一种基于多代理的卫星网仿真平台的构建方法

摘要

一种基于多代理的卫星网仿真平台的构建方法主要用于解决接近于卫星网真实运行环境的仿真的问题。该方案主要特征在于通过代理运行环境模拟卫星实体、静止代理模拟卫星各功能设施、移动代理在代理运行环境(卫星节点)之间的迁移模拟卫星间的信息交互。该方案还提供了地面监控中心模块，具有良好的交互性和可扩展性。通过使用本发明提出的卫星网络仿真平台可以在任一移动代理平台上方便地部署开发接近于卫星网真实运行环境的仿真平台，有助于提高卫星网实验的真实性、有利于推进卫星网的深入研究。

说明书

技术领域

本发明是一种基于多代理的卫星网仿真平台构建方案。主要用于解决接近于卫星网真实运行环境的仿真平台构建问题，属于软件技术领域。

背景技术

随着因特网在全球范围内的广泛应用和卫星技术的发展，卫星网将逐渐成为下一代因特网的一个重要的基础部分。卫星网不仅能够提供全球覆盖，具有连续的高带宽性能，而且还支持灵活和可扩展的网络配置。当前，全球有一半以上的区域不能通过地面网络覆盖，但通过使用卫星接口，在本地构建的网络可以很方便地与世界其它地方实现互联，并且卫星网络也可以作为地面网络的一个可选备份。在许多卫星星座中，卫星间的星际链路提供了卫星间的通讯路径，这些路径可以携带网络管理信息和数据包。

在卫星网络化、信息化进程中，卫星组网及路由协议的设计成为其中的关键技术和难点。由于卫星网络本身的特点，使得物理实验研究方式的可行性不高，比较实际的方法是通过软件仿真来验证其网络性能。因此，必须针对卫星网建立一个基于软件的模拟仿真平台。目前在卫星网组网及协议研究中通常采用的是针对某一个特定的卫星星座或路由协议设计局部的仿真方案，常用的仿真软件主要有STK、OPNET、ns2。

STK：仅提供了卫星网运行环境的模拟，不支持路由算法的仿真，具有局限性。

OPNET：本身不支持卫星网的仿真。当前在OPNET进行的仿真都是根据卫星网运行具有周期性规律的特点，利用卫星网拓扑变化的周期性，将卫星网按照运行周期划分为相对细小的多个个时隙，在这些时隙内，卫星之间相对位置有所变化，但它们之间的星际链路没有变化，拓扑也没有改变。根据这些拓扑情况搭建多个网络，在每个时隙的初始更新网络拓扑来实现对卫星网运行情况的模拟。

ns2：可以在ns2中仿真极地轨道的地轨道以及同步地球卫星网络。因为采用离散事件驱动的仿真机制，周期性更新网络拓扑，与OPNET类似，只能反应卫星网的局部运行情况。ns2不支持多线程，也不支持网络，不能在多台机器上运行，所有的卫星节点只能部署在一台机器上，卫星节点间没有真实地发送和接收数据包。

鉴于目前卫星网仿真软件的实际情况，仿真环境与实际卫星网络的运行环境相去甚远，研究一个接近于卫星网真实运行环境的仿真系统有助于提高卫星网实验的真实性、有利于推进卫星网的深入研究。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于多代理的卫星网仿真平台的构建方法，来解决接近于卫星网真实运行环境的仿真的问题。通过使用本发明提出的方法可以在任何一个移动代理平台上方便地开发部署接近于真实运行环境的卫星网仿真系统。

技术方案：本发明的方法是在移动代理平台上部署多代理、利用多代理之间的交互来开发接近于真实运行环境的卫星网仿真系统。实际的卫星组网非常复杂，该方法真实地模拟了卫星网的组网和实时运行情况，有助于提高卫星网实验的真实性、有利于推进卫星网的深入研究。

一个卫星网通常包括卫星节点、星际链路、地面监控中心。卫星节点通常包括卫星实体、卫星位置管理(绕地飞行)功能、通信管理功能、业务功能。

本发明的基于多代理的卫星网仿真平台的构建方法中，仿真平台基于移动代理平台，使用代理运行环境模拟卫星实体和地面监控中心实体，静止代理模拟卫星、地面监控中心各功能设施；卫星之间、卫星与地面监控中心间的信息交互使用移动代理在代理运行环境间的迁移来模拟，其方法如下：

