面向衛(wèi)星移動通信的系統(tǒng)級仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)*

吳承洲，蘇泳濤，劉劍鋒，余 翔，李瑞華

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所無線通信技術(shù)研究中心，北京 100190；3.國家移動衛(wèi)星移動通信工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210000）

0 引 言

近年來，ITU、3GPP 和SaT5G 等國際組織正在開展衛(wèi)星與地面移動通信融合的研究工作，我國也大力投入天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的研制和建設(shè)，衛(wèi)星移動通信在未來移動通信系統(tǒng)中必將扮演重要角色[1-4]。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)體制復(fù)雜、建設(shè)周期長、運營維護(hù)成本耗費巨大，行業(yè)普遍采用仿真平臺，節(jié)省系統(tǒng)功能測試和網(wǎng)絡(luò)運營的成本和時間[5-6]。

基于上述情況，國內(nèi)外學(xué)者采取了不同的方法手段，設(shè)計衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的仿真平臺，以支撐某項技術(shù)的研究和論證。文獻(xiàn)[7]搭建了衛(wèi)星移動通信鏈路級仿真平臺，對單鏈路物理層的編譯碼、調(diào)制與解調(diào)等技術(shù)進(jìn)行仿真論證。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了支持OFDM 多址方式的仿真平臺，對GEO 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中信道預(yù)測、抑制峰均比和呼叫接納控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究論證。文獻(xiàn)[9]基于OPNET仿真軟件，搭建LEO 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺，對3G 協(xié)議體制下的基本通信流程進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[10]針對多波束衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾問題，設(shè)計了系統(tǒng)級仿真平臺，對衛(wèi)星信道和波束間干擾進(jìn)行建模與仿真分析。文獻(xiàn)[11]基于OPNET 仿真軟件，設(shè)計了5G 系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模型，用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計和性能分析。文獻(xiàn)[12]基于NS3技術(shù)，設(shè)計了LEO 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)仿真平臺，用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計。上述研究主要針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路分析、物理層關(guān)鍵技術(shù)、干擾分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面的需求開展仿真平臺的設(shè)計，仿真平臺往往只能適用于某一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)體制，難以支撐多星、多站、多波束、多鏈路、多用戶的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中靈活組網(wǎng)、體制論證、協(xié)議設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)驗證的需求。

針對以上問題，本文設(shè)計了可適用于多星、多站、多波束、多鏈路和多用戶自由組網(wǎng)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺，詳細(xì)分析仿真平臺架構(gòu)中的重點模型，研究仿真平臺工作流程，并選擇典型性的通信環(huán)節(jié)，驗證了仿真平臺的有效性。

1 仿真平臺架構(gòu)設(shè)計

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)通常由用戶段、空間段和地面段組成，如圖1 所示。用戶段由手持、車載、機載、船載和固定等類型的終端構(gòu)成，空間段由一顆或多顆透明轉(zhuǎn)發(fā)或支持星上處理的衛(wèi)星構(gòu)成，地面段由信關(guān)站、核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)控制中心、路由設(shè)備等構(gòu)成。

圖1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的基本組成

本文基于兩級遞階控制設(shè)計了仿真平臺，第一級控制整個仿真平臺構(gòu)建場景、配置參數(shù)、分配任務(wù)等；第二級控制節(jié)點模型的仿真行為，從而滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)中靈活組網(wǎng)、體制論證、協(xié)議設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)驗證的需求。因此，采用分層的設(shè)計思想，以模塊化解耦合的設(shè)計原則對各層的功能進(jìn)行邏輯劃分，設(shè)計了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺架構(gòu)如圖2 所示，包括存儲管理層、配置管理層、中間適配層、統(tǒng)計分析層和態(tài)勢呈現(xiàn)層。

存儲管理層是仿真平臺的基礎(chǔ)支撐層，以衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了劃分，可提供衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的節(jié)點模型、通信協(xié)議體制、算法模型等仿真模塊的模型庫，各存儲庫中的模型互不耦合、相互獨立，可靈活調(diào)用模型進(jìn)行仿真場景搭建。

