張 娜

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，四川西昌 615013）

基于OPNET的星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)研究

張 娜

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，四川西昌 615013）

為了測(cè)試星地光網(wǎng)絡(luò)的性能，設(shè)計(jì)了一種基于OPNET的星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)；介紹了平臺(tái)的總體技術(shù)架構(gòu)，探討了星間鏈路建立的條件；采用最大接入仰角與最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間加權(quán)的方式，完成星地鏈路的衛(wèi)星接入服務(wù)；按照切換呼叫優(yōu)先的策略完成業(yè)務(wù)傳輸中的衛(wèi)星切換服務(wù)，確保星地鏈路不間斷的通信能力；根據(jù)最小鏈路代價(jià)和首次命中原則，實(shí)現(xiàn)星地光網(wǎng)絡(luò)的路由與波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)分配；最后，利用平臺(tái)的OPNET軟件測(cè)試了3種星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)性能，測(cè)試結(jié)果表明：在LEO、MEO和GEO星座下，星地光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)阻塞率分別為10%、40%和54%，平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分別為0.1 s、0.07 s和0.054 s；測(cè)試結(jié)果對(duì)星地光網(wǎng)絡(luò)的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

星地光網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試；仿真平臺(tái)；星地鏈路

0 引言

空間無(wú)線光通信具有容量大、頻帶寬、速率高等優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)衛(wèi)星組網(wǎng)構(gòu)成空間光網(wǎng)絡(luò)，并與地面光網(wǎng)絡(luò)組成一體化星地光網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)建全球無(wú)縫、高速的光通信系統(tǒng)，因此，一體化星地光網(wǎng)絡(luò)的研究已成為各國(guó)光通信研究的熱點(diǎn)［1］。OPNET仿真軟件［2］具有網(wǎng)絡(luò)性能仿真、通信協(xié)議優(yōu)化的功能，能夠通過(guò)HLA［3］（high－level architecture，HLA）高層協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)多個(gè)仿真成員的通信，大大減少了網(wǎng)絡(luò)仿真的工作量。為了有效地測(cè)試一體化星地光網(wǎng)絡(luò)性能，設(shè)計(jì)了一種基于OPNET的星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)，對(duì)星地鏈路的接入方式、切換策略、路由與波長(zhǎng)分配等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并仿真了星地光網(wǎng)絡(luò)的性能，其研究成果可為星地光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)仿真平臺(tái)由中央控制單元、路由與波長(zhǎng)分配單元、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)單元、衛(wèi)通地面站、地面光網(wǎng)絡(luò)、演示控制臺(tái)等組成。中央控制單元（central control unit，CCU）主要負(fù)責(zé)管理星地光網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并完成各仿真成員的信息交互管理；路由與波長(zhǎng)分配單元 （route and wavelength allocation，RWA）主要負(fù)責(zé)星間和星地光網(wǎng)絡(luò)的路由和波長(zhǎng)分配，實(shí)現(xiàn)星地間光通信業(yè)務(wù)的建立；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)單元負(fù)責(zé)衛(wèi)星星座拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、星間鏈路的建立，并與衛(wèi)通地面一起實(shí)現(xiàn)星地光網(wǎng)絡(luò)鏈路的接入和切換功能；衛(wèi)通地面站用于完成與衛(wèi)星、地面光網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換；地面光網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)智能光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和若干子網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)地面數(shù)據(jù)的傳送和處理，并將處理結(jié)果發(fā)送給衛(wèi)通地面站；演示控制臺(tái)利用STK仿真軟件，通過(guò)HLA接口接收OPNET軟件的運(yùn)行結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的三維效果、星間與星地鏈路的連接情況、星下點(diǎn)軌跡以及當(dāng)前星地光網(wǎng)絡(luò)的性能；運(yùn)行支撐環(huán)境RTI（run－time infrastructure，RTI）為中央控制單元、路由與波長(zhǎng)分配單元、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)單元等仿真聯(lián)邦成員提供聯(lián)邦管理和數(shù)據(jù)交換服務(wù)，確保該分布式仿真平臺(tái)信息交換和傳輸?shù)恼_性。

