面向天地一體化信息網絡的衛星鏈路仿真研究

劉淵，張浩，葉海洋，李劍鋒，王曉鋒，張桂珠

（1. 江南大學數字媒體學院，江蘇 無錫 214122；

2. 江蘇省媒體設計與軟件技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

1 引言

天地一體化信息網絡可以分為天基骨干網、天基接入網、地基節點網、地面互聯網，包含衛星節點、地面站節點、衛星鏈路等多類型元素，具有網絡拓撲切換快、異構網絡互聯、時空跨度大、業務種類多等特點。天地一體化信息網絡需要建立大規模、真實的、可控的網絡仿真平臺，支撐安全保障技術[1]的研究以及新的衛星網絡協議與技術研究。

天地一體化信息網絡仿真平臺包含控制平面與數據平面，控制平面管理衛星節點和衛星鏈路，數據平面完成仿真場景的映射[2]。衛星節點需要滿足節點數量、拓撲變化、軌道高度的仿真要求，衛星鏈路包含星間鏈路和星地鏈路，星間鏈路又分為同軌和異軌星間鏈路。同軌衛星之間的鏈路持續通信時間、鏈路距離基本不隨時間變化，異軌衛星之間的鏈路建立相對復雜，鏈路空間幾何參數與性能參數呈周期性變化，星間鏈路主要受自由空間傳播損耗的影響。星地鏈路除了會受自由空間傳播損耗的影響外，還會受大氣吸收損耗、雨衰的影響。

目前，衛星鏈路仿真的相關研究主要集中在基于理論建模的數字仿真、基于離散事件驅動的網絡模擬、基于鏈路特性的參數仿真與新興網絡技術[3,4]融合等方面。文獻[5,6]研究了衛星鏈路計算數學模型，分析了星間鏈路空間幾何特性、星地鏈路時延與誤碼率的動態變化規律，為衛星鏈路仿真提供了理論基礎。文獻[7]基于 NS3模擬衛星鏈路，基于TCP通信協議測試了不同鏈路特性下衛星鏈路吞吐量的變化。文獻[8]提出了動態衛星鏈路數據交互的聯合仿真方法，通過逼真的星地信道衰落情況來確定滿足鏈路約束條件的衛星天線增益等關鍵參數。文獻[9]提出了基于共享緩沖區的超高速鏈路仿真方法TLEM，由多個獨立線程實現的管道體結構，線程間通過有限的交互實現高性能轉發，但其存在內存復制開銷的瓶頸，并且僅能適用于支持netmap的系統。文獻[10]提出了基于 dummynet的數據鏈路層仿真方法，通過攔截指定鏈上的數據幀實現，在 PlanetLab實物測試床中驗證了其仿真性能。文獻[11]提出了基于IP級KauNet仿真器的衛星鏈路仿真方法，結合 LMS衛星信道模型，給出傳統網絡中復現衛星鏈路時延與丟失分組的系統實現。文獻[12]提出了大規模時延容忍網絡仿真平臺，基于netem實現單層低軌衛星網絡中衛星鏈路仿真，對星地鏈路的帶寬、時延等進行仿真分析。大多數衛星鏈路仿真方法基于單一的衛星工具包[13]（STK,satellite tool kit）和模擬器（NS2、NS3、OPNET 等），無法運行真實的業務流量，難以支撐安全仿真驗證。實物測試床（PlanetLab、OneLab等）通過真實的軟硬件環境來保障實驗網絡的真實性，但其存在投入成本高、靈活性差的問題。鏈路仿真器（TLEM、dummynet、KauNet等）能夠為衛星鏈路仿真提供支撐，但其自身都存在一定的局限性。少部分衛星鏈路仿真方法可承載真實的業務流量，融合了新興網絡技術，但缺乏考慮衛星鏈路的逼真性和周期性。

