CN115441929A - 一种卫星网络链路模拟器实现方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星网络链路模拟器实现方法。该方法包括：根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告；根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照；链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信；根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路。本发明通过卫星数据报告输出模块、拓扑快照生成模块、卫星链路可视化模块及汇聚交换模块的有序协同，实现对相关传输链路通断、时延、抖动以及误码率的有效模拟，可为卫星网络新技术的验证与评估模拟提供基础仿真环境。

Description

一种卫星网络链路模拟器实现方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星网络链路通信技术领域，尤其涉及一种卫星网络链路模拟器实现方法和系统。

背景技术

随着互联网技术的发展，用户规模和应用范围的不断扩大，许多偏远地区以及复杂自然场景下的通信设备无法使用传统地面网络进行通信。为应对这一挑战，建设并发展卫星网络受到世界各国的空前关注。然而，由于卫星网络具备长时延、高误码率、链路间歇性中断等特征，地面相对成熟的网络通信协议无法直接“照搬”，尚需设计符合卫星网络自身特点的新方案并开展全方位、多维度的论证与测试。考虑卫星上试验部署成本高、配置效率底下、执行周期过长等诸多不利因素，构建一套高效、灵活、可扩展卫星网络链路模拟器以支撑各类新型网络协议的初步验证与评估至关重要。

目前，现有技术中的卫星网络链路模拟方法存在一定的局限性：如仿真环境配置与真实卫星网络环境相差较大，真实性无法保证；使用成本较高，不支持用户自定义模拟，灵活性较差；大规模扩展情况下连接拓扑复杂，可扩展性差。

发明内容

本发明的实施例提供了一种卫星网络链路模拟器实现方法和系统，以实现对卫星网络链路状态进行有效的实时模拟。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种卫星网络链路模拟器实现方法，包括：

根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告；

根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照；

链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信；

根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路。

优选地，所述的根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告，包括：

接收用户自定义的卫星星历文件，根据卫星星历文件计算卫星数据报告，卫星数据报告中记录了当前卫星星座中各卫星的与卫星节点运行状态相关的卫星运行参数，该卫星运行参数包括：卫星位置、运行速度、运行高度和运动轨迹。

优选地，所述的根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照，包括：

解析卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星位置、运行速度和运行高度参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性，并依据卫星链路建链规则为卫星节点之间建立连接关系，得到星座在一个完整的运行周期内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑；

根据用户指定的静态拓扑持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列连续的静态连接拓扑；

根据卫星类型、所处类型的轨道数目和轨道内卫星数量对卫星节点编号，根据链路的连接类型对卫星节点的连接端口编号，将所有静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示，完成所有连接信息的表示之后，为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID，同时生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件，在连接端口与逻辑分组ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>的形式储存映射关系；

将划分好的一系列静态链接拓扑按照加载顺序进行编号，同时根据静态连接拓扑的持续时间确定每个静态连接拓扑的起始时间与结束时间，将静态链接拓扑序号与静态链接拓扑的起始时间、结束时间一起写入静态连接拓扑中，根据当前时间判断此刻应该加载的拓扑快照的序号，根据该序号加载对应的拓扑快照并进行链路模拟，在到达拓扑快照的结束时间后，按照序号递增的顺序加载下一个拓扑快照并进行模拟，待到达最后一个拓扑快照的结束时间时，加载序号最小的拓扑快照，如此进行周期模拟。

优选地，所述的链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信，包括：

根据当前时间判断应加载的拓扑快照，根据拓扑快照内的连接信息中源节点编号与目的节点编号确定该连接的链路类型，各链路模拟设备根据自身要模拟的链路类型从拓扑快照中过滤出匹配的连接信息；

根据连接端口与逻辑分组ID映射文件将过滤出的连接信息进行表达形式的转换，根据连接信息中的<源节点编号，源连接端口编号>查找到唯一的源逻辑分组ID，根据<目的节点编号，目的连接端口编号>查找到唯一的目的逻辑分组ID，将过滤出的连接信息的表达形式转换为<源逻辑分组ID——目的逻辑分组ID>；

根据所有转换后的连接信息为编程交换机配置逻辑分组ID的转换规则，完成链路通断的模拟配置，各卫星节点开始通信流程，为数据报文提供转发功能，在对新的卫星星座进行链路模拟时，用户加载新的星历文件以实现对全新卫星星座的链路模拟，同时卫星模拟节点的数量与接入位置也进行相应的更改。

优选地，所述的根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路，包括：

根据星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化；

在初始化卫星场景的基础上根据当前拓扑快照中的连接信息在卫星之间建立连接线，随着时间推移，可视界面中的卫星节点也实时更新位置，在当前拓扑快照到达结束时间后，可视界面将清除当前拓扑快照中的连接线，根据下一个拓扑快照建立新的连接线。

