CN111447025A - 一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台及构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台即构建方法，仿真平台的架构包括储存管理层、配置管理层、中间适配层和统计分析层，构建方法为：构建面向卫星移动通信的系统级仿真平台架构；根据所述仿真平台架构分析仿真平台的配置管理模型；对核心通信节点进行建模，生成卫星模型、终端节点模型和信关站模型；设计所述仿真平台的工作流程。本发明具有可适用于多星、多站、多波束、多链路和多用户自由组网的优点，为卫星移动通信系统协议体制和关键技术的仿真验证提供了一种新的借鉴和参考，同时也支撑了卫星移动通信系统中多星、多站、多波束、多链路和多用户的灵活组网、体制论证、协议设计和关键技术的验证。

Description

一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台及构建方法

技术领域

本发明涉及卫星移动通信技术领域，具体的，涉及一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台及构建方法。

背景技术

随着4G在全球商用的成功展开，用户的需求近年来呈现爆发式增长，为了满足日益增长的用户需求，无线通信领域也加快了研究的进度并取得了阶段性成果。但是，地面移动通信系统在满足城区用户快速增长的需求的同时，仍然存在不足。在应急救灾、林业巡检、户外探险、电力巡检、海洋渔业、村通工程等场景，地面通信系统由于覆盖成本高或根本无法覆盖等因素，无法保障这些情况下的用户需求。然而，卫星移动通信凭借覆盖范围广、组网灵活迅速、通信费用与距离无关、受地形地物影响小、便于实现全球无缝连接等特点，可以解决地面移动通信覆盖不足的问题。同时，近年来，ITU、3GPP和SaT5G等国际组织正在开展卫星与地面移动通信融合的研究工作，我国也大力投入天地一体化信息网络的研制和建设，卫星移动通信在未来移动通信系统中必将扮演重要角色。然而，卫星移动通信系统的技术体制复杂、建设周期长、运营维护成本耗费巨大，行业普遍采用仿真平台，节省系统功能测试和网络运营的成本和时间。

在卫星移动通信系统的技术体制研究与仿真论证过程中，涉及到广泛的内容，主要归纳如下：(1)组网架构论证。卫星移动通信系统中卫星轨道、波束覆盖、信关站、运行管理控制中心、核心网等如何进行组网对通信网络的干扰水平、信号传输质量、覆盖范围等造成影响，从而影响到网络整体运行的能效水平。因此，在建设卫星网络前，有必要通过具备研究多星、多站灵活组网的系统级仿真平台对设计的不同组网架构进行运行效率的分析与论证。(2)协议体制论证。在卫星移动通信系统中，协议体制论证主要包括空口多址方式、接口标准、协议栈传输体制等，通过规范化网络各网元的交互、处理流程，支撑用户终端在卫星网络中进行通信与数据传输。(3)关键技术论证。关键技术的研究能够使系统运行过程中的用户服务质量、资源利用效率进一步提升，使系统高效运行。关键技术的研究主要包含随机接入技术、接纳控制技术、资源分配技术，移动性管理技术、干扰管理技术等。

现有仿真平台针对卫星网络的链路分析、物理层关键技术、干扰分析和网络规划方面的需求开展设计的，往往只能适用于某一种网络架构和技术体制，难以支撑新一代卫星移动通信系统中多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网、体制论证、协议设计、关键技术验证的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台，优点在于可适用于多星、多站、多波束、多链路和多用户自由组网；目的之二是提供了上述仿真平台的构建方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台，仿真平台的架构包括

储存管理层，用于将提前建好的节点模型、通信模型、算法模型存入系统存储数据库，并且根据仿真需求灵活调用模型构建仿真场景；

配置管理层，用于通过灵活的配置参数加载，满足用户的灵活组网和协议体制设计的需求，同时支持对关键技术进行针对性研究；

中间适配层，用于在仿真过程中应用第三方软件提供调用接口，可以通过适配接口实现平台的扩展，丰富平台的功能；

统计分析层，用于对仿真过程中的数据进行统计，并支持根据仿真需求进行相关数据统计和分析。

进一步，所述配置管理层基于配置管理模型，所述配置管理模型用于根据用户具体仿真需求对应的配置参数进行解析，并基于解析后转化生成的配置参数从系统存储数据库中加载相对应的节点模型、通信协议体制、算法模型，进而将加载得到的仿真模型抽象后构建生成具体的仿真任务，并输入到相应仿真节点状态机中，触发各节点的状态转移，从而实现对系统仿真整体运行过程的控制。