配置管理層作為整個系統(tǒng)仿真平臺的主控單元，通過靈活的配置參數(shù)加載，可以滿足用戶的靈活組網(wǎng)和協(xié)議體制設(shè)計的需求，同時支持對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行針對性研究。

中間適配層為仿真過程中應(yīng)用第三方軟件提供調(diào)用接口，可以通過適配接口實現(xiàn)平臺的擴(kuò)展，豐富平臺的功能，例如，調(diào)用衛(wèi)星工具軟件包(Satellite Tools Kit, STK)接口進(jìn)行衛(wèi)星軌道文件導(dǎo)入，采用SQL 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通過MATLAB 接口用于仿真數(shù)據(jù)分析等。

圖2 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺架構(gòu)

統(tǒng)計分析層主要用于對仿真過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并支持根據(jù)仿真需求進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，從而輔助用戶進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究分析或協(xié)議體制論證分析。

態(tài)勢呈現(xiàn)層是將重點觀測的仿真數(shù)據(jù)或經(jīng)由統(tǒng)計分析模塊形成的仿真圖表信息進(jìn)行直觀的呈現(xiàn)。

平臺工具鏈列舉了衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺所使用的開發(fā)工具，例如OPNET、MATLAB 等仿真軟件，以及C/C++、Python 等編程語言，同時工具鏈可以根據(jù)仿真需求進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。

2 配置管理模型和核心節(jié)點模型設(shè)計

配置管理層和存儲管理層是仿真平臺支持靈活組網(wǎng)、加載不同協(xié)議體制和關(guān)鍵技術(shù)研究的核心，是本文研究的重點。

2.1 配置管理模型

配置管理模型是仿真平臺的第一級控制單元，負(fù)責(zé)根據(jù)用戶具體仿真需求對應(yīng)的配置參數(shù)進(jìn)行解析，并基于解析后轉(zhuǎn)化生成的配置參數(shù)從系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫中加載相對應(yīng)的節(jié)點模型、通信協(xié)議體制、算法模型等，進(jìn)而將加載得到的仿真模型抽象后構(gòu)建生成具體的仿真任務(wù)，并輸入到相應(yīng)仿真節(jié)點狀態(tài)機中，觸發(fā)各節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)仿真整體運行過程的控制，設(shè)計如圖3 所示。

圖3 仿真平臺配置管理模型設(shè)計

其中，仿真場景配置可用于靈活配置終端、信關(guān)站、衛(wèi)星等通信節(jié)點仿真實例化數(shù)量。同時，根據(jù)具體仿真需求，配置仿真各通信節(jié)點或基礎(chǔ)通信模型的類型，如終端類型、天線類型、信道類型等。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置通過聯(lián)合仿真場景配置，完成系統(tǒng)仿真平臺中多星、多站、多波束、多鏈路、多用戶的靈活組網(wǎng)建模，支持用戶設(shè)置衛(wèi)星軌道高度、各類通信節(jié)點的地理位置、衛(wèi)星波束數(shù)量、衛(wèi)星天線角度等參數(shù)，從而可以實現(xiàn)不同通信覆蓋需求。同時，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置可以支持衛(wèi)星波束無線資源的靜態(tài)配置，如每個波束初始可用的工作總帶寬、發(fā)射總功率等，并根據(jù)加載的用戶自定義均衡算法，實現(xiàn)仿真過程中不同衛(wèi)星之間、不同波束之間的無線資源動態(tài)協(xié)調(diào)，充分支持對整體網(wǎng)絡(luò)部署的驗證與優(yōu)化。

仿真行為配置通過加載終端移動軌跡、衛(wèi)星工作模式、通信協(xié)議體制和算法等模型，可用于生成終端、信關(guān)站和衛(wèi)星等通信節(jié)點的一個或多個仿真任務(wù)，每個仿真任務(wù)均包含一系列仿真事件，按設(shè)定的時間點順序，載入到上述實例化通信節(jié)點的狀態(tài)機，推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺的運行。