圖1 星地光網(wǎng)絡(luò)性能仿真平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

2 星間鏈路的建立

影響衛(wèi)星之間光網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量的因素有［4］：星上數(shù)據(jù)交換設(shè)備的傳輸能力、激光設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)、捕獲和跟蹤能力，以及大氣層對(duì)星間鏈路信號(hào)的損耗等。星間鏈路包括處于不同軌道高度的衛(wèi)星之間的層間激光鏈路（optical inter－layer link，IOL）和處于同一高度的衛(wèi)星之間的層內(nèi)激光鏈路 （optical intralayer link，ISL），下面重點(diǎn)分析衛(wèi)星層間鏈路的建立過(guò)程。

設(shè)衛(wèi)星A和衛(wèi)星B分別處于兩個(gè)不同的軌道高度HA和HB上，且HA＜HB。衛(wèi)星A的經(jīng)緯度為（LA，φA）、仰角為EA；衛(wèi)星B的經(jīng)緯度為（LB，φB）、仰角為EB。衛(wèi)星A與衛(wèi)星B之間的瞬時(shí)地心夾角為β，與衛(wèi)星的高度相比，可以將地球近似為一個(gè)半徑為Re的圓球。在建立星間激光鏈路時(shí)，為了避免大氣層和低空復(fù)雜電磁信號(hào)的干擾，通常在星間激光鏈路到地球表面之間設(shè)定一個(gè)保護(hù)距離Hp，該距離的取值范圍為幾十到幾百千米。衛(wèi)星層間激光鏈路建立過(guò)程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星層間激光鏈路的建立過(guò)程

在已知衛(wèi)星軌道高度和保護(hù)距離后，可以計(jì)算出衛(wèi)星A與衛(wèi)星B之間的最大地心夾角βmax為：

根據(jù)衛(wèi)星A和衛(wèi)星B的經(jīng)緯度，由球面距離公式和正、余弦定理，可以計(jì)算出衛(wèi)星A與衛(wèi)星B之間的瞬時(shí)地心夾角β為：

若β≤βmax，則處于不同軌道高度的衛(wèi)星A與衛(wèi)星B可以成功建立星間鏈路；若β＞βmax，則表示衛(wèi)星A與衛(wèi)星B被地球遮擋，無(wú)法建立星間鏈路。在實(shí)際的星間鏈路建立中，還需考慮衛(wèi)星天線的波束寬度、激光設(shè)備的ATP能力和傳輸功率等因素［5］。

處于同一軌道高度的衛(wèi)星間的層內(nèi)激光鏈路的建立過(guò)程與層間激光鏈路的建立過(guò)程相似，假設(shè)衛(wèi)星A和衛(wèi)星B處于同一軌道高度h，則有HA＝HB＝h，其它條件與層間鏈路的一致，則可以計(jì)算出衛(wèi)星A與衛(wèi)星B之間的最大地心夾角βmax為：

同理，可以按照公式（2）計(jì)算出衛(wèi)星A與衛(wèi)星B之間的瞬時(shí)地心夾角β。在衛(wèi)星天線的波束寬度、激光設(shè)備的ATP能力和傳輸功率均滿足通信要求的前提下，衛(wèi)星A與衛(wèi)星B可以成功建立星間鏈路的條件為β≤βmax。

3 星地鏈路的建立

在星地鏈路的建立過(guò)程中，當(dāng)?shù)孛嬲咎幱诙囝w衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)時(shí)，該地面站將按照一定的策略，選擇其中的一顆衛(wèi)星作為接入衛(wèi)星，建立星地光網(wǎng)絡(luò)鏈路，實(shí)現(xiàn)星地通信。由于衛(wèi)星是運(yùn)動(dòng)的，相對(duì)于地面站的空間位置是不斷變化的，因此，當(dāng)接入的衛(wèi)星不再覆蓋該地面站時(shí)，需要按照一定的切換策略，將正在傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)從這顆衛(wèi)星切換到另一顆衛(wèi)星，確保星地間不間斷的通信能力。