根据本发明的一个方面，提供了一种卫星网络链路模拟器实现装置，包括：

卫星数据报告输出模块，用于接收用户提供的卫星星历文件，并生成卫星数据报告；

拓扑快照生成模块，用于根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照；

汇聚交换模块，用于通过链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信；

卫星链路可视化模块，用于根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路。

优选地，所述的卫星数据报告输出模块包括星历文件加载模块和卫星数据报告生成模块；

所述的星历文件加载模块，用于接收用户自定义的卫星星历文件，并将卫星星历文件交给卫星数据报告生成模块。

所述的卫星数据报告生成模块，用于根据卫星星历文件计算卫星数据报告，卫星数据报告中记录了当前卫星星座中各卫星的与卫星节点运行状态相关的卫星运行参数，该卫星运行参数包括：卫星位置、运行速度、运行高度和运动轨迹，将卫星数据报告发送给拓扑快照生成模块。

优选地，所述的拓扑快照生成模块包括链路时变特性计算模块、拓扑快照划分模块、标识分配模块和拓扑快照输出模块；

所述的链路时变特性计算模块，用于解析卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星运行参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性并依据卫星链路建链规则为卫星节点之间建立连接关系，得到星座在一个完整的运行周期内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑；

所述的拓扑快照划分模块，用于根据用户指定的静态拓扑持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列连续的静态连接拓扑，在该静态拓扑持续时间内，卫星的拓扑连接保持不变；

所述的标识分配模块，用于根据卫星类型、所处类型的轨道数目和轨道内卫星数量对卫星节点编号，根据链路的连接类型对卫星节点的连接端口编号，将所有静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示，完成所有连接信息的表示之后，为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID，同时生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件，在连接端口与逻辑分组ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>的形式储存映射关系；将连接端口与逻辑分组ID的映射文件下发至汇聚交换模块，将静态连接拓扑发送至拓扑快照输出模块；

所述的拓扑快照输出模块，用于将划分好的一系列静态链接拓扑按照加载顺序进行编号，根据静态连接拓扑的持续时间确定每个静态连接拓扑的起始时间与结束时间，将静态链接拓扑序号与静态链接拓扑的起始时间、结束时间一起写入静态连接拓扑中，并作为拓扑快照输出至汇聚交换模块与卫星链路可视化模块；

优选地，所述的汇聚交换模块包括链路模拟子模块和接入子模块，所述链路模拟子模块的数量为多个；

所述的链路模拟子模块，用于模拟各种类型的连接，根据当前时间判断应加载的拓扑快照，根据拓扑快照内的连接信息中源节点编号与目的节点编号确定该连接的链路类型，各链路模拟设备根据自身要模拟的链路类型从拓扑快照中过滤出匹配的连接信息；

根据连接端口与逻辑分组ID映射文件将过滤出的连接信息进行表达形式的转换，根据连接信息中的<源节点编号，源连接端口编号>查找到唯一的源逻辑分组ID，根据<目的节点编号，目的连接端口编号>查找到唯一的目的逻辑分组ID，将过滤出的连接信息的表达形式转换为<源逻辑分组ID——目的逻辑分组ID>；

所述的接入子模块，用于根据所有转换后的连接信息为编程交换机配置逻辑分组ID的转换规则，完成链路通断的模拟配置，各卫星节点开始通信流程，为数据报文提供转发功能，在对新的卫星星座进行链路模拟时，用户加载新的星历文件以实现对全新卫星星座的链路模拟，同时卫星模拟节点的数量与接入位置也进行相应的更改。

优选地，所述的卫星链路可视化模块包括初始化卫星场景模块和链路动态显示模块；

所述的初始化卫星场景模块，用于根据星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化；

所述的链路动态显示模块，用于在初始化卫星场景的基础上根据当前拓扑快照中的连接信息在卫星之间建立连接线，随着时间推移可视界面中的卫星节点实时更新位置，在当前拓扑快照到达结束时间后，可视界面清除当前拓扑快照中的连接线，根据下一个拓扑快照建立新的连接线。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出了一种灵活可扩展的卫星网络链路模拟器方法及系统，通过卫星数据报告输出模块、拓扑快照生成模块、卫星链路可视化模块及汇聚交换模块的有序协同，实现对相关传输链路通断、时延、抖动以及误码率的有效模拟，可为卫星网络新技术的验证与评估模拟提供基础仿真环境。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种卫星网络链路模拟器实现系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种在某一拓扑快照中LEO-LEO类型模拟节点所处区块划分示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于铱星星座的卫星网络链路模拟器的实现原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出了一种灵活可扩展的卫星网络链路模拟器实现方法和系统，以实现对卫星网络链路实时状态的模拟。同时，根据不同使用场景的需求用户可根据自定义的卫星星座进行链路模拟，支持卫星节点的实时接入与移除，具备灵活性与可扩展性。

