應用時變拓撲動態(tài)模型的星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)設計

尹卿 于澎 白力舸 胡帆 方凱

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛(wèi)星星座由多顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星之間通過無線鏈路進行通信，實現(xiàn)信息傳輸，從而形成星座通信網(wǎng)絡。由于衛(wèi)星之間的可見性受到地球遮擋或天線指向限制等因素影響，星座拓撲結(jié)構(gòu)存在時變需求；同時，由于通信體制影響，星座拓撲結(jié)構(gòu)需要進行主動快速變化。因此，時變拓撲星座的星間網(wǎng)絡性能是衛(wèi)星星座通信的基礎，能夠保障數(shù)據(jù)的可靠性和時效性。在實際工作過程中，網(wǎng)絡協(xié)議可能會由于衛(wèi)星在軌相對運動引入的頻率動態(tài)效應(定義為多普勒效應與信號傳輸時延變化效果之和)導致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。如何在時變拓撲模擬的基礎上考核頻率動態(tài)效應對星間網(wǎng)絡協(xié)議傳輸性能的影響，是測試系統(tǒng)設計的難點。

現(xiàn)有國內(nèi)外星間網(wǎng)絡性能測試主要集成于星間鏈路測試平臺,用于對星間網(wǎng)絡協(xié)議的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層進行功能驗證。國外“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”(GNSS)星間鏈路測試平臺的研究項目比較多樣，側(cè)重點各有不同，主要分為星間鏈路射頻通道功能及性能驗證和星間鏈路信號及算法性能驗證兩大類。GNSS多星座模擬器(NAVYS)是由ESA支持研制的針對GNSS的星座模擬設備，將完整的配置端口提供給用戶，包含獨立的衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星天線方向圖、功率參數(shù)、波形、偽隨機碼(PRN碼)、子載波模式和多徑傳輸方案等，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的星座及未來將會有的GNSS星座信號進行全方位仿真模擬[1]。星間鏈路工程開發(fā)單元(ISL EDU)是由美國空軍研究實驗室(AFRL)研制的星間鏈路信號性能測試平臺，側(cè)重于星間傳輸信號本身性能的測試，測試過程與衛(wèi)星收發(fā)信機本身硬件設備相對獨立，適用于星間鏈路信號體制驗證過程及星間鏈路軟件測試過程[2]。“伽利略”衛(wèi)星信號測試設備(GSVF)是由ESA支持研制的專用衛(wèi)星導航系統(tǒng)模擬測試平臺，可用于對計劃中的“伽利略”衛(wèi)星導航信號和信息結(jié)構(gòu)性能進行評估[3-6]。時變目標系統(tǒng)的測試平臺多針對相控陣體制系統(tǒng)設計，側(cè)重于驗證相控陣體制功能的正確性[7-10]。國內(nèi)導航系統(tǒng)模擬平臺側(cè)重于其他衛(wèi)星導航電文對被測衛(wèi)星星歷等的影響，能夠?qū)⒈粶y衛(wèi)星的導航工作狀態(tài)進行系統(tǒng)性的測試[11]；衛(wèi)星網(wǎng)絡半實物仿真環(huán)境可對衛(wèi)星網(wǎng)絡進行建模，在網(wǎng)絡層模擬衛(wèi)星網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星軌道運行帶來的動態(tài)拓撲變化，以及空間電磁信號傳輸導致的長時延、高誤碼率等空間環(huán)境特點，同時為網(wǎng)絡管理提供虛擬的被管對象，能夠支持面向應用層的業(yè)務流傳輸，演示驗證衛(wèi)星網(wǎng)絡的管理體系結(jié)構(gòu)、概念、管理算法和管理協(xié)議[12]。現(xiàn)有測試平臺在進行星間網(wǎng)絡協(xié)議工作環(huán)境模擬時，并未將時變拓撲星座的頻率動態(tài)模型與星間網(wǎng)絡協(xié)議傳輸性能的測試相結(jié)合，導致星間網(wǎng)絡協(xié)議實際運行環(huán)境與真實的在軌狀態(tài)相比存在一定的偏差，使測試結(jié)果可靠性降低，因此需要對測試模擬環(huán)境進行完善。

