引言
低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡通信系統(tǒng)是未來全球通信系統(tǒng)的重要組成部分。由于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建立周期長、投資巨大，一旦建成不易對系統(tǒng)更改等特點，必須在系統(tǒng)實現(xiàn)前進行精確的仿真驗證。OPNET是一款性能優(yōu)良的網(wǎng)絡仿真軟件，能夠對網(wǎng)絡結構、設備和應用進行設計、建模、分析和管理，能夠滿足大型復雜網(wǎng)絡的仿真需求，在網(wǎng)絡層協(xié)議仿真方面具有一定的優(yōu)勢。然而，盡管OPNET提供了豐富的標準節(jié)點模型、鏈路模型、協(xié)議模塊等等，但并沒有提供任何低軌衛(wèi)星標準模塊，給低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議仿真帶來一定的困難。當前一些基于OPNET的低軌衛(wèi)星仿真，大多數(shù)是將陸地網(wǎng)絡節(jié)點利用有線鏈路連接，通過離散化有線鏈路的通斷，近似模擬低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡中的切換以及拓撲結構變化。這種方法需要針對特定低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡在仿真之前進行復雜的運算，而且不具有通用性。文章通過分析低軌衛(wèi)星協(xié)議體系結構，簡化協(xié)議體系中的某些部分，在OPNET上實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議仿真平臺。這個平臺支持非面相連接網(wǎng)絡的路由協(xié)議的開發(fā)。最后在該仿真平臺上加載動態(tài)路由協(xié)議，對仿真平臺進行了驗證。
1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議體系結構
根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計不同(軌道類型，星上處理或者彎管，ISL的設計方式)采取的網(wǎng)絡結構有許多種。根據(jù)低軌衛(wèi)星通信當前發(fā)展趨勢，本文主要研究具有星上處理/星上交換(OBP/OBS)以及星間鏈路(ISL)支持的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡，其協(xié)議體系結構如圖1所示。
由圖1可以看出星上協(xié)議中ATM與IP之間的關系。早期的寬帶IP衛(wèi)星系統(tǒng)大多采用基于ATM的傳輸技術。但是一些研究人員認為IPoverSatellite方案與IPoverATM方案相比具有更大的好處：(1)開銷小。Bell實驗室仿真表明如果采用IPoverATMoverSONET的結構，大約有22%～29%的開銷，而在其中SONET的開銷大約是4%。因此，將ATM層去掉，將會使星上資源得到更充分的利用。(2)易于實現(xiàn)千兆分組網(wǎng)絡。目前，采用ATM技術的多媒體衛(wèi)星的實驗干線速率已達622Mbps。但是在提升到吉比特時，ATM的開銷大這一缺點制約了線速的繼續(xù)提高。(3)降低系統(tǒng)復雜度。在RS塊狀編碼、交織和FEC等技術支持下，衛(wèi)星鏈路可達準光纖質量。因此無需采用ATM復雜的QoS保證機制便能抵御無線信道的誤碼。本文將根據(jù)圖1的協(xié)議框架圖建立無連接的IPoverSatellite網(wǎng)絡協(xié)議仿真平臺。
2 OPNET節(jié)點模型
低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡通信系統(tǒng)由空中衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)關兩部分組成。空中衛(wèi)星網(wǎng)絡的主要特點有：(1)由于衛(wèi)星之間存在相對運動導致空中衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構快速持續(xù)變化。(2)衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)關之間存在高速的運動，為確保通信的持續(xù)必須進行頻繁的切換。
整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的協(xié)議劃分如圖2所示。OPNET提供的標準節(jié)點模塊對涉及到的協(xié)議進行了細致的模擬，修改起來的工作量巨大，為了避免修改OPNET標準節(jié)點模塊，把Gateway節(jié)點拆分為兩個節(jié)點：OPNET標準路由器和低軌衛(wèi)星網(wǎng)關，這兩個節(jié)點用PPP鏈路直接連接，可以省去鏈路層協(xié)議的設計。低軌衛(wèi)星網(wǎng)關的切換管理模塊實時檢測天線的俯仰角，以及信號功率，決定是否切換到另一顆衛(wèi)星。此外為了把精力都放在網(wǎng)絡層協(xié)議的設計上，對位置注冊管理功能進行了簡化，由一個全局獨立節(jié)點來實現(xiàn)。例如網(wǎng)關可達網(wǎng)絡列表應該由低軌衛(wèi)星網(wǎng)關實現(xiàn)，每個網(wǎng)關都應該保存一個列表，這個列表中包括各個網(wǎng)關及其連接到的Internet子網(wǎng)地址。網(wǎng)關與衛(wèi)星映射關系應該由Satellite節(jié)點實現(xiàn)，實時向其他衛(wèi)星節(jié)點通告自己當前接入的網(wǎng)關標識。簡化后需要做的仿真工作有：衛(wèi)星地面網(wǎng)關節(jié)點模型，衛(wèi)星節(jié)點模型，GlobalNode模型。