进一步，所述配置管理层包括

仿真场景配置单元，用于灵活配置终端、信关站、卫星的通信节点仿真实例化数量和配置场景中天线类型、卫星信道类型的基础通信模型的类型；

网络规划配置单元，用于配置卫星轨道、卫星波束数量、卫星天线波束中心点、信关站地理位置参数，从而实现不同通信场景覆盖需求；

仿真行为配置单元，用于通过加载终端移动轨迹、卫星工作模式、协议体制和通信算法模型，可用于生成终端通信节点、信关站通信节点和卫星通信节点的一个或多个仿真任务；

统计参数配置单元，用于根据用户需求，设置需要重点观测的系统性能指标参数集合及其参数统计方式。

一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台的构建方法，方法具体为：

构建上文所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台的架构；

结合所述仿真平台架构分析仿真平台的配置管理模型；

对核心通信节点进行建模，生成卫星模型、终端节点模型和信关站模型，所述核心通信节点包括卫星通信节点、终端通信节点和信关站通信节点；

设计所述仿真平台的工作流程。

进一步，所述终端节点模型的作用为根据配置管理层下发终端的仿真任务，配置协议体制类型、移动轨迹、业务类型参数，控制终端的各种仿真行为。

进一步，所述卫星通信节电模型的作用为根据配置管理层下发卫星的仿真任务，配置卫星工作模式参数、协议类型参数、运动轨迹参数，控制卫星的各种仿真行为。

进一步，所述信关站通信节点模型的作用为根据配置管理层下发信关站的仿真任务，配置信关站工作模式、协议类型、无线资源管理算法，控制信关站的各种仿真行为。

进一步，所述仿真平台的工作流程为：

仿真平台启动，相应开启了交互界面、配置管理单元、系统存储数据库3个线程，用户通过交互界面输入仿真需求参数集；

配置管理单元解析参数，并创建仿真场景配置、网络规划配置、仿真任务配置和统计参数配置4个子线程，进行相应的仿真参数配置；

完成多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网；

完成基本通信流程的仿真配置；

仿真论证网络中的关键性能指标。

本发明的有益效果是：

本发明具有可适用于多星、多站、多波束、多链路和多用户自由组网的优点，为卫星移动通信系统协议体制和关键技术的仿真验证提供了一种新的借鉴和参考，同时也支撑了卫星移动通信系统中多星、多站、多波束、多链路和多用户的灵活组网、体制论证、协议设计和关键技术的验证。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图1为卫星移动通信的系统级仿真平台架构图；

附图2为配置管理模型设计图；

附图3为终端节点模型状态转移图；

附图4为卫星节点模型状态转移图；

附图5为信关站节点模型状态转移图；

附图6为卫星移动通信系统级仿真平台的工作流程图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实施例提出了一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台，该平台可适用于卫星移动通信系统中多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网、体制论证、协议设计、关键技术验证。

该平台基于两级递阶控制，第一级控制整个仿真平台构建场景、配置参数、分配任务等；第二级控制节点模型的仿真行为，从而满足卫星移动通信系统中能够快速、灵活组网并对不同组网架构进行仿真论证的需求。因此，采用分层的设计思想，以模块化解耦合的设计原则对各层的功能进行逻辑划分，设计了卫星移动通信系统级仿真平台架构。

仿真平台的架构如图1所示，包括存储管理层、配置管理层、中间适配层和统计分析层，其中统计分析层和中间适配层是与第三方软件作接口，配置管理层和存储管理层是仿真平台支持灵活组网、加载不同协议体制和关键技术研究的核心。

具体的，存储管理层是仿真平台的基础支撑层，储存管理层作为系统存储数据库，包括节点模型库、通信模型库、算法模型库、仿真日志库、场景模型库、任务模型库、网络规划库和数据记录库，作用是将提前建好的节点模型、通信模型、算法模型存入系统存储数据库，并且各存储库中的模型互不耦合、相互独立，根据仿真需求灵活调用模型构建仿真场景。

配置管理层作为整个系统仿真平台的主控单元，通过灵活的配置参数加载，可以满足用户的灵活组网和协议体制设计的需求，同时支持对关键技术进行针对性研究。

如图2所示，配置管理层包括仿真场景配置单元、网络规划配置单元、仿真行为配置单元、统计参数配置单元。

仿真场景配置可用于灵活配置终端、信关站、卫星等通信节点仿真实例化数量和配置场景中天线类型、卫星信道类型等基础通信模型的类型。然后，网络规划配置卫星轨道、卫星波束数量、卫星天线波束中心点、信关站地理位置等参数，从而实现不同通信场景覆盖需求，至此完成系统仿真平台中多星、多站、多波束、多链路、多用户的灵活组网。网络规划配置单元可以支持卫星波束无线资源的静态配置，如每个波束初始可用的工作总带宽、发射总功率等，并根据加载的用户自定义均衡算法，实现仿真过程中不同卫星之间、不同波束之间的无线资源动态协调，充分支持对整体网络部署的验证与优化。

