CN110430003B - 天基信息网络信道模型轻量化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天基信息网络信道模型轻量化设计方法，旨在解决天基信息网络仿真时出现的仿真效率低下问题，属于通信仿真技术领域。所述方法结合天基信息网络基本通信流程根据信道类型动态添加信道接收组以及根据协议仿真层次裁减信道模型管道阶段的方法，实现对天基信息网络仿真无线链路信道模型的轻量化设计，极大的提高了仿真效率。

Description

天基信息网络信道模型轻量化设计方法
技术领域
本发明属于通信仿真技术领域，具体涉及一种天基信息网络信道模型轻量化设计方法。
背景技术
天基信息网络是以空间平台(如同步卫星、中、低轨道卫星、平流层气球和有人或无人驾驶飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。
由于天基信息网络的特殊性，搭建真实的网络试验平台来进行新技术的仿真验证在时间上和经济上往往不可行，使用OPNET等网络仿真工具成为天基信息网络新技术研究中最常用的仿真方法。在OPNET中对无线链路信道模型模拟是通过14个管道阶段来完成的。由于无线环境中节点之间的收发关系动态变化，在仿真开始前通常很难确定与发射机信道匹配的接收信道，因此缺省情况下，发送节点默认所有节点都是潜在的接收者，包括发送节点自身，每个数据包发送进入无线环境都需要一一与每个节点进行管道计算，通过多个管道阶段计算排除不匹配的接收节点，留下匹配的接收节点接收数据包。
天基信息网络规模庞大，无线收发节点数量众多，数据收发量大，如果采用默认的无线链路信道模型将导致仿真计算量巨大，仿真效率低下，严重影响仿真的速度，因此对信道模型的轻量化设计十分有必要。
发明内容
本发明是为了解决利用OPNET 对天基信息网络进行仿真时出现的仿真效率低下问题，提供一种信道模型轻量化设计方法。通过对无线信道模型的管道阶段进行轻量化设计，大大提高天基信息网络仿真时的效率。
本发明采用的技术方案为：
天基信息网络信道模型轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)利用OPNET 网络仿真工具构建天基信息网络仿真场景，对无线链路信道模型进行模拟，其中，对无线链路信道模型进行模拟包括14个管道阶段：接收机组匹配、传输时延、链路闭合、信道匹配、发射天线增益、传播时延、接收天线增益、接收功率、背景噪声功率、干扰噪声功率、信噪比计算、误码率计算、错误分布和错误纠正；
(2)接收机组匹配管道阶段对天基信息网络中的所有网络节点的发射机创建空接收组，即每个发射机信道没有任何可能的接收信道；所述的网络节点包括卫星节点和终端节点；
(3)对于卫星节点之间稳定连接的星间链路，根据已知的连接关系，将邻星节点的接收信道添加到本星发射机的接收组中；
(4)对于卫星节点与终端节点之间动态变化的星地链路，结合天基信息网络基本通信流程，根据信道类型和终端节点切换情况仅将需要接收数据的目的节点信道添加到发射机的接收组中；所述的信道类型包括下行广播信道、上行随机接入信道、上行信令专用信道以及上行/下行业务信道；
(5)对任意一种信道类型，根据协议仿真层次对后续13个管道阶段中不影响仿真结果的阶段进行裁减，仅保留传输时延、链路闭合和传播时延三个管道阶段；
(6)如果终端发生切换，根据切换通告，终端节点或卫星节点删除发射机原来的接收组并添加新的接收组；
完成天基信息网络信道模型轻量化设计。
其中，步骤(4)包括以下步骤：
(401)对于星地链路的下行广播信道，在终端节点中将其接收信道添加到天基信息网络所有卫星节点的全球波束发射机接收组中，从而接收所有卫星节点的广播信息；
