專利名稱：面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
深空通信不同于地面通信，其具有傳播延時(shí)長、鏈路衰減大、上下行鏈路非對稱信息傳輸、鏈路頻繁中斷等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了地面?zhèn)鬏敺桨覆贿m合應(yīng)用到深空通信環(huán)境中，因此必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)的傳輸方案以實(shí)現(xiàn)高效、可靠地深空通信的文件傳輸任務(wù)。但是由于深空通信設(shè)備造價(jià)昂貴，不適于進(jìn)行頻繁搭載實(shí)驗(yàn)，因此，建立能夠準(zhǔn)確模擬深空通信環(huán)境中文件傳輸?shù)姆桨阜抡鎸?shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有重大意義。
現(xiàn)有技術(shù)中使用較多的為以下三種仿真系統(tǒng)UOPNET :此仿真軟件系統(tǒng)幫助客戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計(jì)、建設(shè)、分析和管理。提供三層建模機(jī)制，底層為Process模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為Node模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性；提供了一個(gè)比較齊全的基本模型庫。2,NETWORK SIMULATOR NS是一個(gè)由UC Berkeley開發(fā)的用于仿真各種IP網(wǎng)絡(luò)的為主的優(yōu)秀的仿真軟件。NS是基于網(wǎng)絡(luò)仿真而設(shè)計(jì)的，集成了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，路由排隊(duì)管理機(jī)制，業(yè)務(wù)類型，路由算法。此外，NS還集成了組播業(yè)務(wù)和應(yīng)用于局域網(wǎng)仿真有關(guān)的部分、MAC層協(xié)議。其仿真主要針對路由層，傳輸層，數(shù)據(jù)鏈路層展開；NS的特點(diǎn)是源代碼公開；可擴(kuò)展性強(qiáng)；速度和效率優(yōu)勢明顯。3、MATLAB :該軟件是由美國Math works公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境.MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。以上三種仿真系統(tǒng)在仿真深空探測的數(shù)據(jù)通信方案時(shí)均存在著無法克服的缺
占-
^ \\\ ·I、OPNET仿真軟件對于深空通信實(shí)體及通信特征搭建基本不能實(shí)現(xiàn)，因此仿真不能體現(xiàn)出各個(gè)星體特點(diǎn)對整個(gè)通信過程的影響；另外仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量很大時(shí)，仿真的效率會降低；而且，整個(gè)仿真過程無實(shí)際數(shù)據(jù)流的通過，對于仿真擴(kuò)展到鏈路層、物理層特性時(shí)，無能為力。2、NS仿真軟件具有開源的優(yōu)勢，能夠搭建適合的仿真環(huán)境，但是要搭建充分體現(xiàn)深空通信的環(huán)境卻非常困難；其次，已可重用性差；再次，無實(shí)際數(shù)據(jù)流通過，無法對物理層進(jìn)行仿真。3,MATLAB的主要缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)端口操作和實(shí)時(shí)控制，而深空通信中環(huán)境是時(shí)刻間可能產(chǎn)生巨變的環(huán)境；當(dāng)仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，效率非常低。綜上所述，現(xiàn)有的仿真軟件不能滿足深空協(xié)議仿真的要求，無法實(shí)現(xiàn)深空協(xié)議仿真。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)具有可重用性和互操作性的特點(diǎn)。可重用性能夠保證在相對最短的時(shí)間內(nèi)，以最小的成本開發(fā)出符合要求的仿真系統(tǒng)?；ゲ僮餍裕軌虮ＷC面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)各個(gè)功能成員間進(jìn)行實(shí)時(shí)的協(xié)調(diào)溝通。同時(shí)，此面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)具有高度的可擴(kuò)展性。本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通用性仿真系統(tǒng)的基本框架，能夠普適于其它仿真 系統(tǒng)的開發(fā)過程?？鐓f(xié)議、跨平臺通信。本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多協(xié)議間，不同仿真系統(tǒng)平臺間的數(shù)據(jù)通信，解決了不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)無法識別、各仿真系統(tǒng)接口不規(guī)范的問題。


圖I是本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。圖2是延遲型CFDP協(xié)議傳輸模型示意圖。圖3是本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)的工作流程圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步說明。請參閱圖I至圖3，本發(fā)明提供了一種面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)10，包括功能仿真組件11、仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件13、仿真性能分析與記錄組件15。面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)10的各個(gè)聯(lián)邦成員以RTI (Run-time Infrastructure)為中心,各個(gè)聯(lián)邦成員通過 RTI (Run-time Infrastructure)進(jìn)行交互。功能仿真組件11，所述功能仿真組件11包括探測星聯(lián)邦成員111、中繼星聯(lián)邦成員112、速率控制聯(lián)邦成員113、地面站聯(lián)邦成員114。所述功能仿真組件11用于根據(jù)具體仿真任務(wù)完成仿真，存在真實(shí)仿真數(shù)據(jù)流。如圖所示，使用過程為1、系統(tǒng)各個(gè)聯(lián)邦成員啟動并實(shí)時(shí)更新狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)；2、探測星聯(lián)邦成員111收集數(shù)據(jù)；3、按照選定的協(xié)議或者編碼方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷后繼動作；4、判斷當(dāng)前鏈路狀態(tài)是否符合發(fā)送數(shù)據(jù)條件若符合則發(fā)送；5、數(shù)據(jù)流經(jīng)速率控制聯(lián)邦成員113，此聯(lián)邦成員根據(jù)方針策略及當(dāng)前的通信環(huán)境狀態(tài)判斷是不是需要調(diào)整；6、數(shù)據(jù)到達(dá)中繼星聯(lián)邦成員112，在此聯(lián)邦成員中按照仿真方案及當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)發(fā)與否；7、數(shù)據(jù)到達(dá)地面站聯(lián)邦成員114，根據(jù)傳輸方案判斷是否過程結(jié)束。