本文提出一種面向時變拓撲星座的星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)設計，應用時變拓撲動態(tài)模型，針對時變拓撲結(jié)構(gòu)頻率動態(tài)工作條件進行模擬，提高星間網(wǎng)絡工作環(huán)境模擬的真實性，暴露網(wǎng)絡可能存在的性能問題，以彌補現(xiàn)有測試系統(tǒng)的不足。最后，應用測試系統(tǒng)進行測試用例集運行，完成時變拓撲頻率動態(tài)條件對星間網(wǎng)絡性能影響的實際驗證。

1 星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)設計

進行時變拓撲星座星間網(wǎng)絡性能測試時，需要使星間網(wǎng)絡工作模擬環(huán)境與在軌工作環(huán)境盡可能保持一致，一致度越高，越能提前暴露星間網(wǎng)絡在軌工作的潛在問題。為了提高工作環(huán)境模擬的真實性，需要在模擬時增加信號頻率動態(tài)模擬功能，而時變拓撲結(jié)構(gòu)要求通信目標快速切換，因此發(fā)送信模擬號的頻率動態(tài)效應也要在數(shù)個目標之間快速切換，如何實現(xiàn)此功能是測試系統(tǒng)設計的難點。本文針對時變拓撲星座頻率動態(tài)效應模擬進行設計，并利用時變拓撲數(shù)據(jù)收發(fā)功能配合完成星間網(wǎng)絡性能測試。

測試系統(tǒng)需要具備的主要功能包括：①時變目標數(shù)據(jù)模擬生成；②時變目標數(shù)據(jù)接收判讀；③星間多普勒及傳輸時延模擬。其中，時變目標數(shù)據(jù)的生成及接收判讀功能通過軟件實現(xiàn)；星間多普勒及傳輸時延模擬通過硬件頻率調(diào)節(jié)及時延調(diào)節(jié)模擬。圖1為星間網(wǎng)絡測試系統(tǒng)架構(gòu)，星間多普勒及傳輸時延模擬模塊作為核心模擬單元嵌入其中，為驗證其功能，需要與星間信息生成模塊、星間信息接收模塊等配合工作。管理控制模塊、測試評估模塊用于完成測試設備控制和測試數(shù)據(jù)管理功能，由可獨立運行的具有用戶交互圖形界面的星間網(wǎng)絡測試軟件和自動化執(zhí)行腳本提供。星間多普勒及傳輸時延模擬模塊、建鏈規(guī)劃表及路由表解析管理模塊，提供頻率動態(tài)及時變拓撲的模擬計算功能；星間信息生成模塊、星間信息接收模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬生成及接收判讀功能，由駐留運行在星間鏈路終端模擬器硬件平臺上的星間網(wǎng)絡模擬軟件以軟件服務的形式提供。

圖1 測試系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of test system architecture

2 星間多普勒及傳輸時延模擬模塊

2.1 時變拓撲動態(tài)模型

本文星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)適用的衛(wèi)星星座采用時分雙工(TDD)模式進行星間通信。被測衛(wèi)星將通信時段劃分為一系列等長時間段(即時隙)，每個通信時隙內(nèi)被測衛(wèi)星指向不同的目標衛(wèi)星并與之建立星間鏈路(簡稱建鏈)，星座時變拓撲結(jié)構(gòu)依據(jù)建鏈規(guī)劃信息進行快速更改，現(xiàn)有星座時變拓撲更新周期僅為秒級，星座拓撲結(jié)構(gòu)在實際工作中快速轉(zhuǎn)變。在測試被測衛(wèi)星的網(wǎng)絡性能時，也需要按照模擬的建鏈目標靈活產(chǎn)生可控的激勵信號，并根據(jù)時變拓撲結(jié)構(gòu)處理并輸出的結(jié)果對被測衛(wèi)星進行正確性檢查。圖2為衛(wèi)星時變拓撲信號示意。

圖2 衛(wèi)星時變拓撲信號示意Fig.2 Diagram of time-varying topology signal of navigation satellite

