基于SDN的衛星LTE融合網絡及其性能仿真

尹先兵，徐展琦，肖永偉，馬 濤，孫晨華

(1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071； 2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

基于SDN的衛星LTE融合網絡及其性能仿真

尹先兵1，徐展琦1，肖永偉2，馬 濤1，孫晨華2

(1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071； 2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

軟件定義網絡技術SDN將網絡控制功能與轉發功能分離，使網絡架構變得簡明清晰。在簡述傳統衛星網絡和地面LTE網絡優勢的基礎上，概述衛星LTE星地融合網絡，將SDN技術的核心思想引入衛星網絡，提出基于SDN的衛星LTE融合網絡架構，使用NS-3網絡仿真軟件實現對所提融合網絡模型的仿真平臺搭建，通過對不同場景下仿真數據的分析，評估所構建網絡的性能，給出SDN衛星LTE融合網絡的優勢。

長期演進；軟件定義網絡；星地融合網絡；網絡性能評估；仿真平臺

0 引言

LTE網絡具有高速無線傳輸、優化的網絡架構、靈活的頻譜利用和優良的服務質量 (Quality of Service，QoS)保證等優點[1]，衛星通信系統可以連接海陸空以及不利于鋪設通信設施的地區，特別是重大自然災害導致地面通信網絡損壞時，仍能給接入用戶提供無縫通信服務[2]。衛星與地面LTE星地融合網絡系統集成兩種網絡各自的優勢，已成為各界關注的焦點。將網絡功能虛擬化NFV引入衛星通信可有效降低設計和生產成本，易于運行維護和管理。

文獻[3]提出一種通過衛星LTE鏈路的業務減小時延的方法，設計和評估一種傳輸層協議性能的方案。文獻[4]將地面LTE移動通信系統與寬帶衛星通信系統相融合，并基于NS-3對星地融合網絡完成仿真模型構建和網絡性能評估。文獻[5]闡述將LTE空中接口用于星間數據傳輸的可能性，并給出3種改進方法，分析表明LTE空中接口經適當修改可應用于衛星信道。文獻[6]提出一種軟件定義衛星網絡架構，該架構基于SDN的集中控制模式，可增強空間網絡之間的協作性。

本文提出一種可行的SDN框架下的星地LTE融合網絡架構，利用SDN技術中的控制與數據分離的概念，釆用空間部分負責數據轉發和地面部分集中控制的方式，將復雜的控制功能轉移到地面控制中心，實現對衛星網絡的集中控制和管理。

1 基于SDN的星地網絡架構及通信數據流

NS-3是NS-2功能增強與改進的開源網絡仿真工具[7-8]，它繼承現階段優秀網絡仿真工具的優點，且克服很多缺點，廣泛運用于科學研究和系統性能仿真等。NS-3系統中所包含的OpenFlow模塊可以模擬SDN設備[9]，NS-3系統的LTE模塊可以很精確地模擬LTE-EPC網絡，但NS-3系統中尚沒有衛星鏈路模塊，為此設計簡化的衛星鏈路Satlink模塊，用來模擬融合網絡中的衛星部分。

1.1 基于SDN的融合網絡架構

圖1給出了基于SDN的衛星LTE融合體系架構。

圖1 基于SDN的融合網絡架構

LTE是LTE-EPC模型接入部分[10]，主要包含eNB和UE網元。EPC包括P-GW、S-GW、MME、HSS和PCRF等。3顆SDN-enabled衛星作為vSwitch，根據SDN 控制器下發的流表進行數據匹配和轉發。信關站作為衛星地面融合寬帶通信網的地面站設備[11]，它具有路徑選取、協議轉換、移動性管理和資源分配等功能。網絡操作控制中心NOCC用于接收來自空間衛星的狀態信息和發送到衛星上的控制信息，SDN C控制器負責建立和管理維護SDN-enabled設備上的流表，控制底層設備數據面的轉發。

圖2給出所提網絡架構的仿真平臺搭建過程，包括創建節點、網絡拓撲和通信機制等相關操作。

圖2 仿真的基本流程

1.2 融合網絡通信數據流

衛星覆蓋范圍內的衛星用戶與地面用戶進行通信時，IP報文由衛星用戶的內部通用應用程序產生，經過SDN-enabled同步衛星的流表匹配和轉發，發送到地面用戶上，實現二者的通信。圖3給出衛星用戶與地面用戶間數據流通信過程。