本文提出了一種云計算環境中衛星鏈路仿真方法，基于虛擬化技術仿真不同軌道高度的衛星節點，基于軟件定義網絡（SDN,software defined network）技術仿真可重構的衛星鏈路，基于 STK模擬真實的衛星網絡場景，對衛星鏈路進行建模與計算，獲取鏈路持續通信時間、距離、誤碼率等數據。根據衛星網絡場景，可自動化部署衛星網絡拓撲，可動態配置差異化的衛星節點與衛星鏈路，為天地一體化信息網絡中各類技術的驗證與評估提供一套原型系統。

2 衛星鏈路性能參數分析

采用連通圖 G=(V,E,D)對衛星網絡建模，其中，V= {vi|i∈ (1,2,…,n )}表示衛星節點和地面站節點集合， E={eij|i,j ∈ (1,2,…,n )}表示衛星鏈路集合， D={dij|i,j ∈ (1,2,…,n )}表示衛星鏈路的長度。

衛星鏈路的間歇性是指鏈路通斷隨著時間周期性地動態切換。在衛星接收機的功率滿足可以正常接收發射信號的條件下，當衛星鏈路被其他天體在物理位置上阻隔時，鏈路會無法通信，當衛星運動到某一個無天體阻隔的位置時，鏈路又可以繼續通信。因此，造成了衛星鏈路的間歇性。

衛星鏈路的物理可見性取決于衛星間、衛星與地面站間的相對位置，如圖1所示。

當2顆衛星運動到衛星 vi與衛星 vj的位置時，空間位置關系上滿足[14]Hij≥ Re，Hij為地球球心O到星間鏈路 eij的距離， Re為地球半徑，衛星之間物理可見，星間鏈路可以通信。當2顆衛星運動到衛星 vi與衛星 vk的位置時，其空間位置關系滿足

2.1 鏈路間歇性

當衛星vm運動到vm′位置時，星地鏈路em′n與地面站vn所在位置相切，星地鏈路長度達到最大值，星地鏈路可以通信的約束條件為

圖1 衛星鏈路可通約束條件

2.2 鏈路時延

衛星鏈路時延與鏈路長度D有關，時延仿真的前提條件是鏈路必須可通，即物理可見，時延的計算式為

其中，f(t)為時變函數，T為鏈路長度變化周期，鏈路時延td在周期T內動態變化，c為電磁波在自由空間的傳播速度。

2.3 鏈路誤碼率

衛星鏈路誤碼率與信號的調制方式有關，誤碼率仿真也必須滿足鏈路可通，在二進制相移鍵控（BPSK,binary phase shift keying）調制方式下，誤碼率的計算式為

其中，erfc(?)為互補誤差函數，為每比特信號能量Eb與噪聲的功率譜密度N0之比，其與信道的載噪比密切相關，計算式為

其中，Rb為比特率，Bn為噪聲帶寬，載噪比可由式(6)進行推算。

其中，Pt為發射機發射功率；Gt為發射機天線增益；Gr為接收機天線增益；k為波爾茲曼常量；Ts為接收機系統噪聲溫度；Lf為自由空間傳輸損耗；La為其他損耗，包含大氣吸收損耗、雨衰等；EIRP為有效全向輻射功率。根據這些參數值，可以推算出衛星鏈路的誤碼率。

3 天地一體化信息網絡仿真平臺

天地一體化信息網絡仿真平臺采用融合仿真的思想，由 STK負責仿真平臺的數據平面，由OpenStack云計算環境負責仿真平臺的控制平面，如圖2所示，包含了一個控制節點、一個STK節點、若干個計算節點。控制節點負責整個平臺的資源調度，包含計算、存儲、網絡等資源以及自動化部署衛星網絡拓撲，STK節點提供豐富的可視化界面，負責構建衛星網絡場景，設計星座結構、衛星軌道、地面站、發射機、接收機等，并對鏈路持續通信時間、鏈路距離、鏈路誤碼率等數據進行計算，計算節點負責承載多粒度衛星節點、構建衛星鏈路、加載衛星鏈路性能參數，實時檢測并動態切換衛星鏈路的間歇性、時延、誤碼率。