仿真行为配置通过加载终端移动轨迹、卫星工作模式、协议体制和通信算法等模型，可用于生成终端、信关站和卫星等通信节点的一个或多个仿真任务，每个仿真任务均包含一系列仿真事件，按设定的时间点顺序，载入到上述实例化通信节点的状态机，推进系统仿真平台的运行。

统计参数配置主要根据用户需求，设置需要重点观测的系统性能指标参数集合及其参数统计方式，如时延、吞吐量、网络容量等关键性能指标。

中间适配层为仿真过程中应用第三方软件提供调用接口，可以通过适配接口实现平台的扩展，丰富平台的功能，例如，调用卫星工具软件包(Satellite Tools Kit,STK)接口进行卫星轨道文件导入，采用SQL接口进行数据存储，通过MATLAB接口用于仿真数据分析等。中间适配层包括SKT接口、MATLAB接口、SQL接口和其他接口，其他接口包括动画接口、文件接口等。

统计分析层主要用于对仿真过程中的数据进行统计，并支持根据仿真需求进行相关数据统计和分析。支持的分析类型包括节点模型数据统计分析、通信模型统计分析、算法模型性能统计分析和接口模型统计分析。

本实施例还提出了该仿真平台的构建方法，具体为：

首先构建系统级仿真平台架构，然后结合架构分析仿真平台的配置管理模型，进而对卫星、终端、信关站等核心通信节点进行建模，最后构建仿真平台工作流程。具体为：

系统级平台架构如上文所述。

配置管理模型是实现整个仿真平台的主控单元，负责根据用户具体仿真需求对应的配置参数进行解析，并基于解析后转化生成的配置参数从系统存储数据库中加载相对应的节点模型、通信协议体制、算法模型等，进而将加载得到的仿真模型抽象后构建生成具体的仿真任务，并输入到相应仿真节点状态机中，触发各节点的状态转移，从而实现对系统仿真整体运行过程的控制。

通信节点根据配置管理层下发的仿真任务，解析为一系列仿真事件，控制节点的仿真行为，推进仿真的执行。以状态转移方式介绍存储管理层中终端、卫星和信关站三个核心通信节点的建模。

终端节点模型是根据配置管理层下发终端的仿真任务，配置协议体制类型、移动轨迹、业务类型等参数，控制终端的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，终端需要进行多种状态切换，则需要对终端可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，终端节点模型状态转移图如图3所示，具体状态转移如下。

终端完成仿真初始化后，根据配置管理层下发的终端仿真任务，解析形成一系列仿真事件，并按序输入到事件仿真器中。事件仿真器维护一个事件队列，并根据各个事件类型，在指定时间点形成相应的事件中断，触发其他状态的仿真运行；协议配置中断用于指示终端加载对应的协议体制，并触发启用状态监听，终端监听并根据状态转移事件中断指示，触发进行入网或业务申请等操作，更新协议状态；终端位置加载中断用于触发加载终端位置信息，对终端的移动行为进行仿真；业务中断触发业务发生器生成指定大小和类型的业务包，触发终端进行相应的业务操作；事件仿真器中事件全部处理完成以后，本次仿真任务结束，继续进入任务监听状态，根据下一个仿真任务指示进行相应操作，直到仿真结束。

卫星模型是根据配置管理层下发卫星的仿真任务，配置卫星工作模式、协议类型、运动轨迹等参数，控制卫星的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，卫星需要进行多种状态切换，则需要对卫星可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，卫星节点模型状态转移图如图4所示，具体状态转移如下。

与终端节点模型类似，卫星完成仿真初始化后，根据配置管理层下发的卫星仿真任务，解析形成一系列仿真事件中断，推进卫星节点的仿真运行；卫星位置加载中断用于进行卫星位置更新，通过调用STK接口，完成当前卫星运动轨迹信息的加载；参数集配置中断用于根据用户配置的卫星工作模式，加载相应的卫星载荷类型，如果配置星上处理工作模式，则同时加载用户配置的协议体制模型。

信关站节点模型是根据配置管理层下发信关站的仿真任务，配置信关站工作模式、协议类型、无线资源管理算法等属性，控制信关站的各种仿真行为。因此，在仿真过程中，信关站需要进行多种状态切换，则需要对信关站可能发生的状态与状态转移触发条件进行定义，信关站节点模型状态转移图如图5所示，具体状态转移如下。

与终端节点模型类似，信关站完成仿真初始化后，根据配置管理层下发的信关站仿真任务，解析形成一系列仿真事件中断，推进信关站节点的仿真运行；协议配置中断用于指示信关站加载对应的协议体制，并根据事件中断推进协议流程的有序运转。此外，信关站支持接入型和综合型两种工作模式，其中接入型仅有接入网，综合型包括接入网和核心网；无线资源管理算法中断用于对卫星移动通信系统关键算法进行仿真建模，实现对单个波束下接入用户的无线资源调度。

