一种卫星通信系统模拟器的制作方法

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种卫星通信系统模拟器，尤其涉及一种可模拟真实信道延时误码特征且具有系统组网功能的设备，为卫星通信实验提供支撑。

背景技术：

卫星通信是通过人造地球卫星中继实现地面及空间用户之间的无线电传输的通信方式，具有覆盖范围广、信道稳定等特点。卫星通信系统模拟器可以产生具有实际特征的信道模型，用以实现数据信号的信道传输，从而可在测试环境下，模拟卫星通信过程。其中信道模型的产生和网络结构的控制是卫星通信模拟系统的重要组成部分。

在本发明以前，现有的卫星通信的模拟一般以模拟系统为主，可产生满足实验要求的卫星信道，但在结构上未完全实物化，整个系统庞大复杂，难以实现，而且功能单一，要么只能产生单一的卫星信道，不能模拟卫星通信复杂的网络结构，要么只注重通信链路的搭建，忽略了信道仿真的重要性，而信道特性和网络拓扑结构对通信性能的影响均不可忽视，现有的设备或系统通常需要多套互联，增加了系统复杂性。

技术实现要素：

针对上述卫星通信模拟系统中存在的缺陷，本发明的目的在于，产生可用的卫星模拟信道和可靠的网络拓扑结构，将卫星信道的产生、数据信号的传输、网络结构的建立集中于一台实物化的卫星通信系统模拟器中，为卫星通信技术的实验和研究提供技术支撑。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种卫星通信系统模拟器，包括：接收单元、链路单元、信道单元、发送单元、信道控制单元和组网控制单元，其中：

接收单元连接多个外部通信设备，用多线程的方式并行处理外部通信设备发来的数据信号，处理过程包括对数据信号的接收和对数据信号的缓存，并将缓存的数据信号按顺序传递给链路单元；

链路单元用于对接收到的数据信号进行链路匹配，根据数据信号的来源以及组网控制指令中各外部通信设备之间的连通状态信息，确定数据信号的接收端，并根据数据链路对应的信道状态，确定是否进行数据信号的传输；

信道单元生成信道模型，该信道模型是由Rayleigh、Rician、Lognormal三种概率分布函数组合而成的信道模拟信号，并在信道模型中加载多径效应、多普勒频移和插入高斯白噪声；

发送单元与所述的多个外部通信设备连接，接收到来自链路单元的数据后，将数据分组缓存于接收队列中，然后按照先进先出的原则将数据传输至外部通信设备；

信道控制单元接收由用户配置的信道参数，并将信道参数解析为信道控制指令，然后将信道控制指令作用于信道单元；信道控制指令包括多径衰落、多普勒频移和高斯白噪声信噪比；

组网控制单元接收由用户配置的组网参数，并将组网参数解析为组网控制指令，然后将组网控制指令作用于链路单元；组网控制指令是包括各外部通信设备的连通状态和网络结构改变与否的信息。

进一步地，所述的卫星通信系统模拟器还包括统计模块：

统计模块分别对发送单元和接收单元进行监控，从接收单元接收到第一组数据开始计时，发送单元将最后一组数据发送完成时停止计时，计算差值得到传输时延；并根据发送单元提供的统计信号，计算得到流量的统计结果。

进一步地，所述的信道单元采用以程序实现概率分布函数的方法来生成信道模型；所述的方法为：以Rayleigh、Rician和Lognormal三种概率分布函数为基础，将信道控制指令中的参数代入所述的三种概率分布函数中，通过编程仿真的方式建立信道模型。

进一步地，所述的信道模型根据信道状态分为好信道模型和坏信道模型，信道单元根据Markov过程实现好、坏信道模型的切换，具体为：信道的好坏只有两种情况，将好的信道状态记为1，概率记为Pg；坏的信道状态记为0，概率记为Pb；用均匀分布产生的0至1之间的小数p与Pg或Pb进行对比，来决定是否切换信道模型。