3.1 星座結構設計

在STK節點中采用Walker星座構建衛星網絡，軌道平面的升交點沿赤道等間距排列，每個軌道的衛星等間距分布，可以使覆蓋面積達到最優，縮短重訪時間。假設有P個軌道平面，每個軌道平面上的衛星個數為N，衛星總數為T=P×N，軌道平面的角距為360°/P，衛星的角距為360°/N，相鄰軌道平面衛星間的相位因子為F=1,2,…,P-1，相位角為360°F/T。通常可以用δ:T/P/F來描述一個Walker星座，δ為軌道平面傾角。

3.2 衛星與地面站節點仿真

低軌（LEO,low earth orbit）衛星的軌道高度一般在500～2 000 km，單顆LEO衛星的覆蓋范圍很小，可持續通信時間也很短，覆蓋全球通常需要數十顆，因此，采用基于輕量級虛擬化的 Docker容器來仿真 LEO衛星節點，其直接運行在宿主機的操作系統之上，占用物理資源少，啟動速度快，可以滿足數量較多的 LEO衛星節點需求。地面站用于向衛星發射信號，并接收其他地面站經衛星轉發過來的信號，考慮到其數量需求也很多，同樣采用Docker容器來仿真地面站節點。中軌（MEO,medium earth orbit）衛星的軌道高度一般在10 000～20 000 km，覆蓋全球通常需要幾顆至十幾顆；地球同步軌道（GSO,geosynchronous orbit）衛星的軌道高度為 35 786 km，包含地球靜止軌道（GEO,geostationary orbit）衛星和傾斜地球同步軌道（IGSO,inclined geosynchronous orbit）衛星，3顆即可覆蓋全球。在選擇GSO或MEO衛星作為骨干節點時，拓撲結構變化相對較慢、數量較少，因此，采用基于全虛擬化的KVM虛擬機來仿真GSO和MEO衛星節點，全虛擬化提供了較好的隔離性和安全性。一個計算節點（Dell R730）可以仿真的LEO衛星節點數量在45個左右，可以仿真的GSO或MEO衛星節點數量在6個左右。

OpenStack云計算環境中基于qrouter實現3層網絡的互聯互通，其只支持靜態路由，并且需要跨宿主機通信。為提高衛星鏈路的吞吐量，衛星節點基于路由軟件 quagga實現動態路由協議，默認的路由協議為OSPF，可通過配置接口切換RIP或BGP協議。衛星節點在啟動過程中對所接入的虛擬網絡進行探測，完成路由協議的配置和對整個衛星網絡的路由學習，無需手動配置，有利于衛星網絡拓撲的快速部署。

圖2 天地一體化信息網絡仿真平臺

3.3 衛星網絡場景自動化部署

根據 STK節點所構建的衛星網絡場景，基于XML形式化描述衛星網絡拓撲，形成指定格式的配置文件，如圖3所示，標簽元素從左至右處于不同的層次結構，第一層根標簽為衛星網絡拓撲，第二層并列的子標簽包含衛星節點、星歷時間、衛星鏈路，地面站節點與衛星節點信息基本類似，衛星節點中的3層子標簽包含衛星名稱、軌道高度、路由協議、網卡集合，衛星鏈路中的3層子標簽包含鏈路類型、源節點、目的節點、間歇性、帶寬、時延、分組丟失率，在天地一體化信息網絡仿真平臺中自動化部署衛星網絡拓撲。

圖3 基于XML的衛星網絡拓撲描述

在控制節點中，需先通過身份認證服務keystone識別用戶有無權限部署衛星網絡，再根據衛星軌道高度從鏡像服務glance中獲取衛星節點鏡像。然后，通過網絡服務 neutron給衛星節點分配端口、地址等信息。最后，計算服務 nova會根據每一臺計算節點的CPU、內存、磁盤容量等信息完成衛星節點的資源調度與分配，對于需要使用GPU資源的衛星節點，通過設備透傳（PCI passthrough）進行分配。