統(tǒng)計參數(shù)配置主要根據(jù)用戶需求，設(shè)置需要重點觀測的系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)集合及其參數(shù)統(tǒng)計方式，如信噪比采用樣本點統(tǒng)計，吞吐量采用累加值統(tǒng)計等，針對性的參數(shù)配置有利于降低存儲空間，提高統(tǒng)計分析效率。

2.2 通信節(jié)點模型

通信節(jié)點根據(jù)配置管理層下發(fā)的仿真任務(wù)控制節(jié)點的仿真行為，推進(jìn)仿真的運行。下面對存儲管理層中終端、衛(wèi)星和信關(guān)站三個核心通信節(jié)點進(jìn)行建模。

2.2.1 終端建模

根據(jù)配置管理層下發(fā)終端的仿真任務(wù)，配置協(xié)議體制類型、移動軌跡、業(yè)務(wù)類型等參數(shù)，控制終端的各種仿真行為。因此，在仿真過程中，終端需要進(jìn)行多種狀態(tài)切換，則需要對終端可能發(fā)生的狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)條件進(jìn)行定義，終端節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4 所示，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如下。

圖4 終端節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

終端完成仿真初始化后，根據(jù)配置管理層下發(fā)的終端仿真任務(wù)，解析形成一系列仿真事件，并按序輸入到事件仿真器中。事件仿真器維護(hù)一個事件隊列，并根據(jù)各個事件類型，在指定時間點形成相應(yīng)的事件中斷，觸發(fā)其他狀態(tài)的仿真運行。

協(xié)議配置中斷用于指示終端加載對應(yīng)的協(xié)議體制，并觸發(fā)啟用狀態(tài)監(jiān)聽，終端監(jiān)聽并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移事件中斷指示，觸發(fā)進(jìn)行入網(wǎng)或業(yè)務(wù)申請等操作，更新協(xié)議狀態(tài)；終端位置加載中斷用于觸發(fā)加載終端位置信息，對終端的移動行為進(jìn)行仿真；業(yè)務(wù)中斷觸發(fā)業(yè)務(wù)發(fā)生器生成指定大小和類型的業(yè)務(wù)包，觸發(fā)終端進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)操作；事件仿真器中事件全部處理完成以后，本次仿真任務(wù)結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)入任務(wù)監(jiān)聽狀態(tài)，根據(jù)下一個仿真任務(wù)指示進(jìn)行相應(yīng)操作，直到仿真結(jié)束。

2.2.2 衛(wèi)星建模

根據(jù)配置管理層下發(fā)衛(wèi)星的仿真任務(wù)，配置衛(wèi)星工作模式、協(xié)議類型、運動軌跡等參數(shù)，控制衛(wèi)星的各種仿真行為。因此，在仿真過程中，衛(wèi)星需要進(jìn)行多種狀態(tài)切換，則需要對衛(wèi)星可能發(fā)生的狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)條件進(jìn)行定義，衛(wèi)星節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5 所示，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如下。

衛(wèi)星完成仿真初始化后，根據(jù)配置管理層下發(fā)的衛(wèi)星仿真任務(wù)，解析形成一系列仿真事件中斷，推進(jìn)衛(wèi)星節(jié)點的仿真運行。

當(dāng)進(jìn)行衛(wèi)星位置更新時，通過調(diào)用STK 接口，完成當(dāng)前衛(wèi)星運動軌跡信息的加載；根據(jù)用戶配置的衛(wèi)星工作模式，加載相應(yīng)的衛(wèi)星載荷類型，如果配置星上處理工作模式，則同時加載用戶配置的協(xié)議體制模型。

