尹先兵，徐展琦，肖永偉，馬 濤，孫晨華

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

基于SDN的衛(wèi)星LTE融合網(wǎng)絡(luò)及其性能仿真

尹先兵1，徐展琦1，肖永偉2，馬 濤1，孫晨華2

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071； 2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SDN將網(wǎng)絡(luò)控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得簡(jiǎn)明清晰。在簡(jiǎn)述傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，概述衛(wèi)星LTE星地融合網(wǎng)絡(luò)，將SDN技術(shù)的核心思想引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出基于SDN的衛(wèi)星LTE融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所提融合網(wǎng)絡(luò)模型的仿真平臺(tái)搭建，通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景下仿真數(shù)據(jù)的分析，評(píng)估所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的性能，給出SDN衛(wèi)星LTE融合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)期演進(jìn)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；星地融合網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估；仿真平臺(tái)

0 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)具有高速無(wú)線傳輸、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、靈活的頻譜利用和優(yōu)良的服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service，QoS)保證等優(yōu)點(diǎn)[1]，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以連接海陸空以及不利于鋪設(shè)通信設(shè)施的地區(qū)，特別是重大自然災(zāi)害導(dǎo)致地面通信網(wǎng)絡(luò)損壞時(shí)，仍能給接入用戶提供無(wú)縫通信服務(wù)[2]。衛(wèi)星與地面LTE星地融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成兩種網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢(shì)，已成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV引入衛(wèi)星通信可有效降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，易于運(yùn)行維護(hù)和管理。

文獻(xiàn)[3]提出一種通過(guò)衛(wèi)星LTE鏈路的業(yè)務(wù)減小時(shí)延的方法，設(shè)計(jì)和評(píng)估一種傳輸層協(xié)議性能的方案。文獻(xiàn)[4]將地面LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)與寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)相融合，并基于NS-3對(duì)星地融合網(wǎng)絡(luò)完成仿真模型構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估。文獻(xiàn)[5]闡述將LTE空中接口用于星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄裕⒔o出3種改進(jìn)方法，分析表明LTE空中接口經(jīng)適當(dāng)修改可應(yīng)用于衛(wèi)星信道。文獻(xiàn)[6]提出一種軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)基于SDN的集中控制模式，可增強(qiáng)空間網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)作性。

本文提出一種可行的SDN框架下的星地LTE融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用SDN技術(shù)中的控制與數(shù)據(jù)分離的概念，釆用空間部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和地面部分集中控制的方式，將復(fù)雜的控制功能轉(zhuǎn)移到地面控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的集中控制和管理。

1 基于SDN的星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信數(shù)據(jù)流

NS-3是NS-2功能增強(qiáng)與改進(jìn)的開源網(wǎng)絡(luò)仿真工具[7-8]，它繼承現(xiàn)階段優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)仿真工具的優(yōu)點(diǎn)，且克服很多缺點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究和系統(tǒng)性能仿真等。NS-3系統(tǒng)中所包含的OpenFlow模塊可以模擬SDN設(shè)備[9]，NS-3系統(tǒng)的LTE模塊可以很精確地模擬LTE-EPC網(wǎng)絡(luò)，但NS-3系統(tǒng)中尚沒(méi)有衛(wèi)星鏈路模塊，為此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化的衛(wèi)星鏈路Satlink模塊，用來(lái)模擬融合網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星部分。

1.1 基于SDN的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1給出了基于SDN的衛(wèi)星LTE融合體系架構(gòu)。

圖1 基于SDN的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LTE是LTE-EPC模型接入部分[10]，主要包含eNB和UE網(wǎng)元。EPC包括P-GW、S-GW、MME、HSS和PCRF等。3顆SDN-enabled衛(wèi)星作為vSwitch，根據(jù)SDN 控制器下發(fā)的流表進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配和轉(zhuǎn)發(fā)。信關(guān)站作為衛(wèi)星地面融合寬帶通信網(wǎng)的地面站設(shè)備[11]，它具有路徑選取、協(xié)議轉(zhuǎn)換、移動(dòng)性管理和資源分配等功能。網(wǎng)絡(luò)操作控制中心NOCC用于接收來(lái)自空間衛(wèi)星的狀態(tài)信息和發(fā)送到衛(wèi)星上的控制信息，SDN C控制器負(fù)責(zé)建立和管理維護(hù)SDN-enabled設(shè)備上的流表，控制底層設(shè)備數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2給出所提網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的仿真平臺(tái)搭建過(guò)程，包括創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ艡C(jī)制等相關(guān)操作。

