路总时延、链路各节点之间的载噪比、链路各节点之间的时延、干扰大小、多径衰减大下；协议传输统计结果包括：网络层吞吐量、MAC层吞吐量、包到达时刻、到达包大小、包传输时延、误包率、掉话率。

(4)仿真场景展示及参数跟踪：在仿真场景配置和仿真运行过程中，用户在任意时刻都能通过仿真交互界面的场景展示窗口查看仿真场景的构成，并通仿真交互界面的参数跟踪窗口查看当前时刻的链路参数和节点参数。链路参数包括各条链路的链路编号、发起节点、接收节点、中集节点、业务类型、剩余时长，节点参数包括各节点的编号、节点类型、位置信息、业务信息、所采用的天线模型。

(5)在仿真运行过程中与仿真结束后，支持用户通过仿真界面以曲线图或者柱状图的形式查看指定链路或者全局的仿真统计信息，同时支持用户通过缓存文件的形式查看仿真结果。

具体的，本发明卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统的整体构成如图1所示。其在进行仿真时，过程如图3所示，用户首先判断是否创建新模型，如果需要则创建新的仿真模型；模型准备完毕，用户使用交互界面和修改底层模块两种方式，配置自己所需的仿真场景，并设置仿真参数；随后进行仿真，仿真过程的分为仿真网络更新，包括路由、呼叫准入、资源分配和切换管理的无线资源管理，链路传输仿真和仿真结果统计四步构成；随后系统判决是否业务结束或者仿真终止，如果仿真继续则重复上面的过程。具体的链路传输仿真过程如图6所示，单次仿真过程中，链路计算模块从网络拓扑管理模块中获取链路计算所需参数，计算得到载噪比、时延，利用载噪比进行链路级到系统级的映射，获取到当前链路的误包率；随后协议仿真模块利用计算得到的误包率，向上层映射，获得MAC层、RLC层、PDCP层的误包率、吞吐量等性能统计数据。

采用面向对象的设计，构建卫星移动通信的仿真基础类。仿真基础类分为三大类：卫星通信节点类,包括卫星转发器类、天线类、终端类、地面站类以及卫星类；卫星通信信道类，包括大尺度衰落类和多径衰落类，其中大尺度衰落类包括云雾衰减类、雨衰类、大气衰减类、对流层衰减类、多径类等；卫星通信协议类，包含PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层协议类及对应的协议包类。

在上述仿真基础类的基础上构建仿真模型库类，如图4所示仿真模型库由模型存储模块及模型库接口构成。编写仿真模型库存储模块，为所要扩展的卫星通信仿真模型创建存储队列，并编写相应的队列搜索方法、模型访问方法；随后利用上述接口，为每个所要扩展的卫星通信仿真模型编写相应的增添模型、删除模型接口，并为每个所要扩展的卫星通信仿真模型编写对应的离线存储接口。离线存储接口的作用是当用户创建仿真模型的时，在指定位置为仿真模型生成文件备份，当模型被删除是，也删除对应的文件备份。当仿真模型库系统重启时，模型库读取文件备份，从而使得用户自定义的仿真模型能够离线不丢失。调用仿真模型库所提供的仿真基础类，通过组合的方式构建三个仿真核心类，包括网络拓扑管理类、链路计算及映射类和协议仿真类。网络拓扑管理类负责实现对网络节点和信道模型的管理，确定仿真场景中卫星、关口站和终端的数量及位置，并确定当前仿真场景下所使用的信道模型；链路计算及映射类通过网络拓扑管理类所提供的接口，获取链路计算所需要的信息，完成链路计算返回载噪比、时延，并完成链路级到系统级的映射，通过载噪比确定这一仿真时刻物理层包的传输正误；协议仿真类实现协议传输过程的仿真，并实现自适应编码、速率匹配等协议相关的卫星移动通信核心技术接口，同时负责统计出相关协议传输性能参数并存储。具体内容如下所述：

a)卫星转发器模型通过以下参数的定义新模型：饱和通量密度；等效噪声温度；输入/输出回退；饱和输出功率；工作模式(透明转发，非透明转发)。

b)天线模型通过以下参数定义新模型：最大增益；方向图，方向图采用统一的馈源加方向图的模式定义，以文件形式输入；天线直径；天线品质因数；极化角天线效率；天线辐射功率。