实施例一

本发明实施例提供的一种卫星网络链路模拟器实现系统的结构图如图1所示，包括卫星数据报告输出模块、拓扑快照生成模块、卫星链路可视化模块以及汇聚交换模块。

上述卫星数据报告输出模块包含下列功能：星历文件加载模块，根据用户选择的卫星星座加载对应的卫星星历文件；卫星数据报告生成模块，根据卫星星历文件计算卫星数据报告，报告中记录了当前卫星星座中各卫星的经纬度、运动轨迹等与卫星节点运行状态相关的参数。

拓扑快照生成模块包含下列功能：链路时变特性计算模块，根据卫星数据报告以及相关建链规则计算出卫星节点在一个周期内的每一时刻与其邻居节点间的可见性情况与传播距离等特性，得到卫星链路在每一时刻的动态连接拓扑；拓扑快照划分功能，根据用户指定的持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列有序的静态连接拓扑文件；标识分配模块为所有静态连接拓扑文件中的全部卫星节点进行全局唯一的编号，为全部卫星节点的连接端口进行当前卫星节点内唯一的编号。最后为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID并生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件；拓扑快照输出模块为所有静态连接拓扑文件按加载顺序编号，并根据每个静态拓扑的持续时间将各个静态连接拓扑的起始时间与终止时间写入静态连接拓扑文件中，作为拓扑快照输出至汇聚交换模块与卫星链路可视化模块。

卫星链路可视化模块包含下列功能：初始化卫星场景模块，根据卫星星历文件初始化场景，在显示界面中显示卫星的初始位置；链路动态显示模块，根据拓扑快照中的连接信息动态显示卫星节点之间各链路的连接状态。

汇聚交换模块包含接入子模块与多个链路模拟子模块：接入子模块为数据报文提供转发功能；链路模拟子模块由编程交换机与数据控制队列组成，其中编程交换机为数据报文提供逻辑分组ID交换功能，从而实现链路通断的模拟。数据控制队列则根据不同的链路类型提供时延、抖动以及误码率等的模拟。

本发明实施例提供的一种卫星网络链路模拟器实现方法的处理流程包括下列步骤：

步骤S1.根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告并输出；

更具体地，在卫星数据报告输出模块中：

S1.1.星历文件加载模块接收用户自定义的卫星星历文件，并将卫星星历文件交给卫星数据报告生成模块。

S1.2.卫星数据报告生成模块根据卫星星历文件计算卫星数据报告，卫星数据报告中记录了当前卫星星座中各卫星的经纬度、运动轨迹等与卫星节点运行状态相关的参数。计算结束后将卫星数据报告下发至链路时变特性计算模块。

步骤S2.根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照。

更具体地，在拓扑快照生成模块中：

S2.1.链路时变特性计算模块解析卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星位置、运行速度、运行高度等参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性并依据卫星链路建链规则为卫星节点之间建立连接关系，最终得到星座在一个完整的运行周期内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑。

S2.2.为了完整地模拟一个周期内的卫星链路状态，同时减少系统资源的不必要浪费，拓扑快照划分模块根据用户指定的静态拓扑持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列连续的静态连接拓扑，在该持续时间内，卫星的拓扑连接保持不变。所得静态拓扑的数量由整个动态拓扑的持续时间与用户指定的静态拓扑持续时间决定

S2.3.标识分配模块首先根据卫星类型、所处类型的轨道数目，轨道内卫星数量对卫星节点编号，各卫星节点编号全局唯一；根据链路的连接类型对卫星节点的连接端口编号，连接端口编号在卫星节点内唯一。编号后，标识分配模块将所有静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示。完成所有连接信息的表示之后，标识分配模块会为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID，同时生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件，在连接端口与逻辑分组ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>的形式储存映射关系。从连接端口发出的所有数据报文中都会携带有该端口被映射的逻辑分组ID，连接端口只会接收并处理携带有与本端口被映射的逻辑分组ID相同的数据报文，不带有逻辑分组ID的数据报文或者数据报文的逻辑分组ID与本端口所映射的逻辑分组ID不同的数据报文会被连接端口丢弃。随后标识分配模块将连接端口与逻辑分组ID的映射文件下发至汇聚交换模块，将静态连接拓扑发送至拓扑快照输出模块。

S2.4.拓扑快照输出模块将划分好的一系列静态链接拓扑按照加载顺序进行编号，同时根据静态连接拓扑的持续时间确定每个静态连接拓扑的起始时间与结束时间。将静态链接拓扑序号与静态链接拓扑的起始时间、结束时间一起写入静态连接拓扑中并作为拓扑快照输出至汇聚交换模块与卫星链路可视化模块。在进行链路模拟时，汇聚交换模块中的链路模拟子模块首先根据当前时间判断此刻应该加载的拓扑快照的序号，根据该序号加载对应的拓扑快照并进行链路模拟。在到达拓扑快照的结束时间后，链路模拟子模块将按照序号递增的顺序加载下一个拓扑快照并进行模拟。待到达最后一个拓扑快照的结束时间时，链路模拟子模块会加载序号最小的拓扑快照，如此进行周期模拟。在卫星链路可视化模块中也将按照上述拓扑快照的加载顺序进行卫星链路实时显示的功能。

