衛(wèi)星通信網(wǎng)絡技術體制驗證*

翟 華

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

0 引 言

目前，針對大型、復雜網(wǎng)絡的技術體制驗證方法在國內(nèi)外均開展了大量研究[1-3]。從近幾年網(wǎng)絡驗證方法發(fā)展與驗證環(huán)境構建情況來看，逐漸呈現(xiàn)出由單機/單設備驗證向網(wǎng)絡綜合集成驗證演進、由傳輸鏈路驗證向網(wǎng)絡化組網(wǎng)通信驗證演進、由階段性驗證向全鏈條驗證演進、由特定場景下的驗證向分布式環(huán)境聯(lián)合驗證演進、由關鍵技術試驗驗證向網(wǎng)絡體制綜合驗證演進的趨勢。目前，在空間網(wǎng)絡，尤其是天基信息網(wǎng)絡領域，關于技術體制驗證方法的研究仍缺乏理論、系統(tǒng)性的描述，在網(wǎng)絡集成方法、體制驗證標準、網(wǎng)絡性能評價準則等方面仍有待進一步完善。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡是以衛(wèi)星平臺為載體，為陸、海、空、天各類用戶提供全球覆蓋、寬帶高速、隨遇接入等通信服務的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，通常采用多節(jié)點部署、星間、星地互聯(lián)的方式構建，具備天基組網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)廣播分發(fā)、數(shù)據(jù)中繼、天地互聯(lián)通信等能力[4-7]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的研制建設存在網(wǎng)絡復雜、規(guī)模龐大、研制周期長、工程投入大以及網(wǎng)絡兼容難等諸多問題[8-14]，需要開展試驗驗證工作，對網(wǎng)絡的架構、技術體制、關鍵技術和潛在問題等進行有效驗證，以確定網(wǎng)絡技術體制和指標體系，從而為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的研制建設提供技術支撐。然而，目前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡領域技術體制驗證方法缺乏理論性、系統(tǒng)性研究。為解決此問題，本文首先針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡技術的典型試驗驗證方法進行了分析，給出了全物理驗證、數(shù)字仿真驗證、半實物仿真驗證[15-18]三種方法的優(yōu)缺點分析，同時結合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡特點，對適用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的技術體制驗證方法及驗證內(nèi)容進行了探討，研究結果可為后續(xù)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡建設工作的開展提供參考。

1 典型驗證方法分析

通信網(wǎng)絡的技術體制涵蓋網(wǎng)絡架構、傳輸技術體制、鏈路接入體制、網(wǎng)絡協(xié)議、管理控制體制等多方面，針對通信網(wǎng)絡的技術體制驗證方法主要包括全數(shù)字仿真法、半實物驗證法、全物理驗證法等。

1.1 全數(shù)字驗證法

全數(shù)字驗證法通?；谕ㄓ梅掌?、計算機及專用仿真開發(fā)工具，采用抽象、簡化的模型設計，實現(xiàn)對真實網(wǎng)絡不同粒度、不同層次的仿真模擬，之后通過大量、反復的試驗獲取數(shù)據(jù)并進行性能統(tǒng)計分析。

采用全數(shù)字驗證方法的關鍵在于網(wǎng)絡中各類模型的構建，包括網(wǎng)絡中的節(jié)點模型、鏈路模型、協(xié)議模型、業(yè)務應用模型等，模型設計的逼真程度直接影響數(shù)字驗證方法所得結果的可信度。以網(wǎng)絡中的某節(jié)點設備為例，構建節(jié)點模型需要首先對設備的輸入、輸出信號進行分析得到信號描述，然后對設備的工作流程進行抽象描述并采用仿真軟件實現(xiàn)全流程模擬，如圖1所示。

圖1 節(jié)點模型構建示意圖

為進一步提高數(shù)字驗證方法驗證結果的可信度，通常根據(jù)不同系統(tǒng)層次的特點、仿真驗證內(nèi)容等選取不同的專用仿真工具，可構建單點仿真驗證環(huán)境，也可構建分布式仿真驗證環(huán)境聯(lián)合實現(xiàn)網(wǎng)絡的整體性能仿真驗證，如圖2所示。

圖2 分布式仿真環(huán)境示意圖

數(shù)字驗證方法具有實現(xiàn)簡單、結果研制周期短、成本低等優(yōu)點，尤其適合大規(guī)模節(jié)點、復雜網(wǎng)絡的建模及性能仿真。盡管如此，數(shù)字驗證方法也存在如下不足與缺點：

(1)經(jīng)過抽象、建模、省略部分細節(jié)得到的體制模擬，缺乏可移植性，且無法真實還原被驗證網(wǎng)絡的真實體制與應用，部分測試結果缺乏物理解釋；