1)代理运行环境——卫星代理处模拟卫星实体，提供卫星功能设施模块的运行环境；

2)位置管理静止代理根据卫星星座实时修改卫星轨道参数来模拟卫星绕地飞行；

3)通信管理静止代理生成3个子静止代理，包括：物理层静止代理、数据链路层静止代理、网络层静止代理，分别模拟卫星实体的物理层、数据链路层、网络层；

3a)卫星实体间星际链路的实现由物理层静止代理生成的物理层探测移动代理和物理层应答移动代理在相邻卫星节点间迁移来完成；

3b)数据链路层静止代理、网络层静止代理生成相应移动代理在卫星节点间的迁移实现卫星实体相应层间的交互；

4)代理运行环境——地面监控中心代理处，提供地面监控中心各功能设施模块的运行环境；

5)地面监控中心静止代理监控网络中卫星节点的运行，实时派遣地面监控中心移动代理收集卫星网中所有卫星的运行状态。必要时地面监控中心静止代理向指定卫星派遣地面监控中心移动代理修正该卫星运行参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于多代理的卫星网仿真平台的构建方法，其特征在于卫星实体间星际链路的实现，包括物理层探测移动代理的生成，探测移动代理迁移及其到达目的节点的行为，物理层应答移动代理生成、迁移及其到达目的节点的行为，具体流程分别详细叙述如下：

物理层探测移动代理的生成流程：

a1)物理层静止代理定期与位置管理静止代理交互，根据卫星所处的位置决定所有星际链路的工作情况，开启满足链路建立条件的星际链路，关闭不满足链路建立条件的星际链路；

a2)物理层静止代理生成物理层探测移动代理，物理层探测移动代理携带本卫星节点位置信息经过打开的星际链路向可达的邻居卫星节点迁移；

物理层探测移动代理迁移到目的卫星节点后的行为流程：

b1)目的卫星节点的物理层静止代理先与位置管理静止代理交互获取目的卫星节点位置信息，再与物理层探测移动代理交互获取物理层探测移动代理携带的源卫星节点的位置信息，根据两颗卫星间的位置信息计算星际链路是否满足开启条件，如满足，执行b2)，否则，

●物理层探测移动代理生成物理层应答移动代理通知对端卫星即源卫星关闭物理层探测移动代理经过的星际链路，

●关闭物理层应答移动代理经过的星际链路，

●转b3)，

b2)进行以下工作：

●使用物理层探测移动代理携带的源卫星位置信息和目的卫星的位置信息计算传播时延更新物理层探测移动代理经过星际链路的传播时延，

●物理层静止代理生成物理层应答移动代理，物理层应答移动代理携带目的卫星(物理层应答移动代理当前所在卫星)节点的位置信息，

●转b3)，

b3)进行以下工作：

●物理层应答移动代理沿物理层探测移动代理经过的星际链路向源卫星节点迁移，

●撤销物理层探测移动代理；

物理层应答移动代理迁移到目的卫星节点后的行为流程：

c1)目的卫星节点的物理层静止代理先与物理层应答移动代理交互获取星际链路是否满足建立条件，如满足，执行c2)，否则，进行以下工作：

●关闭物理层应答移动代理经过的星际链路，

●撤销物理层应答移动代理；

c2)进行以下工作：

●使用物理层应答移动代理携带的源卫星位置信息和目的卫星位置信息计算传播时延更新物理层应答移动代理经过星际链路的传播时延，

●撤销物理层应答移动代理。

有益效果：本发明方法提出了一种基于多代理的卫星网仿真平台的构建方案，来解决接近于卫星网真实运行环境的仿真的问题。通过使用本发明提出的方法可以避免传统仿真软件只能模拟理想化的卫星网运行情况。理想化的卫星网通常只是卫星网运行的一个局部模型，没有考虑卫星网运行的复杂性和无线信号环境，得到的仿真结果往往存在很大失真。