3.1 星地鏈路的接入策略與流程

目前，在建立星地鏈路時(shí)，主要有兩種星地接入策略：一種是采用最大仰角接入策略［6］，即在覆蓋該地面站的衛(wèi)星中，選擇信號(hào)最強(qiáng)的衛(wèi)星作為星地鏈路的接入衛(wèi)星，這種策略的優(yōu)點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、尋呼成功率高，缺點(diǎn)為衛(wèi)星仰角變換較快、業(yè)務(wù)切換較頻繁；另一種是采用最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間接入策略［7］，即在覆蓋該地面站的所有衛(wèi)星中，選擇對(duì)其覆蓋時(shí)間最長(zhǎng)的衛(wèi)星作為接入衛(wèi)星，這種策略的優(yōu)點(diǎn)是可提供較長(zhǎng)時(shí)間的接入服務(wù)、避免了業(yè)務(wù)的頻繁切換，缺點(diǎn)是接入衛(wèi)星的低仰角概率較大、尋呼信令的開(kāi)銷較大。

為了既兼顧接入衛(wèi)星的信道通信質(zhì)量，又降低業(yè)務(wù)切換的次數(shù)，這里采用一種仰角和服務(wù)時(shí)間加權(quán)的策略，該策略利用接入仰角和服務(wù)時(shí)間構(gòu)建一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，為接入衛(wèi)星的選擇提供依據(jù)。設(shè)α為衛(wèi)星服務(wù)時(shí)間的加權(quán)系數(shù)，T為衛(wèi)星可提供的服務(wù)時(shí)間，Tmax為單顆衛(wèi)星可提供的最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間，γ為衛(wèi)星仰角的加權(quán)系數(shù)，E為接入衛(wèi)星的仰角，Emin為最小接入仰角，當(dāng)接入仰角小于最小接入仰角時(shí)，星地間通信信道嚴(yán)重惡化，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，將不能提供正常的星地業(yè)務(wù)傳輸。因此，構(gòu)建策略的目標(biāo)函數(shù)P為：

在該加權(quán)接入策略中，衛(wèi)星可提供的服務(wù)時(shí)間越長(zhǎng)，則目標(biāo)函數(shù)的值越大，該顆衛(wèi)星作為接入衛(wèi)星的概率就越大；衛(wèi)星的接入仰角越大，星地間信號(hào)就越強(qiáng)，則目標(biāo)函數(shù)的值也越大，該顆衛(wèi)星作為接入衛(wèi)星的概率也越大。因此，該加權(quán)接入策略在選擇星地鏈路的接入衛(wèi)星時(shí)，可以做到兼顧服務(wù)時(shí)間和接入仰角兩個(gè)因素，確保星地接入信道高質(zhì)量，避免了業(yè)務(wù)傳輸?shù)念l繁切換。

星地鏈路的接入流程如圖3所示。

具體過(guò)程如下：

1）當(dāng)有業(yè)務(wù)通過(guò)衛(wèi)通地面站需要向衛(wèi)星發(fā)送時(shí)，衛(wèi)通地面站通過(guò)RWA單元向中央控制單元申請(qǐng)鏈路資源。

2）中央控制單元收到RWA單元發(fā)出的鏈路資源中斷信息后，按照仰角和服務(wù)時(shí)間加權(quán)的接入策略，對(duì)能夠覆蓋源地面站和目的地面站的衛(wèi)星進(jìn)行逐個(gè)查找，找到最佳接入衛(wèi)星，并分配信道資源。

圖3 星地鏈路的接入流程

3）當(dāng)源地面站和目的地面站的接入衛(wèi)星信道資源分配完成后，中央控制單元按照一定的服務(wù)時(shí)間步長(zhǎng)間隔，判斷接入的衛(wèi)星是否還能為地面站提供服務(wù)。