步骤S3.卫星节点之间通过汇聚交换模块进行通信；

更具体地，在汇聚交换模块中：

S3.1.链路模拟子模块根据拓扑快照进行参数配置

如图1所示，汇聚交换模块包含多个链路模拟子模块，链路模拟子模块会模拟各种类型的连接，连接的类型由连接两端的卫星节点类型所确定。

首先各链路模拟子模块根据当前时间判断应加载的拓扑快照，由于拓扑快照内的连接信息由以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>形式表示，其中源节点编号与目的节点编号确定了该连接的链路类型，各链路模拟设备根据自身要模拟的链路类型从拓扑快照中过滤出匹配的连接信息。

其次，各链路模拟子模块根据连接端口与逻辑分组ID映射文件将过滤出的连接信息进行表达形式的转换，由于连接端口与逻辑分组ID映射文件中的信息为多组<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>，所以链路模拟子模块可以根据连接信息中的<源节点编号，源连接端口编号>查找到唯一的源逻辑分组ID，根据<目的节点编号，目的连接端口编号>查找到唯一的目的逻辑分组ID。因此过滤出的连接信息的表达形式可转换为<源逻辑分组ID——目的逻辑分组ID>。

最后，各链路模拟子模块根据所有转换后的连接信息为编程交换机配置逻辑分组ID的转换规则，即编程交换机会将携带有源逻辑分组ID的数据报文其中的源逻辑分组ID转换为目的逻辑分组ID。

至此，链路通断的模拟配置完成。

具体链路通断模拟功能实现流程如下：当数据报文从卫星节点的连接端口发出时，数据报文中会携带有该连接端口被映射的逻辑分组ID，当数据报文通过接入子模块到达编程交换机后，编程交换机从配置中查找逻辑分组ID的转换规则，若查找到与数据报文中的源逻辑分组ID匹配的转换规则，则编程交换机会将数据报文中的源逻辑分组ID转换为通信对端连接端口的目的逻辑分组ID，被转换后的数据报文可以正确地被通信对端卫星节点接收并处理，因此两卫星节点可以完成通信流程，表现为链路连接。否则编程交换机将直接丢弃该数据报文，通信对端不会收到该报文，不能完成通信流程，表现为链路断开。

根据模拟的链路类型中卫星节点之间的平均距离以及自由空间传输损耗等参数，各链路模拟子模块计算并设置通信时延，时延抖动，误码率参数，并将参数部署于数据控制队列中为数据报文提供通信时延、抖动、误码率的模拟功能。根据配置的通信时延和抖动参数，数据报文经过数据队列时将会在队列中经过一定时间的延时再从队列中发送，从而起到模拟通信时延的效果；根据配置的误码率参数数据控制队列会以一定概率丢弃队列中的某一数据报文，从而起到模拟链路误码丢包的效果。

特别地，图2为本发明实施例提供的一种在某一拓扑快照中LEO-LEO类型模拟节点所处区块划分示意图，以图2为例，由于两卫星节点之间建立的链路所处纬度不同，导致异轨链路之间的传播距离差别较大。为更准确地对异轨链路进行链路特性的模拟，链路模拟器从地球的极点向另一极点方向进行等纬度间距的区块划分，每个区块之间的纬度差相同。当建立的链路位于某个区块时，链路模拟子模块将根据链路所处区块的纬度位置单独计算当前区块内链路的平均时延、抖动以及误码率。为此，设置多个模拟相同链路类型的链路模拟子模块使它们分属于不同的区块，链路模拟子模块可根据当前时间计算不同链路所处的位置，从而根据链路位置对时延、抖动及误码率进行精确的模拟。

链路模拟子模块将实时监测当前拓扑快照的结束时间，待当前拓扑快照到达结束时间后，各链路模拟子模块中编程交换机以及数据控制队列将清除当前的参数配置，并过滤出下一个拓扑快照中的连接信息，得到逻辑分组ID的交换规则以及时延、抖动、误码率等参数并重新配置。当完成对所有拓扑快照的模拟后，链路模拟子模块将从序号最小的拓扑快照开始再次进行模拟，实现了对卫星运行状态的周期性模拟。