圖2中，S(t)為傳輸?shù)臅r域信號，Si為第i個傳輸時隙(i=0,1,2,…,N-1)，Ts為每個時隙的持續(xù)時間，Ai(t)為第i個時隙內(nèi)傳輸?shù)臅r域信號，時隙內(nèi)傳輸幀數(shù)為M，F(xiàn)j為第j幀傳輸信號(j=1,2,…,M)，TF為每幀的傳輸時間(TF=Ts/M)，每幀內(nèi)數(shù)據(jù)(單位：bit)為Y，單比特傳輸時間Tbit=TF/Y。

時變拓撲條件下傳輸?shù)男盘枙r域可表示為

[t-(i-1)Ts]∈[0,Ts)

(1)

第i個時隙內(nèi)傳輸?shù)臅r域信號為

[t-(j-1)TF]∈[0,TF)

(2)

式中：Fi,j(t)為第i個時隙傳輸?shù)牡趈幀信號；Δti,j為第i個時隙傳輸?shù)趈幀信號引入的傳輸時延。

考慮將信號調(diào)制于頻率為f的載波信號進行傳輸，靜態(tài)傳輸信號可表示為

SQ(t)sin(2πft+φ)

(3)

式中：SI(t)和SQ(t)分別為QPSK調(diào)制當前幀內(nèi)傳輸?shù)腎路和Q路的信息序列；φ為載波信號初始相位。

衛(wèi)星在軌實際工作中存在高頻率動態(tài)過程，多普勒效應將使載波信號頻率f產(chǎn)生動態(tài)變化Δf(t)，將式(3)進行補充修正，可得

Fi,j(t)=SI(t)cos(2π(f+Δf(t))t+φ)+

SQ(t)sin(2π(f+Δf(t))t+φ)

(4)

使用復數(shù)表示，信號為

Sc(t)=(SI(t)+jSQ(t))e-j(ω1t+φ1)=

(5)

對I和Q兩路信號使用cos(ω2t+φ2)和sin(ω2t+φ2)進行第2級正交調(diào)制，可得

Sout(t)=SI(t)cos ((ω2+ω1)t+(φ2+φ1))+

SQ(t)sin ((ω2+ω1)t+(φ2+φ1))

(6)

式中：ω2為第2級調(diào)制信號角頻率；φ2為第2級調(diào)制信號初始相位。

因此，對于調(diào)制信號S(t)的載波頻率(f+Δf(t))，可采用第1級調(diào)制多普勒模擬頻率(Δf(t)+fIF)，第2級上變頻頻率(f-fIF)方式進行過程模擬，其中fIF為中頻調(diào)制頻率。

根據(jù)多普勒效應公式可得

Δfd(t)=Δf(t)+fIF=

(7)

式中：Δfd(t)為第1級調(diào)制頻率；Vs(t)為目標衛(wèi)星與被測衛(wèi)星之間徑向相對運動速度；c為真空光速，若目標衛(wèi)星接近被測衛(wèi)星，運算符號取“-”，反之取“+”；fIF選取需要保證Δfd(t)>0。

衛(wèi)星在軌相對運動在產(chǎn)生多普勒效應的同時，也伴隨著星間絕對距離的變化表現(xiàn)為星間信號傳輸時延的變化。

2.2 模塊設計

圖3 星間多普勒及傳輸時延模擬模塊框圖Fig.3 Diagram of simulation module of inter-satellite Doppler and transmission delay

對調(diào)制輸出的包含多普勒頻率變化信息的傳輸信號Fi，j(t)，按照每間隔T0插入特定時延進行信號傳輸時延模擬，時延值由對星間距離曲線SDopplor(t)進行采樣(采樣結(jié)果表示為SDopplor(nT0))獲得。

星間多普勒及傳輸時延模擬模塊模擬系統(tǒng)的故障模式包括：系統(tǒng)時延導致的時隙間數(shù)據(jù)串擾，見式(8)；系統(tǒng)時延導致的時隙內(nèi)傳輸誤幀，見式(9)，其中，ε為系統(tǒng)編碼糾錯能力能修正的最大誤碼數(shù)。故障模式示意如圖4所示。

(8)

(9)

