低轨卫星网络协议的仿真模拟

　　引言

　　未来全球通信系统的重要组成部分就是低轨卫星网络通信系统。由于低轨卫星通信系统的建立周期长、投资巨大，一旦建成不易对系统更改等特点，必须在系统实现前进行精确的仿真验证。OPNET是一款性能优良的网络仿真软件，能够对网络结构、设备和应用进行设计、建模、分析和管理，能够满足大型复杂网络的仿真需求， 在网络层协议仿真方面具有一定的优势。然而，尽管OPNET 提供了丰富的标准节点模型、链路模型、协议模块等等，但并没有提供任何低轨卫星标准模块，给低轨卫星网络协议仿真带来一定的困难。当前一些基于OPNET的低轨卫星仿真，大多数是将陆地网络节点利用有线链路连接，通过离散化有线链路的通断，近似模拟低轨卫星网络中的切换以及拓扑结构变化。这种方法需要针对特定低轨卫星网络在仿真之前进行复杂的运算，而且不具有通用性。文章通过分析低轨卫星协议体系结构，简化协议体系中的某些部分，在OPNET 上实现了低轨卫星网络协议仿真平台。这个平台支持非面相连接网络的路由协议的开发。最后在该仿真平台上加载动态路由协议，对仿真平台进行了验证。

　　1 卫星通信系统协议体系结构

　　根据卫星通信系统设计不同(轨道类型，星上处理或者弯管，ISL 的设计方式)采取的网络结构有许多种。根据低轨卫星通信当前发展趋势，本文主要研究具有星上处理/星上交换(OBP /OBS)以及星间链路(ISL)支持的低轨卫星网络，其协议体系结构如图1 所示。

　　由图1 可以看出星上协议中ATM与IP 之间的关系。早期的宽带IP 卫星系统大多采用基于ATM的传输技术。但是一些研究人员认为IP over Satellite 方案与IP over ATM方案相比具有更大的好处：

　　(1)开销小。Bell 实验室仿真表明如果采用IP over ATM over SONET 的结构，大约有22%～29%的开销，而在其中SONET的开销大约是4%。因此，将ATM层去掉，将会使星上资源得到更充分的利用。

　　(2)易于实现千兆分组网络。目前，采用ATM 技术的多媒体卫星的实验干线速率已达622Mbps。但是在提升到吉比特时，ATM的开销大这一缺点制约了线速的继续提高。

　　(3)降低系统复杂度。在RS 块状编码、交织和FEC 等技术支持下，卫星链路可达准光纤质量。因此无需采用ATM复杂的QoS 保证机制便能抵御无线信道的误码。

　　本文将根据图1的协议框架图建立无连接的IP over Satellite网络协议仿真平台。

　　2 OPNET 节点模型

　　低轨卫星网络通信系统由空中卫星网络和地面网关两部分组成。空中卫星网络的主要特点有：

　　(1)由于卫星之间存在相对运动导致空中卫星网络拓扑结构快速持续变化。