S3.2.所有链路模拟参数配置完成后，各卫星节点即可连接至接入子模块并开始通信流程。接入子模块负责为数据报文提供转发功能。两卫星节点之间通信详细流程如下：假设两卫星节点完成数据的发送与接收流程，数据发送方首先查看自身的路由表项，查询得通往数据接收方需要经过某一端口，数据发送方将数据报文经由该端口发送至网络中。由于该端口被映射了全局唯一的逻辑分组ID，因此该数据报文中也会携带此逻辑分组ID的信息。数据报文在网络中通过接入子模块被转发至各个链路模拟子模块处，数据报文会首先经过编程交换机，编程交换机根据逻辑分组ID转换规则对该数据报文中携带的源逻辑分组ID进行匹配，若匹配成功则根据逻辑分组ID转换规则将数据报文中的源逻辑分组ID转换为对应连接信息中的目的逻辑分组ID，即数据接收端口所映射的逻辑分组ID，若无规则匹配，则将数据报文丢弃。最终将只有一个链路模拟子模块中的编程交换机可以将该数据报文接收并完成逻辑分组ID的转换，其余链路模拟子模块中的编程交换机由于没有相应的逻辑分组ID转换规则会将该数据报文丢弃。完成逻辑分组ID转换的数据报文再次经过数据控制队列，在经历时延，抖动，丢包率参数的模拟后从链路模拟子模块发出，再次到达接入子模块。接入子模块将数据报文转发至与之相连的所有卫星节点，由于数据报文的逻辑分组ID已经经过转换，所以数据接收端可以正确的接收并处理该数据报文，其他卫星节点由于数据报文中逻辑分组ID与自身端口所映射的逻辑分组ID不匹配，所以会将数据报文丢弃。至此，数据发送方至数据接收方的通信流程结束。

在对新的卫星星座进行链路模拟时，用户可随时加载新的星历文件以实现对全新卫星星座的链路模拟，同时卫星模拟节点的数量与接入位置也可随时更改，具有可扩展性与灵活性。

步骤S4.卫星链路可视化模块实时显示卫星链路建立情况。

S4.1.初始化卫星场景模块根据星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化。

S4.2.链路动态显示模块在初始化卫星场景的基础上根据当前拓扑快照中的连接信息在卫星之间建立连接线，随着时间推移，可视界面中的卫星节点也会实时更新位置。在当前拓扑快照到达结束时间后，可视界面将清除当前拓扑快照中的连接线，根据下一个拓扑快照建立新的连接线。

实施例二：基于铱星星座的卫星网络链路模拟方法

如图3所示，采用铱星星座为卫星节点提供链路模拟服务，该实施例中的逻辑分组ID采用VLAN ID，数据控制队列采用Linux TC。

对基于铱星星座的链路模拟过程遵循以下步骤：

步骤1：根据铱星星历文件计算卫星数据报告并输出。

步骤1.1：星历文件加载模块接收用户提供的铱星星历文件，并交由卫星数据报告生成模块。

步骤1.2：卫星数据报告生成模块根据铱星星历文件计算铱星星座的卫星数据报告，铱星星座卫星数据报告中记录了铱星星座中各颗卫星的经纬度、运动轨迹以及高度变化率等与卫星节点运行状态相关的参数。铱星卫星数据报告将供链路时变特性计算模块计算铱星星座中所有卫星节点间的动态连接拓扑。

步骤2：根据铱星卫星数据报告计算并生成基于铱星星座的卫星运行拓扑快照信息

步骤2.1：链路时变特性计算模块解析铱星卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星位置、运行速度、运行高度等参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性并依据铱星星座的链路建链规则为卫星节点之间建立连接，最终得到在一个完整的运行周期共100分钟内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑。

步骤2.2：用户指定静态拓扑持续时间为120秒，拓扑快照划分模块将所涉及的每一时刻铱星星座卫星动态连接拓扑图按照每120秒的时间间隔取交集处理得到一系列静态连接拓扑，在持续时间内，卫星的拓扑连接保持不变。由于铱星星座完整的运行周期为100分钟，一个静态连接拓扑的持续时间为120秒，最终可以获得50个不同静态连接拓扑。

步骤2.3：标识分配模块首先根据铱星星座中不同卫星类型的轨道数目以及轨道内卫星数量对卫星节点编号，各卫星节点编号全局唯一；根据链路的连接类型如：LEO-GEO，GEO-GBS等对卫星节点的连接端口编号，连接端口编号在卫星节点内唯一。编号后，将所有铱星星座的静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示。之后，标识分配模块为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的VLAN ID，同时生成连接端口与VLAN ID的映射文件，在连接端口与VLAN ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，VLAN ID>的形式储存映射关系。随后标识分配模块将连接端口与VLAN ID的映射文件下发至汇聚交换模块，将铱星星座的所有静态连接拓扑发送至拓扑快照输出模块。

步骤2.4：拓扑快照输出模块以120秒的时间为间隔，向每个铱星星座静态连接拓扑中添加该拓扑的起始时间与结束时间，并为所有的静态连接拓扑从1依序编号，生成铱星星座的拓扑快照，再将所有拓扑快照下发至汇聚交换模块。

