基于Iridium系统卫星网络路由算法的OPNET建模与仿真

基于Iridium系统卫星网络路由算法的OPNET建模与仿真李永斌;徐友云;许魁【摘要】With the wide application of Internet and the rapid development of satellite technology,satellite network gradually becomes an important part of the next generation Internet.For the OPNET does not provide standard satellite and satellite router module,certain difficulty is inevitable brought to the simulation of satellite network.In view of the Iridium satellite network,this paper puts forward a kind of OPNET routing simulation model is proposed.The simulation model is mainly composed of satellite network,satellite node domains and routing processdomain,satellite network domain implements the dynamic change of network topology;node domain simulate data generation and sending receiving;routing process domain completes the specific implementation of routing algorithm.To test the performance of the model,the simulation analysis is done on the average routing hop and delay performance of the satellite algorithm routing.Simulation results show that the proposed simulation model is correct and feasible,and of a certain generality,could provide a simple and effective way for satellite communication network performance simulation and analysis.%互联网的普及和空间卫星技术的不断飞速发展,使空间卫星网络技术逐渐成为下一代通信网络的研究热点之一.由于OPNET缺少相应的标准卫星模块,必然使得空间网络的仿真存在一定的难度.针对Iridium系统卫星网络,搭建一种OPNET路由仿真模型.该仿真模型主要由三部分组成:卫星网络域、卫星节点域和路由进程域.卫星网络域构建整体的网络拓扑结构及卫星运行轨迹;节点域模拟数据的生成和收发;进程域完成路由算法的操作.为了检验模型,仿真分析了一种星上路由算法的平均路由跳数与延时性能.仿真结果表明,所提仿真模型与理论研究相符合,且不仅可以通过修改路由进程域实现多种路由算法策略,还可以为后续卫星网络抗毁性能的研究提供一种简单有效的技术手段.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2017(050)004【总页数】7页(P707-713)【关键词】卫星网络;STK;Iridium系统;OPNET建模【作者】李永斌;徐友云;许魁【作者单位】解放军理工大学通信工程学院无线通信中心,江苏南京210007;解放军理工大学通信工程学院无线通信中心,江苏南京210007;解放军理工大学通信工程学院无线通信中心,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN927.2近年来，卫星网络技术的蓬勃发展，使卫星网络成为现代通信网络研究的热点之一。

由于建立卫星网络的时间周期长、投入资源大以及网络建成后不易变动等特点，必须在建立网络前对其进行精确的模拟仿真验证。

在本文仿真中，选用STK和OPNET作为卫星轨道参数与卫星网络仿真的主要仿真软件。

STK是一款优秀的卫星轨道仿真软件，对于卫星轨道设计及卫星全球覆盖率仿真性能卓越[1]。

OPNET 作为一款专业的网络仿真技术软件，不仅具有快速独特的三层分层建模方式，而且提供形象的图形界面，便于用户设计使用。

同时，它还可以快速建立网络模型，并随时修改模型，极大地提高了网络建设速率，使得OPNET能够为用户提供真实的网络环境，对预测网络性能作用突出[2]。

根据卫星运行轨道高度，通信卫星可以分为三类：同步轨道卫星GEO、中轨道卫星MEO和低轨道卫星LEO。

GEO卫星虽然具有与地面相对静止和卫星覆盖范围广的优点，但是由于距离地面高度较高，卫星与地面用户之间的传输延时和地面用户端功耗较大，并不适用于实时视频等多媒体业务。

同GEO卫星相比，LEO卫星由于具有较低的轨道高度，使得卫星与地面端传输延时小、地面用户端功耗小等，成为现代卫星通信网络的主要研究点之一。

本文参照Iridium系统[3]，通过STK设计仿真卫星轨道参数，使得卫星全球平均覆盖率达到98%以上。

具体卫星轨道参数如表1所示。

卫星3D视图如图1所示。

2D视图及星下点轨迹如图2所示。

现阶段，大多数星上路由算法的研究主要采用,两种策略——虚拟拓扑与虚拟节点[4-6]。

基于虚拟拓扑策略的算法大都采用分割方法，即通过划分时间片段，将动态的空间卫星网络拓扑看作一系列静态拓扑，通过事先配置路由表，减少路由计算的开销。

划分的时间间隔越小，卫星网络仿真结果越接近实际。

然而，划分的时间间隔越小，卫星静态拓扑结构越多，对卫星储存空间的要求就越高。

同时，由于路由表是事先计算配置的，卫星只需在不同时间点调用相应的路由表，即对星上处理资源要求不高，使得卫星网络不具有实时变化的自适应能力。

基于虚拟节点策略的路由算法由于不需要配置静态路由表，对卫星储存空间要求小，且能够实时依据卫星的当前状态（如链路状态、路由策略以及拥塞）选择路由，具有很强的自适应性。