进一步地，所述的组网参数包括各外部通信设备的IP地址、端口、工作状态以及各通信设备之间的连接状态；所述的工作状态包括连接、断开、仅发送、仅接收四种状态，所述的连接状态包括点对点连接和网状连接，其中在点对点连接状态下，每台外部通信设备只能与一台其他的外部通信设备通信，而在网状连接状态下，每台外部通信设备可以与除自身之外的其他任意一台外部通信设备通信。

进一步地，所述的信道参数包括各外部通信设备的经纬度坐标、运行速度、卫星高度、工作频段、噪声类型以及电离层误差。

进一步地，所述的数据链路的传输控制协议采用ARQ机制。

一种卫星通信系统模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，初始化过程

用户配置组网参数和信道参数，将组网参数发送给组网控制单元，组网控制单元将组网参数解析为组网控制指令，将组网控制指令作用于链路单元；将信道参数发送给信道控制单元，信道控制单元将信道参数解析为信道控制指令作用于信道单元；

步骤二，模拟过程

将多个外部通信设备与接收单元、发送单元连接，外部通信设备向接收单元发送数据信号，接收单元对数据信号缓存后按顺序传递给链路单元；

链路单元对接收到的数据信号进行链路匹配，数据信号的来源以及组网控制指令中各外部通信设备之间的连通状态信息，确定数据信号的接收端，并根据数据链路对应的信道状态，确定是否进行数据信号的传输；如果进行数据信号的传输，则：

信道单元生成信道模型，该信道模型是由Rayleigh、Rician、Lognormal三种概率分布函数组合而成的信道模拟信号，并在信道模型中加载多径效应、多普勒频移和插入高斯白噪声；

发送单元接收到来自链路单元的数据后，将数据分组缓存于接收队列中，然后按照先进先出的原则将数据传输至外部通信设备；完成模拟过程。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.能产生卫星通信信道，且具有延时和误码典型特征。卫星通信过程复杂，对信道特征的研究难度较大，产生具有典型特征的卫星信道，增强了对信道研究的针对性。

2.能从系统级模拟卫星通信的组网结构。单台设备可连接4台外部终端，终端类型可以为发送端或接收端，弥补了之前的模拟设备信道单一的不足。本发明可以在点对点、通播、网状结构等组网方式间相互切换，单台设备可满足多种需求。

3.能实现对外部终端工作方式的控制。可控制外部连接终端工作于连接、断开、仅发送、仅接收四种状态，实现对整个通信系统的控制，弥补了以往模拟设备功能单一、系统性不强的缺点。

附图说明

图1本发明卫星通信系统模拟器原理结构图

图2本发明接收单元原理结构图

图3本发明链路单元原理结构图

图4本发明信道单元原理结构图

图5本发明发送单元原理结构图

图6本发明信道控制单元原理结构图

图7本发明组网控制单元原理结构图

图8本发明系统连接图

图9本发明ARQ传输机制原理图

图10为Luts模型中概率分布函数的组合示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种卫星通信系统模拟器，可以模拟多台外部通信设备在不同组网方式下的通信过程。本实施例中，给出了四台外部通信设备进行通信模拟的示例，如图8所示。

本发明的这种卫星通信系统模拟器，包括接收单元、链路单元、信道单元、发送单元、信道控制单元以及组网控制单元；其中，接收单元与链路单元、信道单元依次连接，发送单元、组网控制单元与链路单元连接，信道控制单元与信道单元连接。这些单元实现的功能分别如下：

接收单元通过信号接口与外部通信设备连接，如图8所示；接收单元的作用是对数据信号进行接收、缓存和发送。图2给出了接收单元的具体结构，其由数据接收模块和数据缓存模块组成。数据接收模块分别接收如图8所示的四个外部通信设备发送来的数据信号，数据缓存模块对数据信号按照先到先进的原则缓存于待发送队列，并按顺序传递给链路单元；数据接收模块和数据缓存模块采用多线程的方式，本实施例中对应于四个外部通信设备共有最多四个线程，对发来的数据信号进行并行处理；所述的数据信号，是指由外部外部通信设备所发送的，通过信道进行传输的通信数据。