基于该系统的一种拓扑快照中的一部分如表1所示，拓扑快照中首行的信息为该拓扑快照的相关信息：首行第一列中的数据代表拓扑快照的序号、首行第二列第三列代表该拓扑快照在周期内的起始时间与终止时间、首行第四列中的数据无意义。因此表1所示的拓扑快照是周期内第2个拓扑快照，且该拓扑快照的生效时间从121s至240s，间隔为120s。剩余的每行描述了一条连接信息，连接信息由<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>表示。

表2与表3示出了基于该系统的一种连接端口与VLAN ID的映射文件中的一部分，其中第一列为卫星节点编号，第二列为连接端口编号，第三列为相应连接端口的VLAN ID。

步骤3：铱星卫星节点之间通过汇聚交换模块进行通信

步骤3.1：基于铱星星座的链路模拟器拟建立九个链路模拟子模块，其中三个链路模拟子模块分别模拟LEO-GEO、GEO-GBS、LEO-GBS类型的连接，六个链路模拟子模块模拟LEO-LEO类型的连接。

步骤3.2：模拟各类型连接的链路模拟子模块解析拓扑快照中的连接关系，根据卫星节点编号过滤出与自己模拟类型相符的连接关系，再根据连接端口与VLAN ID映射文件查找到不同端口对应的VLAN ID，此时每一条符合模拟类型的连接关系都由一组<源VLANID——目的VLAN ID>表示。编程交换机将每一组VLAN ID写入自身配置中，为每一对VLANID提供从源VLAN ID转换至目的VLAN ID的服务。

步骤3.3：链路模拟子模块根据链路类型计算出每种链路类型的平均时延、抖动、误码率等参数，将所有参数写入Linux TC的配置中。特别地，为了更精确地对异轨链路进行链路特性的模拟，从地球南极向北极按照等纬度间距，每隔30度划分一个区块，共划分出6个区块，6个LEO-LEO类型的链路模拟子模块分别属于6个区块中。不同区块中的链路模拟子模块会实时计算所有链路的位置并根据自身所处的区块对LEO-LEO类型的链路进行基于地理位置的过滤，只会过滤出位于自身所处区块内的链路。不同区块中的链路模拟子模块在进行链路参数计算时会结合本区快所处纬度位置与区块中链路与地球的距离等参数详细计算平均时延、抖动、误码率，从而实现更加精确的模拟效果。

步骤3.4：图3为本发明实施例提供的一种基于铱星星座的卫星网络链路模拟器的实现原理图，如图3所示，假设在铱星星座链路模拟器开始运行130秒后，卫星节点编号为2610的LEO-06-10节点要向卫星节点编号为3003的GEO-01-03节点传送数据。在第130秒时，链路模拟器加载如表1所示的序号为2的拓扑快照，其中第11行存在着连接信息<2610，401——3003，401>。这条连接信息会被LEO-GEO类型的链路模拟子模块过滤出，链路模拟子模块根据表2与表3中所示的连接端口与VLAN ID的映射文件，将连接信息转换为<360——370>后写入编程交换机的VLAN ID交换规则中。同时链路模拟子模块根据LEO-GEO类型的链路平均长度，自由空间传播损耗等参数计算得到该类型链路的时延为300ms、抖动为±25ms,以及误码率为10^-6，并写入Linux TC的配置中。

进行通信时，2610节点搜索本节点的路由表，发现通往3003节点需要通过401端口，如表3所示，2610节点的401端口上被映射了全局唯一的VLAN ID 360，因此2610节点将数据报文从401端口发出，且数据报文携带有VLAN ID 360的信息，数据报文到达接入子模块后会转发至其他所有卫星节点与链路模拟子模块，但是由于其他卫星节点的端口被映射了与360不同的VLAN ID，且非LEO-GEO类型的链路模拟子模块没有为VLAN ID360提供VLANID的转换服务，所以只有LEO-GEO类型的链路模拟子模块会接收该数据报文。数据报文到达LEO-GEO类型的链路模拟子模块后首先经过数据报文经过编程交换机，编程交换机根据自身配置中的VLAN ID转换服务将该数据报文中携带的源VLAN ID360转换为目的VLAN ID370，经过VLAN ID的转换后数据报文将进入LinuxTC中经过300±25ms的时延以及10^-6的误码率模拟。从Linux TC中传出的数据报文通过物理链路到达接入子模块，接入子模块将携带有VLAN ID为370的数据报文转发至其他所有接口，如表2所示，由于只有3003节点的401端口被映射了VLAN ID 370，所以该数据报文只会被3003节点接收并处理，3003节点若要对该数据报文进行回复则依照相反流程进行，至此完整的通信流程结束。

