MF-TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試研究

蘇 鵬,陳祺云

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由地面主站、備用主站、網(wǎng)控中心、眾多從站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等單元組成,系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)是話(huà)音、數(shù)據(jù)、視頻,但各衛(wèi)通站通信能力大小不同,每個(gè)地面站作為主叫或被叫,向網(wǎng)控中心站申請(qǐng)衛(wèi)星信道資源,因此必須對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源與信息進(jìn)行有效管理與調(diào)配,使其可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的突發(fā)情況,適應(yīng)應(yīng)用任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)本身和外部條件的變化,保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠、持續(xù)和高效運(yùn)行。

Rational Rose工具是美國(guó)Rational公司開(kāi)發(fā)的用于分析和設(shè)計(jì)面向?qū)ο笙到y(tǒng)的強(qiáng)大工具,可以幫助先建模,再進(jìn)行功能測(cè)試,從而保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行正常。Rational Rose工具支持可視化開(kāi)發(fā)測(cè)試用例模型,結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的的實(shí)際情況,主要進(jìn)行業(yè)務(wù)建模、分析建模、設(shè)計(jì)建模,然后完成用例驅(qū)動(dòng)、迭代和增量測(cè)試任務(wù)。

主要介紹衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中比較重要的幾個(gè)設(shè)計(jì)要素的測(cè)試方法,并通過(guò)仿真建模對(duì)網(wǎng)絡(luò)化業(yè)務(wù)傳輸要求的TDMA技術(shù)體制進(jìn)行探討研究。

1 網(wǎng)絡(luò)模型組成及業(yè)務(wù)流程

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

以MF-TDMA方式組網(wǎng)應(yīng)用時(shí),主站發(fā)送TDMA參考信號(hào)并作為全網(wǎng)各站的時(shí)間參考基準(zhǔn)、一個(gè)備份主站用于主站出現(xiàn)故障時(shí)接替主站的工作。一般業(yè)務(wù)站以主站為參考,并按照主站下發(fā)的時(shí)隙表在分配給本站的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送信息。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)模型如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中幀同步設(shè)計(jì)、呼叫業(yè)務(wù)量的調(diào)整、射頻鏈路功率調(diào)整等設(shè)計(jì)方法是網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。為此建立如下測(cè)試模型和測(cè)試流程。

測(cè)試人員利用序列圖取得測(cè)試腳本所需的信息,測(cè)試過(guò)程包括4個(gè)步驟:

①將序列圖轉(zhuǎn)換為流程圖;②從流程圖識(shí)別要測(cè)試的路徑,首先識(shí)別入口——出口路徑,這樣所有的判定分支都會(huì)至少被采用一次,每一條跟蹤的路徑就成為一個(gè)測(cè)試用例;③識(shí)別特殊的異常情況,即用于開(kāi)發(fā)測(cè)試實(shí)例以測(cè)試與被測(cè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的異常處理;④識(shí)別要采用特定路徑所需要的輸入和狀態(tài),當(dāng)滿(mǎn)足所有的路徑條件時(shí)就會(huì)沿該路徑而行,測(cè)試用例定義需要滿(mǎn)足路徑條件的特定輸入和狀態(tài)。最后確定每個(gè)測(cè)試實(shí)例的預(yù)期結(jié)果,完成測(cè)試包,得到的測(cè)試包可以用一個(gè)規(guī)定腳本語(yǔ)言在一個(gè)用戶(hù)測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)。

1.2 MF-TDMA系統(tǒng)定時(shí)同步模型

定時(shí)是TDMA系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,它為系統(tǒng)運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn),是初始捕獲和同步保持的基礎(chǔ)。初始捕獲是指地球站開(kāi)始發(fā)射突發(fā)時(shí),保證其能夠正確地進(jìn)入指定的時(shí)隙,而不會(huì)誤入其他時(shí)隙造成干擾的過(guò)程。

1.3 申請(qǐng)?jiān)捯暨M(jìn)展模型

建立一個(gè)雙工的用戶(hù)模型,既能作為主叫也能作為被叫。當(dāng)作為主叫時(shí),用戶(hù)根據(jù)加載的業(yè)務(wù)發(fā)出呼叫請(qǐng)求;而作為被叫時(shí),則需要對(duì)主叫作出必要的應(yīng)答,以保證通話(huà)鏈路的建立.整個(gè)測(cè)試流程如下:終端用戶(hù)站發(fā)送呼叫申請(qǐng)幀并獲取信道分配幀,申請(qǐng)成功后則將信道分配包傳給用戶(hù)進(jìn)程,若申請(qǐng)失敗則通知擁護(hù)進(jìn)程失敗的信息,這些過(guò)程為流程圖識(shí)別的測(cè)試路徑。

