专利名称：面向深空通信的分布式仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种面向深空通信的分布式仿真系统。
背景技术：
深空通信不同于地面通信，其具有传播延时长、链路衰减大、上下行链路非对称信息传输、链路频繁中断等特点。这些特点决定了地面传输方案不适合应用到深空通信环境中，因此必须设计出相应的传输方案以实现高效、可靠地深空通信的文件传输任务。但是由于深空通信设备造价昂贵，不适于进行频繁搭载实验，因此，建立能够准确模拟深空通信环境中文件传输的方案仿真实验系统具有重大意义。
现有技术中使用较多的为以下三种仿真系统UOPNET :此仿真软件系统帮助客户进行网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理。提供三层建模机制，底层为Process模型，以状态机来描述协议；其次为Node模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上层为网络模型。三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性；提供了一个比较齐全的基本模型库。2,NETWORK SIMULATOR NS是一个由UC Berkeley开发的用于仿真各种IP网络的为主的优秀的仿真软件。NS是基于网络仿真而设计的，集成了多种网络协议，路由排队管理机制，业务类型，路由算法。此外，NS还集成了组播业务和应用于局域网仿真有关的部分、MAC层协议。其仿真主要针对路由层，传输层，数据链路层展开；NS的特点是源代码公开；可扩展性强；速度和效率优势明显。3、MATLAB :该软件是由美国Math works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境.MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是矩阵。以上三种仿真系统在仿真深空探测的数据通信方案时均存在着无法克服的缺
占-
^ \\\ ·I、OPNET仿真软件对于深空通信实体及通信特征搭建基本不能实现，因此仿真不能体现出各个星体特点对整个通信过程的影响；另外仿真网络规模和流量很大时，仿真的效率会降低；而且，整个仿真过程无实际数据流的通过，对于仿真扩展到链路层、物理层特性时，无能为力。2、NS仿真软件具有开源的优势，能够搭建适合的仿真环境，但是要搭建充分体现深空通信的环境却非常困难；其次，已可重用性差；再次，无实际数据流通过，无法对物理层进行仿真。3,MATLAB的主要缺点是不能实现端口操作和实时控制，而深空通信中环境是时刻间可能产生巨变的环境；当仿真网络数据量较大时，效率非常低。综上所述，现有的仿真软件不能满足深空协议仿真的要求，无法实现深空协议仿真。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种面向深空通信的分布式仿真系统。相较于现有技术，本发明的面向深空通信的分布式仿真系统具有可重用性和互操作性的特点。可重用性能够保证在相对最短的时间内，以最小的成本开发出符合要求的仿真系统。互操作性，能够保证面向深空通信的分布式仿真系统各个功能成员间进行实时的协调沟通。同时，此面向深空通信的分布式仿真系统具有高度的可扩展性。本发明的面向深空通信的分布式仿真系统同时实现了通用性仿真系统的基本框架，能够普适于其它仿真 系统的开发过程。跨协议、跨平台通信。本发明的面向深空通信的分布式仿真系统能够实现多协议间，不同仿真系统平台间的数据通信，解决了不同协议间的数据无法识别、各仿真系统接口不规范的问题。
图I是本发明的面向深空通信的分布式仿真系统的构成框图。图2是延迟型CFDP协议传输模型示意图。图3是本发明的面向深空通信的分布式仿真系统的工作流程图
具体实施例方式下面结合
及具体实施方式
