【网安学术】基于OPNET的低轨卫星星座通信系统仿真研究

【⽹安学术】基于OPNET的低轨卫星星座通信系统仿真研究

摘要：基于OPNET搭建了⼀个低轨道卫星星座移动通信系统仿真平台，介绍了⽹络拓扑、节点模型、进程模型和⽆线链路模型的相关设计过程，并结合STK软件⽣成的极地圆轨道模型，对⾃主设计的⼀套低轨星座移动通信协议进⾏了验证。仿真结果表明，该平台能够正确模拟LEO星座通信系统中寻呼、建链等通信过程，以及长时延、频繁切换等卫星通信的特性，为低轨星座移动通信协议研究提供了有⼒⽀撑，可为卫星通信仿真⼯作提供借鉴和指导。

0 引⾔

低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星星座移动通信系统在军⽤和民⽤上都具有重⼤意义，是“⼀带⼀路”等国家战略中不可或缺的⼀环。相⽐国外低轨卫星移动通信的⾼速发展，国内的LEO通信系统建设刚刚起步[1]。通过软件仿真进⾏验证测试，对LEO星座移动通信系统建设具有重要的指导意义。OPNET是⼀款主流的通信仿真软件，拥有丰富的⽆线⽹络和有线⽹络仿真模型，但在卫星仿真上却缺少相关功能模块[2-3]。当前，基于OPNET的LEO⽹络仿真⼤多基于固定的卫星节点，甚⾄⽤有线节点来模拟低轨卫星通信，没有根据LEO卫星⾼速运动的特点来真实反映卫星通信链路和服务卫星的切换过程[4-5]。本⽂旨在对OPNET环境下的LEO通信系统搭建过程进⾏分析，为低轨卫星移动通信协议设计的仿真验证⼯作提供⽀撑。根据OPNET的传统三层建模架构，结合STK⽣成的轨道搭建⽹络层拓扑[6]，在节点层上综合

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考虑卫星多波束和多信道等设计因素，在进程层上搭建基于节点IP寻址的相关状态处理进程，对⽆线通信链路进⾏修改，以搭建天地通信⽆线信道[7]，最终实现验证LEO星座系统通信协议的仿真平台。

1　LEO卫星星座系统仿真平台设计

1.1　⽹络拓扑设计

在LEO卫星通信系统建模过程中采⽤⾃顶向下的仿真策略，⾸先设计LEO星座⽹络拓扑结构[8]。本⽂中OPNET⽹络拓扑搭建上参考铱星星座系统，其中卫星⽹组成包含⽤户终端设备（User Equipment，UE）的⽤户段、包含66颗LEO卫星（Satellite，SAT）的空间段、包含地⾯⽹关（Gateway，GW）和核⼼⽹的地⾯段。卫星⽹组成如图1所⽰。

卫星均匀分布在6个轨道⾯上，每个轨道⾯上有11颗卫星。每颗卫星有4条星间链路，分别与同轨道⾯前后两颗卫星和相邻轨道⾯左右相邻卫星间有星间链路连接[8-9]。反向缝两侧轨道⾯上的卫星只有3条星间链路，分别与同轨道⾯前后两颗卫星和⾮反向缝⼀侧相邻轨道⾯卫星间有星间链路连接[10]。因为反向缝两侧轨道⾯上的卫星反向运动，卫星相邻关系变化剧烈，所以不使⽤星间链路连接。其中，UE间通信链路分为三种：（1）同⼀卫星下的⽤户，直接通过该星下波束建⽴连接；（2）不同星下⽤户通信，这两颗卫星间存在星间链路，⽤户通过星间链路进⾏通信；（3）⽤户处于不同星下，两颗卫星间没有星间链路，通过卫星和地⾯⽹关转发进⾏通信。地⾯通信⽹络采⽤简单的星型拓扑结

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欧广构来模拟，每个⽹关和归属位置寄存器（Home location Register，HLR）直接相连。HLR既担负着⽤户位置信息存储功能，也负责各⽹关间的数据转发功能。⽹络层卫星节点和⽹关节点分布场景如图2所⽰。