但是，由于卫星间需要实时动态交互路由信息，路由开销较大，占用星上处理资源较多。

本文针对Iridium系统卫星网络及链路的连接特点，将卫星网络拓扑看作一个静态的虚拟拓扑，采用节点地址的方法，将数据包按照轨道号与同轨道节点号来实现转发，如图3所示。

在研究路由决策策略前，首先对网络中的卫星节点赋予地址。

用〈m,n〉表示卫星节点地址，其中m表示卫星所在轨道面编号，n表示同一轨道面内卫星节点的标号。

节点地址在网络中固定不变，即不会因为卫星的运动而改变。

路由决策策略先在同轨道卫星节点之间传递，后在同节点序号之间传递。

初始阶段不考虑路由策略的优化。

采用本文算法策略既解决了采用虚拟拓扑策略时星上存储空间资源不足的问题，又解决了采用虚拟节点策略的路由算法占用较多星上处理资源的问题。

3.1 模型概述由于OPNET缺少相应的标准卫星模块，必然使得空间网络的仿真存在一定的难度。

本文针对Iridium系统卫星网络，建立了OPNET路由仿真模型。

文章仿真模型主要由三部分组成。

卫星网络域构建整体的网络拓扑结构，通过STK建立卫星轨道，仿真得到详细的卫星轨道信息及轨道文件。

修改轨道文件参数后，通过OPNET网络仿真工具导入卫星轨道文件，从而生成网络域。

节点域通过层次划分模拟卫星节点的通信功能。

路由进程域则使用状态图来描述模块状态实现路由算法。

3.2 OPNET模型3.2.1 卫星网络域卫星网络域是实现仿真分析网络性能的基础，主要功能是实现网络拓扑结构的动态变化，通过STK建立卫星轨道，仿真得到详细的卫星轨道信息及轨道文件；修改轨道文件参数后，通过OPNET网络仿真工具导入卫星轨道文件，从而生成卫星网络域，如图4所示。

同时，构建卫星网络还需要设计星间链路（ISL）。

卫星星间链路可划分为两类：轨间链路和轨内链路[7-8]。

依据Iridium星座系统结构，每颗卫星都可以与其相邻卫星建立四条链路。

同轨道内的链路叫做轨内链路。

同理，在不同轨道面间建立的链路叫做轨间链路。

本文研究选取每颗卫星具有4条链路。

对于本文采用近极轨道面的Iridium星座系统，由于卫星采用均匀分布，卫星之间的相对位置关系基本保持不变（忽略轨道摄动），因此每一颗卫星都可以与其前后两颗卫星建立两条永久轨内链路。

此外，每条轨道卫星分布都相同，在某一时刻，同纬度卫星几乎处于同一纬度线上。

因此，卫星可以和相邻轨道上处于同一纬度的卫星建立左右两条轨间链路。

3.2.2 卫星节点域节点域主要用于模拟卫星节点的通信功能，实现路由算法。

数据的接收和发送则通过四组无线收发信机模块实现，而四组收发信机对应四条ISL链路。

如图5所示，节点域主要包括信源模块、路由模块、MAC模块和无线收发模块。

收发信机，其余模块都具有各自不同的进程域。

图7为信源模块进程域及部分代码。

其中，初始化状态（init）：进程优先进入该状态，为网络进程设置路由相关参数；空闲状态（wait）：进程停留状态，等待下个状态的到来；数据生成状态（output_ data）：负责控制业务数据包的生成。

图8为router模块进程域。

图9为mac 模块进程域及部分代码。

信源模块（Source）模拟业务包的生成；路由算法模块（Route）模拟路由算法的实现与控制；MAC模块则控制数据发往其中一组无线发信机。

无线发射机和无线接收机进行数据的传输处理时，还需要设置调制方式、损耗等，实现模拟真实无线传输环境。

具体设置参数，如图6所示。

3.2.3 路由进程域路由进程域通过有限状态机方法建模，使用状态图来描述模块状态。

在节点域模块中，除了3.3 仿真模型的特点本文提出的基于Iridium系统卫星网络路由仿真模型具有以下特点。

模型采用OPNET三层建模机制，每层分工不同，易于后期路由算法的学习和再次设计。

模型适合于大多数路由算法。

再次设计时，只需替换路由进程域中的算法状态，不必对三层模型做修改，具有一定的通用性。

可在现有模块的基础上，增加或修改相应的节点域和进程域；便于研究分析卫星网络的其他性能。

由于本文采用的是Iridium系统，卫星运行周期约为90 min。

因此，设置卫星运行时间为2 h。

虽然采用了低轨道卫星网络，但与传统地面网络相比，卫星间传输时延仍然较大，而文献[9-10]并没有在平均路由跳数和传输时延上进行研究分析。