下面對本文簡化掉數(shù)據(jù)鏈路層的合理性進行分析。數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能是在兩個相鄰節(jié)點間建立和維持數(shù)據(jù)鏈路，為網(wǎng)絡層提供無差錯的通信服務，它可以細分為邏輯鏈路控制層(LLC)和媒體接入控制層(MAC)。MAC層的任務是在發(fā)送數(shù)據(jù)時，按某種規(guī)則從LLC層接收數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行媒體訪問規(guī)程，查看鏈路狀態(tài)，如可發(fā)送，將給數(shù)據(jù)加上控制信息，形成幀，送往物理層；在接收數(shù)據(jù)時，從物理層接收到數(shù)據(jù)幀，并檢查數(shù)據(jù)幀中的控制信息，判斷是否發(fā)生傳輸錯誤，將正確的數(shù)據(jù)幀去掉控制信息后送至LLC層。LLC層的任務是完成兩通信實體間點到點鏈路上的數(shù)據(jù)幀傳輸與流量控制，為上層提供數(shù)據(jù)報與虛電路兩種不同服務。本文假設每顆衛(wèi)星只有一個地面網(wǎng)關接入，因此只要LLC有數(shù)據(jù)業(yè)務流接入MAC就可以對其進行轉發(fā)，不存在鏈路的爭用，不用實現(xiàn)MAC層的協(xié)議。此外把每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)設置為無限大，因此不會存在溢出丟包現(xiàn)象，自然形成先進先出的策略，在帶寬小的鏈路上實現(xiàn)瓶頸效應，所以也不用實現(xiàn)LLC層的數(shù)據(jù)幀傳輸與流量控制。
為了保證每顆衛(wèi)星在同一時刻只有一個地面網(wǎng)關接入，把網(wǎng)絡場景劃分為三種。第一種，每顆衛(wèi)星只有一個地面接入網(wǎng)關。第二種，每顆衛(wèi)星存在兩個以上地面接入網(wǎng)關，但是同一顆衛(wèi)星覆蓋下的兩個網(wǎng)關之間不存在數(shù)據(jù)流業(yè)務。第三種，每顆衛(wèi)星存在兩個以上地面網(wǎng)關，但只有處于相同衛(wèi)星覆蓋下的地面網(wǎng)關之間存在數(shù)據(jù)業(yè)務。通過對這三種場景組合可以搭配出所有的仿真場景。第二種仿真場景可以拆分成多個第一種仿真場景的組合。第三種仿真場景可以采用固定節(jié)點、有線鏈路近似模擬。因此，只要完成第一種仿真場景，所有的問題就都可以解決。在第一種仿真場景中每顆衛(wèi)星只有一個地面網(wǎng)關接入，編程過程中可以不再考慮沖突檢測、信道預留、業(yè)務的優(yōu)先級處理等數(shù)據(jù)鏈路層功能，符合前面所提簡化。
2.1 地面網(wǎng)關節(jié)點模型要實現(xiàn)的功能
(1)切換管理，向GlobalNode通告與衛(wèi)星的映射關系；
(2)向GlobalNode通告可以到達的子網(wǎng)地址；
(3)數(shù)據(jù)包的封裝與解封；
(4)上行鏈路的各個pipeline階段。
2.2 Satellite節(jié)點要實現(xiàn)的功能
(1)路由地面網(wǎng)關發(fā)送來的數(shù)據(jù)包；
(2)網(wǎng)絡協(xié)議平臺，在其上實現(xiàn)非面向連接的路由協(xié)議；
(3)下行鏈路的各個pipeline階段；
(4)星間鏈路的各個pipeline階段；
(5)導入STK(SatelliteToolsKit)衛(wèi)星軌道文件。
2.3 GlobalNode要實現(xiàn)的功能
(1)存放網(wǎng)關可達子網(wǎng)列表，供網(wǎng)關封包時查詢；
(2)存放網(wǎng)關與衛(wèi)星映射列表，供衛(wèi)星節(jié)點星上路由時查詢。
3 仿真驗證
在本文所建立的仿真系統(tǒng)平臺上，作者仿真了TCP協(xié)議在動態(tài)路由上的性能。仿真場景采用Iridium系統(tǒng)的一部分作為空中衛(wèi)星網(wǎng)絡，兩個地面網(wǎng)關處于不同衛(wèi)星覆蓋范圍內，網(wǎng)關所連接的Internet中有一對客戶機/服務器采用TCP連接進行數(shù)據(jù)傳輸。仿真結果將比較通過低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡進行TCP連接與通過地面網(wǎng)絡進行TCP連接之間的擁塞控制窗口，切換前后時延變化。仿真設置為：客戶端(longitude-161.8，latitude-29.14)下載服務器端(longitude-15.2，latitude-20.9)上大小為1Mbit的文件，帶寬瓶頸為10Mbps，整個過程每5s重復一次，直至仿真結束，仿真的網(wǎng)絡場景拓樸結構如圖3所示。
場景拓樸整個仿真時間為100s，在60s時刻客戶端接入網(wǎng)關發(fā)生星地切換。仿真結果如圖4、5所示。
