CN112422316B - 一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，所述的方法包括以下步骤：S1：获取仿真网络的各个节点的地理位置、各个节点之间信道、各个节点所具备波形的参数、节点传输信息；S2：将获得的数据写入仿真软件的仿真配置文件；S3：在发射端，物理层确定仿真工程中的任一节点的发射波形，在各自地理环境和电磁环境不同信道下的覆盖场强分布；在接收端，物理层同时根据接收机的信号带宽BW、频谱效率函数Eff、灵敏度Sensitivity等参数，确定收发两端的传输数据率；S4：根据S3确定的传输数据率，再依据链路层的收发时隙分布，所述的收发时隙包括上行时隙、下行时隙，确定可承载的上下行数据吞吐量；S5：根据路由协议，业务选择数据吞吐量最大的路径实现端到端传输。

Description

一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，更具体地，涉及一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法。
背景技术
网络通信能力分析是无线通信的系统级仿真的主要功能之一，已经民用通信，特别是在地面蜂窝通信上得到广泛成功的应用。
在民用蜂窝通信系统中，通过对网络通信能力的分析，可以在实际部署无线基站前进行基站的预部署，对无线基站的部署位置、发射功率、天线能力、天线高度等指标进行全面的网络规划，大大减轻了网络铺设的实际工作量，加快了无线基站的部署工作。
将民用蜂窝通信系统中的相关技术，应用在平流层升空平台，如太阳能无人机和升空气球平台的网络通信能力分析上，可以在平流层升空平台在升空前预知平台的网络通信能力，对平流层升空平台的部署与相关通信载荷技术参数的选取，对降低试验成本与试验风险，都具有着重要的指导意义。如中国专利公开号：CN 103428747 A，专利公开日：2013.12.04，公开了一种航空自组织网络无线链路稳定性预测方法，该方法首先构建了航空自组织网络节点移动模型，移动模型由七个状态组成：加速起飞、等速上升、平稳飞行、转弯、等速下降、减速停止和静止；其次根据上述移动模型中节点在各个状态的运动特征，确定在各个状态中的节点运动速率概率密度函数，以及节点之间相对速率的概率密度函数；然后在此基础上，结合移动节点之间的距离，以及节点相对运动方向信息，确定无线链路持续时间的分布函数；最后根据链路持续时间分布函数得出多跳无线链路的稳定性因子。飞机节点可将链路稳定性因子作为路由选择的重要依据，从而为航空自组织网络建立稳定性高的无线传输链路。
然后以上公开的现有技术并不适用于平流层升空平台，而平流层升空与降落时间需要一天左右，导致实际空中组网成本高、风险大、周期长。
发明内容
本发明为克服上述现有技术存在组网成本高、风险大的问题，提出了一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其先对平流层升空平台进行网络仿真，降低试验风险，从而降低组网成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，所述的方法包括以下步骤：
S1：获取仿真网络的各个节点的地理位置、各个节点之间信道、各个节点所具备波形的参数、节点传输信息；
S2：根据步骤S1获得的数据写入仿真软件的仿真配置文件；
S3：在发射端，物理层确定仿真工程中的任一节点的发射波形，在各自地理环境和电磁环境不同信道下的覆盖场强分布；在接收端，物理层同时根据接收机的信号带宽BW、频谱效率函数Eff、灵敏度Sensitivity等参数，确定收发两端的传输数据率；
S4：根据S3确定的传输数据率，再依据链路层的收发时隙分布，所述的收发时隙包括上行时隙、下行时隙，确定可承载的上下行数据吞吐量；
S5：根据路由协议，业务选择数据吞吐量最大的路径实现端到端传输。
优选地，步骤S1～S5为节点静止时仿真步骤，当平流层升空平台运动时，设置仿真软件的node文件添加相应节点在不同时刻的运动轨迹；同时，通过设置仿真软件的antenna文件配置天线方向图；最后，仿真软件通过统计各个时刻的数据，获得不同轨迹对应的业务选择数据吞吐量。
进一步地，为了验证虚拟节点和真实节点协议的一致性，进行半实物仿真，具体在使用仿真软件构建虚拟网络时，将虚拟节点A映射到真实节点B上，使得真实节点B发出的数据包，通过对应的映射虚拟节点A进入虚拟网络；同样，虚拟节点A的数据可发送至真实节点B。
再进一步地，所述的各个节点的地理位置包括平流层升空平台的经纬度、平流层升空平台的高度、空中无线端机的经纬度、空中无线端机的高度、地面各种无线设备的经纬度、地面各种无线设备的高度。
优选地，所述的各个节点之间信道包括视距白噪声信道、时变干扰信道。
优选地，所述的各个节点所具备波形的参数包括物理层的工作频率、信号带宽BW、发射功率、灵敏度Sensitivity、天线增益，链路层的时隙数量、上行时隙、下行时隙、路由层路由协议。
优选地，所述的节点传输信息包括业务流源节点、目的节点、发送包大小、发送间隔。
优选地，步骤S3中，所述的传输数据率Rate的计算公式如下：
Rate＝BW*Eff(Sensitivity)
当存在干扰噪声I时，其中I单位为dBm，此时灵敏度恶化为Sensitivity+I。
优选地，步骤S4中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的上行数据吞吐量Thr_up，其具体计算公式如下：
Thr_up＝Rate*N_up/(N_up+N_down)
其中，N_up表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_up表示上行数据吞吐量。