圖4 故障模式示意Fig.4 Diagram of fault models

3 星間信息生成模塊及接收判讀模塊工作方式

星間信息生成模塊完成時變拓撲星座數(shù)據(jù)模擬生成功能。首先，查詢當前時變拓撲規(guī)劃信息，獲得衛(wèi)星在順序各時隙的建鏈目標衛(wèi)星、通信速率等信息。同時，針對將要進行的星間網(wǎng)絡性能測試項目調(diào)用測試用例庫，獲得預設測試用例中的待傳輸信息，包括信息計劃傳輸?shù)臅r隙號、發(fā)送的數(shù)據(jù)類型、發(fā)送信息的最終目標衛(wèi)星號、發(fā)送信息次數(shù)及發(fā)送信息數(shù)據(jù)域的具體內(nèi)容。將時變拓撲信息和預設測試用例信息作為輸入，生成星間信息模擬產(chǎn)生規(guī)則，如圖5(a)所示。按照星間信息模擬產(chǎn)生規(guī)則，每個時隙準備下一個時隙待發(fā)送星間信息，并在下一個時隙內(nèi)完成信息的全部發(fā)送。發(fā)送結(jié)束后，繼續(xù)按照生成規(guī)則中的下一時隙信息準備發(fā)送數(shù)據(jù)，并重復發(fā)送步驟，直至生成規(guī)則中的全部時隙傳輸信息完成發(fā)送。

星間信息接收模塊完成時變拓撲星座數(shù)據(jù)放入、接收及正確性判讀。首先，查詢當前時變拓撲規(guī)劃信息和路由規(guī)劃信息，獲得衛(wèi)星在順序各時隙的建鏈目標衛(wèi)星、通信速率等信息，結(jié)合預設的測試用例(與星間信息生成模塊調(diào)用用例相同)計算得出星間信息接收判讀規(guī)則，如圖5(b)所示。由星間信息接收模塊實時接收被測衛(wèi)星發(fā)送的星間信息。在一個時隙結(jié)束后，對結(jié)束時隙內(nèi)接收到的全部數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計，包括接收數(shù)據(jù)類型、接收數(shù)據(jù)次數(shù)、接收數(shù)據(jù)目標衛(wèi)星號等，并將統(tǒng)計結(jié)果發(fā)送到測試評估模塊。測試評估模塊接收星間信息接收模塊發(fā)送的分類統(tǒng)計結(jié)果，并與星間信息接收判讀規(guī)則進行比對，得出統(tǒng)計信息中與判讀規(guī)則不一致的部分并輸出。

時隙號數(shù)據(jù)類型源衛(wèi)星目標衛(wèi)星發(fā)送次數(shù)0TypeASat1Sat2101TypeASat2Sat3202TypeBSat3Sat4303TypeBSat4Sat5404TypeCSat5Sat6505TypeCSat6Sat7106TypeDSat7Sat8207TypeDSat8Sat9308TypeESat9Sat10409TypeESat10Sat1150……………

(a)星間信息發(fā)送模塊模擬產(chǎn)生規(guī)則示例

(b)星間信息接收判讀規(guī)則示例

注：示例對應測試用例為當前時隙發(fā)送信息通過下一時隙由被測衛(wèi)星轉(zhuǎn)出。

圖5 星間信息模擬產(chǎn)生規(guī)則示例和星間信息接收判讀規(guī)則示例

Fig.5 Rules of generation and estimation of inter-satellite information

4 測試系統(tǒng)應用及功能驗證

為了對測試系統(tǒng)功能進行測試，設計一個典型的測試用例。測試系統(tǒng)模擬20個星座拓撲節(jié)點(建鏈目標循環(huán)周期N=20)，按照順序與被測衛(wèi)星建鏈模擬時變拓撲規(guī)劃，每個時隙信息傳輸速率為50幀/時隙，在每個建鏈時隙中發(fā)送目標為下一時隙建鏈目標的星間信息，星間信息類型固定為TypeD，時隙內(nèi)發(fā)送次數(shù)固定為50幀/時隙，模擬過程循環(huán)執(zhí)行。