(2)仿真驗證環(huán)境下通常以概率統(tǒng)計特性描述通信網(wǎng)絡的具體特征，忽略了小顆粒度單位(如單個數(shù)據(jù)包)可能遇到的問題，從而導致與實際網(wǎng)絡測試結果有差異；

(3)仿真環(huán)境不能完全模擬自然環(huán)境、人為因素等真實網(wǎng)絡運行中存在的部分外界影響因素，并且試驗的耗時并非網(wǎng)絡真實的運行時間，而是受限于其使用的硬件平臺性能，因此對復雜網(wǎng)絡的模擬可能超出預期的等待期限。

1.2 半實物驗證法

半實物驗證法是將數(shù)字驗證與物理驗證有機結合起來形成的一種驗證方法，其目的在于兼?zhèn)鋬煞N驗證方法的優(yōu)勢，從而在保證真實可信的基礎上方便、靈活地實現(xiàn)對網(wǎng)絡技術體制的驗證。

在半實物驗證中，將目標網(wǎng)絡中部分節(jié)點或者鏈路采用真實的物理設備實現(xiàn)，其余節(jié)點采用數(shù)字模擬手段來代替。同時，實際物理環(huán)境與數(shù)字仿真系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交互，既能夠滿足網(wǎng)絡體制在實現(xiàn)上的真實性，又能夠保證網(wǎng)絡運行過程中的實時性。因此，半實物驗證方法具有還原程度高、構建成本較低、擴展性與伸縮性強等特點。圖3給出了半實物驗證法的環(huán)境構建示意。

圖3 半實物驗證環(huán)境示意圖

考慮到全數(shù)字仿真模擬試驗環(huán)境在鏈路傳輸特性、網(wǎng)絡拓撲結構、用戶移動性等方面與真實的空間多星環(huán)境存在較大差異，所設計的半實物驗證系統(tǒng)中需要設置可支持物理性能驗證的最小原型系統(tǒng)。如圖3所示，為保障星地及星間鏈路性能仿真，需設置至少2顆衛(wèi)星節(jié)點；為保障接入性能、路由性能及管控性能仿真，需設置至少1個用戶節(jié)點、1個地面管理節(jié)點及與之相連的地面網(wǎng)絡，其余節(jié)點可通過數(shù)字模擬進行仿真。

盡管如此，半物理驗證方法在環(huán)境構建過程中也存在三個難點問題。

(1)科學合理劃分物理節(jié)點、數(shù)字節(jié)點邊界。如何在復雜網(wǎng)絡節(jié)點中挑選出哪些采用物理設備、哪些采用數(shù)字模擬實現(xiàn)，直接決定了半物理驗證環(huán)境構建與驗證科目的可行性。一般情況下，涉及到大規(guī)模用戶、多組參數(shù)配置反復測試或者其他物理設備不易調試的場景可采用數(shù)字模擬節(jié)點實現(xiàn)，其余場景優(yōu)先使用物理設備環(huán)境。

(2)標準化交互接口設計。復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)驗證中，往往涉及多類物理設備，其接口形式復雜多樣，如何設計物理設備節(jié)點與數(shù)字模擬節(jié)點間的信息交互接口也是難點之一。實際操作中，首先應對設備接口進行規(guī)范，在特殊情況下也可以通過適當增加接口轉換設備來實現(xiàn)。

(3)統(tǒng)一合理的數(shù)據(jù)結果處理。物理設備實測數(shù)據(jù)與數(shù)字仿真指標數(shù)據(jù)具有較大的差異性，如何進行統(tǒng)一化數(shù)據(jù)處理與性能評估，關系到半實物驗證的實用性。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的去量綱化、歸一化處理并采用合適的評估算法是解決這一難題的有效途徑。

1.3 全物理驗證法

全物理驗證法是嚴格按照網(wǎng)絡建設中的網(wǎng)絡架構設計、接口設計、信息流程等，利用網(wǎng)絡內(nèi)各節(jié)點的實物設備，采用完全真實的物理鏈路、技術體制以及上層應用軟件，構建全物理的體制驗證環(huán)境。一般情況下，為減少研制周期、降低成本投入，全物理驗證大多采用搭建最小規(guī)模原型系統(tǒng)的方式，在保證網(wǎng)絡功能體系完備、驗證項目齊全的基礎上，盡量減少冗余鏈路與設冗余備參與。另外，針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的衛(wèi)星節(jié)點、航天器用戶等天基節(jié)點，也可采用地面模擬設備代替，并通過微波/激光鏈路模擬設備最大程度還原空間環(huán)境對傳輸鏈路帶來的影響。

采用全物理的驗證方法，能夠盡可能地貼近實際工程系統(tǒng)，真實反映各類技術體制、各節(jié)點設備在網(wǎng)絡運行過程中的狀態(tài)，可提高驗證結果的逼真度、可信度，同時方便對設備的調試與完善。圖4給出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡全物理驗證環(huán)境的構建示意圖。