1.2　卫星节点介绍

整个仿真系统主要涉及2类节点的搭建：卫星节点和地⾯节点。地⾯节点包括⽤户节点、⽹关节点和归属位置寄存器节点。地⾯节点的搭建与传统地⾯通信系统建模区别不⼤，不再赘述，下⾯将主要对卫星节点搭建过程进⾏分析。OPNET卫星节点域主要⽤来模拟卫星节点的通信功能，实现星间路由表的建⽴和数据转发。如图3所⽰，卫星节点由以下⼏个模型组成：4组星间链路模型、13组地⾯波束通信模型、1个中央处理模型、1个星间链路天线控制模型。卫星节点中的地⾯波束通信模型包含天线模块、点波束进程模块、⼴播进程模块和收发信机四部分。天线模块中加载由OPNET Antenna Pattern编辑器设计的点波束模型。点波束固定指向星下特定⾓度来模拟多波束覆盖的场景。收发信机模块中的Channel属性设置决定该点波束的信道数量、频率和带宽等相关属性。地⾯点波束包含1个控制信道和5个通信⼦信道，其中收信机每个信道通过包流线连接点播束进程模块，⽽发信机可以通过op_pk_deliver()函数直接选择需要发送数据的空闲信道。⼴播进程模块周期性产⽣卫星⼴播包，点播束处理模块对卫星收到和产⽣的数据包进⾏相关处理。星下波束覆盖采⽤频率7⾊复⽤⽅案，分为7个波束段在点波束间进⾏分布，以增加频率利⽤率。由于卫星在轨运⾏位置变换快，因此星间链路模型

的天线模块不能像地⾯天线模块⼀样指定某⼀固定⾓度。天线指向处理模型ant_point_cpu 通过相邻卫星的坐标信息来实时更新星间链路模型的天线模块指向。

1.3　卫星相关协议进程介绍

进程模型是OPNET三层建模架构的最底层，实现代码和协议跳转。图4为卫星节点的点波束处理进程。

其中，INIT为初始化状态，卫星节点在该状态获取波束编号、节点的MAC地址、空间位置等信息。IDLE为空闲状态，等待中断的到来，判断下⼀个跳往的状态。Broadcast为⼴播包处理状态，接收到产⽣的⼴播包，在⼴播包内写⼊卫星的位置、MAC、波束等信息。Center状态接收到卫星中⼼处理模块传送过来的包，判断包类型，进⾏相关处理，并选择合适的下⾏信道发送给UE或者GW。UE状态接收到地⾯UE传送过来的相关包类型，转送到Center模块，然后根据数据包携带的转发端⼝号对数据包进⾏转发；GW状态⽤来接收地⾯⽹关发送过来的相关包类型，选取指定⽹关的数据包进⾏接收，并转发到SAT节点的Center进程模块中进⾏相关处理。

1.4　⽆线通信链路和天线模型设计

OPNET通过14个⾸尾相连的管道阶段（Pipeline Stage）来模拟数据在⽆线信道中的传输过程。针对低轨卫星通信特点，需要对其中⼏个关键的管道阶段做出修改。SAT节点包含多对收发信机。为避免收信机接收到同节点内发信机发送的数据帧，在链路闭锁（Closure model）管道中，通过op_topo_parent()函数获取卫星节点ID。如果收发信机的⽗节点ID相同，则信道匹配失败，滤除同节点内信号⼲扰，减少⽆线管道阶段的计算量。

卫星节点通过多波束⽅案覆盖地⾯通信区域，地⾯波束覆盖区域随着卫星的运动⽽持续漂移。天线模型并不指向地球坐标系中某⼀固定坐标点和⽅位，因此需要在发信机天线增益（Txgain Model）管道阶段和接收机增益（Rxgain Model）管道阶段中将地球坐标系转换成SAT的星上坐标系[11]。星上坐标系：设以卫星为原点平⾏地⾯球⾯坐标系的坐标系为S ，根据卫星在球⾯坐标系上的⽅位⾓和俯仰⾓进⾏旋转变换，得到Z轴指向球⼼的星上坐标系，如图5所⽰。

1.5　卫星轨道导⼊

本⽂使⽤STK软件⽣成低轨卫星星座的轨道⽂件。66颗低轨卫星均匀分布在离地⾯⾼度760 km的6个轨道⾯，轨道倾⾓为86°。STK星座图如图6所⽰。

使⽤OPNET软件中的Import STK Orbit将每颗卫星的轨道⽂件导⼊模型库。OPNET中节点类型分为固定节点、移动节点和卫星节点。搭建卫星节点时，在Node Interfaces选择⽀持的节点类型为satellite，节点属性中会出现Orbit属性栏。在orbit中选择导⼊的轨道模型，节点下⽅就会出现星下点轨迹图。卫星节点在仿真过程中按照轨道设定的参数进⾏运动。

2　仿真系统验证

在设计的仿真平台上对⼀种⾃主设计的基于IP寻址的星座通信协议进⾏仿真。星下⽤户UE_1和UE_2之间、UE_3和UE_4之间分别进⾏通信。两组通信链路随着LEO卫星的移动会发⽣相应变化，仿真验证了通信的呼叫建链和切换过程。UE接收到SAT发送过来的⼴播包后，开始向⽹关注册⾃⼰的位置信息。注册成功后，经过⼀段随机时间发起呼叫建链。建链成功后，进⾏数据传输。仿真场景中，⽤户UE_1和UE_2建链成功后通过星间链路进⾏通信，UE_3和UE_4之间通过GW和核⼼⽹传输。整体时延分布，如图7所⽰。