衛星用戶發送的數據包通過本地的TCP/IP協議轉發到該衛星用戶的網絡設備LteUeNetDevice上，完成如下操作：① 使用傳輸流模板 (Traffic Flow Templates,TFTs)對報文進行分類，并確定其無線承載ID；② 鑒定相應PDCP協議實例，分別對該報文進行PDCP、RLC、MAC協議的封裝；③ 通過LTE無線協議棧把該報文發送到SDN-enabled同步衛星。

SDN-enabled衛星的網絡設備LteEnbNetDevice接收該報文，解析和去掉報文中IP數據載荷前面的無線承載協議標頭，然后向上傳遞到SDN設備。衛星上的SDN設備接收報文，進行如下操作：① 恢復無線承載ID，解析IP頭部信息；② 查找衛星SDN設備中存儲的OpenFlow流表，找到與解析出來的標頭信息相匹配的流表項；③ 如果存在多個相匹配的流表項，則按照預先設定的優先級來匹配要執行的動作，再對數據包進行轉發。

從同步衛星SDN設備轉發的數據包通過本地TCP/IP協議轉發到網絡設備P2PNetDevice上，添加衛星網絡鏈路層DL協議標頭，再通過模擬的星地點對點鏈路發送到地面信關站。

地面信關站設備接收到該報文，進行如下操作：① 解析和去除數據包的DL協議標頭，通過本地的TCP/IP協議傳遞到信關站上層數據收發中心；② 信關站上層數據收發中心會解析數據包的IP標頭信息，根據IP標頭信息進行相應的操作；③ 添加地面網絡鏈路層L2協議頭，轉發到網絡設備NetDevice，再通過地面以太網接口連接到地面用戶設備。

地面用戶設備接收到數據包后，按照地面TCP/IP規范對其進行解封裝，獲得通信數據信息，從而實現雙方的通信。

圖3 衛星用戶與地面用戶間數據流通信過程

2 仿真場景與結果分析

2.1 仿真場景設置

吞吐量定義為單位時間內無差錯傳送數據分組的數目，在仿真中改變系統參數，通過讀取仿真程序產生的trace文件和pdcp文件，統計與分析用戶通信過程的吞吐量。表1給出具體參數設置，根據通信是否存在星間鏈路和用戶終端類型的不同，融合網絡性能可以分為6種通信場景對其進行分析。

表1 仿真場景的參數設置

參數名稱參數值仿真時間3s衛星發射功率73dBWUE發射功率10dBm數據包發送間隔2Nms(N=0～10)衛星鏈路帶寬1～6Mbps(間隔0.5)用戶的數目50～150個,步長10

場景1：相同衛星覆蓋領域的2個衛星用戶終端進行通信；

場景2：相同衛星覆蓋領域的衛星用戶終端與地面移動用戶終端通信；

場景3：相同衛星覆蓋領域的衛星用戶終端與地面固定用戶終端通信；

場景4：不同衛星覆蓋領域的2個衛星用戶終端進行通信；

場景5：不同衛星覆蓋領域的衛星用戶終端與地面移動用戶終端通信；

場景6：不同衛星覆蓋領域的衛星用戶終端與地面固定用戶終端通信。

圖4 吞吐量隨數據包發送間隔變化曲線

2.2 仿真結果分析

2.2.1 不同數據包發送間隔下的網絡性能

仿真中設置數據包發送間隔以2Nms變化，衛星鏈路帶寬設置為3 Mbps，用戶數目設置為90，圖4給出吞吐量與數據包發送間隔的關系圖。吞吐量在初始階段緩慢增長，吞吐量在數據包發送間隔為8 ms時達到最大值，超過8 ms后，吞吐量隨著數據包發送間隔的增大而逐漸下降，因為業務速率變小后，在仿真時間內進入網絡的業務數據變少，吞吐量在相應地減小。由于星間鏈路的影響，同一衛星覆蓋范圍內的用戶吞吐量比跨衛星通信時的吞吐量大。

2.2.2 不同用戶數目下的網絡性能

仿真中設置用戶數目從50～150變化，衛星鏈路帶寬設置為3 Mbps，數據包發送時間間隔設置為8 ms，圖5給出吞吐量與衛星覆蓋范圍內用戶數目的關系圖。隨著用戶數目的增加，吞吐量基本處于下降的趨勢；且在用戶數目增加到90的時候，由于衛星能附著用戶已經接近飽和，吞吐量減小到一個很低的水平(<150 kbps)。由于星間鏈路的影響，同一衛星覆蓋范圍內的用戶吞吐量比跨衛星通信時的吞吐量大。