圖4 全物理驗證環(huán)境示意圖

全物理驗證方法受限于環(huán)境規(guī)模、研制周期等因素，也存在一定的不足。

一是網(wǎng)絡規(guī)模受限，無法驗證部分多用戶、大容量的場景。全物理驗證的環(huán)境不等同于實際的網(wǎng)絡環(huán)境，因此在構建的最小原型網(wǎng)絡環(huán)境中，一般很難實現(xiàn)大規(guī)模用戶設備的調裝與聯(lián)試，無法對部分體制開展驗證。

二是由于研制周期具有不確定性，導致驗證實施計劃不可控。一方面驗證環(huán)境的搭建需要各類設備狀態(tài)可靠、接口關系穩(wěn)定之后開展，并且更改測試條件時對參數(shù)的配置耗時較長，導致測試效率低下；另一方面，在驗證過程中發(fā)現(xiàn)的問題需要設備間反復調試確定，且可控性、可重復性較差，一旦發(fā)現(xiàn)問題需等待部分單機設備修改完善后方可進行下一步。因此，物理驗證方法通常需要較長的研制周期。

三是全要素、全流程的體制驗證成本較高。由于物理驗證環(huán)境涉及的設備種類繁多、接口復雜，在環(huán)境構建與試驗過程中需要耗費大量的人力、物力，造成較高的成本。

綜上所述，全物理驗證、全數(shù)字驗證、半實物驗證方法的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 典型驗證方法優(yōu)缺點對比

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡技術體制驗證

2.1 網(wǎng)絡架構

未來的全球覆蓋衛(wèi)星通信網(wǎng)絡由空間段、地面段和用戶段三個部分構成，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡架構

空間段主要由多個衛(wèi)星節(jié)點組成，衛(wèi)星節(jié)點具備陸、海、空、天各類用戶接入以及大容量傳輸交換能力，多個衛(wèi)星節(jié)點之間通過微波或激光星間鏈路實現(xiàn)互聯(lián)。

地面段包括所有與空間段節(jié)點有關的基礎設施，承擔著支撐網(wǎng)絡運行的任務，主要包括運行管理管理中心、關口站等。關口站通常配置微波或激光鏈路，完成與衛(wèi)星節(jié)點間的通信。

用戶段包括陸、海、空、天各類衛(wèi)星終端，通常具備通過微波或激光鏈路接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的能力，為用戶提供通信傳輸服務。

2.2 技術體制架構

參考通信網(wǎng)絡分層結構模型，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的技術體制涉及物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層以及管理控制、安全保密等各方面的技術體制，技術體制框架如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡技術體制框架示意圖

其中，物理層的鏈路傳輸體制主要包括微波鏈路傳輸體制、激光鏈路傳輸體制，以及自適應傳輸體制等；鏈路層的接入控制體制主要包括信令接入體制、業(yè)務接入體制等；網(wǎng)絡層的路由交換體制包括微波交換體制、激光交換體制、光電混合交換體制，以及標準路由、自定義路由等。此外，還包括管理控制面的網(wǎng)絡管理、資源管理體制，以及安全保密體制等。

2.3 驗證方法

由衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構、技術體制架構可以看出，一方面，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡所需驗證的技術體制涉及的方面較多，尤其在接入控制體制、管理控制體制等驗證時，需要針對大規(guī)模用戶下的網(wǎng)絡壓力能力進行測試，因此無法單純依靠物理試驗環(huán)境實現(xiàn)；另一方面，網(wǎng)絡中可能會涉及到激光或微波鏈路混合傳輸體制，以及陸/海/空/天用戶，尤其是針對天基用戶，通過數(shù)字驗證方法不能使驗證結果達到預期的真實、可信程度。綜上所述，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡體制驗證較適合采用半物理驗證方法。

為充分驗證、評估衛(wèi)星通信網(wǎng)絡各個層面的技術體制，本文所搭建的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡體制驗證環(huán)境由物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)，以及配套的性能評估系統(tǒng)、綜合顯示控制系統(tǒng)等部分構成，如圖7所示。

圖7 天基網(wǎng)絡體制驗證環(huán)境構成示意圖

(1)物理試驗驗證系統(tǒng)

物理試驗驗證系統(tǒng)由模擬衛(wèi)星節(jié)點、地面關口站節(jié)點、網(wǎng)絡管理控制中心、衛(wèi)星用戶終端以及相關的試驗驗證支撐等設備構成，能夠覆蓋星間激光或微波鏈路、激光或微波饋電鏈路、各類用戶鏈路、網(wǎng)絡管理控制等諸要素，實現(xiàn)最小原型系統(tǒng)構建。

(2)數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)

