（信息与通信工程专业论文）基于opnet的低轨星座卫星通信系统仿真建模研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 低轨星座卫星通信系统能够实现全球无缝覆盖，并且具有传输损耗小、延时 短、抗毁性和抗干扰性强、终端小型便携等突出优点，在国内外都受到了广泛的 关注，成为新一代移动通信系统的研究热点，在军事和民用领域得到了十分广泛 的应用。对低轨星座卫星通信系统进行仿真建模研究，模拟其工作过程，可以为 系统建设与规划提供有益参考，为理论研究提供有力支撑。 论文围绕建立基于o p n e t 的低轨星座卫星通信系统仿真平台展开研究。论文 介绍了低轨星座卫星通信系统的体系结构、网络结构、工作方式以及工作特点， 阐述了o p n e t 仿真建模的基本理论。在深入理解低轨星座卫星通信系统的结构功 能和o p n e t 仿真机制的基础上，建模了卫星、信关站、用户终端、网络控制中心 四种节点模型和相应的进程模型，实现了各节点之间必要的通信流程。 论文研究了卫星多波束天线的几何模型，建模实现了o p n e t 多波束天线模 型，分析了适合低轨星座卫星通信系统仿真平台的卫星链路预算，通过构建网络 仿真场景仿真分析了卫星多波束天线模型的辐射特性，仿真结果表明所建立的 o p n e t 多波束天线模型较好地模拟了卫星多波束天线的辐射特性。 论文运用四种节点模型搭建覆盖赤道附近纬度带的网络仿真场景，仿真收集 了呼叫到达率、切换到达率、呼叫阻塞率、切换失败率、信道利用率等统计量； 并仿真对比了采用预留信道和不采用预留信道两种情况下的系统呼叫阻塞率、切 换失败率、信道利用率和服务等级。 论文搭建的低轨星座卫星通信系统仿真平台较为真实地模拟了卫星多波束天 线，各节点之间采用o p n e t 基于包的通信机制，用户链路和馈电链路实现了导频 机制，仿真平台具有较好的可扩展性，能够用于对低轨星座卫星通信系统无线资 源管理策略的仿真分析，也可以作为低轨星座卫星通信系统规划的仿真平台。 线 主题词：低轨星座卫星通信系统，仿真建模，o p n e t ，导频机制，多波束天 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h eh i g h l i g h ta d v a n t a g e so fs e a m l e s sg l o b a lc o v e r a g e ，s m a l lt r a n s m i s s i o nl o s s ， s h o r td e l a y ，s t r o n ga n t i - d e s t r u c t i o na n da n t i i n t e r f e r e n c e ，s m a l lp o r t a b l et e r m i n a l s ，l o w e a r t ho r b i t ( l e o ) c o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss u b j e c tt oaw i d e r a n g eo fc o n c e l l l sa t - h o m ea n da b r o a d ，b e c o m e sah o tp o i n ti nt h en e wg e n e r a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm i l i t a r ya n d c i v i l i a n r e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o na n dm o d e l i n go fl e oc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o u l ds i m u l a t et h ec o u r s eo fi t sw o r k p r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c e f o rs y s t e mc o n s t r u c t i o na n dl a y o u t ，a n dp r o v i d eas t r o n gs u p p o r tf o rt h e o r e t i c a l r e s e a r c h n l i sp a p e rr e s e a r c h e do nd e v e l o p i n gl e