2	121	240	0
				2101	102	2102	101
2101	101	2111	102
				2102	101	2101	102
2102	102	2103	101
				2103	101	2102	102
2103	102	2104	101
				2103	104	2203	103
2104	101	2103	102
				2104	102	2105	101
2610	401	3003	401

表1

3001	301	365
			3001	401	366
3002	301	367
			3002	401	368
3003	301	369
			3003	401	370
3004	301	371
			3004	401	372
3005	301	373
			3005	401	374
3006	301	375

表2

2609	104	354
			2609	201	355
2609	401	356
			2610	103	357
2610	104	358
			2610	201	359
2610	401	360
			2611	103	361
2611	104	362
			2611	201	363
2611	401	364

表3

步骤4：实时显示当前拓扑快照中的存在连接关系的链路

步骤4.1：初始化卫星场景模块根据铱星星座的星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化。

步骤4.2：链路动态显示模块将当前加载的拓扑快照中的所有连接信息，在卫星之间建立连接线，随着时间推移，可视界面中的卫星节点与连接线实时更新位置。在当前拓扑快照到达结束时间后，链路动态显示模块将清除可视界面中当前拓扑快照中的连接线，解析下一个拓扑快照中的所有连接信息后并重新建立新的连接线。

综上所述，与其他卫星链路仿真系统相比，本发明利用拓扑快照的设计方式将卫星运行的完整周期化整为零，在保证仿真真实性的同时，降低了系统资源的消耗，实现了卫星网络链路时延、抖动、误码率等参数的实时周期性模拟与显示；各模块的功能相互独立，高效协同。特别地，用户可自定义卫星星座以及其他模拟参数；支持卫星模拟节点即插即用，可扩展性高；构成精简灵活，可应用于大型卫星网路模拟器中。本发明实现对卫星网络链路状态的实时模拟，同时具备灵活性与可扩展性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种卫星网络链路模拟器实现方法，其特征在于，包括：

根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告；

根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照；

链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信；

根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据用户提供的星历文件计算卫星数据报告，包括：

接收用户自定义的卫星星历文件，根据卫星星历文件计算卫星数据报告，卫星数据报告中记录了当前卫星星座中各卫星的与卫星节点运行状态相关的卫星运行参数，该卫星运行参数包括：卫星位置、运行速度、运行高度和运动轨迹。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照，包括：

解析卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星位置、运行速度和运行高度参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性，并依据卫星链路建链规则为卫星节点之间建立连接关系，得到星座在一个完整的运行周期内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑；

根据用户指定的静态拓扑持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列连续的静态连接拓扑；

根据卫星类型、所处类型的轨道数目和轨道内卫星数量对卫星节点编号，根据链路的连接类型对卫星节点的连接端口编号，将所有静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示，完成所有连接信息的表示之后，为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID，同时生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件，在连接端口与逻辑分组ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>的形式储存映射关系；

将划分好的一系列静态链接拓扑按照加载顺序进行编号，同时根据静态连接拓扑的持续时间确定每个静态连接拓扑的起始时间与结束时间，将静态链接拓扑序号与静态链接拓扑的起始时间、结束时间一起写入静态连接拓扑中，根据当前时间判断此刻应该加载的拓扑快照的序号，根据该序号加载对应的拓扑快照并进行链路模拟，在到达拓扑快照的结束时间后，按照序号递增的顺序加载下一个拓扑快照并进行模拟，待到达最后一个拓扑快照的结束时间时，加载序号最小的拓扑快照，如此进行周期模拟。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信，包括：

根据当前时间判断应加载的拓扑快照，根据拓扑快照内的连接信息中源节点编号与目的节点编号确定该连接的链路类型，各链路模拟设备根据自身要模拟的链路类型从拓扑快照中过滤出匹配的连接信息；

根据连接端口与逻辑分组ID映射文件将过滤出的连接信息进行表达形式的转换，根据连接信息中的<源节点编号，源连接端口编号>查找到唯一的源逻辑分组ID，根据<目的节点编号，目的连接端口编号>查找到唯一的目的逻辑分组ID，将过滤出的连接信息的表达形式转换为<源逻辑分组ID——目的逻辑分组ID>；

根据所有转换后的连接信息为编程交换机配置逻辑分组ID的转换规则，完成链路通断的模拟配置，各卫星节点开始通信流程，为数据报文提供转发功能，在对新的卫星星座进行链路模拟时，用户加载新的星历文件以实现对全新卫星星座的链路模拟，同时卫星模拟节点的数量与接入位置也进行相应的更改。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路，包括：

根据星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化；

在初始化卫星场景的基础上根据当前拓扑快照中的连接信息在卫星之间建立连接线，随着时间推移，可视界面中的卫星节点也实时更新位置，在当前拓扑快照到达结束时间后，可视界面将清除当前拓扑快照中的连接线，根据下一个拓扑快照建立新的连接线。