对本发明进一步说明。请参阅图I至图3，本发明提供了一种面向深空通信的分布式仿真系统10，包括功能仿真组件11、仿真环境产生及更新组件13、仿真性能分析与记录组件15。面向深空通信的分布式仿真系统10的各个联邦成员以RTI (Run-time Infrastructure)为中心,各个联邦成员通过 RTI (Run-time Infrastructure)进行交互。功能仿真组件11，所述功能仿真组件11包括探测星联邦成员111、中继星联邦成员112、速率控制联邦成员113、地面站联邦成员114。所述功能仿真组件11用于根据具体仿真任务完成仿真，存在真实仿真数据流。如图所示，使用过程为1、系统各个联邦成员启动并实时更新状态等环境参数；2、探测星联邦成员111收集数据；3、按照选定的协议或者编码方案对数据进行处理并判断后继动作；4、判断当前链路状态是否符合发送数据条件若符合则发送；5、数据流经速率控制联邦成员113，此联邦成员根据方针策略及当前的通信环境状态判断是不是需要调整；6、数据到达中继星联邦成员112，在此联邦成员中按照仿真方案及当前环境状态判断转发与否；7、数据到达地面站联邦成员114，根据传输方案判断是否过程结束。探测星联邦成员111 :探测星联邦成员111用于实现数据收集，并按照需要仿真的协议或者编码方案对数据进行处理，然后进行发送，所述探测星联邦成员111的后向目标是中继星联邦成员112。所述探测星联邦成员111中集成了深空环境数据接收端，用以接收有深空环境联邦成员提供的通信环境更新参量。探测星联邦成员111在整个仿真系统中的作用是1、探测数据的收集；2、按照具体的协议或者编码方案对数据进行处理；3、数据流发送端，数据的后向接点是中继星联邦成员112 ；
中继星联邦成员112 :中继星联邦成员112是数据通信过程中的数据传输中继。并且在中继星联邦成员112中，能够实现对编码或者协议方案中的某些参量的设计性能的仿真。例如中继星内存大小、中继星的发送功率大家对整个通信性能的影响。本发明的面向深空通信的分布式仿真系统10可以根据需要添加多个中继星联邦成员112。所述中继星联邦成员112中，集成了深空环境数据接收端，作用为探测星联邦成员111。所述中继星联邦成员112的作用是1、实现信号放大转发作用；2、体现各中继星的性能、状态；3、数据流中间环节，所述中继星联邦成员112的前向节点是探测星联邦成员111，后向节点是地面站联邦成员114(可为多级)；速率控制联邦成员113 :所述速率控制联邦成员113用于根据深空环境联邦成员提供的环境变化，对整个仿真系统中的数据传输速率进行调整，以达到最大传输效率的目的。同时所述速率控制联邦成员113能够对内存效率进行仿真。所述速率控制联邦成员113中，集成了深空环境数据接收端，作用探测星联邦成员111。所述速率控制联邦成员113的作用是1、对仿真系统中的数据传输速率进行适时调整，以达到传输效率最高。地面站联邦成员114 :地面站联邦成员114是整个仿真系统中探测数据接收端。此联邦成员实现探测数据的恢复处理工作。此联邦成员中，集成了深空环境数据接收端，以实·现实时深空环境更新。此联邦成员的作用是1.接收系统中数据流并依照相应的编码或者协议恢复探测数据；2.系统中数据流的终点，其前向节点是中继星联邦成员112。仿真环境产生及更新组件13，包括深空环境联邦成员131和功能仿真联邦成员接口(图未示)。仿真环境产生及更新组件13用于共同完成仿真环境数据产生及实时更新。仿真环境数据包括点对点实时通信距离、点对点实时链路状态、点对点实时链路误码率等。深空环境联邦成员131完成相关数据产生后，实时向仿真系统中广播这些数据，同时对应的联邦成员通过数据接收接口接收数据，并进行状态更新。深空环境联邦成员131 :深空环境联邦成员131保证整个仿真过程是在真实的深空环境中进行的。深空环境联邦成员131用于提供深空环境数据，例如通信环境中的实时误码率大小、实时链路状态、实时的传播延时等等。此联邦成员生成这些数据后，实时将这些环境数据在整个仿真网络中进行更新。此联邦成员在系统中的作用是实时产生深空环境数据并通过广播的方式，使系统中的各个联邦成员对数据进行实时更新。深空环境联邦成员131为辅助性成员，并不直接参与仿真系统中数据流的传递。仿真性能分析与记录组件15，包括数据采集联邦成员151和功能仿真联邦成员接口(图未示)及深空环境联邦成员接口(图未示)。仿真性能分析与记录组件15用于共同完成数据采集和数据分析。在整个仿真过程中，数据采集联邦成员151通过相应的接口，实时采集各个联邦成员的相应数据，对其进行记录并简单分析并存储。例如对应仿真时刻的各条点对点链路状态、链路误码率、点对点通信距离、数据块排队时间、节点数据编码效率或者协议数据包生成耗时、链路通断时间段、中继星上内存变化情况、中继星的利用率、速率变化情况、才用速率变化后的效率提高情况、总数据量统计、平均传输速率等。数据采集联邦成员151 :数据采集联邦成员151用于实现对仿真过程数据参量的记录存储。此联邦成员的作用是1.实现对仿真系统性能数据的提取和存储；2.对仿真的编码方案或者协议方案在仿真中的性能给与初步的判断。此联邦成员为系统仿真的评价成员，不直接参与仿真数据流的流动。