oc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r n lb a s e do no p n e t 1 1 1 ea r c h i t e c t u r e ，n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ， w o r kp a t t e r na n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c so fl e oc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mw a si n t r o d u c e d ，t h eb a s i ct h e o r yo no p n e tm o d e l i n ga n ds i m u l m i o nw a s r e p r e s e n t e d 。o n t h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fl e o c o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n do p n e ts i m u l a t i o nm e c h a n i s mi n d e p t h ，s a t e l l i t e ，g a t e w a ys t a t i o n ，u s e rt e r m i n a l ，n e t w o r kc o n t r o lc e n t e rf o u rn o d em o d e l s a n dc o r r e s p o n d i n gp r o c e s sm o d e l sw e r es e tu p ，t h en e c e s s a r yc o m m u n i c a t i o np r o c e s s b e t w e e nt h en o d e sw a si m p l e m e n t e d 。 i nt h i sp a p e r ，t h eg e o m e t r ym o d e lo fs a t e l l i t em u l t i b e a ma n t e n n aw a sr e s e a r c h e d ， s a t e l l i t em u l t i 1 a e a ma n t e n n am o d e lb a s e do no p n e tw a si m p l e m e n t e d s a t e l l i t el i n k b u d g e ts u i t a b l ef o rl e oc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d 砀es n rd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i co fu s e r si nt h ec o v e r i n gr e g i o nw a ss i m u l a t e db y s e t t i n gn e t w o r ks i m u l a t i o ns c e n a r i o s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eo p n e t s a t e l l i t em u l t i - b e a ma n t e n n am o d e li sa p p r o p r i a t et os i m u l a t et h er a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fs a t e l l i t em u l t i b e a ma n t e n n a an e t w o r ks i m u l a t i o ns c e n a r i oo fc o v e r i n gt h el a t i t u d ez o l l en e a rt h ee q u a t o rw a s s e tu pu s i n gf o u rn o d em o d e l s ，s t a t i s t i c ss u c ha sc a l la r r i v a lr a t e ，h a n d o f fa r r i v a lr a t e ， c a l lb l o