圖2 仿真的基本流程

1.2 融合網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)流

衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的衛(wèi)星用戶與地面用戶進(jìn)行通信時(shí)，IP報(bào)文由衛(wèi)星用戶的內(nèi)部通用應(yīng)用程序產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)SDN-enabled同步衛(wèi)星的流表匹配和轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)送到地面用戶上，實(shí)現(xiàn)二者的通信。圖3給出衛(wèi)星用戶與地面用戶間數(shù)據(jù)流通信過(guò)程。

衛(wèi)星用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過(guò)本地的TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到該衛(wèi)星用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備LteUeNetDevice上，完成如下操作：① 使用傳輸流模板 (Traffic Flow Templates,TFTs)對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類，并確定其無(wú)線承載ID；② 鑒定相應(yīng)PDCP協(xié)議實(shí)例，分別對(duì)該報(bào)文進(jìn)行PDCP、RLC、MAC協(xié)議的封裝；③ 通過(guò)LTE無(wú)線協(xié)議棧把該報(bào)文發(fā)送到SDN-enabled同步衛(wèi)星。

SDN-enabled衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備LteEnbNetDevice接收該報(bào)文，解析和去掉報(bào)文中IP數(shù)據(jù)載荷前面的無(wú)線承載協(xié)議標(biāo)頭，然后向上傳遞到SDN設(shè)備。衛(wèi)星上的SDN設(shè)備接收?qǐng)?bào)文，進(jìn)行如下操作：① 恢復(fù)無(wú)線承載ID，解析IP頭部信息；② 查找衛(wèi)星SDN設(shè)備中存儲(chǔ)的OpenFlow流表，找到與解析出來(lái)的標(biāo)頭信息相匹配的流表項(xiàng)；③ 如果存在多個(gè)相匹配的流表項(xiàng)，則按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)來(lái)匹配要執(zhí)行的動(dòng)作，再對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

從同步衛(wèi)星SDN設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包通過(guò)本地TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備P2PNetDevice上，添加衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路層DL協(xié)議標(biāo)頭，再通過(guò)模擬的星地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路發(fā)送到地面信關(guān)站。

地面信關(guān)站設(shè)備接收到該報(bào)文，進(jìn)行如下操作：① 解析和去除數(shù)據(jù)包的DL協(xié)議標(biāo)頭，通過(guò)本地的TCP/IP協(xié)議傳遞到信關(guān)站上層數(shù)據(jù)收發(fā)中心；② 信關(guān)站上層數(shù)據(jù)收發(fā)中心會(huì)解析數(shù)據(jù)包的IP標(biāo)頭信息，根據(jù)IP標(biāo)頭信息進(jìn)行相應(yīng)的操作；③ 添加地面網(wǎng)絡(luò)鏈路層L2協(xié)議頭，轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備NetDevice，再通過(guò)地面以太網(wǎng)接口連接到地面用戶設(shè)備。

地面用戶設(shè)備接收到數(shù)據(jù)包后，按照地面TCP/IP規(guī)范對(duì)其進(jìn)行解封裝，獲得通信數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)雙方的通信。

圖3 衛(wèi)星用戶與地面用戶間數(shù)據(jù)流通信過(guò)程

2 仿真場(chǎng)景與結(jié)果分析

2.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

吞吐量定義為單位時(shí)間內(nèi)無(wú)差錯(cuò)傳送數(shù)據(jù)分組的數(shù)目，在仿真中改變系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)讀取仿真程序產(chǎn)生的trace文件和pdcp文件，統(tǒng)計(jì)與分析用戶通信過(guò)程的吞吐量。表1給出具體參數(shù)設(shè)置，根據(jù)通信是否存在星間鏈路和用戶終端類型的不同，融合網(wǎng)絡(luò)性能可以分為6種通信場(chǎng)景對(duì)其進(jìn)行分析。

