专利名称：卫星网络模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星网络模拟系统，尤其一种在数据链路层模拟卫星网络的连通性、 星际、星地链路信道的延时和误码率以及卫星网络业务传输过程的系统，属于卫星通信仿 真技术领域。
背景技术：
卫星网络是一个由不同轨道上多种类型的卫星组成的系统，按照空间信息资源的最大 有效综合利用原则，互通互连、有机构成的智能化体系。随着Internet在全球范围内的广泛应用和卫星技术的发展，卫星网络逐渐应用于军事、 气象、航天、灾难预警、农业、电视转播等各个领域，成为下一代信息交换的通讯网络的 一个基础部分。但是卫星网络具有拓扑结构变化迅速、星间和星地链路传输延时大、链路 误码率高、星上处理能力有限等特点，加上由于地域和时区差异、星座运转及地球自转引 起的卫星网络承载数据流量分布不均的特性，使其既区别于传统地面网络，又区别于地面 无线通信网络。针对卫星网络的这种特点，有必要对其性能进行评估，从而为卫星网络设 计提供参考。卫星网络性能评估可利用卫星或飞机进行实测，但这种方式费时费力，特别是在预研 阶段的前期研究中，进行搭载试验是不可行的。在一些情况下，由于条件的限制，进行星 载或机载试验，还会存在技术和经费上的问题，因此采用仿真手段对卫星网络拓扑变化、 星际、星地链路的信道参数以及业务传输过程进行模拟非常必要。目前，国内外针对卫星网络的特性的仿真主要有软件建模仿真、信道模拟器等方式， 其中软件建模仿真的方式配置灵活，操作方便，但由于计算量巨大，很难实现实时性，而 且无法实现实际的物理接口；信道模拟器能够在实验室中通过受控的、精确的、可重复的 方式真实模拟卫星网络的信道特性，是对卫星网络进行仿真的一种较好的方式。国外已有 少数大公司推出商用化卫星信道模拟器产品，国内也有些科研机构做了一些相关工作，但 当前的卫星信道模拟器产品大多侧重于卫星星际、星地信道特性的仿真，这对于评估整个 卫星网络的性能仍不够全面，还缺少卫星网络的拓扑变化、路由、业务传输过程等特性的仿真。
发明内容
本发明通过构建一个接近真实卫星网络环境的地面演示及验证仿真系统，实现了对卫 星网络的拓扑变化、星际、星地链路的信道参数以及业务传输过程可靠的模拟，解决全面、 真实仿真卫星网络特性的问题。本发明的具体技术方案如下一种卫星网络模拟系统，包括一主控计算机， 一实时卫星信道模拟器和若干业务仿真 节点计算机；所述主控计算机上运行有卫星网络仿真软件系统，可实现建立卫星网络仿真 场景，选择路由算法、设置链路参数，管理仿真卫星网络信息，通过RS232总线与实时卫 星信道模拟器连接；所述业务仿真节点上运行有业务仿真软件，实现对卫星网络业务传输 过程的模拟，通过以太网端口与实时卫星信道模拟器连接。仿真时，具有路由的业务仿真节点相互之间可以产生指定类型的业务流量，模拟卫星 网络业务传输过程。主控计算机计算源节点到目的节点之间的星际和星地链路的链路延时 和误码率，然后把这些信息通过RS232送给实时信道模拟器，此处的源节点和目的节点指 的是想定场景所要模拟的卫星网络的网络节点，是个仿真的节点，该节点可以采用连接到 实时卫星信道模拟器来实际模拟，也可以没有实际模拟而仅仅是个虚拟的节点。所述的主控计算机，运行有卫星网络仿真软件系统，该软件系统包括用户界面、想定 编辑模块、仿真控制模块、路由计算模块、链路计算模块、链路误码特性仿真软件包，链 路误码特性参数库、场景渲染模块、网络管理模块。