在計算節點中，通過衛星鏈路仿真模塊，可以配置衛星鏈路的固定帶寬，加載衛星鏈路性能參數，包含鏈路的間歇性、時延、誤碼率，實時檢測并動態切換衛星鏈路狀態。

4 衛星鏈路仿真實現

基于 OpenvSwitch(簡稱 OVS)軟件交換機構建天地一體化信息網絡，OVS交換機分為普通二層交換機和OpenFlow交換機，如圖4所示，天基骨干網、天基接入網、地基節點網連接至二層交換機，跨節點的通信由二層交換機連接至OpenFlow交換機，地面互聯網連接至底層物理交換機，實現天地一體化信息網絡的互聯互通。相對于傳統網橋LinuxBridge，OVS可基于通用路由封裝（GRE,generic routing encapsulation）實現overlay覆蓋網絡，并且支持vlan和OpenFlow協議，可有效支撐衛星鏈路的靈活構建與重構。

數據分組從衛星節點發出后，先經過一個普通的二層交換機，如果數據分組的目的地址為該二層交換機上的某一個衛星節點，則直接轉發給該衛星節點。如果該二層交換機上未能尋找到數據分組的目的地址，則轉發給OpenFlow交換機，其根據流表規則來匹配數據分組執行相關操作，將數據分組的vlan標簽去除后，進行隧道封裝，數據分組獲得一個唯一的隧道號，經過底層物理鏈路，到達遠端的OpenFlow交換機再進行拆分，打上vlan標簽后，轉發給二層交換機，最終傳輸到衛星節點。對于流表的生成、下發和維護交由 SDN控制器處理，在OpenStack中， neutron充當默認的控制器角色。

4.1 衛星鏈路間歇性仿真

針對衛星鏈路的間歇性仿真，需要實時檢測并動態切換衛星節點到 OVS的鏈路狀態，鏈路狀態包含正常通信狀態、硬中斷狀態、軟中斷狀態，初始鏈路狀態由STK節點中的衛星網絡場景所決定，后續鏈路狀態由鏈路標識符所決定。衛星鏈路間歇性仿真包含鏈路計算模塊、鏈路檢測模塊、鏈路切換模塊，如圖5所示。

圖4 基于SDN的天地一體化信息網絡

圖5 衛星鏈路間歇性仿真

鏈路計算模塊主要由仿真平臺中的 STK節點負責，根據2.1節中衛星鏈路可以通信的約束條件，計算衛星鏈路通信的開始時間、結束時間，仿真平臺中的計算節點計算出衛星鏈路的持續通信時間，并存放到相應的日志文件中。

鏈路檢測模塊主要基于網絡時間協議（NTP,network time protocol）將控制節點作為統一的時間軸，檢測當前仿真時間是否在星歷時間范圍內，如果超出星歷時間范圍，則會自動結束鏈路間歇性仿真，如果在星歷時間內，則繼續根據該時間是否在鏈路計算模塊的時間范圍內來設置鏈路標識符。鏈路標識符一方面可以表明當前鏈路狀態，另一方面可以避免對鏈路的頻繁操作，減少系統的性能開銷。

鏈路切換模塊主要完成鏈路正常通信狀態到中斷狀態間的相互切換操作，需要與虛擬機監視器VMM建立連接，獲取衛星節點的虛擬網卡對信息，虛擬網卡對是指衛星節點的虛擬網卡連接至 OVS的tap設備，包含了地址信息、vlan標簽、內部端口in_port等信息。鏈路從正常通信狀態切換到硬中斷狀態時，通過del-port接口斷開衛星節點到OVS的鏈路，對應的vlan標簽、流表規則等會被級聯刪除，鏈路將無法傳輸任何數據分組，當鏈路從硬中斷狀態切換回正常通信狀態時，除了需要通過add-port接口重新建立鏈路，還需要通過 add-flow接口建立匹配ARP和IP分組的流表規則，主要包含規則1～規則4，用于檢測數據分組中地址信息與衛星節點地址的一致性。鏈路從正常通信狀態切換到軟中斷狀態時，通過add-flow接口建立丟棄鏈路中指定數據分組的流表規則5，圖5中衛星sat1和sat2間建立軟中斷時，該條鏈路無法傳輸衛星 sat1到sat2的數據分組，但仍然可以傳輸衛星sat1到sat3的數據分組，當鏈路從軟中斷狀態切換回正常通信狀態時，通過del-flows接口刪除與源、目的地址相對應的報文丟棄流表規則。

