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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。

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IPoverSatellite方案与IPoverATM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IPoverATMoverSONET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IPoverSatellite网络协议仿真平台。

2OPNET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。

（2）卫星网络与地面网关之间存在高速的运动，为确保通信的持续必须进行频繁的切换。

整个卫星网络的协议划分。OPNET提供的标准节点模块对涉及到的协议进行了细致的模

拟，修改起来的工作量巨大，为了避免修改OPNET标准节点模块，把Gateway节点拆分为两

个节点：OPNET标准路由器和低轨卫星网关，这两个节点用PPP链路直接连接，可以省去链

路层协议的设计。低轨卫星网关的切换管理模块实时检测天线的俯仰角，以及信号功率，决

定是否切换到另一颗卫星。此外为了把精力都放在网络层协议的设计上，对位置注册管理功

能进行了简化，由一个全局独立节点来实现。例如网关可达网络列表应该由低轨卫星网关实

现，每个网关都应该保存一个列表，这个列表中包括各个网关及其连接到的Internet子网

地址。网关与卫星映射关系应该由Satellite节点实现，实时向其他卫星节点通告自己当前

接入的网关标识。简化后需要做的仿真工作有：卫星地面网关节点模型，卫星节点模型，Global

Node模型。

下面对本文简化掉数据链路层的合理性进行分析。数据链路层的基本功能是在两个相邻

节点间建立和维持数据链路，为网络层提供无差错的通信服务，它可以细分为逻辑链路控制

层（LLC）和媒体接入控制层（MAC）。MAC层的任务是在发送数据时，按某种规则从LLC层接

收数据，然后执行媒体访问规程，查看链路状态，如可发送，将给数据加上控制信息，形成

帧，送往物理层；在接收数据时，从物理层接收到数据帧，并检查数据帧中的控制信息，判

断是否发生传输错误，将正确的数据帧去掉控制信息后送至LLC层。LLC层的任务是完成两