c k i n gr a t e ，h a n d o f ff a i l u r er a t ea n dc h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t ew e r es i m u l a t e da n d c o l l e c t e d ；c h a n n e lr e s e r v a t i o ns t r a t e g yw e r es i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t hn oc h a n n e l r e s e r v a t i o n ss t r a t e g yo nc a l lb l o c k i n gr a t e ，h a n d o f ff a i l u r er a t e ，c h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t e a n dg r a d eo fs e r v i c e l e 0c o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r ms i m u l a t e d s a t e l l i t em u l t i b e a ma n t e n n a r e a l i s t i c a l l y o p n e tp a c k e t 。b a s e d c o m m u n i c a t i o n s m e c h a n i s mw a su s e db e t w e e nt h en o d e s ，p i l o tf r e q u e n c ym e c h a n i s mw a si m p l e m e n t e d s i m u l a t i o np l a t f o r mh a sp r e f e r a b l es c a l a b i l i t y ，c o u n db eu s e dt os i m u l a t ea n da n a l y z e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta l g o r i t h me f f e c t i v e l ya n dr e l i a b l y ，a l s oc o u l db eu s e di n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l e oc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ml a y o u t k e yw o r d s ：l o we a r t ho r b i tc o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i m u l a t i o na n dm o d e l i n g ，o p n e t ，m u l t i b e a ma n t e n n a 第i i i 页 国舫科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 典型的低轨星座卫星通信系统9 表3 1 仿真平台功能模块介绍。1 6 表3 2 接入控制进程事件列表1 9 表3 3 分组收发进程事件列表_ 。2 0 表3 4 点波束处理进程事件列表2 2 表3 5 转发处理进程事件列表，2 2 表3 6 馈电链路处理进程事件列表2 4 表3 7 信关站处理进程事件列表2 5 表3 8n c c 处理进程事件列表一2 7 表5 量状态变量列表3 8 表5 2 导频包格式4 1 表5 3 上行链路的包格式4 3 表5 4 下行链路的包格式4 3 表5 5 馈电链路导频包格式4 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 “s t r e e to fc o v e r a g e 概念图2 图2 1 低轨星座卫星通信系统组成图7 图2 2 星形结构图7 图2 3 网格形结构图8 图2 4 仿真时间轴上的事件分布图9 图2 5 按执行时间组织的事件列表图l o 图2 6o p n e t 仿真建模流程图1 2 图3 1 仿真平台结构功能框图1 6 图3 2 仿真平台通信流程图1 7 图3 3 用户终端节点模型图i 8 图3 4 接入控制进程状态转移图1 8 图3 5 接入控制进程逻辑框图1 