所述链路误码特性仿真软件包完成链 路误码特性参数的仿真提取，生成链路通信场景，每一场景的仿真结果都存入链路误码特 性参数库；所述想定编辑模块用来生成一个仿真场景，通过用户界面调用所述仿真控制模 块来控制仿真场景的运行、暂停与终止；所述路由计算模块和链路计算模块分别从想定编 辑模块提取各自所需的配置参数，链路计算模块还需要访问链路场景误码特性参数库提取 相关链路参数，来计算仿真场景的路由信息和链路特性，仿真控制模块将计算结果通过场景渲染模块进行二维和三维渲染显示在用户界面，同时也将这些参数通过RS232传递给实 时卫星通信设备模拟器；所述网络管理模块通过采集业务仿真节点网络中相关参数来实现 对仿真网络的信息管理。各模块的实现说明如下用户界面采用可视化人机交互技术，实 现与用户交互。想定编辑模块实现上采用了 XML技术实现了对仿真场景的各种参数的配置，如仿真开始与结束时间、运行步长、仿真环境等，并且通过想定编辑模块可以设置实 时信道模拟器每个端口所对应业务仿真节点的IP;仿真控制模块则采用多线程技术实现了 对仿真场景的控制；路由计算模块在路由算法的实现上综合考虑了链路的路径长度以及链 路的误码特性，以加权平均的方式进行计算。链路计算模块主要是计算链路的延时和误码 率，在其实现上考虑了影响链路的各种因素，包括链路的类型、环境等。链路误码特性仿 真软件包采用LMS模型，由Matlab Simulink模块和自编S函数搭建，需要传入的参数包 括工作频率、轨道高度、地面终端运动速度、发射功率、发射/接收天线增益、接收机G/T、 信号带宽、信道编码方式、交织方式、调制方式，在Matlab Simulink模块上进行编辑。上 述所有传入参数的一个特定组合称为一个链路通信场景，其.中任一个输入参数发生改变， 就会对应新的星地链路通信场景。每一个场景的仿真结果都将存入链路场景误码特性参数 库。链路场景误码特性参数库采用数据文件的方式保存了链路场景的误码特性，根据该误 码特性，就可以在仿真过程中实时计算.出链路的延时和误码率等参数。所述的实时卫星信道模拟器，主要功能是实现对卫星网络拓扑连接、链路延时及误码 率等性能的实时模拟。实时卫星信道模拟器由外部的机箱和内部的实时信号处理板组成， 机箱采用标准机箱结构，面板上设有电源开关、插座、RS232接口、以太网端口、指示灯 等。实时信号处理板包括FPGA芯片XC2vp40、 SDRAM高速存储器HY57V561620CT、 电源电路、时钟分配电路、8端口快速以太网物理收发器LXT9785、 UART接口电路。所 述电源电路为实时信号处理板提供各种需要的供电电压；所述时钟分配电路为FPGA、 SDRAM芯片产生可靠稳定的时钟信息；所述以太网物理收发器提供以太网接口，经由 UART接口电路，实现实时卫星信道模拟器同业务仿真节点及主控计算机连接。所述的业务仿真节点，运行有业务仿真软件，其主要功能是实现对卫星网络业务传输 过程的模拟。该软件包括用户界面、业务管理与控制模块、线程管理模块、通信模块、业 务实现模块、定时器模块、随机数产生模块、曲线绘制模块。所述用户界面与用户交互产 生某一类型业务，所述业务管理及控制模块与线程管理模块和通信模块一起完成业务产生 方和接收方连接的建立，所述业务实现模块生成用户指定类型的业务流量数据，且与定时 器模块、随机数产生模块、曲线绘制模块一起合作实现流量曲线的实时绘制。各模块的实 现说明如下用户界面采用可视化人机交互技术，实现与用户交互。业务管理与控制模块 采用多线程技术，实现对并发多业务的管理与实时控制。线程管理模块则釆用了底层操作 系统所提供的API接口来实现对线程的创建、控制与删除。通信模块技术实现上采用了 Socket技术，为数据传输提供了底层的通信机制。业务实现模块通过对卫星网络常见的各种业务(视频、语音、文本数据)特性进行建模，模拟产生各种仿真业务流量。