1.4 射頻及鏈路模型

射頻模型包括上行射頻和下行射頻2部分,前者主要是對(duì)地面站的發(fā)送功率進(jìn)行處理,后者主要確定誤碼問(wèn)題。這里對(duì)上行鏈路做了限制,即申請(qǐng)路徑只能傳到網(wǎng)控中心;在下行鏈路,主要確認(rèn)衛(wèi)星模塊傳來(lái)的信號(hào)功率是不是到達(dá)此鏈路所連接的射頻模塊所需要的信噪比,如果是則將其接收,否則予以?huà)仐墶Ｋ械膸瑐鬏敹家?jīng)過(guò)一個(gè)衛(wèi)星信道的時(shí)延并滿(mǎn)足接收站功率控制要求。

為每個(gè)站的調(diào)制器的突發(fā)信噪比都配置一個(gè)值,這個(gè)值用于傳輸功率控制。遠(yuǎn)端站將它們從控制站收到的參考突發(fā)的信噪比報(bào)告給控制站,TDMA幀頭的一個(gè)域就是用于這一目的的,控制站調(diào)整它的傳輸功率電平,將信噪比值控制在一個(gè)期望的范圍內(nèi)。各遠(yuǎn)端站也調(diào)整它們的上行功率,使得它們的突發(fā)在接收時(shí)與參考突發(fā)有著相同的信噪比。

2 測(cè)試模型仿真

2.1 網(wǎng)絡(luò)同步參數(shù)設(shè)置

同步保持調(diào)整間隔時(shí)間是指為了保持全網(wǎng)的同步,需要對(duì)突發(fā)發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整的周期。調(diào)整的越頻繁,各類(lèi)誤差對(duì)同步保持的影響就越小,而調(diào)整過(guò)程本身帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)就越大;反之各類(lèi)誤差對(duì)同步保持的影響就越大,而調(diào)整過(guò)程本身帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)就越小。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)折中考慮。

同步保持誤差是在一定的同步保持調(diào)整周期（同步保持調(diào)整間隔時(shí)間）內(nèi),突發(fā)發(fā)送時(shí)刻所能達(dá)到的準(zhǔn)確度。它與衛(wèi)星漂移引起的誤差、時(shí)鐘穩(wěn)定度引起的誤差、邏輯電路抖動(dòng)以及調(diào)整精度等因素有關(guān)。

2.2 話(huà)音參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng),系統(tǒng)參數(shù)描述如下:

①系統(tǒng)中每站最大支持20個(gè)話(huà)音信道;每個(gè)信道的速率為2400bps;②每個(gè)站發(fā)送時(shí)間間隔服從t=500s的指數(shù)分布,發(fā)送數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)服從均值k=1240bit的泊松分布,總的站數(shù)是100個(gè),信道重發(fā)3次,重發(fā)時(shí)間服從指數(shù)分布;③衛(wèi)星延遲時(shí)間為0.27s;④中央站為1個(gè)網(wǎng)控站,服務(wù)速率為9600bps;⑤假定中央站接收到小站的數(shù)據(jù)包,即為一次呼叫成功;⑥站的數(shù)量逐步增多。其中,接續(xù)時(shí)延是指一個(gè)呼叫從產(chǎn)生到接通,從而準(zhǔn)備通話(huà)之前的時(shí)間。

2.3 功率調(diào)整參數(shù)設(shè)置

功率調(diào)整機(jī)制的建立,需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各站參數(shù)聯(lián)動(dòng)響應(yīng),為此用Rational Rose工具建立的特殊測(cè)試流程為:識(shí)別要采用特定路徑所需要的輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài),當(dāng)滿(mǎn)足所有的路徑條件時(shí)就會(huì)沿該路徑而行,不滿(mǎn)足時(shí)給出告警并提示可行指數(shù),所有測(cè)試用例中定義的數(shù)據(jù)需要滿(mǎn)足路徑條件的特定輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)。在功率調(diào)整測(cè)試用例中可設(shè)置如下參數(shù)。

（1）信噪比參數(shù)設(shè)置

在每個(gè)站的參數(shù)文件中定義3個(gè)參考突發(fā)的信噪比值,以達(dá)到期望的鏈路質(zhì)量:

最小信噪比（Minimum Es/No）為70;

適中信噪比（Moderate Es/No）為100;

最大信噪比（Maximum Es/No）為130。

另外,在控制站參數(shù)文件中定義一個(gè)下行鏈路控制值。這個(gè)參數(shù)的意義是:有多少遠(yuǎn)端站接收控制站突發(fā)信號(hào)的質(zhì)量低于期望值才能導(dǎo)致控制站增大發(fā)送功率。

