面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统

摘要

本发明提出了一种面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统，采用了基于高层体系结构(HLA)规范的结构，具有可重用性和互操作性；能够实现多协议间，不同仿真系统平台间的数据通信，解决了不同协议间的数据无法识别、各仿真系统接口不规范的问题；能够实时真实传送每个数据包，传输效果明显，性能分析强；通过外接软件仿真真实传输场景提供实时动态通信环境数据；通过两个中继联邦模拟多个中继，演示面向深空DTN网络的多节点分段数据传输，通过多中继多跳分段传输，提高在深空中长距离、长时延环境下的传输效率；采集调度模块作为仿真平台的控制中心，一方面，采集当前仿真平台运行的实时相关数据实时显示出来，另一方面，对采集的数据进行有效分析，做出相关决策。本发明的仿真系统具备断续连接、存储转发及保管传输三大特性，这也很好适应了空间DTN网络传输特性。

说明书

技术领域

本发明属于深空通信仿真领域，涉及一种面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统。

背景技术

深空通信是深空探测任务顺利实施的重要保障，其面临着与传统地面无线通信截然不同的通信难题，例如：传输距离远，路径损耗大，传播时延长，链路易频繁中断等。

由于深空探测实验不易进行搭载测试，一个优良的仿真平台能够，准确模拟深空环境下的通信链路，分析并测试相关的技术和理论，是深空通信研究开展的必要保障。

当前较流行以下四款网络仿真器：

1) NS2：NS2(Network Simulator version 2)网络仿真器是一种面向对象的网络仿真器。NS2软件配有仿真过程动态观察器，可以在仿真运行结束后，动态察看仿真的运行过程，观察跟踪的数据。NS2功能强大，可扩展性强，执行效率高，已广泛应用于局域网、广域网、无线移动网和卫星网络的仿真。

2) OMNeT++:OMNeT++是一种离散事件仿真器，具备可嵌入式仿真内核和强大图形界面接口，可运行于多个操作系统平台，具备编程，调试和跟踪支持等功能并支持分布式并行仿真。

3) DTNsim：DTNsim是用Java语言编写的离散事件模拟器，用来模拟DTN(Distributed Transient Network，分布的瞬态网络)中传输中断或失败时的消息存储转发。DTNsim还支持消息的分片传送。如果一个消息传送过程中碰到连接关闭，而已经有消息分片成功被节点接收，那么该节点将会等待剩余的消息分片的到来。

4) ONE：ONE适用于DTN网络环境的路由协议和应用研究分析的模拟器，具有离散事件驱动、面向对象和模拟真实网络环境的特点。ONE将移动模型、DTN 路由和可视化的图形界面整合为一体，非常容易进行扩展，并可以提供大量的分析模型和结果报告。

虽然这四款仿真软件有着非常优秀的仿真性能，但是在仿真深空探测的数据通信方案时，存在着无法逾越的缺点：

1) NS2缺少对DTN网络环境很好的支持。同时，NS2进行多节点仿真时，不能够传输实际数据，这导致无法进行真实数据的传输。

2) OMNET++需要用户自己实现特定功能。同时，在NS2实验仿真大规模节点时，不能够传输真实数据，只能传输数据信息。

3) DTNsim是专门为DTN网络环境设计的模拟器。但是，它只是单纯地关注于路由的仿真。同时，在多节点仿真时，不能进行真实数据的传输。

4) ONE网络模拟器只实现了DTN协议的BP部分，在进行多节点仿真时，只是传送虚拟数据(数据信息的信息)，既不能实现真实数据传送也不能体现数据流向。

综上所述，NS2和OMNET++网络仿真器缺乏对DTN网络环境良好支持，需用户进行特定的开发。而DTNsim和ONE网络仿真器虽然是专门为DTN 网络环境设计的模拟器，但是都有各自的缺陷。而且在多节点仿真时，其都只能模拟虚拟数据传输，不能进行真实数据传送，不能满足深空协议仿真的要求，无法实现深空协议仿真。