4）如果接入衛(wèi)星能夠?yàn)榈孛嬲咎峁┓?wù)，則地面站根據(jù)中央控制單元發(fā)送來(lái)的中斷信息發(fā)送數(shù)據(jù)包，將同一業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包通過(guò)同一源衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)送，并在后續(xù)的接入服務(wù)中無(wú)需再次請(qǐng)求而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果接入衛(wèi)星不能為地面站提供服務(wù)，則需要進(jìn)行衛(wèi)星鏈路的切換。

3.2 星地鏈路的切換策略與流程

由于低軌衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星具有運(yùn)行速度快、可提供的服務(wù)時(shí)間短等特點(diǎn)，同一顆衛(wèi)星很難在服務(wù)時(shí)間內(nèi)完成同一業(yè)務(wù)的全程傳輸，因此，需要將此次接入服務(wù)切換到具有空閑帶寬的、相鄰的衛(wèi)星上，如何進(jìn)行業(yè)務(wù)的切換是星地鏈路數(shù)據(jù)傳輸中的重點(diǎn)。

較為簡(jiǎn)單的星地鏈路切換策略為同等概率切換策略［8］，在該策略中，業(yè)務(wù)切換呼叫與新接入呼叫以相同的概率申請(qǐng)和占用衛(wèi)星的空閑信道，如果衛(wèi)星沒(méi)有空閑信道可用時(shí)，則業(yè)務(wù)切換呼叫與新接入呼叫均被拒絕。對(duì)用戶而言，業(yè)務(wù)切換呼叫的失敗比新接入呼叫的拒絕更難以接受。為了確保業(yè)務(wù)切換呼叫的成功率，在系統(tǒng)中設(shè)置業(yè)務(wù)切換呼叫的優(yōu)先級(jí)最高，設(shè)衛(wèi)星的可用帶寬為C，業(yè)務(wù)切換呼叫占用的帶寬為CT，新接入呼叫占用的帶寬為CN，則按照下列策略分配衛(wèi)星的星地鏈路帶寬：

1）若C＞CT，則CN＝C－CT，此時(shí)衛(wèi)星將可用帶寬優(yōu)先分配業(yè)務(wù)切換呼叫后，再將剩余帶寬分配給新接入呼叫；

2）若C≤CT，則CN＝0，此時(shí)衛(wèi)星將可用帶寬全部分配給業(yè)務(wù)切換呼叫，同時(shí)拒絕所有的新接入呼叫。

星地鏈路的切換流程如圖4所示。

圖4 星地鏈路的切換流程

具體過(guò)程如下：

1）在衛(wèi)通地面站向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的過(guò)程中，中央控制單元監(jiān)測(cè)該衛(wèi)星對(duì)該地面站的覆蓋情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到該衛(wèi)星不能覆蓋該地面站時(shí)，及時(shí)向該衛(wèi)通地面站發(fā)送數(shù)據(jù)中斷信息。

2）中央控制單元按照仰角和服務(wù)時(shí)間加權(quán)的接入策略，在覆蓋該地面站的其它衛(wèi)星中查找最佳接入衛(wèi)星，并按照切換呼叫優(yōu)先的策略分配新接入衛(wèi)星的信道資源，當(dāng)查找成功后，及時(shí)向該地面站發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸鏈接信息，更新數(shù)據(jù)鏈接信息中的源、目的衛(wèi)星地址。

3）中央控制單元按照一定的服務(wù)時(shí)間步長(zhǎng)間隔，對(duì)新接入的衛(wèi)星為地面站提供服務(wù)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4）新接入的衛(wèi)星與該地面站建立鏈路信息，繼續(xù)傳輸未完成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，同時(shí)釋放前一顆衛(wèi)星的信道資源。