(402)对于星地链路的上行随机接入信道，收到卫星节点的广播信息后，终端节点根据策略选中一颗卫星作为自己入网注册的卫星，仅将该卫星的随机接入接收信道添加到终端发射机接收组中；
(403)对于星地链路的上行信令专用信道，根据终端入网认证结果和信道资源分配结果，终端节点将入网注册所在卫星的信令专用接收信道添加到终端信令专用发射机接收组中；
(404)对于星地链路的上行业务信道，根据终端业务申请结果，终端节点将业务接入卫星的业务接收信道添加到终端的业务发射机接收组中；
(405)对于星地链路的下行业务信道，根据终端业务申请结果，终端节点将业务接收信道添加到业务接入卫星的业务发射机接收组中。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明提供了一种结合天基信息网络基本通信流程根据信道类型动态添加无线链路信道接收组的方法，实现天基信息网络仿真时的轻量化设计和仿真效率的提升；
2.本发明提供了一种根据协议仿真层次裁减无线链路信道模型管道阶段的方法，实现天基信息网络仿真时的轻量化设计和仿真效率的进一步提升；
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明的无线管道模型可保留或者裁减管道阶段示意图。
图3是本发明的天基信息网络基本通信流程。
图4是本发明的天基信息网络通信信道类型。
图5是本发明的信道模型轻量化设计前后的性能对比。
具体实施方式
以下结合附图及实施方式详细说明本发明技术方案。
天基信息网络信道模型轻量化设计方法，实现流程图如图1，主要包括以下步骤：
(1)利用OPNET 网络仿真工具构建天基信息网络仿真场景，对无线链路信道模型进行模拟，其中，对无线链路信道模型进行模拟包括14个管道阶段，如图2所示，包括：接收机组匹配、传输时延、链路闭合、信道匹配、发射天线增益、传播时延、接收天线增益、接收功率、背景噪声功率、干扰噪声功率、信噪比计算、误码率计算、错误分布和错误纠正；
(2)接收机组匹配管道阶段对天基信息网络中的所有网络节点的发射机创建空接收组，即每个发射机信道没有任何可能的接收信道；后续通过动态添加接收组滤除目标节点之外的所有接收信道，完成接收机匹配阶段的优化；所述的网络节点包括卫星节点和终端节点；天基信息网络基本通信流程如图3所示；
(3)对于卫星节点之间稳定连接的星间链路，根据已知的连接关系，将邻星节点的接收信道添加到本星发射机的接收组中；
(4)对于卫星节点与终端节点之间动态变化的星地链路，结合天基信息网络基本通信流程，根据信道类型和终端节点切换情况仅将需要接收数据的目的节点信道添加到发射机的接收组中；所述的信道类型包括下行广播信道、上行随机接入信道、上行信令专用信道以及上行/下行业务信道，如图4所示；具体为：
(401)对于星地链路的下行广播信道，在终端节点中将其接收信道添加到天基信息网络所有卫星节点的全球波束发射机接收组中，从而接收所有卫星节点的广播信息；
(402)对于星地链路的上行随机接入信道，收到卫星节点的广播信息后，终端节点根据策略选中一颗卫星作为自己入网注册的卫星，仅将该卫星的随机接入接收信道添加到终端发射机接收组中；
通过该步骤，终端发送入网申请数据包时，仅需与入网目的卫星节点进行无线链路信道模型管道计算，而避免了默认情况下与其他卫星节点、所有终端节点的管道计算，节省了大量的仿真计算，并且在其他信道类型下有同样效果。
(403)对于星地链路的上行信令专用信道，根据终端入网认证结果和信道资源分配结果，终端节点将入网注册所在卫星的信令专用接收信道添加到终端信令专用发射机接收组中；
(404)对于星地链路的上行业务信道，根据终端业务申请结果，终端节点将业务接入卫星的业务接收信道添加到终端的业务发射机接收组中；
(405)对于星地链路的下行业务信道，根据终端业务申请结果，终端节点将业务接收信道添加到业务接入卫星的业务发射机接收组中。