圖5 衛(wèi)星節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移

2.2.3 信關(guān)站建模

根據(jù)配置管理層下發(fā)到信關(guān)站的仿真任務(wù)，配置信關(guān)站工作模式、協(xié)議類型、無線資源管理算法等屬性，控制信關(guān)站的各種仿真行為。因此，在仿真過程中，信關(guān)站需要進(jìn)行多種狀態(tài)切換，則需要對信關(guān)站可能發(fā)生的狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)條件進(jìn)行定義，信關(guān)站節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6 所示，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如下。

圖6 信關(guān)站節(jié)點模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移

與終端類似，協(xié)議配置中斷用于指示信關(guān)站加載對應(yīng)的協(xié)議體制，當(dāng)完成協(xié)議棧加載后，相應(yīng)協(xié)議模塊開始監(jiān)聽事件仿真器生成的其他事件中斷，并根據(jù)事件指示推進(jìn)協(xié)議流程的有序運轉(zhuǎn)。

3 仿真平臺工作流程分析

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)仿真平臺完成一次基本通信工作流程如圖7 所示，具體如下。

（1）仿真平臺在（幀號,時隙號）=（0,0）時刻啟動，相應(yīng)開啟了配置管理單元、系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計分析和態(tài)勢呈現(xiàn)等4 個線程。

（2）用戶輸入仿真需求參數(shù)集，配置管理單元根據(jù)參數(shù)集對應(yīng)的配置參數(shù)進(jìn)行解析，并基于解析后轉(zhuǎn)化生成的配置參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的加載或配置：

仿真場景配置從系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)庫中加載終端、信關(guān)站、衛(wèi)星等通信節(jié)點，同時配置終端類型、天線類型、衛(wèi)星信道類型等通信節(jié)點或基礎(chǔ)通信模型的類型。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃配置通過聯(lián)合仿真場景配置設(shè)置衛(wèi)星軌道高度、各類通信節(jié)點的地理位置、衛(wèi)星波束數(shù)量、衛(wèi)星天線角度等參數(shù)，同時對衛(wèi)星波束無線資源進(jìn)行靜態(tài)配置，包括每個波束初始可用的工作總帶寬、發(fā)射總功率等；此外根據(jù)加載的用戶自定義均衡算法，實現(xiàn)仿真過程中不同衛(wèi)星之間、不同波束之間的無線資源動態(tài)協(xié)調(diào)。

仿真行為配置加載終端移動軌跡、衛(wèi)星工作模式、通信協(xié)議體制和算法等模型，同時生成終端、信關(guān)站和衛(wèi)星等通信節(jié)點的一個或多個仿真任務(wù)。

統(tǒng)計參數(shù)配置設(shè)置需要重點觀測的系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)集合及其參數(shù)統(tǒng)計方式。

（3）開始進(jìn)行小區(qū)搜索、接入請求、業(yè)務(wù)請求、業(yè)務(wù)運行、退網(wǎng)等基本通信流程的仿真。

（4）仿真過程中記錄用戶信息、業(yè)務(wù)信息和仿真性能指標(biāo)等，并將上述數(shù)據(jù)實時存入統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)統(tǒng)計分析功能。

（5）分析數(shù)據(jù)庫中存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行指定關(guān)鍵流程展示、性能指示曲線展示等，實現(xiàn)態(tài)勢呈現(xiàn)功能。

圖7 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺的工作流程

4 仿真平臺驗證

4.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)計

基于本文設(shè)計的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)級仿真平臺，選擇衛(wèi)星移動通信中重要的、典型的隨機接入過程進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)配置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)配置

其中，關(guān)于涉及退避時間和延遲時間的參數(shù)考慮為：終端發(fā)送RACH 后，若2 秒內(nèi)未收到網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接入響應(yīng)，則觸發(fā)隨機退避重發(fā)RACH，重傳次數(shù)NRa取1、2、3 時對應(yīng)退避時間t ∈[1,4)*0.04秒、t ∈[1,8)*0.04 秒、t ∈[1,16)*0.04 秒，其 中t ∈[1,4)指t 從1 到3 區(qū)間中隨機取一個整數(shù)，以此類推。配置RACH 最大發(fā)送4 次，若終端嘗試發(fā)送4 次RACH，仍未成功收到隨機接入響應(yīng)，則認(rèn)為接入失敗。