9 图3 6 分组收发进程状态转移图1 9 图3 7 卫星节点模型图2 0 图3 8 点波束处理进程状态转移图2 l 图3 9 点波束处理进程逻辑框图2 l 图3 1 0 转发处理进程状态转移图2 2 图3 1 l 转发处理进程逻辑框图2 3 图3 1 2 馈电链路部分结构图2 3 图3 1 3 馈电链路处理进程状态转移图2 3 图3 1 4 馈电链路处理进程逻辑框图2 4 图3 1 5 信关站节点模型图2 5 图3 1 6 信关站处理进程状态转移图2 5 图3 1 7 信关站处理进程的逻辑框图2 6 图3 18n c c 节点模型图2 6 图3 1 9n c c 处理进程状态转移图2 7 图3 2 0n c c 处理进程逻辑框图2 8 图4 1 等波束宽度与等波束面积多波束天线3 0 图4 2 卫星固定与地面固定多波束天线3 0 图4 3 多层蜂窝小区分布示意图3 l 图4 4 卫星用户几何关系图3 1 图4 5 星上坐标系图3 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 6 点波束的辐射特性。3 3 图4 7 程序流程图3 4 图4 8 点波束模型图3 4 图4 9 多波束天线模型仿真场景3 6 图4 1 0 三维波束分布图3 7 图4 “波束等位线分布图3 7 图5 1 用户链路结构图3 9 图5 2 用户下行链路属性图4 0 图5 3 用户上行链路属性图4 0 图5 4 导频变化示意图4 2 图5 5 导频集管理维护逻辑框图4 2 图5 6 馈电链路结构图4 4 图5 7 下行馈电链路属性图4 5 图5 8 上行馈电链路属性图4 5 图5 9 点对点链路属性图4 6 图5 1 0 仿真场景图。4 8 图5 1ls t k 卫星运行轨道4 8 图5 1 2 新呼叫到达率图4 9 图5 1 3 切换到达率图4 9 图5 1 4 新呼叫阻塞率图5 0 图5 1 5 切换失败率图5 0 图5 1 6 保留信道策略状态转移图5 1 图5 1 7 信道利用率对比图5 2 图5 1 8 新呼口l 阻塞率对比图。5 2 图5 1 9 切换失败率对比图5 3 图5 2 0 服务等级g o s 对比图5 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王q 至堕垦! 鲍堡孰星座卫星通焦丕统笾墓建搓盈究 学位论文作者签名：墨丝! ! 尘塾；日期：炒孑年，1 月，乒日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：塑垒曼 作者指导教师签名： 墨受! 壹一 日期：矽盯年月，乒日 日期：删年j 1 月i 够日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 量课题研究背景及意义 2 0 世纪9 0 年代以来，低轨( l e o ，l o we a r t ho r b i t ) 星座卫星通信系统由于 其能够实现全球无缝覆盖，相对中高轨卫星通信系统，具有传输损耗小、延时短、 抗毁性和抗干扰性强、终端小型便携等突出优点，适应了某些特殊用户群的需求 而迅猛发展，在国内外都受到了广泛的关注，成为新一代移动通信系统的研究热 点。 低轨星座卫星通信系统在军事和民用领域得到了十分广泛的应用。在军事应 用中，低轨星座卫星通信系统能够有效地覆盖陆、海、空、天多维空间，支持话 音、数据、短消息等多种业务类型，满足数字化战场对信息传输的实时性、作战 地域的广泛性以及终端的小型化的要求。 在民用领域，低轨星座卫星通信系统有效地弥补了地面网络因受地理条件和 经济因素的限制，对于低密度业务环境( 如偏远地区、沿海岛屿、荒漠戈壁) 覆 盖不足的缺陷，可以真正实现全球范围的无缝覆盖；在发生重大自然灾害的地区， 地面网络多数会遭到毁灭性破坏，而低轨星座卫星通信系统则因其转发载体位于 太空而受影响较小，因而在抢险救灾、搜索救援、处理突发事件等应急通信中显 示出独具的优势。 低轨星座卫星通信系统的建设是一项庞大而复杂的系统工程，投资规模巨大、 涉及领域广阔、运行维护复杂，并且国内尚无同类系统可以借鉴研究，因此在建 设之前非常有必要对系统的总体设计方案和各种关键技术进行充分的仿真建模论 证。归纳起来，对低轨星座卫星通信系统进行仿真建模具有以下两方面的重大意 义：按照系统设计方案搭建低轨星座卫星通信系统仿真平台，模拟低轨星座卫星 通信系统的工作过程，验证其体系结构、网络布局和功能模块的设置是否正确合 理，优化系统整体方案设计，为系统建设提供有益的参考；仿真建模在低轨星座 卫星通信系统的研究中起着着基础性和先导性的作用，仿真分析各种适用于低轨 星座卫星通信系统的接入、切换和信道分配等无线资源管理方案，验证新算法， 为理论研究提供有力的支撑。 