數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)采用分布式環(huán)境部署，具備衛(wèi)星覆蓋仿真、衛(wèi)星可見性仿真、拓撲構型仿真、協(xié)議仿真、網(wǎng)絡性能仿真、傳輸體制仿真等功能。考慮到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡技術體制復雜、節(jié)點類型多，可采用基于云計算的開放式仿真平臺，直接移植真實設備上運行的體制協(xié)議進行仿真測試與驗證實現(xiàn)，提高逼真度與可信度。數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)組成以及與物理試驗驗證系統(tǒng)間的交互如圖8所示。

圖8 半實物驗證環(huán)境構成

數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中覆蓋仿真、拓撲構型仿真等空間段系統(tǒng)相關仿真可采用通用仿真軟件(如STK等)，也可根據(jù)系統(tǒng)仿真需求與場景設置，通過研制專用軟件實現(xiàn)。

(3)性能評估系統(tǒng)

性能評估系統(tǒng)通過收集物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中各層面技術體制驗證產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，建立性能評估所需的數(shù)據(jù)資源庫，構建包含系統(tǒng)鏈路傳輸、接入控制、路由交換、管理控制等能力在內(nèi)的評估指標體系和評估模型，通過相應的評估模型和算法，對系統(tǒng)的技術體制及綜合運行性能進行評估分析。

一般情況下，性能評估系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)評估需求研制專用軟件。在執(zhí)行過程中包含建立評估指標體系、確定評估算法、展示評估結果等步驟。

(4)顯示控制系統(tǒng)

顯示控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡接口對驗證環(huán)境中的相關單元進行配置管理、運行控制和過程監(jiān)測。采用與物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動和信息交互。

2.4 驗證內(nèi)容

基于半實物試驗驗證環(huán)境，針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡重點開展以下方面的體制驗證，如圖9所示。

圖9 體制驗證內(nèi)容

(1)網(wǎng)絡架構驗證

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡支持多種形式的組網(wǎng)通信能力，需要對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構進行驗證，包括網(wǎng)狀組網(wǎng)、星狀組網(wǎng)、點對點傳輸，以及混合架構等進行驗證。限于物理試驗驗證系統(tǒng)的組網(wǎng)規(guī)模，該項驗證內(nèi)容適宜在數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中進行。

(2)鏈路傳輸體制驗證

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡涉及到激光/微波多種傳輸鏈路，根據(jù)收發(fā)端節(jié)點類型的不同，鏈路分為骨干、饋電、用戶等多種類型。針對每種類型傳輸鏈路的體制，需要從傳輸速率、誤碼率、丟包率等方面進行驗證。該項驗證內(nèi)容需要實際環(huán)境作為支撐，適宜在物理試驗驗證系統(tǒng)中進行。

(3)路由交換體制驗證

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡支持不同速率需求的星間、星地、星與用戶間的信息傳輸交換。路由交換體制驗證主要包括標準路由、自定義路由，以及激光交換、微波交換、光電混合交換等體制驗證。該項驗證內(nèi)容同時涉及真實協(xié)議體制，又涉及大規(guī)模用戶以驗證路由規(guī)模，因此需在物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中同步開展驗證。

(4)接入控制體制驗證

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡支持陸、海、空、天不同類型的用戶，需要滿足各類用戶的隨遇接入需求。接入控制體制驗證主要包括業(yè)務接入體制、信令接入體制等驗證。同時接入控制體制驗證需要大量用戶參與以充分開展網(wǎng)絡的壓力測試，較適宜在數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中進行。

(5)管理控制體制驗證

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡資源受限，可支持用戶類型、數(shù)量多，因此需要對相應的管理控制體制進行驗證，包括網(wǎng)絡管理體制、資源管理體制、管理的流程、管理開銷等。同時，需要大規(guī)模用戶終端參與，以充分檢驗體制的合理性，可在物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中同步開展。

2.5 驗證流程

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡采用半實物驗證方法進行體制驗證時，根據(jù)驗證內(nèi)容可分別在物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)中開展驗證相應項目的測試；性能評估系統(tǒng)收集測試驗證數(shù)據(jù)，建立對應評估指標體系、評估模型及算法，完成性能評估；系統(tǒng)評估結果反饋給物理試驗驗證系統(tǒng)、數(shù)字仿真驗證系統(tǒng)，輔助進行關鍵體制參數(shù)調整，形成“驗證、評估、反饋、調整、驗證”的技術體制及系統(tǒng)性能評估閉環(huán)優(yōu)化設計流程。整體驗證流程如圖10所示。

圖10 驗證評估流程

3 結 論

結合近年來針對構建全球覆蓋天基信息傳輸網(wǎng)絡的研究，本文首先對典型的驗證方法進行了分析對比，在此基礎上給出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構、技術體制框架、體制驗證環(huán)境構建方法、驗證內(nèi)容，以及驗證流程，可為后續(xù)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡相關研究工作的開展提供參考。