优选地，步骤S4中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的下行数据吞吐量Thr_down，其具体计算公式如下：
Thr_down＝Rate*N_down/(N_up+N_down)；
其中，N_down表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_down表示下行数据吞吐量。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过采用仿真软件对网络通信能力进行预先分析，可以大大加快平流层升空平台组网时间，优化平流层升空平台通信载荷地理位置、信道、波形参数的选取。其次，通过平流层升空平台运行轨迹的按需规划，可满足各个接入设备的随时变化的通信需求。
附图说明
图1为本实施例所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法的流程框图。
图2为本实施例提供的平流层升空平台无线通信仿真网络。
图3为本实施例中平流层升空平台运行轨迹规划通信效果仿真。
图4为本实施例中平流层升空平台无线半实物仿真环境。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
平流层升空平台作为可承载多种通信载荷的平台，运行在海拔20000米左右的临近空间。平流层升空平台依靠其高空优势，可组成由多个平流层升空平台和多种类型的地面设备组成的无线通信网络，从而实现大范围的无线通信视距接入。
由于平流层升空平台的稀缺性和高价值，利用在临近空间的多个平流层升空平台，组成多种任意拓扑以验证网络通信能力是不现实的。
基于平流层升空平台的无线网络具有以下几个特点：
a)远距离大范围视距通信
平流层升空平台的高空优势，可以在远距离情况下做到视距通信，从而实现大范围无线接入与中继。
b)接入无线波形种类较多
接入无线波形涉及频段较宽，波形囊括了多种窄带、宽带模式。
c)可规划的平流层升空平台运行轨迹
平流层升空平台，特别是太阳能无人机具有相当大的动力系统，因此可以随时按照需求满足广域覆盖下多个接入设备的资源分配。
d)时变信道特点
由于平流层升空平台如俯仰、盘旋等运行姿态的改变，还因为平流层升空平台与设备终端的距离较远，因此其通信信道是时变的。这些时变特性都会影响网络的综合通信能力。
e)电磁环境较为复杂
在平流层升空平台，特别是在太阳能无人机平台上，除了有临近空间的宇宙辐射外，还有平流层升空平台电源管理系统的强干扰。另外，由于平流层升空平台还存在着测控链路、导航设备等无线设备，因此也存在着对无线通信的干扰。
根据对以上平流层升空平台通信系统的特点分析，可以在计算机仿真平台上采用Qualnet/Opnet/NS3等系统级仿真软件，结合平流层升空平台通信系统网络拓扑，各通信节点的位置高度、波形协议架构等信息，并考虑周围地理环境、大气环境，构建一个平流层升空平台的网络通信分析方法。
本实施例提出一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，如图1、图2所示，所述的方法包括以下步骤：
S1：获取仿真网络的各个节点的地理位置、各个节点之间信道、各个节点所具备波形的参数、节点传输信息；
所述的各个节点的地理位置包括平流层升空平台的经纬度、平流层升空平台的高度、空中无线端机的经纬度、空中无线端机的高度、地面各种无线设备的经纬度、地面各种无线设备的高度。其中，所述的各个节点之间信道包括视距白噪声信道、时变干扰信道。所述的各个节点所具备波形的参数包括物理层的工作频率、信号带宽BW、发射功率、灵敏度Sensitivity、天线增益，链路层的时隙多少、上行时隙、下行时隙、路由层路由协议。所述的节点传输信息包括业务流源节点、目的节点、发送包大小、发送间隔。
S2：根据步骤S1获得的数据写入仿真软件的仿真配置文件；
S3：在发射端，物理层确定仿真工程中的任一节点的发射波形，在各自地理环境和电磁环境不同信道下的覆盖场强分布；在接收端，物理层同时根据接收机的信号带宽BW、频谱效率函数Eff、灵敏度Sensitivity等参数，确定收发两端的传输数据率；
在一个具体的实施例中，步骤S3中，所述的传输数据率Rate的计算公式如下：
Rate＝BW*Eff(Sensitivity)
此时如果存在干扰，则会影响灵敏度指标，当存在干扰噪声I时，其中I的单位为dBm，此时灵敏度恶化为Sensitivity+I。
S4：根据S3确定的传输数据率，再依据链路层的收发时隙分布，所述的收发时隙包括上行时隙、下行时隙，确定可承载的上行数据吞吐量；
在一个具体的实施例中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的上行数据吞吐量Thr_up，其具体计算公式如下：
Thr_up＝Rate*N_up/(N_up+N_down)
其中，N_up表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_up表示上行数据吞吐量。
在一个具体的实施例中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的下行数据吞吐量，其具体计算公式如下：
Thr_down＝Rate*N_down/(N_up+N_down)；
其中，N_down表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_down表示下行数据吞吐量。
S5：根据路由协议，业务选择数据吞吐量最大的路径实现端到端传输。