例如，中国专利文献1(CN102821159 A）记载了一种面向深空通信的分布式仿真系统，该系统包括功能仿真组件，仿真环境产生及更新组件、仿真性能分析与记录组件，其中，功能仿真组件包括探测星联邦成员、中继星联邦成员、速率控制联邦成员、地面站联邦成员，仿真环境产生及更新组件包括深空环境联邦成员，仿真性能分析与记录组件包括数据采集联邦成员。虽然，文献1提到了中继星联邦成员可以有多个，但是，文献1并未给出多个中继星联邦成员如何实现基于多个中级卫星的多跳通信仿真。

深空通信由于超远距离通信造成的路径损耗非常巨大，传输时延长。在现有技术条件下无中继端到端链路传输无法满足要求，当前的空间DTN网络具有：多中继、长时延、频繁中断、文件保管传输等特点，通过利用多中继节点、分段协作完成数据传输。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统，能仿真演示多中继节点分段协作数据传输、模拟链路频繁中断、实现文件传输协议的平台，从而能在地面演示深空文件多中继传输，为深空多节点传输通信方案提供技术支持。

本发明通过如下技术方案实现：

一种面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统，包括：深空探测联邦成员、中继星联邦成员I、中继星联邦成员II、地面站联邦成员、深空环境联邦成员和采集调度联邦成员；

其中，深空探测联邦成员，用于实现数据收集，并按照需要仿真的协议对数据进行处理，然后发送出去至中继星联邦成员；

中继星联邦成员I和中继星联邦成员II，用于实现数据通信过程中的数据中继传输；

地面站联邦成员，作为探测数据的接收端，用于接收中继星联邦成员发送的数据，实现数据的恢复处理；

深空环境联邦成员，用于生成深空环境数据并通过广播的方式，实时对整个仿真系统中的各个联邦成员中的所述深空环境数据进行更新；

数据采集调度联邦成员，用于实现对仿真过程中的数据参量的记录存储和多中继节点传输路由选择。

在数据采集调度联邦成员的调度下，通过中继星联邦成员I和中继星联邦成员II交替实现每一跳中不同的多个中继节点。

进一步地，所述在数据采集调度联邦成员的调度下，通过中继星联邦成员I和中继星联邦成员II交替实现每一跳中不同的多个中继节点具体为：数据采集调度成员依据确定的场景信息，将其广播给各个数据模块；中继星联邦成员I和中继星联邦成员II收到场景信息后，进行相应场景的匹配；采集调度联邦成员通过采集仿真场景各个节点间链路信息并据此确定传输路由，从而确定各跳多个节点上所选择的节点，再通知给中继星联邦成员I和中继星联邦成员II。

进一步地，所述仿真过程中的数据参量包括节点间链路信息、数据当前传输进度和路由选择。

进一步地，所述深空环境联邦成员通过卫星工具包软件STK产生深空环境数据。

进一步地，所述面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统采用C++代码实现。

本发明的有益效果是：本发明的面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统1）采用了基于高层体系结构 (HLA)规范的结构，具有可重用性和互操作；2）能够实现多协议间，不同仿真系统平台间的数据通信，解决了不同协议间的数据无法识别、各仿真系统接口不规范的问题；3）不同一般仿真系统模拟虚拟数据传输，本发明的仿真系统对待传输的数据拆分打包，实时真实传送每个数据包，传输效果明显，性能分析强；4）不同于传统的给出某几项参数的值，本发明的仿真系统通过外接软件仿真真实传输场景提供实时动态通信环境数据。例如，通信实时的距离、实时链路状态、实时信号的损耗等，避免了传统取定值方法带来的不可忽略的差错；5）本发明的仿真系统通过两个中继联邦模拟多个中继，演示面向深空DTN网络的多节点分段数据传输。通过多跳（每跳多中继）分段传输，提高在深空中长距离、长时延环境下的传输效率。6)本发明的仿真系统采集调度模块作为仿真平台的控制中心，一方面，采集当前仿真平台运行的实时相关数据（比如当前数据传送的百分比，各数据传送器间的链路信息等），实时显示出来；另一方面，对采集的数据进行有效分析，做出相关决策（比如控制数据传输情况），使整个平台有效真实的进行数据传送；7）本发明的仿真系统具备断续连接、存储转发及保管传输三大特性，这也很好适应了空间DTN网络传输特性。