定时器模 块对操作系统提供的定时机制接口进行封装，为仿真业务流量产生所需的定时功能提供支 持。随机数产生模块则实现了常见的随机数发生算法，为业务实现模块的流量模型建立提 供支持。曲线绘制模块则采用控件技术，为仿真业务流量产生过程中，流量的曲线绘制显 示提供可视化支持。本发明的技术效果是可以在实验室环境下，以较低的成本真实、全面地仿真卫星网络拓扑变化、星际、星 地链路信道特性以及卫星网络业务传输过程，为具有星际、星地链路网络的卫星通信系统 的仿真研究与验证提供有力的支持。
图1是本发明的系统总体结构2是本发明的卫星网络仿真软件系统结构框3是本发明的实时卫星信道模拟器信号处理板硬件结构图 图4是本发明的业务仿真软件结构图
具体实施例方式下面，结合附图详细说明本发明的实施方式。图1为本发明的系统总体结构图。由图可见，本发明卫星网络模拟系统由三大部分组 成，分别是主控计算机、实时卫星信道模拟器和业务仿真节点。其中主控计算机运行有卫 星网络仿真软件，业务仿真节点运行有业务仿真软件。整个系统的工作原理为使用者通 过主控计算机操作卫星网络仿真软件，编辑想定并配置仿真场景参数后启动仿真，想定编 辑模块实现上采用了 XML技术实现了对仿真场景的各种参数的配置，如仿真开始与结束时间、运行步长、仿真环境等。仿真运行过程中，卫星网络仿真软件实时计算出仿真场景 中卫星网络路由、链路等各种参数信息，计算结果一方面以二维和三维的方式进行渲染，显示在用户界面，另一方面通过RS232总线传送给实时卫星信道模拟器，从而在数据链路 层实现对卫星网络拓扑连接关系以及链路信道特性的模拟。业务仿真节点则在当前仿真的 卫星网络环境下，模拟使用者指定类型的业务流量的传输过程。图2为运行于主控计算机上的卫星网络仿真软件系统结构框图。该软件系统包括用户界面、想定编辑模块、仿真控制模块、路由计算模块、链路,计算模块、链路误码特性仿真 软件包，链路误码特性参数库、场景渲染模块、网络管理模块。该软件系统的功能除了编 辑想定、控制仿真的运行的功能外，还负责路由计算、链路计算及仿真卫星网络信息的管理等。卫星网络仿真软件系统具体的工作过程如下首先由链路误码特性仿真软件包完成链路误码特性参数的仿真提取，链路误码特性仿真软件包采用LMS模型，由Matlab Simulink模块和自编S函数搭建，需要传入的参数包括工作频率、轨道高度、地面终端运 动速度、发射功率、发射/接收天线增益、接收机G/T、信号带宽、信道编码方式、交织方 式、调制方式，上述参数在MatlabSimulink模块上进行编辑。上述所有传入参数的一个特 定组合称为一个链路通信场景，其中任一个输入参数发生改变，就会对应新的星地链路通 信场景。每一个场景的仿真结果都将存入链路场景误码特性参数库，链路场景误码特性参 数库采用数据文件的方式保存了链路场景的误码特性，根据该误码特性，就可以在仿真过 程中实时计算出链路的延时和误码率等参数。仿真运行前，使用者与用户界面交互，通过 想定编辑模块生成一个仿真场景，该场景包含了仿真所必须的各种配置参数，包括想定 开始及结束时间、推进步长，卫星总数、轨道面数、轨道参数等星座的参数、卫星链路的 类型、损耗等各种参数等，并且通过想定编辑模块可以设置实时信道模拟器每个端口所对 应业务仿真节点的IP。场景生成后，使用者可以通过用户界面菜单命令调用仿真控制模块 控制场景的运行、暂停与终止。在场景运行过程中，路由计算模块和链路计算模块分别从 想定编辑模块提取各自所需的配置参数(链路计算模块还需要访问链路场景误码特性参数 库提取相关链路参数)来计算仿真场景的路由信息和链路特性，然后把计算结果传给仿真 控制模块，其中，路由计算模块在路由算法的实现上综合考虑了链路的路径长度以及链路的误码特性，以加权平均的方式进行计算；链路计算模块主要是计算链路的延时和误码率， 在其实现上考虑了影响链路的各种因素，包括链路的类型、环境等。