c)终端模型、地面站模型通过选取对应的天线模型、设置品质因数实现自定义。

d)卫星模型通过选取对应的转发器模型和天线模型定义、设置品质因数实现自定义。

e)无线传输模型，包括云雾衰减、雨衰、大气衰减、对流层衰减、多径模型等，多径模型支持路径数目可设，通过UI设置每径的时延、衰减、分布等参数，多径计算方法的修改需要通过修改代码。其余模型的修改，同样需要通过修改代码的方式进行。

f)协议传输模型，包括PDCP层模型、RLC层模型、MAC层模型、PHY层模型、业务生成模型以及对于的数据包及协议包模型。

网络集合管理类将三个核心类通过组合的方式结合起来，调用三个类的接口实现仿真全过程，并实现对仿真结果的存储、分析与处理。在网络集合管理类中，为路由算法、呼叫准入算法、资源分配算法、切换管理算法编写相应的接口，后期用户通过修改这些接口实现不同的核心技术算法。同时，网络集合管理类实现对三个核心仿真类及仿真模型库类接口的重新封装。

交互界面模块支持仿真控制、模型库展示及管理、场景配置、参数跟踪、性能展示、仿真场景展示六个功能。

通过仿真控制，实现对仿真过程的开始、暂停、结束以及输出仿真报告的控制。

模型库展示及管理，能够分类展示不同的模型并进行删除和增加，底层通过模型名称删除对应模型及离线备份文件。将仿真界面的各项操作与对应的底层接口对接起来，实现交互界面对底层模型库的展示和管理。通过上述方式，可以便捷的实现模型扩展，并且实现离线备份，当系统在此启动时，用户创建的模型不会丢失。

场景配置能够实现对仿真参数、传输环境和网络拓扑的自定义，从而定义出自己所需的仿真场景。

参数跟踪能够实时展示系统运行过程中的基本信息，帮助用户了解底层系统的运行状态和关键参数的变化。根据参数的内容划分为链路相关参数和节点相关参数。能够实时显示当前系统中所有链路的基本情况和所有节点的信息。

性能展示实现对仿真结果的统计和展示，性能统计实现在底层依靠性能统计体系，上层的展示主要通过曲线的形式实现，如图5所示。在仿真平台的底层，系统依靠性能统计体系进行仿真结果的收集、处理和存储，仿真平台每运行一个仿真间隔，性能统计体系将产生的有用仿真信息被层层收集，汇集到一起进行分析和存储。在仿真平台上层，首先需要分析不同仿真结果、选取合适的展示方式，例如将仿真结果分类展示，将有对比意义的曲线尽可能聚合在同一坐标系内，允许用户设定统计间隔等方式，方便用户进行分析对比，从而实现对的底层存储结果的整合与高效展示。

仿真场景展示使用不同形状的图形表示不同类型的节点，使用不同颜色区别节点的业务状态，使用节点之间的连线表示卫星移动通信链路。

Claims (7)

1.一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，包括仿真模型库模块、仿真功能实现模块和网络集合管理模块；

所述的仿真模型库模块用于提供卫星移动通信仿真模型；

所述的仿真功能实现模块从仿真模型库模块中分别调用相应仿真模型实现对应的仿真功能，其包括网络卫星移动通信网络拓扑管理模块、卫星移动通信链路计算及映射模块和卫星移动通信协议仿真模块三个子模块；

所述的网络集合管理模块用于对仿真功能实现模块中的三个子模块进行组合和调度，使三个仿真功能实现模块相互配合完成仿真功能，并且对网络卫星移动通信网络拓扑管理模块进行无线资源管理。

2.根据权利要求1所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，还包括通过模型特化为仿真模型库模块提供仿真模型库数据的仿真基础模块；所述的仿真基础模块包括卫星通信节点模块，卫星通信信道模块和卫星通信协议模块。

3.根据权利要求2所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，所述的卫星通信节点模块包括卫星转发器模块、天线模块、终端模块、地面站模块以及卫星模块。

4.根据权利要求2所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，所述的卫星通信信道模块包括大尺度衰落模块和多径衰落模块，大尺度衰落模块包括云雾衰减模块、雨衰模块、大气衰减模块和对流层衰减模块。

5.根据权利要求2所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，所述的卫星通信协议模块包括PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层协议模块及对应的协议包模块。

6.根据权利要求1所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，还包括通过网络集合管理模块实现对仿真演示验证系统管理和控制的仿真交互界面模块。

7.根据权利要求6所述的一种面向卫星移动通信的系统级仿真演示验证系统，其特征在于，所述的仿真交互界面模块还用于通过网络集合管理模块获取仿真演示验证系统的运行信息及仿真结果，并进行显示。