規則1 table=0,priority=10,dl_type=0x0806,in_port=IN_PORT,actions=resubmit(,24)

規則2 table=0,priority=9,in_port=IN_PORT,actions=resubmit(,25)

規則3 table=24,priority=2,dl_type=0x0806,in_port=IN_PORT,arp_spa=IP_ADDR,actions=resubmit(,25)

規則4 table=25,priority=2,in_port=IN_PORT,dl_src=SRC_MAC,actions=normal

規則5 table=0,priority=8,dl_src=SRC_MAC,dl_dst=DST_MAC,actions=drop

上述規則中table表示流表編號，priority表示優先級，dl_type表示協議類型，arp_spa表示源IP地址，dl_src表示源 MAC地址，dl_dst表示目的MAC地址，actions表示具體的動作，resubmit為跳轉動作，normal為正常轉發動作，drop為丟棄動作。

4.2 衛星鏈路時延仿真

針對衛星鏈路的時延仿真，需要實時檢測并匹配衛星鏈路的距離，計算出當前鏈路時延后，動態切換鏈路時延，其仿真流程如圖6所示。

圖6 衛星鏈路時延仿真流程

鏈路計算由 STK節點根據衛星節點的空間幾何位置關系，計算出衛星鏈路的距離，距離長度具有周期性。當前鏈路可通是衛星鏈路時延仿真的必要條件，與4.1節中的鏈路檢測模塊一致。

當前鏈路長度 Dcur由仿真時間 Temu與鏈路距離所對應的時間Tn所決定，根據兩者的差值Δt進行匹配，匹配規則為

檢測鏈路是否設置時延主要是為了在衛星節點的虛擬網卡上建立隊列，緩存數據分組，通過輪詢的方式發送數據分組，假設數據分組入隊的時刻為 Tarrive，則實際數據分組的發送時刻為

其中， tphy為底層物理鏈路的時延，該時延由衛星節點跨計算節點通信所引入，可通過數據分組攔截與重構計算所得， tdeviation為鏈路時延切換所造成的誤差。如果當前衛星鏈路已經設置過時延，則直接切換時延 td即可，無需再次建立隊列。

4.3 衛星鏈路誤碼率仿真

針對衛星鏈路的誤碼率仿真，其仿真流程與時延仿真相似，鏈路計算根據2.3節中影響誤碼率的相關參數，可將鏈路誤碼率控制在指定的閾值范圍內，獲取衛星鏈路誤碼率參數，根據誤碼率與分組丟失率的轉換關系，計算出衛星鏈路的分組丟失率為

其中，L為數據分組的長度，BER為鏈路誤碼率。在衛星節點的虛擬網卡上建立隊列，數據分組入隊后，通過隨機損壞一定數量的數據分組來實現衛星鏈路的誤碼率仿真，如果當前鏈路已經設置時延或分組丟失率，則不需要再次建立隊列，假設衛星節點間傳輸的數據分組總數為 Ntotal，損壞的分組數為則該條鏈路的分組丟失率為