5）如果在新接入的衛(wèi)星服務(wù)時(shí)間內(nèi)，該地面站的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸完成，則地面站向中央控制單元發(fā)送遠(yuǎn)程通告信息，告知數(shù)據(jù)傳輸完成；中央控制單元根據(jù)通告信息及時(shí)釋放相應(yīng)的衛(wèi)星信道資源。

4 星地光網(wǎng)絡(luò)路由與波長(zhǎng)分配算法

路由與波長(zhǎng)分配算法［9］是指在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o定的情況下，計(jì)算一條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的光通路，并為其分配波長(zhǎng)。在星地鏈路中，由于衛(wèi)星的波長(zhǎng)資源較少，在星地光網(wǎng)絡(luò)的路由與波長(zhǎng)計(jì)算中主要考慮以下兩個(gè)制約因素［10］：

1）波長(zhǎng)連續(xù)性限制，即同一條光通路必須使用相同的波長(zhǎng)；

2）處于同一星地鏈路的不同光通路的工作波長(zhǎng)必須不同，且波長(zhǎng)間隔應(yīng)大于1.6 nm。

為了更好地利用星地鏈路的資源，在星地光網(wǎng)絡(luò)的路由與波長(zhǎng)分配中，采用動(dòng)態(tài)路由與波長(zhǎng)分配算法，為了便于工程應(yīng)用，將路由與波長(zhǎng)分配分別單獨(dú)考慮，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）路由計(jì)算：當(dāng)接收到星地鏈接請(qǐng)求后，路由與波長(zhǎng)分配單元將在滿足鏈接需求的所有光路中選擇一條鏈路代價(jià)最小的光通路作為最佳工作光通路。鏈路代價(jià)主要包括鏈路時(shí)延、多普勒頻移影響［11］以及鏈路負(fù)載均衡等，由于從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的整個(gè)光通路由多條單跳鏈路組成，因此，在選擇最佳工作光通路時(shí)，應(yīng)選擇整個(gè)光通路代價(jià)最小的鏈路。

設(shè)整個(gè)光通路由n條單跳鏈路組成，其中第i條單跳鏈路的鏈路代價(jià)為Qi，其代價(jià)包括以下3個(gè)部分：

①鏈路時(shí)延代價(jià)Ti：

式中，li為第i條鏈路的長(zhǎng)度，c為光速。

②星間多普勒頻移引入的鏈路代價(jià)Widop：

式中，Δf為多普勒頻移量，Δfmax為衛(wèi)星間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的最大多普勒頻移量。

③因鏈路負(fù)載均衡引入的鏈路代價(jià)WiLB：

式中，u為鏈路已用波長(zhǎng)數(shù)，U為鏈路總波長(zhǎng)數(shù)。

那么，第i條單跳鏈路的鏈路代價(jià)Qi為：

整個(gè)光通路的鏈路代價(jià)Q為：

通過(guò)計(jì)算，找到鏈路代價(jià)Q最小的光通路即選定為最佳星地光網(wǎng)絡(luò)通路，然后再進(jìn)行波長(zhǎng)分配。

（2）波長(zhǎng)分配：首先將波長(zhǎng)進(jìn)行編號(hào)和排序，按照首次命中（First－Fit）原則［12］，在分配業(yè)務(wù)工作波長(zhǎng)時(shí)，優(yōu)先選擇編號(hào)較小的空閑波長(zhǎng)，這樣可確保新業(yè)務(wù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得空閑波長(zhǎng)，有效減少衛(wèi)星資源的使用。

當(dāng)GEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星組成混合星座時(shí)，各個(gè)LEO衛(wèi)星探測(cè)各自的星地鏈路狀態(tài)，并上報(bào)GEO衛(wèi)星；GEO衛(wèi)星之間也定期交換LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)和拓?fù)湫畔?，?dāng)有業(yè)務(wù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，GEO－LEO混合星座按照最小鏈路代價(jià)算法，找出一條最佳工作光通道，并按照首次命中原則，給這條代價(jià)最小的光通道分配工作波長(zhǎng)，并將光鏈路的配置信息下發(fā)到地面站，完成整個(gè)光通道的建立。