表1 仿真場(chǎng)景的參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱參數(shù)值仿真時(shí)間3s衛(wèi)星發(fā)射功率73dBWUE發(fā)射功率10dBm數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔2Nms(N=0～10)衛(wèi)星鏈路帶寬1～6Mbps(間隔0.5)用戶的數(shù)目50～150個(gè),步長(zhǎng)10

場(chǎng)景1：相同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的2個(gè)衛(wèi)星用戶終端進(jìn)行通信；

場(chǎng)景2：相同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的衛(wèi)星用戶終端與地面移動(dòng)用戶終端通信；

場(chǎng)景3：相同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的衛(wèi)星用戶終端與地面固定用戶終端通信；

場(chǎng)景4：不同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的2個(gè)衛(wèi)星用戶終端進(jìn)行通信；

場(chǎng)景5：不同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的衛(wèi)星用戶終端與地面移動(dòng)用戶終端通信；

場(chǎng)景6：不同衛(wèi)星覆蓋領(lǐng)域的衛(wèi)星用戶終端與地面固定用戶終端通信。

圖4 吞吐量隨數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔變化曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下的網(wǎng)絡(luò)性能

仿真中設(shè)置數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔以2Nms變化，衛(wèi)星鏈路帶寬設(shè)置為3 Mbps，用戶數(shù)目設(shè)置為90，圖4給出吞吐量與數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔的關(guān)系圖。吞吐量在初始階段緩慢增長(zhǎng)，吞吐量在數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔為8 ms時(shí)達(dá)到最大值，超過(guò)8 ms后，吞吐量隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔的增大而逐漸下降，因?yàn)闃I(yè)務(wù)速率變小后，在仿真時(shí)間內(nèi)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)變少，吞吐量在相應(yīng)地減小。由于星間鏈路的影響，同一衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的用戶吞吐量比跨衛(wèi)星通信時(shí)的吞吐量大。

2.2.2 不同用戶數(shù)目下的網(wǎng)絡(luò)性能

仿真中設(shè)置用戶數(shù)目從50～150變化，衛(wèi)星鏈路帶寬設(shè)置為3 Mbps，數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)置為8 ms，圖5給出吞吐量與衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)用戶數(shù)目的關(guān)系圖。隨著用戶數(shù)目的增加，吞吐量基本處于下降的趨勢(shì)；且在用戶數(shù)目增加到90的時(shí)候，由于衛(wèi)星能附著用戶已經(jīng)接近飽和，吞吐量減小到一個(gè)很低的水平(<150 kbps)。由于星間鏈路的影響，同一衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的用戶吞吐量比跨衛(wèi)星通信時(shí)的吞吐量大。

圖5 吞吐量與用戶數(shù)目的關(guān)系

圖6 吞吐量與衛(wèi)星鏈路帶寬的關(guān)系

2.2.3 不同衛(wèi)星鏈路帶寬下的網(wǎng)絡(luò)性能

仿真中設(shè)置衛(wèi)星鏈路帶寬從1～6 Mbps變化，用戶數(shù)目設(shè)置為90，數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間間隔設(shè)置為8 ms，圖6給出了吞吐量與衛(wèi)星鏈路帶寬的關(guān)系圖。每個(gè)場(chǎng)景的吞吐量隨衛(wèi)星鏈路帶寬增大而呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)衛(wèi)星鏈路帶寬逐漸增大時(shí)，場(chǎng)景1和場(chǎng)景4因?yàn)闆](méi)有經(jīng)過(guò)星地饋電鏈路，吞吐量沒(méi)有像其他場(chǎng)景情況下的吞吐量那樣劇烈增長(zhǎng)，由于星間鏈路的存在，跨衛(wèi)星通信情況下的吞吐量明顯小于衛(wèi)星范圍內(nèi)通信時(shí)的吞吐量。