仿真控制模块则根据 获取的连通性、信道类型、星际误码参数、星地误码参数和延时等参数，通过场景渲染模 块进行二维和三维渲染显示在用户界面，同时也将这些参数通过以太网端口传递给实时卫 星通信设备模拟器硬件，模拟器按照接收参数对误码率、延时进行配置，在数据链路层上 实时模拟星际、星地链路网络的连通特性，星际链路信道特性和星地链路信道特性。仿真 运行过程中，在具有路由的业务仿真节点相互之间可以传输业务流量，这些业务仿真节点 组成了业务仿真节点网络。网络管理模块通过采集业务仿真节点网络的各种参数，比如接 收包数、发送包数，丢包率，传输速度等等。网络管理模块通过采集业务仿真节点网络中上述参数来实现对仿真网络的信息管理。图3是实时卫星信道模拟器信号处理板硬件结构图。实时信号处理板包括FPGA芯片、 SDRAM高速存储器、电源电路、时钟分配电路、以太网物理收发器、UART接口电路， 所述电源电路为实时信号处理板提供各种需要的供电电压；所述时钟分配电路为FPGA、 SDRAM芯片产生可靠稳定的时钟信息；所述以太网物理收发器提供以太网接口，经由 UART接口电路，实现实时卫星信道模拟器同业务仿真节点及主控计算机连接。各部分的 功能如下FPGA芯片XC2vp40负责执行逻辑指令，是实时卫星信道模拟器控制核心； SDRAM高速存储器HY57V561620CT用于完成链路数据包的延时功能，为了对仿真端口 实现分别延时，每一个仿真端口使用一片SDRAM，每片SDRAM容量为256Mbit，最高 读写速度可达133MHz，分为8个存储空间，按最大速率计算(链路一直存在数据，且数 据包之间不存在间歇)，则每两个端口间可实现的最大延时为256/8/100=320ms，满足卫 星网络链路模拟延时的要求(这里实际仿真端口的多少取决于用户的需求)；电源电路主 要功能是把输入的220V交流电，经开关电源转换为直流5V和12V,其中12V直流电源 用于系统风扇供电，5V电压则进一步转换为信号处理板上各种芯片所需的供电电压；时钟 分配电路为FPGA、 SDRAM等芯片产生可靠稳定的时钟信息；8端口快速以太网物理收发 器LXT9785提供以太网接口，经由UART接口电路，实现实时卫星信道模拟器同业务仿 真节点连接，LXT9785是由Intd公司生产的8端口快速以太网物理收发器，支持10Mbps 和100Mbps网络，能够满足802.3标准下的各种应用需求，其工作模式由辅助电路设置， 不需要进行指令控制；UART接口电路实现实时卫星信道模拟器与主控计算机连接的接口 信号转换，考虑到连接的方便性，主控计算机的连接端使用DB9接头，而实时卫星信道模 拟器则采用RJ45接头，连接电缆使用双绞线，线缆的连接方式同路由器的配置电缆兼容。所述的实时卫星信道模拟器，还包括外部的机箱，机箱采用标准机箱结构，面板上设 有电源开关、电源插座、RS232接口、网线插口、指示灯等。图4是业务仿真软件结构图。该软件包括用户界面、业务管理与控制模块、线程管理 模块、通信模块、业务实现模块、定时器模块、随机数产生模块、曲线绘制模块。业务仿 真软件的工作流程如下使用者通过与用户界面交互产生某一类型业务，启动业务管理与 控制模块，该模块与线程管理模块和通信模块一起完成了业务产生方和接收方连接的建 立，其中，用户界面采用可视化人机交互技术，实现与用户交互；业务管理与控制模块采 用多线程技术，实现对并发多业务的管理与实时控制；线程管理模块则釆用了底层操作系统所提供的API接口来实现对线程的创建、控制与删除;通信模块技术实现上采用了 Socket 技术，为数据传输提供了底层的通信机制。