附图说明

图1是本发明的深空多中继卫星通信的分布式仿真系统的结构图；

图2是本发明的两个中继模块模拟多中继的实现过程；

图3是延迟型CFDP协议传输模型示意图；

图4是本发明的深空多中继卫星通信的分布式仿真系统工作流程图；

图5是本发明的系统的数据采集调度模块工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

仿真深空DTN网络传输一个难点在于实时提供仿真链路数据。本发明的仿真系统引入外接深空场景模拟软件卫星工具包(STK)，配置需仿真的深空场景，自动实时产生各节点间的链路信息及运动轨道变化等信息，为仿真提供真实链路信息。

基于HLA的分布式仿真平台，本发明的仿真系统多节点模拟通信过程、实时指标提取和动态显示。如附图1所示，本发明的仿真系统由五个联邦成员构成，分别是：深空探测联邦成员、中继星联邦成员(2)、地面站联邦成员、深空环境联邦成员和采集调度联邦成员。其中，通过两个中继联邦成员(I、II)交替模拟不同跳的多个中继节点完成数据传输。

本发明的仿真系统的各个联邦成员如下：

深空探测联邦成员：实现数据收集，并按照需要仿真的协议或者编码方案对数据进行处理，然后发送出去，后向目标是中继星联邦成员(n)。在整个仿真系统中的作用是：1.探测数据的收集；2.按照具体的协议或者编码方案对数据进行处理；3.数据流发送端，后向接点是中继星联邦成员。

中继星联邦成员(I、II)：在通信过程中的传输中继，中继星联邦成员的作用是：1.实现信号放大转发作用；2.体现各中继星的性能，状态；3.数据流中间环节，最终前向节点是探测星联邦成员，最终后向节点是地面站联邦成员(多级)。

地面站联邦成员：是整个仿真系统中探测数据接收端，实现探测数据的恢复处理工作。地面站联邦成员的作用是：1.接收系统中数据流并依照相应的编码或者协议恢复探测数据；2.系统中数据流的终点，其前向节点是中继星联邦成员。

深空环境联邦成员：在整个仿真系统中起着非常重要的作用，它保证了，整个仿真过程是在真实的深空环境中进行的，此联邦成员为辅助性成员，并不直接参与仿真系统中数据流的传递。深空环境联邦成员生成这些深空环境数据后，实时将这些数据在整个仿真网络中进行更新。深空环境联邦成员的作用是：实时产生深空环境数据并通过广播的方式，使系统中的各个联邦成员对数据进行实时更新。

数据采集调度联邦成员：实现对仿真过程数据参量的记录存储和多节点传输路由选择，此联邦成员为系统仿真的控制成员，不直接参与仿真数据流的流动。例如节点间链路信息、数据当前传输进度和路由选择。数据采集调度联邦成员的作用是：1.实现对仿真系统性能数据的提取和存储；2.对仿真的编码方案或者协议方案在仿真中的性能给与初步的判断。

下面着重介绍仿真多中继节点组网传输的实现，主要包括以下三个方面：

（1）两个中继模块的实现

为了体现真实数据流动，易于仿真演示平台后续开发（比如增加硬件信道模块），各中继节点应单独实现（如一台电脑实现一个节点），这样遇到难点：仿真多中继节点时，需要耗费大量硬件资源。本发明提出利用两个中继模块模拟实现多个中继节点的数据传输，完成仿真。两个中继模块本质上相同，只是由于模拟多节点时担任不同的角色而已。就单个中继而言应具有：存贮转发功能，而且依据链路的特性实时调整数据传输速率；具有模拟多节点的功能。