隨機接入選擇時隙ALOHA(S-ALOHA)機制有前導(dǎo)碼方案[13]，其具體接入流程見圖8。為充分驗證系統(tǒng)有效性，隨機選擇1000個樣本點數(shù)進(jìn)行仿真，即用戶數(shù)配置為20 個、60 個、100 個時，分別需要仿真50 次、17 次、10 次。

圖8 隨機接入流程

4.2 仿真結(jié)果分析

不同終端數(shù)目隨機接入時間的累計分布概率CDF 曲線如圖9 所示，不同終端數(shù)目平均隨機接入時間仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖9 不同終端數(shù)目隨機接入時間的CDF

圖10 不同終端數(shù)目平均隨機接入時間

衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，僅考慮信令空口傳輸時延，單條信令傳輸時延可表示為：

其中，DUE_WX表示終端與衛(wèi)星之間的距離，單位：米，DWX_XGZ表示衛(wèi)星與信關(guān)站之間的距離，c 為 光 速3×108m/s。設(shè) 置DUE_WX與DWX_XGZ均 取3.6×107m，則tdelay約等于0.24 秒。

（1）理論數(shù)據(jù)計算

以100 個用戶為例，前導(dǎo)碼16 個，首次最多接入16 個用戶，統(tǒng)計得到仿真初始化、終端同步和接收系統(tǒng)廣播用時2 秒左右，4 條接入消息傳輸總時延為4*tdelay=0.96 秒，故理論上的首批終端接入時間為2.96 秒；

剩余未接入用戶數(shù)84 個，在退避窗口內(nèi)包含3個PRACH 發(fā)送時機，結(jié)合16 個前導(dǎo)碼，第二次理論最多能接入48 個用戶，連同首次接入的16 個用戶，共接入64 個，考慮到RAR 響應(yīng)監(jiān)聽需要2 秒，故第二次發(fā)起接入起始時間點為第4 秒，退避時間0.04 秒～0.12 秒，再加上接入消息傳輸時延，第二次接入時間理論是5 秒～5.12 秒；

剩余未接入用戶數(shù)36 個，本次退避窗口內(nèi)最多包含7 個PRACH 發(fā)送時機，下次理論最多能接入112 個用戶，發(fā)起時間點大約在第6 秒，退避時間0.04 秒～0.32 秒，第三次接入時間大約在7 秒～7.5 秒；

同時，由于前導(dǎo)碼序列選擇的隨機性，導(dǎo)致完成3 次接入后，仍有少量用戶存在碰撞，根據(jù)前述分析，第四次接入時間理論是9 秒～10 秒。

（2）仿真結(jié)果

上述理論計算得出的4 個拐點，與圖9 中曲線4 個拐點基本一致。同時，圖10 仿真結(jié)果表明，隨著用戶數(shù)增加，碰撞的幾率增大，平均隨機接入時間增大。通過上述仿真，初步驗證了仿真平臺設(shè)計的可行性。

5 結(jié) 語

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)目前處于高速發(fā)展階段，新一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)、協(xié)議體制和關(guān)鍵技術(shù)等都處于待論證狀態(tài)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體制本身十分復(fù)雜，基于實際系統(tǒng)開展研究的操作流程繁瑣、不易實現(xiàn)。為了方便科研人員開展相關(guān)技術(shù)的預(yù)研工作、縮短開發(fā)周期，本文設(shè)計了能支持多星、多站、多波束、多鏈路和多用戶靈活組網(wǎng)的系統(tǒng)級仿真平臺架構(gòu)，并針對配置管理層和存儲管理層的主要模型進(jìn)行分析設(shè)計；其次，研究了仿真平臺工作流程；最后，選擇衛(wèi)星移動通信中典型的隨機接入過程進(jìn)行仿真，驗證了本文設(shè)計的系統(tǒng)級仿真平臺的有效性。