链路单元用于对接收到的数据信号进行链路匹配，根据数据信号的来源以及组网控制指令中各外部通信设备之间的连通状态信息，确定数据信号的接收端，并根据数据链路对应的信道状态，确定是否进行数据信号的传输。具体地，如图3所示：

链路单元由链路匹配模块、数据传输模块组成。组网控制指令中包含了各个外部通信设备之间的连通状态，例如设备1与2连通，那么数据信号来源为设备1时，则可确定数据的接收端为设备2。链路匹配模块用于根据组网控制指令实现上述的链路匹配过程，来源不同的数据信号具有不同的发送端和接收端，因此存在不同的链路；而数据传输模块则根据选择的数据链路对应的信道的状态确定是否进行数据信号的传输；若信道接收信噪比高于接收门限，则将数据信号送至信道单元进行数据传输；否则不进行数据传输。数据链路的传输控制协议采用ARQ机制。

所述ARQ传输控制协议的工作过程如下：信道两端分别为发送端和收收端，发端首先对数据信号进行编码分组，发送数据分组至信道进行传输，收端对收到的数据分组进行检错译码，如果收端正确接收，则向发端反馈ACK肯定应答；如果收端错误接收，则向发端反馈NACK否定应答，发端重传该分组；如果在规定时间内，发端没有收到ACK，也要重传该分组。编码方式采用LDPC码字，最大重传次数为3。

信道单元将数据链路传递来的数据信号生成信道模型，该信道模型是由Rayleigh、Rician、Lognormal三种概率分布函数组合而成的信道模拟信号，并在信道模型中加载多径效应、多普勒频移和插入高斯白噪声，最终将信道模型通过链路单元传递给发送单元。其具体实现过程为：

信道单元内部包含模拟信号模块以及连接在其上的多普勒模块、多径模块和噪声模块。对应于不同的数据链路，信道单元可以通过多线程的方式同时产生不同的模拟信号。其中，模拟信号以程序实现概率分布函数的方法来生成。在卫星信道建模中，以三种概率分布函数为基础进行建模，即Rayleigh、Rician和Lognormal概率分布函数。本方案的信道模型为Lutz信道模型，Lutz信道模型是由这三种概率分布函数经组合而成，模拟信号模块将信道控制指令中的参数代入三种概率分布函数中，通过编程仿真实现方法建立信道模型。终端传来的数据信号以经过的方式从信道模型中进行传输，被加入信道模型(信道模拟信号)衰减特征。

考虑到实际卫星通信过程中，卫星与通信设备之间相对位置变化，信道时好时坏，相比于C.Loo模型和Corazza模型，Luts模型在描述不同信道状态下的信道特征方面更加准确，因此本模拟器采用Luts模型。Luts模型根据信道状态，将信道环境分为两种状态：好状态和坏状态。在好状态中，直射信号分量存在且不存在阴影遮蔽效应；在坏状态中，不存在直射信号分量且受阴影遮蔽的影响。

信道模型是由Rayleigh、Rician、Lognormal三种概率分布函数组合而成的模拟信号，信道模型根据信道状态分为好信道模型和坏信道模型，信道单元根据Markov过程实现好、坏信道模型的切换，具体为：信道的好坏只有两种情况，将好的信道状态记为1，坏的信道状态记为0，保持和转换的的概率分别为Pg、Pb，则Pg+Pg＝1；用均匀分布产生的0至1之间的小数p与Pg或Pb进行对比，来决定是否切换信道模型。

卫星通信中往往会遇到建筑、树植、地形的遮挡，使信号因散射绕射的作用从多条路径传播，多路信号相互影响从而产生多径衰落；卫星与通信设备之间的相对运动，是接收信号频率发生偏移，从而产生多普勒频移；卫星与通信设备之间的传输环境中存在大量噪声，包括太阳系噪声、宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、地面噪声、干扰噪声以及系统本身的噪声等，通常在建模时将噪声设为高斯白噪声。为了模拟上述过程，多径模块用于在模拟信号中加载多径效应引起的信号衰落和时延，多普勒模块用于在模拟信号中加载多普勒频移，噪声模块用于在模拟信号中插入高斯白噪声。