(5)对任意一种信道类型，根据协议仿真层次可以对后续13个管道阶段中不影响仿真结果的阶段进行裁减，仅保留后续的传输时延、链路闭合、传播时延三个管道阶段，而其他如信道匹配、误码率计算等不会影响无线链路传输结果阶段则直接跳过，以继续对无线信道模型进行优化，加快仿真速度；
对路由协议性能、资源分配算法等高层协议进行仿真时，不关心低层的链路性能，可跳过大部分与信道误码性能相关的管道阶段，仅保留传输时延、链路闭合、传播时延三个管道阶段；对随机接入协议、抗干扰体制等低层协议进行仿真时，需要对链路层的传输体制进行仿真，则保留后续所有的管道阶段。
(6)如果终端发生切换，根据切换通告，终端/卫星节点删除发射机原来的接收组并添加新的接收组，完成接收组更新；
如图5所示，通过实例对比分析信道模型轻量化设计前后的性能，验证轻量化设计后的仿真效率可大大提升；
网络仿真场景中添加若干卫星节点，若干终端节点。设置终端节点之间的数据业务，业务大小分别为0.25、0.5、0.75、1Mbps。对场景中的无线链路信道模型分别采用默认和轻量化设计的方式进行信道建模，运行仿真场景，统计对比仿真耗用时间。结果表明经过信道模型轻量化设计之后，仿真耗时从724s减少到4s，耗时可缩短180 倍，并且随着业务增大，仿真效率提升效果越显著；
完成天基信息网络信道模型轻量化设计。

Claims (2)

1.天基信息网络信道模型轻量化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)利用OPNET 网络仿真工具构建天基信息网络仿真场景，对无线链路信道模型进行模拟，其中，对无线链路信道模型进行模拟包括14个管道阶段：接收机组匹配、传输时延、链路闭合、信道匹配、发射天线增益、传播时延、接收天线增益、接收功率、背景噪声功率、干扰噪声功率、信噪比计算、误码率计算、错误分布和错误纠正；
(2)接收机组匹配管道阶段对天基信息网络中的所有网络节点的发射机创建空接收组，即每个发射机信道没有任何可能的接收信道；所述的网络节点包括卫星节点和终端节点；
(3)对于卫星节点之间稳定连接的星间链路，根据已知的连接关系，将邻星节点的接收信道添加到本星发射机的接收组中；
(4)对于卫星节点与终端节点之间动态变化的星地链路，结合天基信息网络基本通信流程，根据信道类型和终端节点切换情况仅将需要接收数据的目的节点信道添加到发射机的接收组中；所述的信道类型包括下行广播信道、上行随机接入信道、上行信令专用信道以及上行/下行业务信道；
(5)对任意一种信道类型，根据协议仿真层次对后续13个管道阶段中不影响仿真结果的阶段进行裁减，仅保留传输时延、链路闭合和传播时延三个管道阶段；
(6)如果终端发生切换，根据切换通告，终端节点或卫星节点删除发射机原来的接收组并添加新的接收组；
完成天基信息网络信道模型轻量化设计。
2.根据权利要求1所述的天基信息网络信道模型轻量化设计方法，其特征在于，步骤(4)包括以下步骤：
(401)对于星地链路的下行广播信道，在终端节点中将其接收信道添加到天基信息网络所有卫星节点的全球波束发射机接收组中，从而接收所有卫星节点的广播信息；
(402)对于星地链路的上行随机接入信道，收到卫星节点的广播信息后，终端节点根据策略选中一颗卫星作为自己入网注册的卫星，仅将该卫星的随机接入接收信道添加到终端发射机接收组中；
(403)对于星地链路的上行信令专用信道，根据终端入网认证结果和信道资源分配结果，终端节点将入网注册所在卫星的信令专用接收信道添加到终端信令专用发射机接收组中；
(404)对于星地链路的上行业务信道，根据终端业务申请结果，终端节点将业务接入卫星的业务接收信道添加到终端的业务发射机接收组中；
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