圖5 吞吐量與用戶數目的關系

圖6 吞吐量與衛星鏈路帶寬的關系

2.2.3 不同衛星鏈路帶寬下的網絡性能

仿真中設置衛星鏈路帶寬從1～6 Mbps變化，用戶數目設置為90，數據包發送時間間隔設置為8 ms，圖6給出了吞吐量與衛星鏈路帶寬的關系圖。每個場景的吞吐量隨衛星鏈路帶寬增大而呈現增長趨勢。當衛星鏈路帶寬逐漸增大時，場景1和場景4因為沒有經過星地饋電鏈路，吞吐量沒有像其他場景情況下的吞吐量那樣劇烈增長，由于星間鏈路的存在，跨衛星通信情況下的吞吐量明顯小于衛星范圍內通信時的吞吐量。

當衛星鏈路帶寬小于2.5 Mbps，吞吐量的增長相對比較緩慢，當衛星鏈路帶寬大于2.5 Mbps時，吞吐量呈現快速增長的趨勢，說明星地鏈路帶寬對吞吐量有比較大的影響。

3 結束語

本文提出基于SDN的衛星LTE融合網絡架構，使用NS-3搭建仿真平臺以評估所提融合網絡的網絡性能。通過理論計算和分析可知，配置更新周期減小使得基于SDN的融合網絡具有更好的實時性和靈活性。此外，SDN技術簡化衛星的設計和減少地面站的數目，降低系統成本。本研究對于SDN的應用場景、星地融合網絡的研究有一定的參考價值。

[1] 徐展琦,孫婷婷,肖永偉,等.LTE星地融合網絡協議棧設計及EPC實現方案[J].無線電工程,2014,44(6):10-12.

[2] Kota S,Giambene G,Kim S.Satellite Component of NGN:Integrated and Hybrid Networks[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2011,29(29):191-208.

[3] Amadeo M,Aranti G,Iera A,et al.A Satellite-LTE Network with Delay-Tolerant Capabilities:Design and Performance Evaluation[C]∥ Vehicular Technology Conference (VTC Fall).IEEE,2011:1-5.

[4] 張哲.基于NS-3的LTE星地融合網絡的性能仿真研究[D].西安:西安電子科技大學,2015.

[5] 陳長猛,曾維軍.LTE空中接口在衛星通信中的適用性[J].無線通信技術,2011,20(4):20-23.

[6] Tang Z,Zhao B,Wanrong Y,et al.Software Defined Satellite Networks:Benefits and Challenges[C]∥Computing,Communications and IT Applications Conference (ComComAp).IEEE,2014:127-132.

[7] Feng J,Jiang L,Shen Y,et al.A Scheme for Software Defined ORS Satellite Networking[C]∥ 2014 IEEE Fourth International Conference on Big Data and Cloud Computing (BdCloud).IEEE,2014:716-721.

[8] 陳濤,陶文金,楊琦.基于NS-3的MANET路由協議性能分析[J].現代電子技術,2013,36(8):55-58.

[9] Mckeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(2):69-74.

[10] 黃韜,劉韻潔,張智江,等.LTE/SAE移動通信網絡技術[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[11] 孫婷婷,徐展琦,吳龍彬,等.衛星信關站硬件平臺的實現方案[J].電子科技,2014,27(11):123-127.

ConvergedSatelliteandTerrestrialLTENetworkBasedon
SDNandItsPerformanceSimulation

YIN Xian-bing1,XU Zhan-qi1,XIAO Yong-wei2,MA Tao1,SUN Chen-hua2

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China; 2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, the 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Software Defined Networking (SDN) technology separates the control function from the forwarding function,which makes network architecture simple and clear.Based on a brief introduction to advantages of traditional satellite network and terrestrial LTE networks,the converged satellite and terrestrial LTE network is reviewed.The converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN is proposed by applying SDN technology to satellite network.Then the simulation platform construction of the proposed converged network model is implemented by using the NS-3 network simulation software.The performance of the converged network is evaluated through analysis of simulation data under different scenarios,and the advantages of the converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN are given.

long term evolution;software defined network;converged satellite and terrestrial networks;network performance evaluation;simulation platform

TN927

A

1003-3114(2017)06-20-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.05

尹先兵，徐展琦，肖永偉，等.基于SDN的衛星LTE融合網絡及其性能仿真[J].無線電通信技術,2017,43(6):20-23.

[YIN Xianbing,XU Zhanqi,XIAO Yongwei,et al.Converged Satellite and Terrestrial LTE Network Based on SDN and Its Performance Simulation[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):20-23.]

2017-08-10

國家自然科學基金項目(61572391)

尹先兵(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛星網絡和軟件定義網絡。徐展琦(1962—)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：光網絡、寬帶衛星、SDN/NFV。