发送单元与所述的多个外部通信设备连接，由数据缓存模块和数据发送模块组成；接收到来自链路单元的数据后，数据缓存模块将数据分组缓存于接收队列中，数据发送模块按照先进先出的原则将接收队列中的数据传输至外部通信设备。

信道控制单元接收由用户配置的信道参数，并将信道参数解析为信道控制指令，然后将信道控制指令作用于信道单元；信道控制指令包括多径衰落、多普勒频移、高斯白噪声信噪比以及卫星仰角；如图6所示，信道控制单元由信道参数接收模块、信道指令解算模块构成。信道参数接收模块用于从用户界面读取用户配置好的信道参数，信道指令解算通过程序计算的方法将配置的信道参数解析成信道控制指令，例如：以用户配置的参数运行速度为例，在信道指令解算模块中存储有信道控制指令中的参数多普勒频移的理论计算公式，通过该公式即可通过运行速度得出多普勒频移，计算出的多普勒频移作为信道控制指令的一部分，作用于信道单元，以在信道单元中加载于模拟信号中。信道参数有：外部通信设备的经纬度坐标、运行速度、卫星高度、工作频段、噪声类型以及电离层误差。

组网控制单元接收由用户配置的组网参数，并将组网参数解析为组网控制指令，然后将组网控制指令作用于链路单元；组网控制指令是包括各外部通信设备的连通状态和网络结构改变与否的信息。组网参数有：各外部通信设备的IP地址、端口、工作状态以及各通信设备之间的连接状态；所述的工作状态包括连接、断开、仅发送、仅接收四种状态，所述的连接状态包括点对点连接和网状连接，其中在点对点连接状态下，每台外部通信设备只能与一台其他的外部通信设备通信，而在网状连接状态下，每台外部通信设备可以与除自身之外的其他任意一台外部通信设备通信。

如图7所示，组网控制单元由组网参数接收模块、组网指令解算模块构成。组网参数接收模块接收到用户配置好的组网参数，而组网指令解算模块根据组网参数计算出组网控制指令，即各外部通信设备之间的连通状态以及网络结构是否改变的信息，把这些信息提供给链路单元，以便于通信链路的选择。图1中的软件界面是为信道参数输入和组网参数输入提供一个可视化的界面，并将模拟器运行过程产生的各类信息进行展示。

另外，为了在模拟过程中记录流量、延时等信息，本方案中可进一步设置统计模块：

统计模块与发送单元和接收单元连接，分别对发送单元和接收单元进行监控，从接收单元接收到第一组数据开始计时，发送单元将最后一组数据发送完成时停止计时，计算差值得到传输时延；并根据发送单元提供的统计信号，计算得到流量的统计结果。

综上所述，本发明的卫星通信系统模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，初始化过程

用户配置组网参数和信道参数，将组网参数发送给组网控制单元，组网控制单元将组网参数解析为组网控制指令，将组网控制指令作用于链路单元；将信道参数发送给信道控制单元，信道控制单元将信道参数解析为信道控制指令作用于信道单元；

步骤二，模拟过程

将多个外部通信设备与接收单元、发送单元连接，外部通信设备向接收单元发送数据信号，接收单元对数据信号缓存后按顺序传递给链路单元；

链路单元对接收到的信号进行链路匹配，数据信号的来源以及组网控制指令中各外部通信设备之间的连通状态信息，确定数据信号的接收端，并根据数据链路对应的信道状态，确定是否进行数据信号的传输；如果进行数据信号的传输，则：

信道单元将数据链路传递来的数据信号生成信道模型，该信道模型是由Rayleigh、Rician、Lognormal三种概率分布函数组合而成的信道模拟信号，并在信道模型中加载多径效应、多普勒频移和插入高斯白噪声；

发送单元接收到来自链路单元的数据后，将数据分组缓存于接收队列中，然后按照先进先出的原则将数据传输至外部通信设备；完成模拟过程。