下面我们给出具体的说明：

良好的交互性：传统仿真软件没有考虑提供地面监控中心，与用户的交互性差。我们设计的仿真平台提供了地面监控中心，通过地面监控中心能够实时了解卫星网络中每个卫星节点的运行状态以及全网运行情况，根据卫星网运行情况能够实时修正卫星节点的运行参数。

真实性：本仿真平台是基于现有的代理平台搭建的，而代理平台的与生俱来的支持网络的特点。使用卫星代理处模拟不同的卫星实体、静止代理模拟卫星功能设施、移动代理模拟卫星网的星际链路的实际建立过程以及卫星节点间的信息交互，而各卫星代理处可以部署在不同的主机上，各卫星节点分布式的运行，使在仿真平台上搭建的卫星网更加接近于卫星网的真实运行环境，从而在该仿真平台上得到的仿真结果更真实。

高效性：本发明中，各卫星节点是分布式运行的，部署在不同主机上的卫星节点(取决于搭建方案)完全独立运行，有效提高分布式路由算法仿真效率。

可扩展性：本发明提供的构建方案，只需替换相应的代理就可以扩展仿真平台的功能，具有良好的可扩展性。如：修改卫星位置管理代理就可以仿真不同的卫星星座。

通过使用本发明提出的方法可以在任何移动代理平台上方便地开发部署接近于卫星网的真实情况的仿真系统。

附图说明

图1是卫星节点的总体结构。

图2是卫星节点间交互。

图3是移动代理迁移路线图，其中图3a、图3b是移动代理源端，图3c、图3d是移动代理目的端(以业务层移动代理为例)。

图4是卫星节点物理层探测移动代理生成流程。

图5是卫星节点收到物理层探测移动代理、应答移动代理处理流程图。

图6是基于本发明方法提出的一个卫星网络仿真平台搭建模型。

具体实施方式

本发明中，使用代理运行环境模拟卫星实体和地面监控中心实体，静止代理模拟卫星、地面监控中心各功能设施；卫星之间、卫星与地面监控中心间的信息交互使用移动代理在代理运行环境间的迁移来模拟，其方法如下：

1)代理运行环境——卫星代理处模拟卫星实体，提供卫星功能设施模块的运行环境；

2)位置管理静止代理根据卫星星座实时修改卫星轨道参数来模拟卫星绕地飞行；

3)通信管理静止代理生成3个子静止代理，包括：物理层静止代理、数据链路层静止代理、网络层静止代理分别模拟卫星实体的物理层、数据链路层、网络层；

4)物理层静止代理、数据链路层静止代理、网络层静止代理生成相应移动代理在卫星节点间的迁移实现卫星实体相应层间的交互；

5)代理运行环境——地面监控中心代理处，提供地面监控中心各功能设施模块的运行环境；

6)地面监控中心静止代理监控网络中卫星节点的运行，实时派遣地面监控中心移动代理收集卫星网中所有卫星的运行状态。必要时地面监控中心静止代理向指定卫星派遣地面监控中心移动代理修正该卫星运行参数。

一、体系结构

基于多代理的卫星网仿真平台是一种解决接近于卫星网真实运行环境的仿真平台的构建技术，该平台主要是利用多代理技术来构建卫星网的运行情况，对卫星的各主要构成部分实现了模块化设计，主要包括卫星实体、卫星位置管理模块、通信管理模块、业务模块、地面监控中心。其中通信管理模块由物理层模块、数据链路层模、网络层模块组成。

下面我们给出几个具体部分的说明：

卫星实体：卫星实体是指组成卫星网络的各具体卫星，它们是卫星网络通信的主体，完成卫星网中的各种功能。针对卫星实体中的各个部分在卫星通信中所起的作用，并按照模块化设计，卫星实体包括卫星位置管理模块、通信管理模块、业务模块。其中通信管理模块由物理层模块、数据链路层模、网络层模块组成。

卫星代理处模拟卫星实体，提供卫星功能设施模块的运行环境。在卫星代理处中创建不同的静止代理，来模拟卫星实体各功能模块的功能。静止代理向外部提供访问和操作的接口，静止代理根据需要创建探测移动代理和应答移动代理。