发送方开始调用业务实现模块来生成用户指定 类型的业务流量数据。在业务发送和接收的过程中，业务实现模块会与定时器模块、随机 数产生模块、曲线绘制模块一起合作实现流量曲线的实时绘制。其中，业务实现模块是业 务流量产生的核心模块，根据业务管理与控制模块传入的数据，将业务进行分流处理，即 数据分别流向了下层的文本业务、语音业务或视频业务处理模块来处理，业务实现模块通 过对卫星网络常见的各种业务(视频、语音、文本数据)特性进行建模，模拟产生各种仿 真业务流量；定时器模块对操作系统提供的定时机制接口进行封装，为仿真业务流量产生 所需的定时功能提供支持；随机数产生模块则实现了常见的随机数发生算法，为业务实现 模块的流量模型建立提供支持；曲线绘制模块则采用控件技术，为仿真业务流量产生过程 中，流量的曲线绘制显示提供可视化支持。卫星网络本发明一个具体实施例如下该实施例场景是包含24颗卫星的Walker星座(4个轨道面，每个轨道面有6颗卫星) 所组成的卫星网络。为了对这个卫星网络的各种性能进行评估，可采用如下的步骤1. 将主控计算机，业务仿真节点A、业务仿真节点B与实时卫星信道模拟器进行连 接；2. 运行主控计算机上的卫星网络仿真软件系统，通过想定编辑功能建立仿真场景， 包括增加24颗卫星的Walker星座，选择路由算法、设置链路参数，通过想定编 辑模块可以设置实时信道模拟器每个端口所对应业务仿真节点的IP，如果该端口 没有连接业务仿真节点，则无需设置，然后通过菜单命令启动仿真；3. 仿真运行时，主控计算机上的卫星网络仿真软件系统将对当前仿真时刻卫星网络 的拓扑关系、链路参数、路由参数等实时进行计算，并将计算结果通过三维、二 维渲染模块在用户界面上实时显示，另一方面主控计算机通过RS232总线将计算 结果传送给实时卫星信道模拟器，对实时卫星信道模拟器进行控制，实时卫星信 道模拟器根据主控计算机传给的参数，在数据链路层模拟卫星网络拓扑关系、链 路延时及误码率；从而在数据链路层实现对卫星网络拓扑连接关系以及链路信道 特性的模拟；4. 业务仿真节点A、业务仿真节点B分别运行业务仿真软件，在仿真节点A上，通 过用户界面选择所要产生的业务类型，并配置相关的参数，然后选择向业务仿真节点B传输业务流量。在当前仿真场景下，如果业务仿真节点A与业务仿真节点 B之间存在路由，则可以从各自业务仿真软件的用户界面上看到业务的传输过程 以及传输速率；5.从主控计算机上的卫星网络仿真软件系统启动网络管理模块，网络管理模块对当 前仿真场景下，卫星网络的各种参数进行搜集与统计，并在用户界面上实时显示 卫星网络中各条链路的延时、误码率以及业务流量统计信息。通过上述步骤，即可在地面环境下实现对卫星网络拓扑、链路延时、误码率以及业务 传输过程等特性的实时模拟。
权利要求
1、一种卫星网络模拟系统，其特征在于，包括一主控计算机，一实时卫星信道模拟器和若干业务仿真节点计算机；所述主控计算机上运行有卫星网络仿真软件系统，可实现建立卫星网络仿真场景，选择路由算法、设置链路参数，管理仿真卫星网络信息，通过RS232总线与实时卫星信道模拟器连接；所述业务仿真节点上运行有业务仿真软件，实现对卫星网络业务传输过程的模拟，通过以太网端口与实时卫星信道模拟器连接。