附图2是两个中继模块模拟多中继实现过程。仿真场景为火星发送数据，经过火星中继卫星（2个，A和B）—月球中继卫星（C）—地球中继卫星（D）的存贮转发，最终到达地球基站。总过程分为四段传输，假定红色链路为确定路由选择（即火星—A—C—D—地球）。

利用两个中继模块（I和II）模拟整个中继网（A、B、C和D），完成多中继节点分段协作传输。具体实现过程：深空通信场景运行，探测星（火星探测车）发送数据到火星中继卫星A，此时用中继模块I模拟A接收数据；存贮转发给下一跳月球中继卫星节点C，此时用中继模块II模拟C接收数据，存贮转发给下一跳地球中继卫星节点D；此时，中继模块I身兼两职，在模拟A的同时模拟地球中继卫星D，接收从上一节点C发来的数据，存贮转发给下一跳地球基站，最终地球基站接收数据完成整个深空通信仿真。上述方案的优势在于：与直接实现多中继相比，节约硬件资源；与用单个中继模块模拟相比，体现真实数据流动，易于后续扩展。

（2）深空环境模块的实现

深空环境模块基于收到的拓扑图信息，配置相应的深空真实传输场景。通过模拟深空真实场景来为平台实时提供深空链路信息，主要包括：深空DTN网络中各个物体间的链路实时连通情况（链路通断）、链路质量（误码率）和链路距离等。

利用STK来模拟整个从火星探测车经过中继网络，最后到达地球基站的链路级仿真的各个星体和其卫星等。此深空环境场景包括：

星体，有火星和地球，分别用于承载火星探测车和地球基站；

卫星，由一定量的火星中继卫星、月球中继卫星和地球中继卫星，组成了中继网络，负责对数据进行存贮转发；

火星探测车和地球基站，负责数据的发送和最后接收。

以上基本就涵盖了所需要仿真的深空环境场景，其中星体、火星探测车和地球基站是固定的，对于每个场景来说都是一样的。由于中继卫星的种类和数量的不同而造就了最后深空环境DTN网络场景的不同，从而也造就了仿真平台可以仿真任意（基于真实情况，应该在一定范围内）中继场景的深空环境，增强了仿真平台的可扩展性。

（3）采集调度模块的实现

多中继多跳分段传输的有序进行离不开合理的调度。基于对实时采集当前传输链路信息和传输进度分析，确定数据传输路由，保障多节点中继传输有效可靠完成。本发明的仿真系统提供路由选择接口，可供自由实现特定路由算法。

采集调度模块作为本发明的仿真系统的核心，具有中心主导地位。一方面，负责采集当前仿真平台运行的实时相关数据（比如当前数据传送的百分比，各数据传送器间的链路信息等），实时显示出来；另一方面，对采集的数据进行有效分析，做出相关决策（比如控制数据传输情况），使整个平台有效真实的进行数据传送。

采集调度模块主要通过以下四个方面来实现的：

a.根据拓扑结构，自动建立相应真实场景，仿真深空通信环境，实时提供链路信息。

b.调度模块根据采集的链路信息和数据传输状态，实时更新拓扑结构图和各物体间位置关系。

c.依据当前拓扑结构图实时确定传输路由，完成调度传输。由于中继节点接收数据即收即发（收到数据后即刻存贮转发给下一跳中继节点），所以选择路由在一开始就已经确定了，本平台采取的路由选择策略是：首先，选择下一跳节点有链路的作为传输节点，但是，当下一跳有链路的节点有多个时，选择距离最近的作为传输节点。当然，复杂的路由算法也可以在本发明的仿真系统中实现。