卫星位置管理模块：位置管理模块模拟卫星网的绕地飞行功能，主要包括：

(1)卫星位置：模拟卫星绕地飞行实时经纬度。

(2)参数修正：修正卫星的飞行参数，即：绕地飞行速率、轨道高度、轨道号、实时经纬度等。

位置管理静止代理实现以上功能。

通信管理模块：通过通信管理静止代理实现，该模块包括物理层模块、数据链路层模、网络层模块。卫星通信管理静止代理生成3个子静止代理，包括：物理层静止代理、数据链路层静止代理、网络层静止代理；

卫星物理层模块：物理层模块主要模拟卫星实体间的星际链路物理特性和物理功能，即卫星的物理层功能，主要包括：

(1)物理无线信号模拟：模拟物理层无线信号的发送和接收。

(2)物理链路状态维护：根据卫星当前位置和无线信号的接收情况实时更新卫星的星际链路状态。

(3)传播时延模拟：模拟物理层无线信号在卫星节点间的传播时延。

实现以上功能需要两类代理，即，物理层静止代理和物理层移动代理。物理层移动代理包括：物理层探测移动代理、物理层应答移动代理。其中物理层静止代理只有一个，物理层探测移动代理和物理层应答移动代理可有多个。

●物理层静止代理用来维护物理层链路的工作状态。物理层静止代理与物理层移动代理交互获取物理层移动代理携带的信息。

●物理层移动代理在相邻卫星实体间迁移模拟无线信号，物理层移动代理的迁移情况反应了星际链路工作情况。物理层静止代理根据需要生成物理层探测移动代理和物理层应答移动代理。

卫星数据链路层模块：数据链路层模块模拟卫星实体的数据链路层功能，主要包括：

(1)发送缓存：卫星实体发送数据包时临时存储数据包。

(2)接收缓存：卫星实体接收数据包时临时接收数据包。

(3)数据链路状态维护：根据链路状态实时更新数据链路层状态。

实现以上功能需要两类代理，即，数据链路层静止代理和数据链路层移动代理。数据链路层移动代理包括：数据链路层探测移动代理、数据链路层探测移动代理，其中数据链路层静止代理仅一个，数据链路层探测移动代理和数据链路层探测移动代理可以有多个。

●数据链路层静止代理用来维护数据链路层的发送缓存和接收缓存、实时更新数据链路层状态。与物理层静止代理交互获取物理层的信息。与数据链路层移动代理交互获取其携带的信息。

●数据链路层移动代理在相邻卫星间迁移反应了数据链路层状态。数据链路层静止代理根据需要决定何时生成链路层探测移动代理。

卫星网络层模块：网络层模块模拟卫星实体网络层功能，主要包括：

(1)路由协议：根据不同的路由算法实现不同的路由协议。

(2)转发数据包：网络层数据包的转发。

需要通过三类代理，即，网络层静止代理和网络层移动代理。网络层移动代理包括：网络层探测移动代理和网络层应答移动代理，其中网络层静止代理一个，网络层探测移动代理和网络层应答移动代理多个。

●网络层静止代理用来实现路由算法的计算和数据包的转发。与数据链路层静止代理交互获取数据链路层的信息。与网络层应答移动代理交互获取其携带的信息。

●网络层探测移动代理在卫星间迁移探测网络运行状态。网络层静止代理根据需要决定何时生成网络层探测移动代理。

卫星业务模块：业务模块模拟业务数据流的产生发送和接收。

通过两类代理，一个应用层静止代理和多个应用层移动代理。

●应用层静止代理用来实现业务数据流的产生和接收。

●应用层移动代理实现携带业务数据流。

地面监控中心模块：地面监控中心模块模拟对整个卫星网的监控。

通过两类代理，即，一个地面监控中心静止代理和地面监控中心移动代理。

●地面监控中心静止代理用来实现地面监控中心功能。

●地面监控中心移动代理在卫星节点间迁移获取卫星节点运行状态，接收地面监控中心静止代理派遣到目的卫星节点修改更新卫星节点的运行参数。

二、方法流程

卫星网仿真平台中，物理层模块主要实现卫星实体间星际链路工作状态的模拟。所以卫星实体间的星际链路的实现十分关键，关系到仿真平台是否能正常工作。卫星实体间的星际链路的实现包括物理层探测移动代理的生成，探测移动代理迁移及其到达目的节点的行为，物理层应答移动代理生成、迁移及其到达目的节点的行为，具体流程分别详细叙述如下。