2、 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卫星网络仿真软件系统包括用户界 面、想定编辑模块、仿真控制模块、路由计算模块、链路计算模块、链路误码特性仿真软 件包，链路误码特性参数库、场景渲染模块、网络管理模块，其中所述链路误码特性仿真软件包完成链路误码特性参数的仿真提取，生成链路通信场 景，每一场景的仿真结果都存入链路误码特性参数库；所述想定编辑模块用来生成一个仿 真场景，通过用户界面调用所述仿真控制模块来控制仿真场景的运行、暂停与终止；所述 路由计算模块和链路计算模块分别从想定编辑模块提取各自所需的配置参数，链路计算模 块还需要访问链路场景误码特性参数库提取相关链路参数，来计算仿真场景的路由信息和 链路特性，仿真控制模块将计算结果通过场景渲染模块进行二维和三维渲染显示在用户界 面，同时也将这些参数通过RS232传递给实时卫星通信设备模拟器；所述网络管理模块通过采集业务仿真节点网络中相关参数来实现对仿真网络的信息管理。
3、 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述链路误码特性仿真软件包采用LMS 模型，由Matlab Simulink模块和自编S函数搭建，通过在Matlab Simulink模块上进行编 辑传入需要的参数，包括工作频率、轨道高度、地面终端运动速度、发射功率、发射/接收 天线增益、接收机G/T、信号带宽、信道编码方式、交织方式、调制方式。
4、 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实时卫星信道模拟器，包括外部的 机箱和内部的实时信号处理板，所述机箱面板上设有电源开关及插座、RS232接口；所述 实时信号处理板包括FPGA芯片、SDRAM高速存储器、电源电路、时钟分配电路、以太 网物理收发器、UART接口电路，所述电源电路为实时信号处理板提供各种需要的供电电 压；所述时钟分配电路为FPGA、 SDRAM芯片产生可靠稳定的时钟信息；所述以太网物 理收发器提供以太网接口，经由UART接口电路，实现实时卫星信道模拟器同业务仿真节 点及主控计算机连接。
5、 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述业务仿真软件包括用户界面、业务 管理及控制模块、线程管理模块、通信模块、业务实现模块、定时器模块、随机数产生模块、曲线绘制模块，其中所述用户界面与用户交互产生某一类型业务，所述业务管理及 控制模块与线程管理模块和通信模块一起完成业务产生方和接收方连接的建立，所述业务 实现模块生成用户指定类型的业务流量数据，且与定时器模块、随机数产生模块、曲线绘 制模块一起合作实现流量曲线的实时绘制。
6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述业务仿真模块还包括文本业务、语 音业务和视频业务处理模块。
全文摘要
本发明公开了一种卫星网络模拟系统，属于卫星通信仿真技术领域，该系统包括一主控计算机，一实时卫星信道模拟器和若干业务仿真节点计算机；所述主控计算机上运行有卫星网络仿真软件系统，可实现建立卫星网络仿真场景，选择路由算法、设置链路参数，实现仿真卫星网络的信息管理，通过RS232总线与实时卫星信道模拟器连接；所述业务仿真节点上运行有业务仿真软件，实现对卫星网络业务传输过程的模拟，通过以太网端口与实时卫星信道模拟器连接。本发明的卫星网络模拟系统可以在实验室环境下，以较低的成本真实、全面地仿真卫星网络拓扑变化、星际、星地链路信道特性以及卫星网络业务传输过程。
文档编号H04B7/185GK101404547SQ200810226968
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者刘立祥, 周文亚, 李向群 申请人:中国科学院软件研究所