通信链路两端⽤户间切换次数和时间的关系，如图8所⽰。

通信开始初期，UE_1和UE_2通过星间链路进⾏数据传输，端到端时延为0.025～0.030 s。随着卫星和UE的距离增加，星内波束切换并不影响传输时延。在100 s min左右时，UE_2发⽣星间切换，切换到和UE_1同⼀颗卫星，通信⽅式发⽣变化，进⾏星内通信，时延⼤幅度下降，并随着卫星运动⽽变化。当UE_1切换到其他卫星时，通信⽅式⼜变成星间链路模式，端到端时延增加。⽽UE_3和UE_4之间通过⽹关和核⼼⽹进⾏通信，端到端时延在0.040 s左右。2 min 左右时由于服务⽹关发⽣变化，所以时延有⼀个较⼩的抖动。在360 s min时，UE_3发⽣星间切换，通信链路变成星间通信。

通信。

通过协议论证和结果分析发现，该仿真平台能够正确模拟LEO星座通信系统中寻呼、建链、切换等通信过程，体现出SAT⾼速运动下，星座系统可通过星间链路和GW协同⼯作，且UE可灵活在不同通信链路间切换。

3　结　语

本⽂利⽤OPNET⽆线建模机制和STK轨道⽂件，搭建LEO卫星星座移动通信仿真系统，体现了低轨卫星在轨⾼速运动、链路⽅式和服务卫星频繁切换的特点。论⽂详细描述了⽹络层、节点层、进程层和⽆线管道阶段等仿真模型搭建过程，在建模⽅法上具有⼀定的通⽤性，能够为低轨卫星仿真和建模提供帮助。

此外，通过低轨卫星组⽹协议验证了该平台的可⾏性，能够仿真出低轨卫星星座三种不同通信链路下的通信特点，并根据点波束增益进⾏波束切换和星间切换，在通信传输不中断的情况下完成整个切换⾏为，可为进⼀步的LEO卫星路由算法、切换机制等相关研究提供帮助。

参考⽂献：

yuqing[1] 李毅，侯睿，张更新.发展我国低轨卫星通信星座系统的思考[J].国际太空,2018,4(04):62-65.

[2] LI Nan,SAEID A,Zong P.OPNET Based Simulation and Optimization of Routing Protocols in Leo Satellite Networks[C].In Proceedings of Annual Conference of China Institute of Communications(ISTP),2013.

高要市第二中学[3] 申建平，虞红芳，章⼩宁等.基于OPNET的低轨卫星⽹络仿真平台[J].计算机⼯程,2009,35(18):237-239.

[4] 宋娜，刘.基于OPNET的卫星⽹络仿真平台设计[J].计算机⼯程与应⽤,2005,41(04):158-160.

[5] 王鸣涛，周诠，黄普明等.LEO卫星⽹络路由算法的OPNET建模与仿[J].宇航学报,2010,31(02):441-447.

[6] 李永斌，徐友云，许魁.基于系统卫星⽹络路由算法的建模与仿真[J].通信技术,2017,50(04):707-713.

[7] 闵⼠权.卫星通信系统⼯程设计与应⽤[M].北京：电⼦⼯业出版社,2015.

[8] 张亚⽣，孙晨华,⾕聚娟.天地⼀体化⽹络协议研究[J].⽆线电⼯程,2018,3(03):178-182.

[9] SAN F,Yousefnezhad M,Othman M F,et al.A Wised Routing Protocols for LEO Satellite Networks[C].IEEE Asian Control Conference(ASCC),2015:1-6.

[10]胡东伟，宋春晓.低轨卫星移动通信系统的星间链设计[J].⽆线电通信技术,2017,5(05):11-15.

[11]张晓东，马东堂，李树锋等.基于OPNET的卫星多波束天线仿真建模研究[J].现代电⼦技术,2009,3(03):46-53.

[12]陈敏.OPNET⽹络仿真[M].北京：清华⼤学出版社,2004:221-232.

作者简介：

胡宸华，湖南⼤学电⽓与信息⼯程学院硕⼠，主要研究⽅向为移动⾃组⽹、卫星通信；

黄圣春，国防科技⼤学电⼦科学学院讲师，博⼠，主要研究⽅向为卫星通信、⽆线通信协议、嵌⼊式系统等；

理论热点面对面2011王　玲，湖南⼤学电⽓与信息⼯程学院教授，博⼠，主要研究⽅向为⽆线通信、嵌⼊式等；

孟祥龙，海军潜艇学院讲师，博⼠，主要研究⽅向为数据链、纠错编码等。

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