測試過程中設計故障模式如下。

(1)系統(tǒng)傳輸時延導致時隙間數(shù)據(jù)串擾。設置各時隙內(nèi)幀傳輸時延，使經(jīng)過被測衛(wèi)星處理后的傳輸時延滿足式(8)，根據(jù)被測衛(wèi)星路由規(guī)劃得出在時隙5(S5)應該接收到的星間信息目標地址為Sat5；時隙6(S6)應該接收到的星間信息目標地址為Sat6；此時，時隙4(S4)中的部分數(shù)據(jù)(按照用例應由被測衛(wèi)星在S5中轉(zhuǎn)發(fā)回測試系統(tǒng))將由于傳輸時延而串擾至S5發(fā)出(按照用例會由被測衛(wèi)星在時隙6(S6)中轉(zhuǎn)發(fā)回測試系統(tǒng))，測試系統(tǒng)星間信息接收模塊將識別出S6接收目標錯誤，同時S5中將判讀出傳輸誤幀或丟幀。

(2)系統(tǒng)傳輸試驗導致時隙內(nèi)傳輸誤幀。設置時隙12(S12)內(nèi)各幀傳輸時延，使經(jīng)過被測衛(wèi)星處理后的傳輸時延滿足式(9)；此時，S12中的部分數(shù)據(jù)幀將無法完成解析識別，導致S12接收有效幀出現(xiàn)誤幀，繼而使時隙13(S13)中測試系統(tǒng)接收到的被測衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的有效幀數(shù)量減少。

在測試用例循環(huán)后的統(tǒng)計結(jié)果，如圖6～9所示。根據(jù)顯示結(jié)果可知：此星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)能夠模擬時變拓撲星座頻率動態(tài)效果，并對測試結(jié)果按照信息類型和收發(fā)時隙進行分類統(tǒng)計，能夠按照測試判讀規(guī)則進行星間信息接收正確性判讀。在預設的故障模式影響下，按照預期判讀出S5中系統(tǒng)傳輸時延導致時隙數(shù)據(jù)串擾，并判讀出S13的誤幀錯誤和誤幀數(shù)量。由于系統(tǒng)模擬的頻率動態(tài)過程參照在軌衛(wèi)星運動過程，因此上述故障模式異常出現(xiàn)時刻與模擬的衛(wèi)星運動過程直接相關(guān)，并非每個循環(huán)周期均能出現(xiàn)，在極限動態(tài)條件下異常問題更易暴露；另外，時隙數(shù)據(jù)串擾可能導致受擾時隙有效數(shù)據(jù)處理錯誤，造成有效幀總數(shù)下降。試驗結(jié)果證明：本文設計的星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)在模擬時變拓撲頻率動態(tài)條件下完成了對星間網(wǎng)絡協(xié)議工作中的故障模式測試，測試結(jié)果與預期一致；也成功發(fā)現(xiàn)了在靜態(tài)條件下無法發(fā)現(xiàn)的被測衛(wèi)星星間網(wǎng)絡性能存在的小概率異常問題，彌補了現(xiàn)有測試平臺在星間網(wǎng)絡協(xié)議工作環(huán)境模擬時的不足。

注：部分目標衛(wèi)星的頻率動態(tài)曲線重合。圖6 目標衛(wèi)星頻率動態(tài)曲線Fig.6 Frequency dynamic curve of target satellites

圖7 時變目標頻率動態(tài)模擬結(jié)果Fig.7 Frequency dynamic simulation results of time-varying targets

注：本次測試累計統(tǒng)計時長等于19 080個時隙總時長。圖8 測試結(jié)果統(tǒng)計界面Fig.8 Statistical interface of test results

圖9 測試結(jié)果分析Fig.9 Test results analysis

5 結(jié)束語

針對時變拓撲星座星間通信網(wǎng)絡，本文設計并實現(xiàn)了一種星間網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)，針對性地完善了頻率動態(tài)模擬功能，并通過設計故障模式與衛(wèi)星協(xié)同完成了測試系統(tǒng)功能的可行性驗證。測試結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)能夠在模擬時變拓撲頻率動態(tài)條件下完成星間網(wǎng)絡性能測試，且可根據(jù)測試用例及時變拓撲對發(fā)送星間信息及接收判讀規(guī)則進行動態(tài)生成，具備發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)條件下無法發(fā)現(xiàn)的星間網(wǎng)絡小概率異常問題，可廣泛應用于各種測試場景，為星間網(wǎng)絡性能測試提供支持。