在一个具体的实施例中，步骤S1～S5为节点静止时仿真步骤，但实际情况，各个节点是随时可能移动，特别是空中节点。通过考察平流层升空平台节点的运动轨迹，更可以反映无线通信系统在各个轨迹点的网络性能。通过对各种轨迹的仿真，可以获得优化的平流层升空平台轨迹规划。因此设置仿真软件的node文件添加相应节点在不同时刻的运动轨迹；同时，节点的运动会导致各节点天线方向的变化与对应信道的变化，从而影响各个节点的数据吞吐量，通过设置仿真软件的antenna文件配置天线方向图；最后，仿真软件通过统计各个时刻的数据，获得不同轨迹对应的业务选择数据吞吐量。
如图3所示，可以通过对平流层升空平台运行轨迹的规划，得到该运行轨迹下的网络通信性能，从而科学评估轨迹规划效果。
在一个具体的实施例中，为了进一步贴近实际网络，在图2的仿真网络中，还可以加入实物节点，从而构建一个无线半实物仿真环境。如图4所示。Qualnet/Opnet/NS3等系统级仿真软件不仅能仿真虚拟节点，还能接入实物节点。在图4中，在运行无线仿真软件的服务器上，通过网口接入实物节点。接入实物节点，可以更好的验证平流层升空平台无线仿真网络节点的各层协议与实物节点的互联互通性能。
具体在使用仿真软件构建虚拟网络时，将虚拟节点A映射到真实节点B上，使得真实节点B发出的数据包，通过对应的映射虚拟节点A进入虚拟网络；同样，虚拟节点A的数据可发送至真实节点B。虚拟节点A与真实节点B的数据完全同步，这样就可以将真实节点B和仿真服务器构建的虚拟网络统一起来一起仿真，从而验证虚拟接点和真实节点协议的一致性。
通过建立半实物平流层升空平台仿真网络，可以在实际部署平流层升空平台无线网络前，对平流层升空平台通信网络拓扑、无线载荷能力、协议能力进行预估评判，降低了实际部署的风险、成本与时间。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1：获取仿真网络的各个节点的地理位置、各个节点之间信道、各个节点所具备波形的参数、节点传输信息；
S2：根据步骤S1获得的数据写入仿真软件的仿真配置文件；
S3：在发射端，物理层确定仿真工程中的任一节点的发射波形，在各自地理环境和电磁环境不同信道下的覆盖场强分布；在接收端，物理层同时根据接收机的信号带宽BW、频谱效率函数Eff、灵敏度Sensitivity，确定收发两端的传输数据率；
S4：根据S3确定的传输数据率，再依据链路层的收发时隙分布，所述的收发时隙包括上行时隙、下行时隙，确定可承载的上下行数据吞吐量；
S5：根据路由协议，在业务选择数据吞吐量最大的路径上实现端到端传输。
2.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：步骤S1～S5为节点静止时仿真步骤，当平流层升空平台运动时，设置仿真软件的node文件添加相应节点在不同时刻的运动轨迹；同时，通过设置仿真软件的antenna文件配置天线方向图；最后，仿真软件通过统计各个时刻的数据，获得不同轨迹对应的业务选择数据吞吐量。
3.根据权利要求2所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：为了验证虚拟节点和真实节点协议的一致性，进行半实物仿真，具体在使用仿真软件构建虚拟网络时，将虚拟节点A映射到真实节点B上，使得真实节点B发出的数据包，通过对应映射的虚拟节点A进入虚拟网络；同样，虚拟节点A的数据可发送至真实节点B。
4.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：所述的各个节点的地理位置包括平流层升空平台的经纬度、平流层升空平台的高度、空中无线端机的经纬度、空中无线端机的高度、地面各种无线设备的经纬度、地面各种无线设备的高度。
5.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：所述的各个节点之间信道包括视距白噪声信道、时变干扰信道。
6.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：所述的各个节点所具备波形的参数包括物理层的工作频率、信号带宽BW、发射功率、灵敏度Sensitivity、天线增益，链路层的时隙数量、上行时隙、下行时隙、路由层路由协议。
7.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：所述的节点传输信息包括业务流源节点、目的节点、发送包大小、发送间隔。
8.根据权利要求1所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：步骤S3中，所述的传输数据率Rate的计算公式如下：
Rate＝BW*Eff(Sensitivity)
当存在干扰噪声I时，其中I单位为dBm，此时灵敏度恶化为Sensitivity+I。
9.根据权利要求8所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：步骤S4中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的上行数据吞吐量Thr_up，其具体计算公式如下：
Thr_up＝Rate*N_up/(N_up+N_down)
其中，N_up表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_up表示上行数据吞吐量。
10.根据权利要求9所述的适合平流层升空平台的网络通信能力分析方法，其特征在于：步骤S4中，依据链路层的收发时隙分布，确定可承载的下行数据吞吐量Thr_down，其具体计算公式如下：
Thr_down＝Rate*N_down/(N_up+N_down)；
其中，N_up表示上行时隙数量，N_down表示下行时隙数量，Thr_down表示下行数据吞吐量。
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