其中， Pphy為底層物理鏈路的分組丟失率，通過數據分組計數動態感知物理鏈路的丟失分組，對誤碼率仿真進行補償，實現物理鏈路的分組丟失率檢測主要包含數據分組構造、數據分組收發、數據分組解析。數據分組構造按照IP分組格式進行構造，使用UDP協議進行傳輸，涉及UDP分組頭的構造、IP分組頭的構造、數據部分的構造，UDP分組頭需要指明計算節點在物理鏈路上通信的源、目的端口，IP分組頭需要指明物理鏈路所連接的源、目的IP地址、生存時間、傳輸協議類型，計算出數據分組的長度，數據部分添加標識字段表明當前是構造的第幾個數據分組。數據分組發送通過 OpenFlow交換機連接的物理網卡進行發送，數據分組接收根據過濾規則在接收端的物理網卡上進行嗅探，過濾規則為UDP協議和源IP地址。數據分組解析按照IP分組格式對數據分組進行解析，獲取數據分組的數據部分字段，通過記錄前一個和當前數據分組的標識字段，統計出物理鏈路丟失分組的數量，根據數據分組構造的總數，計算出物理鏈路的分組丟失率。

4.4 衛星鏈路帶寬仿真

衛星鏈路的帶寬仿真與間歇性、時延、分組丟失率仿真有所不同，其不具備周期性，通常是一個固定的數值，也就不需要動態切換，但是需要能夠支持差異化的配置，滿足天地一體化信息網絡中骨干網絡、接入網絡、終端用戶的帶寬需求。

基于OVS的QoS機制實現衛星鏈路的帶寬仿真，屏蔽不同軌道高度下衛星節點的異構性，提供管制 Policing和整形 Shaping這 2種限速策略，Policing控制虛擬網卡的最大數據分組接收速率和突發流量大小，Shaping采用隊列緩存和調度數據分組，2種策略相比，前者的實現方式更為簡單，后者的精確性更高。從衛星鏈路帶寬仿真的逼真度考慮，主要采用Shaping策略，其實現方式如圖7所示，首先，在衛星節點的虛擬網卡對tap設備上建立網卡根隊列；然后，在根隊列上建立根分類，并設置衛星鏈路的最大帶寬 Bmax；隨后，在根分類上劃分出多個子分類，設置子分類上衛星鏈路的帶寬 Bi，其需要滿足式(11)的約束條件；最后，為每個子分類上的衛星節點添加流表規則，指明衛星節點的地址、端口，執行“enqueue:port:i”排隊動作，port為tap設備在OVS上的內部端口號，i為子分類號。

圖7 基于Shaping策略的衛星鏈路帶寬仿真實現

5 仿真實驗與結果分析

在天地一體化信息網絡仿真平臺的 STK節點中構建如圖8所示的GSO+LEO衛星網絡場景，包含5顆GEO衛星（GEO11-GEO15），一個軌道平面，3顆IGSO衛星（IGSO11-IGSO13），3個軌道平面，48顆LEO衛星（LEO11-LEO16、LEO21-LEO26、LEO31-LEO36、LEO41-LEO46、LEO51-LEO56、LEO61-LEO66、LEO71-LEO76、LEO81-LEO86）組成的全球星，8個軌道平面，軌道參數如表1所示，一個位于中國北京的地面站，經度為116.228°，緯度為40.117 2°，高度為38 m，發射機、接收機的參數如表2和表3所示，星歷時間為7 Mar 2018 00:00:00.000到8 Mar 2018 00:00:00.000，步長為60 s。

圖8 GSO+LEO衛星網絡場景

表1 衛星軌道參數

表2 發射機參數

表3 接收機參數

在仿真平臺中，控制節點加載圖8中的衛星網絡場景，自動化部署虛擬衛星網絡拓撲，計算節點加載鏈路持續通信時間、鏈路距離、鏈路誤碼率數據，開啟衛星鏈路仿真模塊。

5.1 間歇性測試

以衛星節點GEO15與LEO71的星間鏈路、衛星節點LEO71與地面站節點BJStation的星地鏈路為例，測試鏈路連通，并記錄鏈路持續通信時間，其與STK計算值對比，如圖9所示。