d.采集当前数据传输进度及传输速率，实时显示。

在数据采集调度联邦成员的调度下，通过中继星联邦成员I和中继星联邦成员II交替实现每一跳中不同的多个中继节点具体为：数据采集调度成员依据确定的场景信息（主要是中继网的场景信息，如“3-2-4；”），将其广播给各个数据模块。中继星联邦成员I和中继星联邦成员II收到场景信息后，进行相应场景的匹配：中继星联邦成员I模拟对应的位于奇数位置的中继节点，如“3”和“4”；对应的，中继星联邦成员II模拟对应的位于偶数位置的中继节点，如“2”，从而从整体上确定中继星联邦成员I和II模拟多跳中继中的属性。进而，采集调度联邦成员通过采集仿真场景各个节点间链路信息（链路通断和距离等），依据此确定传输路由（传输路由算法的选择可以自主定义，这里选择的简单的1对1的分段传输，首先选择从下一跳中链路连通的节点中选择；如果链路连通的节点有多个，则选择距离最近的那个节点），从而确定各跳多个节点上所选择的节点，再通知给中继I和II。这样从部分上，中继星联邦成员I和中继星联邦成员II就确定了自己所实现的节点属性的具体节点身份。从而在数据采集调度联邦成员的调度下，通过中继星联邦成员I和中继星联邦成员II交替实现每一跳中不同的多个中继节点模拟。

以仿真CFDP协议为例，简单说明仿真过程：

CFDP协议是国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）建议使用的灵活、高效的空间信道数据传输协议。CFDP是基于实际的文件存储，协议可以用来在实体间传输数据块。本发明的仿真系统采用延迟否定型CFDP协议，其传输机理如附图3所示。

本发明的仿真系统的工作流程如附图4所示。此流程图是以CCSDS建议的文件传输协议（延迟型CFDP）为仿真任务而设计。

本发明的仿真系统使用C++、界面用MFC实现。仿真场景为：

从附图5中可以清晰看到数据采集调度联邦中，实时更新仿真空间DTN网络拓扑结构（左上），显示当前传输路由各段链路的链路信息（下）以及采集显示图像数据实时传输进度（右上）。

仿真结论：

u 仿真系统成功的完成了CFDP协议的仿真，且实际仿真重传次数与理论值相符合。

u 经过多次仿真得知，当深空通信数据传输中，利用多中继多跳组网传输，比单中继点对点传送的效率高。

本发明的面向深空多中继卫星通信的分布式仿真系统具有以下优点：1）采用了基于高层体系结构 (HLA)规范的结构，具有可重用性和互操作性的特点。可重用性能够保证在相对最短的时间内，以最小的成本开发出符合要求的仿真系统。互操作性，能够保证系统各个功能成员间进行实时的协调沟通；2）能够实现多协议间，不同仿真系统平台间的数据通信，解决了不同协议间的数据无法识别、各仿真系统接口不规范的问题；3）不同一般仿真系统模拟虚拟数据传输，本发明的仿真系统对待传输的数据拆分打包，实时真实传送每个数据包，传输效果明显，性能分析强；4）不同于传统的给出某几项参数的值，本发明的仿真系统通过外接软件仿真真实传输场景提供实时动态通信环境数据。例如，通信实时的距离、实时链路状态、实时信号的损耗等，避免了传统取定值方法带来的不可忽略的差错；5）本发明的仿真系统通过两个中继联邦模拟多个中继，演示面向深空DTN网络的多节点分段数据传输。通过多跳（每跳多中继）分段传输，提高在深空中长距离、长时延环境下的传输效率。6)本发明的仿真系统采集调度模块作为仿真平台的控制中心，一方面，采集当前仿真平台运行的实时相关数据（比如当前数据传送的百分比，各数据传送器间的链路信息等），实时显示出来；另一方面，对采集的数据进行有效分析，做出相关决策（比如控制数据传输情况），使整个平台有效真实的进行数据传送；7）本发明的仿真系统具备断续连接、存储转发及保管传输三大特性，这也很好适应了空间DTN网络传输特性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。