物理层探测移动代理的生成流程：

(1)物理层静止代理定期与位置管理静止代理交互，根据卫星所处的位置决定所有星际链路的工作情况，开启满足链路建立条件的星际链路，关闭不满足链路建立条件的星际链路；

(2)物理层静止代理生成物理层探测移动代理，物理层探测移动代理携带本卫星节点位置信息经过打开的星际链路向可达的邻居卫星节点迁移；

物理层探测移动代理迁移到目的卫星节点后的行为流程：

(1)目的卫星节点的物理层静止代理先与位置管理静止代理交互获取目的卫星节点位置信息，再与物理层探测移动代理交互获取物理层探测移动代理携带的源卫星节点的位置信息，根据两颗卫星间的位置信息计算星际链路是否满足开启条件，如满足，执行(2)，否则，

●物理层探测移动代理生成物理层应答移动代理通知对端卫星即源卫星关闭物理层探测移动代理经过的星际链路，

●关闭物理层应答移动代理经过的星际链路

●转(3)。

(2)进行以下工作：

●使用物理层探测移动代理携带的源卫星位置信息和目的卫星的位置信息计算传播时延更新物理层探测移动代理经过星际链路的传播时延，

●物理层静止代理生成物理层应答移动代理，物理层应答移动代理携带目的卫星(物理层应答移动代理当前所在卫星)节点的位置信息，

●转(3)。

(3)进行以下工作：

●物理层应答移动代理沿物理层探测移动代理经过的星际链路向源卫星节点迁移，

●撤销物理层探测移动代理；

物理层应答移动代理迁移到目的卫星节点后的行为流程：

(1)目的卫星节点的物理层静止代理先与物理层应答移动代理交互获取星际链路是否满足建立条件，如满足，执行(2)，否则，进行以下工作：

●关闭物理层应答移动代理经过的星际链路，

●撤销物理层应答移动代理；

(2)进行以下工作：

●使用物理层应答移动代理携带的源卫星位置信息和目的卫星位置信息计算传

播时延更新物理层应答移动代理经过星际链路的传播时延，

●撤销物理层应答移动代理。

数据链路层、网络层模块实现流程如下：

(1)各层静止代理完成不需要交互的功能；

(2)各层移动代理完成该层需要交互才能完成的功能。

地面监控中心实现流程如下：

(1)地面监控中心静止代理用来实现地面监控中心功能。

(2)地面监控中心移动代理在卫星节点间迁移获取卫星节点运行状态、修改更新卫星的运行参数。

各移动代理在卫星节点中的处理流程：

源卫星节点派遣移动代理时，按照从上到下与各层静止代理交互，各层静止代理生成本层对应的移动代理，并将上层传下来的移动代理作为其数据部分。如此操作直到到达物理层迁移出去。移动代理迁移到目的卫星代理处后，处理步骤相反，直至到达目的层。

为了方便描述，我们以部署基于多代理的卫星网仿真平台为例详细说明仿真平台的部署流程。卫星网仿真平台的部署流程如下所述。

卫星节点的部署：

(1)选择多台计算机，用交换机将机器搭建成局域网，并在机器上部署移动代理平台。根据仿真的需要决定计算机的数量，一台计算机上可以部署一个卫星节点，也可以部署多个卫星节点。下面一台计算机上部署多个卫星节点为例。

(2)部署多个卫星节点由代理运行环境，在每个代理运行环境中进行以下部署：

2a)部署位置管理静止代理，部署时需要指定卫星的经度、纬度、所在轨道的倾斜角、轨道高度等卫星运行参数；

2b)部署通信管理静止代理，通信管理静止代理自动部署：

●物理层静止代理。

●数据链路层静止代理，需要指定缓存大小等参数。

●网络层静止代理。

2c)部署业务层静止代理；

地面监控中心的部署：

(1)选择一台服务器，将服务器连接到前面搭建的局域网上，并在机器上部署移动代理平台；

(2)部署地面监控中心代理处；

(3)在地面监控中心代理处中部署地面监控中心静止代理；

至此部署全过程结束。