從圖9可以看出，星間鏈路間歇性仿真的最大誤差為2.251 s，星地鏈路間歇性仿真的最大誤差為1.932 s，星間鏈路的誤差略高于星地鏈路，都小于文獻[14]中間歇性仿真的最大誤差。該誤差主要來源在切換鏈路狀態時存在著一定的時間損耗，基本可以滿足衛星鏈路間歇性仿真的需求。

5.2 時延測試

以衛星節點GEO15與地面站節點BJStation第一次建立通信為例，測試鏈路時延，星間鏈路、星地鏈路時延變化如圖10所示。

從圖 10可以看出，衛星鏈路時延仿真的最大誤差為0.44 ms，整體誤差在0.4 ms周圍波動，小于文獻[15]中衛星鏈路時延仿真誤差。該誤差主要來源衛星節點的處理時延和衛星鏈路的固定時延損耗。默認的時延仿真步長為60 s，鏈路實際時延呈階梯形動態變化，當仿真步長為30 s時，匹配的鏈路長度更加精確，能夠有效提高衛星鏈路仿真的逼真度。仿真步長越小，時延變化曲線越平滑，適用于多粒度衛星網絡場景。

圖9 衛星鏈路持續通信時間

5.3 分組丟失率測試

以衛星節點GEO15與地面站節點BJStation第一次建立通信為例，使用 Iperf網絡性能測試工具測試衛星鏈路分組丟失率，其發送數據分組的速度為2 Mbit/s，數據分組的長度為100 B，總共發送的分組數量為 150 000，星間鏈路、星地鏈路分組丟失數量變化如圖11所示。

從圖11可以看出，平均分組丟失數量誤差約為10個，利用統計的方式來定義分組丟失這一隨機的過程具有較好的準確性，優于文獻[10]中基于dummynet的靜態分組丟失率仿真，衛星鏈路實際分組丟失數量呈階梯形動態變化，受鏈路信噪比變化的影響，當仿真步長越小時，實際分組丟失數量越接近理論曲線，匹配的鏈路誤碼率越精確，逼真度就越高。

圖10 衛星鏈路時延變化

圖11 衛星鏈路分組丟失數量變化

5.4 帶寬測試

將衛星節點GEO15到LEO71、LEO43的下行星間鏈路最大帶寬設置為50 Mbit/s，分配給LEO71、LEO43的鏈路帶寬為20 Mbit/s、30 Mbit/s。地面站節點BJStation到LEO71、LEO43的上行星地鏈路最大帶寬設置為10 Mbit/s，分配給LEO71、LEO43的鏈路帶寬為1 Mbit/s、9 Mbit/s，使用Netperf網絡性能測試工具并發測試衛星鏈路帶寬，星間鏈路、星地鏈路帶寬測試結果如圖12所示。

圖12 衛星鏈路帶寬測試結果

從圖 12可以看出，星間鏈路 GEO15-LEO71與GEO15-LEO43的帶寬比值近似于2:3，星地鏈路BJStation-LEO71與BJStation-LEO43的帶寬比值近似于 1:9，符合預期的鏈路帶寬分配，星間鏈路平均帶寬總和為50.25 Mbit/s，星地鏈路平均帶寬總和為 9.91 Mbit/s，總體誤差小于文獻[15]中衛星鏈路帶寬仿真誤差。

6 結束語

天地一體化信息網絡是未來的發展趨勢，其各種技術方案必須經過嚴格的驗證與評估。本文提出了一種云計算環境中衛星鏈路仿真方法，對衛星鏈路的性能參數進行了分析，給出了詳細的計算模型與方法，融合OpenStack和STK構建天

地一體化信息網絡仿真平臺，基于SDN技術仿真衛星鏈路，實現衛星網絡場景的自動化部署，不同軌道高度的衛星節點具備動態路由學習能力，衛星鏈路性能參數可動態實時切換。實驗結果表明，本文方法能夠準確地對衛星鏈路性能參數進行仿真，仿真粒度可按需求靈活選擇，不僅有效解決了衛星鏈路仿真的逼真性和周期性問題，并且還能支撐實際應用部署。

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