當(dāng)衛(wèi)星鏈路帶寬小于2.5 Mbps，吞吐量的增長(zhǎng)相對(duì)比較緩慢，當(dāng)衛(wèi)星鏈路帶寬大于2.5 Mbps時(shí)，吞吐量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說(shuō)明星地鏈路帶寬對(duì)吞吐量有比較大的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于SDN的衛(wèi)星LTE融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用NS-3搭建仿真平臺(tái)以評(píng)估所提融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能。通過(guò)理論計(jì)算和分析可知，配置更新周期減小使得基于SDN的融合網(wǎng)絡(luò)具有更好的實(shí)時(shí)性和靈活性。此外，SDN技術(shù)簡(jiǎn)化衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和減少地面站的數(shù)目，降低系統(tǒng)成本。本研究對(duì)于SDN的應(yīng)用場(chǎng)景、星地融合網(wǎng)絡(luò)的研究有一定的參考價(jià)值。

[1] 徐展琦,孫婷婷,肖永偉,等.LTE星地融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)及EPC實(shí)現(xiàn)方案[J].無(wú)線電工程,2014,44(6):10-12.

[2] Kota S,Giambene G,Kim S.Satellite Component of NGN:Integrated and Hybrid Networks[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2011,29(29):191-208.

[3] Amadeo M,Aranti G,Iera A,et al.A Satellite-LTE Network with Delay-Tolerant Capabilities:Design and Performance Evaluation[C]∥ Vehicular Technology Conference (VTC Fall).IEEE,2011:1-5.

[4] 張哲.基于NS-3的LTE星地融合網(wǎng)絡(luò)的性能仿真研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2015.

[5] 陳長(zhǎng)猛,曾維軍.LTE空中接口在衛(wèi)星通信中的適用性[J].無(wú)線通信技術(shù),2011,20(4):20-23.

[6] Tang Z,Zhao B,Wanrong Y,et al.Software Defined Satellite Networks:Benefits and Challenges[C]∥Computing,Communications and IT Applications Conference (ComComAp).IEEE,2014:127-132.

[7] Feng J,Jiang L,Shen Y,et al.A Scheme for Software Defined ORS Satellite Networking[C]∥ 2014 IEEE Fourth International Conference on Big Data and Cloud Computing (BdCloud).IEEE,2014:716-721.

[8] 陳濤,陶文金,楊琦.基于NS-3的MANET路由協(xié)議性能分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(8):55-58.

[9] Mckeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:Enabling Innovation in Campus Networks[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(2):69-74.

[10] 黃韜,劉韻潔,張智江,等.LTE/SAE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[11] 孫婷婷,徐展琦,吳龍彬,等.衛(wèi)星信關(guān)站硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案[J].電子科技,2014,27(11):123-127.

ConvergedSatelliteandTerrestrialLTENetworkBasedon
SDNandItsPerformanceSimulation

YIN Xian-bing1,XU Zhan-qi1,XIAO Yong-wei2,MA Tao1,SUN Chen-hua2

(1.State Key Laboratory of Integrated Service Networks,Xidian University,Xi’an Shaanxi 710071,China; 2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, the 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Software Defined Networking (SDN) technology separates the control function from the forwarding function,which makes network architecture simple and clear.Based on a brief introduction to advantages of traditional satellite network and terrestrial LTE networks,the converged satellite and terrestrial LTE network is reviewed.The converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN is proposed by applying SDN technology to satellite network.Then the simulation platform construction of the proposed converged network model is implemented by using the NS-3 network simulation software.The performance of the converged network is evaluated through analysis of simulation data under different scenarios,and the advantages of the converged satellite and terrestrial LTE network architecture based on SDN are given.

long term evolution;software defined network;converged satellite and terrestrial networks;network performance evaluation;simulation platform

TN927

A

1003-3114(2017)06-20-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.05

尹先兵，徐展琦，肖永偉，等.基于SDN的衛(wèi)星LTE融合網(wǎng)絡(luò)及其性能仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):20-23.

[YIN Xianbing,XU Zhanqi,XIAO Yongwei,et al.Converged Satellite and Terrestrial LTE Network Based on SDN and Its Performance Simulation[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):20-23.]

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61572391)

尹先兵(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)。徐展琦(1962—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：光網(wǎng)絡(luò)、寬帶衛(wèi)星、SDN/NFV。