在进行实际系统建设前，建立系统模型，进行充分的仿真分析，可以对系统 建成后的实际运行状况进行模拟，对系统管理方案进行性能评估，辅助决策分析， 查找方案设计中的不足和漏洞，提出改进性意见和建议。而科学的仿真建模方法， 是获得准确模拟结果的前提条件。因此，对低轨星座卫星通信系统进行仿真建模 方面的研究有着重大而且现实的意义。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 通信系统的仿真建模技术诞生于2 0 世纪8 0 年代的美国，其后的十几年中在 西方国家得到了蓬勃发展。由于1 9 9 8 年以前西方国家在高科技领域一直对我国实 行禁运，国内对通信系统仿真建模技术的研究从1 9 9 9 年才真正开始起步。通信系 统仿真建模以其独有的方法能够为系统的规划设计提供客观、可靠的定量依据， 适应了现代通信系统的建设需求，提高了系统建设中决策的科学性，降低了建设 的投资风险。对通信系统建设方案和关键技术进行充分的仿真建模论证，已经成 为现代通信系统建设之前一项必不可少的工作内容。 由于低轨星座卫星通信系统投资巨大、技术复杂，在建设之前各国科研机构 都十分重视对低轨星座卫星通信系统及其关键技术的仿真建模论证研究，取得了 一批具有重要理论意义和实践价值的研究成果。 美国加利福尼亚大学伯克利分校t h o m a $ r h e n d e r s o n 和r a n d yh k a t z 研究 了l e o 卫星通信网络的星座设计、星际链路和切换等问题，建立了基于n s 的l e o 卫星网络仿真模型，对低轨星座卫星通信系统的时延特性进行了仿真分析n 3 。 意大利佛罗伦萨大学电子工程系e n r i c od e lr e ，r o m a n of a n t a c c i 和g i o v a n n i g i a m b e n e 对低轨星座卫星通信系统用户移动性模型进行了系统研究，推导了移动 性模型中一些重要统计量的计算方法，仿真分析了不同l e o 移动性条件对无线资 源管理策略的影响h 1 。 加拿大魁北克大学r i m o u s k i 分校电子工程系c h a r tw a n gp a r k 教授提出了 “s t r e e to f c o v e r a g e 概念( 如图1 1 所示) ，即若干颗卫星分布在同一轨道平面形 成一个条形覆盖区域，基于这一概念在v i s u a lb a s i c 仿真环境中建立了l e o 仿真 模型，利用该模型仿真分析了系统的接入和切换性能，仿真结果与理论分析结果 相一致嘲。 图1 - 1 “s t r e e to f c o v e r a g e ”概念图 土耳其学者a y s e g u lt u y s u z 和f a t i ha l a g o z 分析了链路层和网络层的切换原 理，提出了基于卫星移动方式的切换模型，其主要思想是通过观测卫星足迹在地 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 面覆盖区的变化情况来管理切换，通过仿真分析表明该准则在切换管理代价方面 明显优于移动i p 技术吲。 随着我国信息化建设进程的加快，国内对于尽快建立我国自主的低轨星座卫 星通信系统的需求日益迫切，国内很多高校和科研机构也都积极投入到对低轨星 座卫星通信系统的研究之中，并已经取得了一些研究成果。 文献【7 】将a dh o e 网络理论与卫星通信系统相结合，建立了基于a dh o e 网 络的卫星通信系统模型，并根据此模型，利用o p n e t 仿真软件构建了系统仿真框 架并对系统时延和吞吐率进行了仿真分析；文献【8 】建立了基于o p n e t 的l e o , 卫星网络移动性管理仿真平台，在仿真平台上进行了移动性管理的性能仿真，仿 真对比了基于卫星的、基于波束的、基于信关站的位置更新策略和切换率；文献 1 9 1 在分析链路损耗与点波束天线增益之间关系的基础上，建立了链路电平平衡 点波束模型：文献【1 0 】提出了基于卫星星座覆盖情况与星座空间几何关系确定 地面终端所在点波束的仿真算法；文献【1 l 】提出了一种简化的卫星网络仿真方 案，其主要思想是在地面网络中加入卫星网特性模型，使其完全呈现出卫星网固 有的动态网络拓扑特性和动态网络时延特性；文献【1 2 1 建立了基于h l a r t i 和 s t k 韵卫星移动通信星座仿真系统，为卫星移动通信星座系统的设计提供了一个 集成化、可视化的仿真试验平台；文献【1 3 】提出通过对通信链路定时通断及其 属性的设置来模拟卫星网络的移动性、动态性和传输时延等特点，在o p n e t 仿真 环境下建立了一个适合于卫星网络初期设计所需要的协议仿真平台。 