5 性能測(cè)試仿真與分析

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件測(cè)試星地一體化光網(wǎng)絡(luò)的性能，在仿真中，將OPNET軟件的HLA_PM接口添加到HLA仿真聯(lián)邦中，實(shí)現(xiàn)OPNET軟件作為聯(lián)邦成員加入到仿真聯(lián)邦，通過(guò)*.fed文件實(shí)現(xiàn)OPNET軟件與其它仿真成員的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)*.map文件實(shí)現(xiàn)交互數(shù)據(jù)與OPNET仿真軟件數(shù)據(jù)包的映射轉(zhuǎn)換。

在仿真中，衛(wèi)通地面站分別與LEO、MEO、GEO三種衛(wèi)星星座組網(wǎng)成星地一體化光網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試這3種星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和阻塞率。星地光網(wǎng)絡(luò)的帶寬參數(shù)設(shè)置為：地面鏈路光纖為8根，每根光纖的工作波長(zhǎng)為8個(gè)，每個(gè)波長(zhǎng)的帶寬為10 G；地面骨干光纖的帶寬為40 G、星地鏈路帶寬為1 G、星間鏈路帶寬為1 G。網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括文本、語(yǔ)音和視頻，分別占帶寬的60%、20%、20%，業(yè)務(wù)的產(chǎn)生服從參數(shù)為1 s的泊松分布，業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間服從參數(shù)為1 000 s的泊松分布，所有業(yè)務(wù)均由衛(wèi)通地面站產(chǎn)生。

LEO衛(wèi)星星座由48顆低軌衛(wèi)星組成，均勻分布在8個(gè)軌道平面上，每顆衛(wèi)星與同一軌道平面的前后兩顆衛(wèi)星和相鄰左右兩個(gè)平面的衛(wèi)星之間具有星間鏈路，可以實(shí)現(xiàn)星間路由功能。LEO衛(wèi)星星座的參數(shù)如表1所示。

表1 LEO衛(wèi)星星座的參數(shù)

MEO衛(wèi)星星座由12顆中軌衛(wèi)星組成，均勻分布在2個(gè)正交的軌道平面上，軌道高度為10 355 km，軌道面傾角為45°。MEO衛(wèi)星星座的參數(shù)如表2所示。

表2 MEO衛(wèi)星星座的參數(shù)

GEO衛(wèi)星星座由5顆地球同步軌道衛(wèi)星組成，軌道高度為35 786 km，分別位于東經(jīng)160°、140°、11°.5°、80°、 58.75°的上空，每顆衛(wèi)星可以覆蓋全球表面的42%。GEO衛(wèi)星星座的參數(shù)如表3所示。

表3 GEO衛(wèi)星星座的參數(shù)

5.2 測(cè)試結(jié)果與分析

配置好仿真網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后，運(yùn)行星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)，仿真時(shí)間為3小時(shí)，得到LEO、MEO、GEO三種星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)阻塞率和時(shí)延情況。

1）星地光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)阻塞率情況：星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)的運(yùn)行界面及業(yè)務(wù)阻塞率情況如圖5所示。從圖5可以看出，仿真開(kāi)始時(shí)，由于文本、語(yǔ)音和視頻的業(yè)務(wù)量較少，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以通過(guò)地面光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，所以此時(shí)星地鏈路的業(yè)務(wù)阻塞率為0。隨著仿真時(shí)間的增加，需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，此時(shí)地面光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枰?，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)地面站建立星地光鏈路進(jìn)行傳輸。在星地光傳輸中，LEO星座下的業(yè)務(wù)阻塞率最低，約為10%；而GEO星座下的業(yè)務(wù)阻塞率最高，達(dá)到54%左右；MEO星座下的業(yè)務(wù)阻塞率居中，約為40%。主要是由于LEO星座擁有48顆低軌衛(wèi)星，在同一時(shí)刻，有多星同時(shí)覆蓋該地面站，為其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸提供了更多的接入帶寬，因而在LEO星座下的業(yè)務(wù)阻塞率較低。而在GEO星座中，雖然5顆高軌衛(wèi)星對(duì)地覆蓋面積較大，但是在同一時(shí)刻僅有一顆衛(wèi)星為中國(guó)境內(nèi)的地面站提供星地鏈路接入服務(wù)，由于一顆衛(wèi)星提供的帶寬不能滿足更多的傳輸業(yè)務(wù)接入需求，因此GEO星座提供的業(yè)務(wù)阻塞率較高。