（2）雨區(qū)發(fā)射功率調(diào)整

如果控制站檢測(cè)到它不能將功率電平增加到期望值,它將在參考突發(fā)中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志,告訴各遠(yuǎn)端站。遠(yuǎn)端站跟著凍結(jié)自己的功率電平。它們從本站的參數(shù)文件中讀取最新功率電平值。

（3）更新、整理、歸類(lèi)

如果控制站處于雨區(qū),參考突發(fā)的上行傳輸衰減將會(huì)增加,各遠(yuǎn)端站將報(bào)告接收質(zhì)量變差。由于當(dāng)?shù)厍闆r不同,有些站的信號(hào)質(zhì)量會(huì)低于最小信噪比（Minimum Es/No）的閾值,當(dāng)接收信號(hào)質(zhì)量差的站數(shù)超過(guò)控制站下行鏈路控制參數(shù)值（Down-Link power Control）時(shí),控制站在功率控制機(jī)制的控制下增加發(fā)射功率電平。當(dāng)下行鏈路控制值較小時(shí),控制站的反應(yīng)會(huì)早些,功率電平會(huì)馬上增加。

遠(yuǎn)端站匯報(bào)實(shí)際接收的信噪比。“最大、適中與最小信噪比”作為控制站的參數(shù),控制站比較報(bào)上來(lái)的值和控制參數(shù),將值歸類(lèi)。“最大、適中與最小信噪比”作為該站的參數(shù),由遠(yuǎn)端站自己歸類(lèi),向控制站報(bào)告結(jié)果。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 同步系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)建立的測(cè)試模型,對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試得到如下結(jié)果:幀長(zhǎng)度的選取首先要考慮衛(wèi)星鏈路的傳輸時(shí)延和話(huà)音業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延的要求。話(huà)音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延一般要求在400ms以?xún)?nèi),衛(wèi)星鏈路的傳輸時(shí)延大約為270ms,同時(shí)考慮到傳輸設(shè)備的處理時(shí)延,幀長(zhǎng)一般不超過(guò)110ms,綜合考慮各種因素的影響不小于80ms為宜。

為了解決網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與主載波幀效率間的矛盾,系統(tǒng)引入了超幀結(jié)構(gòu)。但超幀結(jié)構(gòu)的引入使各站占用申請(qǐng)時(shí)隙的機(jī)會(huì)從一幀一次變成了一超幀一次,根據(jù)對(duì)話(huà)音業(yè)務(wù)呼叫建立時(shí)間限制的仿真,最大超幀長(zhǎng)度定為16幀。

衛(wèi)星漂移的典型速率為2.8m/s,系統(tǒng)要求的時(shí)鐘穩(wěn)定度為1×10-8/日,典型的同步保持調(diào)整間隔時(shí)間為一個(gè)超幀,以最長(zhǎng)超幀16幀,最長(zhǎng)幀長(zhǎng)110ms進(jìn)行分析,仿真同步保持誤差小于10μs,保證網(wǎng)絡(luò)的同步運(yùn)行。同步誤差仿真數(shù)據(jù)如圖2所示。可以看出仿真測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

圖2 同步保持誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)提供話(huà)音、數(shù)據(jù)和視頻3種業(yè)務(wù)接入,采用MF-TDMA虛路由技術(shù)體制,可以組成全網(wǎng)狀網(wǎng)。

各站間平均業(yè)務(wù)互通量為1Mbps,采取相應(yīng)的流量控制、排隊(duì)和調(diào)度機(jī)制,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)話(huà)音業(yè)務(wù)大話(huà)務(wù)量的測(cè)試仿真,系統(tǒng)的平均呼叫成功率統(tǒng)計(jì)如圖3所示,呼叫接續(xù)時(shí)延統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)的平均呼叫成功率

圖4 系統(tǒng)的平均接續(xù)時(shí)延

在上述業(yè)務(wù)背景下,系統(tǒng)的呼叫成功率在87%左右,而平均接續(xù)時(shí)延維持在1.1s左右,這個(gè)結(jié)果滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用Rational Rose工具設(shè)計(jì)的模型,測(cè)試人員可以根據(jù)MF-TDMA衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出很多測(cè)試用例,獲得大量數(shù)據(jù),很方便地捕獲設(shè)計(jì)缺陷,從而能以較小的代價(jià)盡可能多地找出網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中存在的各種缺陷,有效指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì),使網(wǎng)絡(luò)得到最佳的配置。

[1]楊運(yùn)年.VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)[M].北京:人民郵電出版社,1997.

[2]ALBERTO LEON-GARCIA,INDRA WIDJAJA.通信網(wǎng)基本概念與主體結(jié)構(gòu)[M].北京:清華出版社,2003.