仿真建模技术在低轨星座卫星通信系统的研究中发挥着基础性和先导性的作 甩，无论是网络规划、系统优化、性能评估，还是对于某项关键技术的研究，都 伴随着对系统进行仿真建模研究。但是由于低轨星座卫星通信系统结构庞大，工 作过程复杂，对其进行贴近实际的仿真建模难度较大，因此目前对于低轨星座卫 星通信系统方面的研究大部分都是采用近似变通的处理方式来模拟其工作过程， 比如通过在通信链路中增加延时器来模拟传输时延，通过对成熟的地面网络进行 适当修改来模拟卫星网络，采用虚拟小区来代替多波束天线形成的波束小区，或 者采用基于用户位置的接入切换方式来代替系统的导频工作机制。这种方式在模 拟系统某个方面的特性、验证某个局部协议或算法时固然可以起到一定的模拟效 果，但是在对整个系统工作过程、系统级的资源管理方案等方面进行研究时，其 仿真的逼真度将大大降低。 o p n e t 网络仿真软件由于其层次化和面向对象的建模方式，以及基于事件出 发的有限状态机建模机制，适应了系统级仿真建模的需求，在低轨星座卫星通信 系统的仿真建模中具有一定的优越性。本文旨在o p n e t 仿真环境中建立一个能够 逼真模拟低轨星座卫星通信系统的网络结构和工作过程的仿真平台，采用卫星多 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 波束天线模型在地面形成点波束小区，卫星按照特定的轨道运行，用户的接入切 换和馈电链路的维护都采用导频机制。 1 3 论文研究思路和主要工作 论文首先介绍了低轨星座卫星通信系统和o p n e t 仿真建模的基本理论，在深 入理解低轨星座卫星通信系统的结构功能和o p n e t 仿真机制基础上，建立了卫 星、信关站、用户终端、网络控制中心( n c c ，n e t w o r kc o n t r o lc e n t e r ) 四种节点 模型和相应的进程模型。然后，对卫星多波束天线的几何模型进行了研究，建模 实现了o p n e t 多波束天线模型，并设计了适合低轨星座卫星通信系统仿真平台的 卫星链路预算。最后，在用户链路和馈电链路建立了导频机制，实现了各节点之 间必要的通信流程，运用四种节点模型搭建覆盖赤道附近低纬度地带的网络仿真 场景，验证了系统的通信性能；并对保留信道切换算法进行了仿真分析。 作者的主要研究工作包括： ( 1 ) 对低轨星座卫星通信系统和o p n e t 仿真建模的基本理论进行分析； ( 2 ) 在o p n e t 仿真环境下建立低轨星座卫星通信系统仿真平台； ( 3 ) 在s t k 仿真软件中建立卫星运行轨道模型； ( 4 ) 生成由若干个点波束构成的o p n e t 卫星多波束天线模型； ( 5 ) 在仿真平台中实现o p n e t 基于包的通信机制； ( 6 ) 在用户链路和馈电链路中建立导频机制； ( 7 ) 对保留信道切换策略进行了仿真分析。 1 4 论文结构 本文以低轨星座卫星通信系统仿真建模为研究目的，围绕搭建基于o p n e t 的 低轨星座卫星通信系统仿真平台展开研究，针对进程建模、多波束天线建模、导 频机制、o p n e t 基于包的通信机制等几个问题进行了研究，具体研究内容如下： 第一章介绍了发展低轨星座卫星通信系统的必要性和对其进行仿真建模的重 要性，然后重点分析了低轨星座卫星通信系统仿真建模的国内外研究现状，最后 给出论文研究内容和论文结构。 第二章研究了低轨星座卫星通信系统和o p n e t 仿真建模的基本理论。着重阐 述了低轨星座卫星通信系统的体系结构、网络结构、工作方式以及工作特点，以 及o p n e t 仿真环境的离散事件仿真机制、通信机制、层次化建模思想。 第三章首先阐述了低轨星座卫星通信系统仿真平台的特点、设计方案和通信 流程；然后在o p n e t 仿真环境下建模了卫星、信关站、用户终端和网络控制中心 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 四种节点模型及其相关进程模型。 第四章首先研究了卫星多波束天线建模的基本理论，建立了基于o p n e t 的卫 星多波束天线模型，分析了卫星链路预算，然后通过构建网络仿真场景仿真分析 了卫星多波束天线模型的辐射特性，仿真结果表明所建立的o p n e t 多波束天线模 型较好地模拟了卫星多波束天线的辐射特性。 第五章首先设计了用户链路和馈电链路工作机制，采用o p n e t 基于包的通信 机制，将各种信息封装为特定包格式的包，在用户链路和馈电链路中实现了导频 机制；然后，搭建覆盖低纬度地带的仿真场景仿真并收集了呼叫到达率、切换到 达率、呼叫阻塞率、切换失败率等统计量：进一步仿真对比了采用预留信道和不 采用预留信道两种情况下的系统呼叫阻塞率、切换失败率和信道利用率，仿真结 果验证了仿真平台能够可靠有效地仿真无线资源管理算法。 