圖53 種星座下的業(yè)務(wù)阻塞率結(jié)果

2）星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延情況：星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在仿真開(kāi)始時(shí)，由于文本、語(yǔ)音和視頻業(yè)務(wù)均通過(guò)地面光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，因此3種星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延較少，但是隨著仿真時(shí)間的增加，星地光網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，導(dǎo)致了3種星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延均隨著時(shí)間逐步增加，其中，LEO星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延最大，最大達(dá)到0.1 s；MEO星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延居中，約為0.07 s；GEO星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延最小，約為0.054 s。這是因?yàn)長(zhǎng)EO星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)在仿真中承載了更多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于這些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過(guò)星地、星間鏈路傳輸時(shí)，必然會(huì)因?yàn)殒溌肪嚯x較遠(yuǎn)而帶來(lái)傳輸時(shí)延，從而導(dǎo)致了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延較大。在GEO星座下的衛(wèi)星提供的業(yè)務(wù)接入能力有限，業(yè)務(wù)的阻塞率較大，所以傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)較少，導(dǎo)致業(yè)務(wù)端到端的星地網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延最小。

圖63 種星座下星地鏈路的時(shí)延結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于OPNET的星地光網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試仿真平臺(tái)，給出了平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)星間鏈路和星地鏈路的建立過(guò)程進(jìn)行了研究，并提出了適合星地光網(wǎng)絡(luò)的路由與波長(zhǎng)分配算法。最后，通過(guò)OPNET軟件測(cè)試了星地一體化光網(wǎng)絡(luò)的性能，驗(yàn)證了該仿真平臺(tái)的功能。在后續(xù)的研究工作中，將進(jìn)一步擴(kuò)展該平臺(tái)的業(yè)務(wù)功能，開(kāi)展星地光網(wǎng)絡(luò)的抗毀研究，并研究混合星座下的星地光網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和抗毀能力，為平臺(tái)在星地一體化網(wǎng)絡(luò)工程中的應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。

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Research on Space－ground Optical Network Performance Testing Simulation Platform Based on OPNET

Zhang Na

（School of Automotive and Electronic Engineering of Xichang College，Xichang 615013，China）

In order to test the performance of space－ground optical network，a space－ground optical network performance testing simulation platform based on OPNET is designed.The total technology framework of the platform is introduced，and the establishment condition of link between stars is discussed.The satellite access service of space－ground link is accomplished by adopting weighted method of maximum access elevation and longest service time.The satellite switching service in the operation transmission is achieved by according to the strategy of switching call priority，which can ensure the uninterrupted communication capabilities of space－ground link.According to the principle of minimum link cost and First－Fit，the dynamic route and wavelength allocation is realized.Finally，the performance of spaceground optical networks of three kinds of constellations are tested by utilizing OPNET software of the platform.The results of the testing demonstrate that under the constellation LEO，MEO and GEO，the network blocking probability of space－ground optical network respectively is 10%，40%and 54%，and the average network delay respectively is 0.1 second，0.07 second and 0.054 second.The testing results have a certain guiding significance to the engineering application of space－ground optical network.

space－ground optical network；network performance testing；simulation platform；space－ground link

1671-4598（2016）08-0255-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.070

：TP391.9

：A

2016-04-27；

：2016-05-21。

四川省教育廳青年基金項(xiàng)目（11ZB115）。

張 娜（1974-），女，碩士，副教授，主要從事光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面的研究。