6.一种卫星网络链路模拟器实现装置，其特征在于，包括：

卫星数据报告输出模块，用于接收用户提供的卫星星历文件，并生成卫星数据报告；

拓扑快照生成模块，用于根据卫星数据报告计算卫星链路的动态连接拓扑，并将动态连接拓扑划分为一系列拓扑快照；

汇聚交换模块，用于通过链路模拟器根据拓扑快照中的连接信息进行链路模拟参数的配置，卫星节点间通过已配置参数的链路模拟器进行通信；

卫星链路可视化模块，用于根据拓扑快照中的连接信息在可视界面中实时显示卫星之间建立的通信链路。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的卫星数据报告输出模块包括星历文件加载模块和卫星数据报告生成模块；

所述的星历文件加载模块，用于接收用户自定义的卫星星历文件，并将卫星星历文件交给卫星数据报告生成模块。

所述的卫星数据报告生成模块，用于根据卫星星历文件计算卫星数据报告，卫星数据报告中记录了当前卫星星座中各卫星的与卫星节点运行状态相关的卫星运行参数，该卫星运行参数包括：卫星位置、运行速度、运行高度和运动轨迹，将卫星数据报告发送给拓扑快照生成模块。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的拓扑快照生成模块包括链路时变特性计算模块、拓扑快照划分模块、标识分配模块和拓扑快照输出模块；

所述的链路时变特性计算模块，用于解析卫星数据报告中的卫星运行参数，根据各卫星运行参数计算出在各个时刻各节点之间的可见性并依据卫星链路建链规则为卫星节点之间建立连接关系，得到星座在一个完整的运行周期内各个时刻卫星节点之间的动态连接拓扑；

所述的拓扑快照划分模块，用于根据用户指定的静态拓扑持续时间将所涉及的每一时刻卫星动态连接拓扑图取交集处理，得到一系列连续的静态连接拓扑，在该静态拓扑持续时间内，卫星的拓扑连接保持不变；

所述的标识分配模块，用于根据卫星类型、所处类型的轨道数目和轨道内卫星数量对卫星节点编号，根据链路的连接类型对卫星节点的连接端口编号，将所有静态连接拓扑内所有存在的链路连接信息以<源节点编号，源连接端口编号——目的节点编号，目的连接端口编号>的形式表示，完成所有连接信息的表示之后，为所有卫星节点的连接端口映射全局唯一的逻辑分组ID，同时生成连接端口与逻辑分组ID的映射文件，在连接端口与逻辑分组ID的映射文件中以<节点编号，连接端口编号，逻辑分组ID>的形式储存映射关系；将连接端口与逻辑分组ID的映射文件下发至汇聚交换模块，将静态连接拓扑发送至拓扑快照输出模块；

所述的拓扑快照输出模块，用于将划分好的一系列静态链接拓扑按照加载顺序进行编号，根据静态连接拓扑的持续时间确定每个静态连接拓扑的起始时间与结束时间，将静态链接拓扑序号与静态链接拓扑的起始时间、结束时间一起写入静态连接拓扑中，并作为拓扑快照输出至汇聚交换模块与卫星链路可视化模块。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的汇聚交换模块包括链路模拟子模块和接入子模块，所述链路模拟子模块的数量为多个；

所述的链路模拟子模块，用于模拟各种类型的连接，根据当前时间判断应加载的拓扑快照，根据拓扑快照内的连接信息中源节点编号与目的节点编号确定该连接的链路类型，各链路模拟设备根据自身要模拟的链路类型从拓扑快照中过滤出匹配的连接信息；

根据连接端口与逻辑分组ID映射文件将过滤出的连接信息进行表达形式的转换，根据连接信息中的<源节点编号，源连接端口编号>查找到唯一的源逻辑分组ID，根据<目的节点编号，目的连接端口编号>查找到唯一的目的逻辑分组ID，将过滤出的连接信息的表达形式转换为<源逻辑分组ID——目的逻辑分组ID>；

所述的接入子模块，用于根据所有转换后的连接信息为编程交换机配置逻辑分组ID的转换规则，完成链路通断的模拟配置，各卫星节点开始通信流程，为数据报文提供转发功能，在对新的卫星星座进行链路模拟时，用户加载新的星历文件以实现对全新卫星星座的链路模拟，同时卫星模拟节点的数量与接入位置也进行相应的更改。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的卫星链路可视化模块包括初始化卫星场景模块和链路动态显示模块；

所述的初始化卫星场景模块，用于根据星历文件在可视界面中对卫星节点的位置进行初始化；

所述的链路动态显示模块，用于在初始化卫星场景的基础上根据当前拓扑快照中的连接信息在卫星之间建立连接线，随着时间推移可视界面中的卫星节点实时更新位置，在当前拓扑快照到达结束时间后，可视界面清除当前拓扑快照中的连接线，根据下一个拓扑快照建立新的连接线。

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