卫星移动通信系统仿真平台采用两级递阶控制的工作流程如图6所示。

(1)仿真平台启动，相应开启了交互界面、配置管理单元、系统存储数据库3个线程，用户通过交互界面输入仿真需求参数集。(2)配置管理单元解析参数，并创建仿真场景配置、网络规划配置、仿真任务配置和统计参数配置4个子线程，进行相应的仿真参数配置。(3)完成多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网。仿真场景配置灵活配置终端、卫星、信关站等通信节点数以及天线类型、信道类型、终端类型等；网络规划配置卫星轨道高度、卫星波束数量、卫星天线波束中心点、信关站地理位置等；仿真任务配置卫星工作模式、卫星运动轨迹、信关站工作模式。(4)完成基本通信流程的仿真配置，仿真任务配置终端协议体制、终端运动轨迹、信关站的协议体制、无线资源管理算法等。同时，统计参数配置收集的关键性能指标。(5)仿真论证网络中的关键性能指标。通过调用MySQL记录仿真性能指标和MATLAB分析仿真结果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种面向卫星移动通信的系统级仿真平台，其特征在于：仿真平台的架构包括

储存管理层，用于将提前建好的节点模型、通信模型、算法模型存入系统存储数据库，并且根据仿真需求灵活调用模型构建仿真场景；

配置管理层，用于通过灵活的配置参数加载，满足用户的灵活组网和协议体制设计的需求，同时支持对关键技术进行针对性研究；

中间适配层，用于在仿真过程中应用第三方软件提供调用接口，可以通过适配接口实现平台的扩展，丰富平台的功能；

统计分析层，用于对仿真过程中的数据进行统计，并支持根据仿真需求进行相关数据统计和分析。

2.根据权利要求1所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台，其特征在于：

所述配置管理层基于配置管理模型，所述配置管理模型用于根据用户具体仿真需求对应的配置参数进行解析，并基于解析后转化生成的配置参数从系统存储数据库中加载相对应的节点模型、通信协议体制、算法模型，进而将加载得到的仿真模型抽象后构建生成具体的仿真任务，并输入到相应仿真节点状态机中，触发各节点的状态转移，从而实现对系统仿真整体运行过程的控制。

3.根据权利要求1所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台，其特征在于：

所述配置管理层包括

仿真场景配置单元，用于灵活配置终端、信关站、卫星的通信节点仿真实例化数量和配置场景中天线类型、卫星信道类型的基础通信模型的类型；

网络规划配置单元，用于配置卫星轨道、卫星波束数量、卫星天线波束中心点、信关站地理位置参数，从而实现不同通信场景覆盖需求；

仿真行为配置单元，用于通过加载终端移动轨迹、卫星工作模式、协议体制和通信算法模型，可用于生成终端通信节点、信关站通信节点和卫星通信节点的一个或多个仿真任务；

统计参数配置单元，用于根据用户需求，设置需要重点观测的系统性能指标参数集合及其参数统计方式。

4.一种如权利要求1-3任一所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台的构建方法，其特征在于：方法具体为：

构建如权利要求1所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台架构；

根据所述仿真平台架构分析仿真平台的配置管理模型；

对核心通信节点进行建模，生成卫星模型、终端节点模型和信关站模型，所述核心通信节点包括卫星通信节点、终端通信节点和信关站通信节点；

设计所述仿真平台的工作流程。

5.根据权利要求4所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台构建方法，其特征在于：所述终端节点模型的作用为根据配置管理层下发终端的仿真任务，配置协议体制类型、移动轨迹、业务类型参数，控制终端的各种仿真行为。

6.根据权利要求4所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台构建方法，其特征在于：所述卫星通信节电模型的作用为根据配置管理层下发卫星的仿真任务，配置卫星工作模式参数、协议类型参数、运动轨迹参数，控制卫星的各种仿真行为。

7.根据权利要求4所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台构建方法，其特征在于：所述信关站通信节点模型的作用为根据配置管理层下发信关站的仿真任务，配置信关站工作模式、协议类型、无线资源管理算法，控制信关站的各种仿真行为。

8.根据权利要求4所述的面向卫星移动通信的系统级仿真平台构建方法，其特征在于：所述仿真平台的工作流程为：

仿真平台启动，相应开启了交互界面、配置管理单元、系统存储数据库3个线程，用户通过交互界面输入仿真需求参数集；

配置管理单元解析参数，并创建仿真场景配置、网络规划配置、仿真任务配置和统计参数配置4个子线程，进行相应的仿真参数配置；

完成多星、多站、多波束、多链路和多用户灵活组网；

完成基本通信流程的仿真配置；

仿真论证网络中的关键性能指标。

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