MF-TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)仿真

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Rational 公司開發(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)定腳本語言在一個(gè)用戶測(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)隙造成干擾的過程。

1. 3 申請(qǐng)?jiān)捯暨M(jìn)展模型

建立一個(gè)雙工的用戶模型，既能作為主叫也能作為被叫。當(dāng)作為主叫時(shí)，用戶根據(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，以保證通話鏈路的建立. 整個(gè)測(cè)試流程如下: 終端用戶站發(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，否則予以拋棄。所有的幀傳輸都要經(jīng)過一個(gè)衛(wèi)星信道的時(shí)延并滿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，各類誤差對(duì)同步保持的影響就越小，而調(diào)整過程本身帶來的開銷就越大; 反之各類誤差對(duì)同步保持的影響就越大，而調(diào)整過程本身帶來的開銷就越小。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)話音信道; 每個(gè)信道的速率為2 400 bps; ②每個(gè)站發(fā)送時(shí)間間隔服從t= 500 s 的指數(shù)分布，發(fā)送數(shù)據(jù)包包長服從均值k= 1 240 bit 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. 27 s;④中央站為1 個(gè)網(wǎng)控站，服務(wù)速率為9 600 bps; 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)滿足所有的路徑條件時(shí)就會(huì)沿該路徑而行，不滿足時(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

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)超過控制站下行鏈路控制參數(shù)值( Down Linkpower 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)上來的值和控制參數(shù)，將值歸類。“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，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: 幀長度的選取首先要考慮衛(wèi)星鏈路的傳輸時(shí)延和話音業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延的要求。話音業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延一般要求在400 ms 以內(nèi)，衛(wèi)星鏈路的傳輸時(shí)延大約為270 ms，同時(shí)考慮到傳輸設(shè)備的處理時(shí)延，幀長一般不超過110 ms，綜合考慮各種因素的影響不小于80 ms 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)話音業(yè)務(wù)呼叫建立時(shí)間限制的仿真，最大超幀長度定為16 幀。
圖2 同步保持誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星漂移的典型速率為2. 8 m/ 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，以最長超幀16 幀，最長幀長110ms進(jìn)行分析,仿真同步保持誤差小于10 s，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1 Mbps，采取相應(yīng)的流量控制、排隊(duì)和調(diào)度機(jī)制，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)話音業(yè)務(wù)大話務(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. 1 s 左右，這個(gè)結(jié)果滿足網(wǎng)絡(luò)用戶服務(wù)質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語

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。