结束语总结了论文所做的工作，对下一步工作进行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章低轨星座卫星通信系统仿真建模基础 近年来，低轨星座卫星通信系统发展迅猛，目前世界上已有g l o b a l s t a r 和 i r i d i u m 等多种低轨星座卫星通信系统投入运行。o p n e t 是目前业界公认的最优秀 的通信网络、设施、协议的仿真及建模工具。其面向对象的建模方式和图形化的 编辑器能够真实地反映实际网络及各网络成分的结构，其高度的灵活性适应了网 络设计的需求。本章对低轨星座卫星通信系统和o p n e t 仿真建模的基本理论进行 研究，旨在为建立基于o p n e t 的低轨星座卫星通信系统仿真平台奠定基础。 2 1 低轨星座卫星通信系统概述 低轨星座卫星通信系统是指利用一组卫星构成星座作为中继节点来实现通信 的一种卫星通信系统，所谓星座是指相互之间具有特定工作关系的一组( 群) 卫 星，它们为了完成一个共同的目的而协同工作。 低轨( l e o ) 星座卫星通信系统较静止轨道( g e o ，g e o s t a t i o n a r ye a r t ho r b i t ) 卫星通信系统具有以下特点： ( 1 ) 能够真正实现全球无缝覆盖。由于静止轨道卫星固定在赤道上空，因此 g e o 卫星通信系统实质上只能覆盖中、低纬度地区，无法很好地覆盖高纬度地区， 在两极地区存在覆盖盲区，而l e o 星座卫星通信系统按照星座设计方案由若干颗 卫星联网工作可真正实现全球的无缝覆盖。 ( 2 ) 具有更小的传输损耗和更低的传播时延，能够更好的满足对实时性要求 较高的业务的时延要求( 如话音业务) 。l e o 系统由于轨道高度较低，信号传播 路径就相对较短，传输损耗通常比g e o 低几十分贝，传播时延仅为g e o 的1 7 1 5 0 。 ( 3 ) 抗毁性和抗干扰性强。由于l e o 卫星通信系统由多颗卫星组成，这些 卫星较易制造和发射，且轨道位置是机动的，一旦系统中有一部分卫星被摧毁或 发生故障，就可以马上再发射卫星或把处于其它轨道位置上的卫星调整到卫星空 缺较大的位置上，因此这类卫星系统的可靠性和生存能力较高，一颗或几颗卫星 受到干扰不会影响整个系统的工作，不像静止轨道卫星通信系统中所有用户之间 的通信都须经过同一颗位置固定的卫星来中继，一旦这颗卫星受到干扰或损毁， 整个系统都无法工作。 ( 4 ) 对用户终端的全向辐射功率( e i r p ，e q u i v a l e n ti s o t r o p i c a l l yr a d i a t e d p o w e r ) 和接收机品质因数( g t 值) 要求较低，便于实现终端小型便携。l e o 卫 星通信系统所需发射功率是g e o 的1 2 0 0 1 2 0 0 0 。 第6 页 韵科学技术大学研究生院硕士学位论文 低轨星座卫星遥信系统一般包括空间段、地面段和用户段三个分系统“”( 如 凰2l 所示) 。空闯段主虽包括多颗星座卫星。提供地面段各设备收发信号之间的 转接或变换处理，实现对垒球或部分区域的连续或问断覆盖。地面段一般包括卫 星测控中心及相应船卫星泐控网络、网络控制中心及各类信关站等。卫星测控中 心负责保持、监视和管理卫星的轨道位置、姿态井控制卫星豹星历表等；网络控 制中心负责处理用户登记、身份确认、记费和其他网络管理功能等；信关站负责 呼叫处理、交换及与地面通信网的接口等。用户段由各种用户终端组成，可以是 手持机、便携机、机( 船、车) 载站等各种地面移动终端设备，也可以是各种固 定通信终端站。 。十争铲 图2 1 低轨星座卫星通信系统组成图 根据用户终端之间能否直接通过卫星进行通信而把低轨星座卫星通信系统的 网络结构分为两大类“”： ( ”星形结构 在此结构中卫星节点无量间链路，不具有星上处理能力，只能透明转发用户 的信息，移动用户之间不能直接进行通信，他们之间要通信就必须要经过信关站 中继，通过卫星两跳才能实现，这种结构又称之为“弯管式b e n t p i p e ，b p ) ”通信 方式( 如图2 2 所示) ，目前太部分系统都采用这种结构，典型例子有l e o 系统 的g l o b a l s t a r 。m e o 系统的i c 0 和g s o 系统的i n m a r s a t 系统。 图2 2 星形结构图 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 2 ) 网格形结构 此结构中移动用户之间可直接进行通信( 如图2 3 所示) 。