为了实现深空通信的仿真，仿真系统必须能够模拟出真实环境中深空通信的难点深空通信环境的，传播延时大；链路频繁中断；上下行链路非对称信息传输。这些特征是通过仿真系统中的“深空环境联邦成员131”产生的。深空环境联邦成员131通过卫星工具包软件STK(satellite tool kit，卫星工具箱)产生环境数据，然后通过仿真网络通知各联邦成员实现的。深空环境数据包括点到点实时通信距离、信道实时误码率、点到点实时链路状态等。而上下行非对称链路是通过延时发送的方式等效实现的。此仿真系统再次仿真其它任务时，能够通过只修改功能仿真部分和通信场景配置部分，就可完成仿真任务。即本分布式仿真系统主体结构是可以重复使用的，也即本仿真系统的可重用性强。仿真系统的突出特点仿真系统的可扩展性和系统的重用性；充分保证深空环境，并实时更新；系统的健壮性好。深空通信无法回避的问题是由于超远距离通信造成的路径损耗非常巨大，虽然通过现有的技术手段，例如增大天线尺寸以获得接收端较高的信噪比等措施给予了补偿，但 是仍然达不到远距离文件可靠传输的技术需求。目前，最直接有效减少大路径损耗的通信方式是添加单个或者多个中继，以减小单跳之间的路径衰减，利用中继星的存储转发机制，提高端到端的文件传输的可靠性。然而，对于中继星的选择和相应的参数配置，极大的影响这通信系统的性能，所以对中继星配置的仿真，要给与足够的重视。以仿真CFDP协议为例，简单说明仿真过程CFDP 协议是 Council of the Consultative Committee for Space DataSystems (国际空间组织委员会)建议使用的灵活、高效的空间信道数据传输协议。CFDP是基于实际的文件存储，协议可以用来在实体间传输数据块。延迟否定型CFDP协议传输模型如图2所示，分布式仿真系统的工作流程如图3所示。此流程图是以CCSDS建议的文件传输协议(CFDP)为仿真任务而设计。此仿真系统使用C++代码实现。仿真场景如下表所示
权利要求
1.一种面向深空通信的分布式仿真系统，其特征在于包括功能仿真组件、仿真环境产生及更新组件、仿真性能分析与记录组件， 功能仿真组件包括 探测星联邦成员，用于实现数据收集并对数据进行处理，并将数据发送至中继星联邦成员； 中继星联邦成员，数据通信过程中的数据传输中继； 速率控制联邦成员，用于对数据传输速率进行调整； 地面站联邦成员，地面站联邦成员是数据接收端，用于接受数据并实现数据的恢复处理； 仿真环境产生及更新组件包括 深空环境联邦成员，实时产生深空环境数据并通过广播的方式，使系统中的各个联邦成员对数据进行实时更新； 仿真性能分析与记录组件包括 数据采集联邦成员，用于实现对仿真过程数据参量的记录存储。
2.根据权利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系统，其特征在于所述深空环境联邦成员通过卫星工具包软件STK产生深空环境数据。
3.根据权利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系统，其特征在于所述面向深空通信的分布式仿真系统设有多个中继星联邦成员。
4.根据权利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系统，其特征在于所述面向深空通信的分布式仿真系统采用C++代码实现。
全文摘要
本发明提供一种面向深空通信的分布式仿真系统，包括功能仿真组件、仿真环境产生及更新组件、仿真性能分析与记录组件。功能仿真组件包括探测星联邦成员、中继星联邦成员、速率控制联邦成员、地面站联邦成员。仿真环境产生及更新组件包括深空环境联邦成员。仿真性能分析与记录组件包括数据采集联邦成员。本发明的面向深空通信的分布式仿真系统具有可重用性和互操作性的特点。
文档编号H04L12/24GK102821159SQ20121029588
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者张钦宇, 杨志华, 焦健, 罗辉 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院