在网格形结构中， 还可根据系统是采用集中控制还是分布控制进一步把网络结构分为完全的网格形 结构及网格形和星形相结合的网络结构，i r i d i u m 系统是典型的l e o 网格形结构 卫星和信关站都是信息交换节点，通过星上处理、交换及星际链路移动用户之 问可直接利用卫星网络进行通信。 争吾铲 j j ”瓷 昏 目 图2 3 阿格形结构图 目前最具代表性的低轨星座卫星通信系统主要有( i r i d i u m ) 系统、全球星 r g l o b a l s t a r ) 系统、白羊( a r i e s ) 系统、柯斯卡( c o s c o n ) 和卫星通信网络( t e l e d e s i c ) 等 “2 “。在这里，主要介绍本文仿真中参考的两种低轨星座卫星通信系统。 铱系统( i r i d i u m ) 是由美国m o t o r o l a 公司提出的世界上第一个低轨道全球卫星 移动通信系统，其基术目标是向携带有手持式移动电话的铱用户提供全球个人通 信能力。铱系统卫星星座由6 6 颗低轨道卫星组成，分布在6 个轨道面上，每个轨 道面上有1 1 颗工作卫星，轨道倾角8 64 。，轨道高度7 8 0 k m ，轨道周期为1 0 0 m i n 2 8 s 。 铱系统采用网格状网络结构，使用卫星多波束天线，具有星上处理和交换功能 支持星际链路操作。在铱系统中，包括用户链路、馈电链路和星际链路三种链路， 卫星和信关站都是信息交换节点，通过星上处理、交换及星际链路，用户终端之 间可直接利用卫星网络进行通信，减少了从主叫到被叫的信息传播过程中使用地 面中继的次数。铱系统支持话音、数据、传真和寻呼等业务用户终端有单模手 机、双模手机和寻呼机。 全球星( g 1 0 b a l s t m 系统是一个基于卫星的无线通信系统，由美国劳拉公司和高 通公司联合提出，用于向全世界的用户提供话音、数据、传真和其他电信业务。 系统总共有4 8 颗卫星，分布在8 个圆形轨道平面上，每个轨道面6 颗卫星，轨道 高度1 4 1 4 k m ，轨道倾角为5 2 。，轨道周期1 1 3 m i n 。g l o b a l s t a r 系统采用星形网络结 构，无星上处理能力和星际链路，所有通信都需要经过信关站中继，卫星不能直 接在两个用户终端之间起中继作用，而只能在用户终端和信关站之间完成中继任 务。如果是系统内的用户之间相互通信，需要由信关站和卫星的两跳实现。 其他几种典型的低轨星座卫星通信系统介绍如表21 所示： 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表2 1 典型的低轨星座卫星通信系统 系统名称t e l e d e s i c a d e s o r b c o mc o s c o n e l l i p s o t e l e d e s i c星座通信轨道业务 前苏联国际 单位 e l l i p s a t 公司 公司公司创新公司 卫星总数2 8 8 4 83 6 3 21 8 轨道面数 1 2484 2 近地点4 6 0 k m 轨道高度1 3 5 0 k m1 0 1 8 k m7 8 5 7 8 0 k m1 0 0 0 k m 远地点2 9 0 3 k m 轨道类型倾斜圆轨道 f d m a 多址方式 s c p cf d m at d m ac d m a c d m a 工作频段 k al sl l s 业务 宽带固定 转发器类型透明+ 处理 处理透明 2 2o p n e t 仿真建模基础 o p n e t 仿真软件为通信网络和分布式系统建模提供了全面的开发环境，通过 层次化建模和离散事件仿真，分析系统模型的行为和性能。o p n e t 仿真软件集成 了模型设计、仿真、数据收集和数据分析各个研究阶段所需的工具，如工程、节 点、进程、仿真序列和分析配置等编辑器。利用o p n e t 仿真软件对低轨星座卫星 通信系统进行仿真建模，可以模拟低轨星座卫星通信系统的工作过程，验证各种 切换策略，为系统建设提供有益的指导，为理论研究提供有力的支撑。 2 2 1o p n e t 仿真建模关键技术 离散事件仿真机制n 1 ：o p n e t 采用基于离散事件驱动的仿真机制，其中“事 件”是指网络模型状态的变化。只有网络模型状态发生变化时，模拟机才进行仿 真，网络模型状态不发生变化的时间段不进行仿真计算，即被跳过。因此，仿真 时间是离散的，每当有一个事件出现后时间往前推进，也就是时间是跳跃前进的。 但一个仿真时间点上可以同时出现多个事件，事件的发生可以有疏密的区别( 如 图2 4 所示) 。与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。 并发事