探測星聯(lián)邦成員111 :探測星聯(lián)邦成員111用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，并按照需要仿真的協(xié)議或者編碼方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行發(fā)送，所述探測星聯(lián)邦成員111的后向目標(biāo)是中繼星聯(lián)邦成員112。所述探測星聯(lián)邦成員111中集成了深空環(huán)境數(shù)據(jù)接收端，用以接收有深空環(huán)境聯(lián)邦成員提供的通信環(huán)境更新參量。探測星聯(lián)邦成員111在整個(gè)仿真系統(tǒng)中的作用是1、探測數(shù)據(jù)的收集；2、按照具體的協(xié)議或者編碼方案對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；3、數(shù)據(jù)流發(fā)送端，數(shù)據(jù)的后向接點(diǎn)是中繼星聯(lián)邦成員112 ；
中繼星聯(lián)邦成員112 :中繼星聯(lián)邦成員112是數(shù)據(jù)通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸中繼。并且在中繼星聯(lián)邦成員112中，能夠?qū)崿F(xiàn)對編碼或者協(xié)議方案中的某些參量的設(shè)計(jì)性能的仿真。例如中繼星內(nèi)存大小、中繼星的發(fā)送功率大家對整個(gè)通信性能的影響。本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)10可以根據(jù)需要添加多個(gè)中繼星聯(lián)邦成員112。所述中繼星聯(lián)邦成員112中，集成了深空環(huán)境數(shù)據(jù)接收端，作用為探測星聯(lián)邦成員111。所述中繼星聯(lián)邦成員112的作用是1、實(shí)現(xiàn)信號放大轉(zhuǎn)發(fā)作用；2、體現(xiàn)各中繼星的性能、狀態(tài)；3、數(shù)據(jù)流中間環(huán)節(jié)，所述中繼星聯(lián)邦成員112的前向節(jié)點(diǎn)是探測星聯(lián)邦成員111，后向節(jié)點(diǎn)是地面站聯(lián)邦成員114(可為多級)；速率控制聯(lián)邦成員113 :所述速率控制聯(lián)邦成員113用于根據(jù)深空環(huán)境聯(lián)邦成員提供的環(huán)境變化，對整個(gè)仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最大傳輸效率的目的。同時(shí)所述速率控制聯(lián)邦成員113能夠?qū)?nèi)存效率進(jìn)行仿真。所述速率控制聯(lián)邦成員113中，集成了深空環(huán)境數(shù)據(jù)接收端，作用探測星聯(lián)邦成員111。所述速率控制聯(lián)邦成員113的作用是1、對仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，以達(dá)到傳輸效率最高。地面站聯(lián)邦成員114 :地面站聯(lián)邦成員114是整個(gè)仿真系統(tǒng)中探測數(shù)據(jù)接收端。此聯(lián)邦成員實(shí)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的恢復(fù)處理工作。此聯(lián)邦成員中，集成了深空環(huán)境數(shù)據(jù)接收端，以實(shí)·現(xiàn)實(shí)時(shí)深空環(huán)境更新。此聯(lián)邦成員的作用是1.接收系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流并依照相應(yīng)的編碼或者協(xié)議恢復(fù)探測數(shù)據(jù)；2.系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的終點(diǎn)，其前向節(jié)點(diǎn)是中繼星聯(lián)邦成員112。仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件13，包括深空環(huán)境聯(lián)邦成員131和功能仿真聯(lián)邦成員接口(圖未示)。仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件13用于共同完成仿真環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)生及實(shí)時(shí)更新。仿真環(huán)境數(shù)據(jù)包括點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)時(shí)通信距離、點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)時(shí)鏈路狀態(tài)、點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)時(shí)鏈路誤碼率等。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131完成相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，實(shí)時(shí)向仿真系統(tǒng)中廣播這些數(shù)據(jù)，同時(shí)對應(yīng)的聯(lián)邦成員通過數(shù)據(jù)接收接口接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行狀態(tài)更新。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131 :深空環(huán)境聯(lián)邦成員131保證整個(gè)仿真過程是在真實(shí)的深空環(huán)境中進(jìn)行的。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131用于提供深空環(huán)境數(shù)據(jù)，例如通信環(huán)境中的實(shí)時(shí)誤碼率大小、實(shí)時(shí)鏈路狀態(tài)、實(shí)時(shí)的傳播延時(shí)等等。此聯(lián)邦成員生成這些數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)將這些環(huán)境數(shù)據(jù)在整個(gè)仿真網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行更新。此聯(lián)邦成員在系統(tǒng)中的作用是實(shí)時(shí)產(chǎn)生深空環(huán)境數(shù)據(jù)并通過廣播的方式，使系統(tǒng)中的各個(gè)聯(lián)邦成員對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131為輔助性成員，并不直接參與仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的傳遞。仿真性能分析與記錄組件15，包括數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員151和功能仿真聯(lián)邦成員接口(圖未示)及深空環(huán)境聯(lián)邦成員接口(圖未示)。仿真性能分析與記錄組件15用于共同完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析。在整個(gè)仿真過程中，數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員151通過相應(yīng)的接口，實(shí)時(shí)采集各個(gè)聯(lián)邦成員的相應(yīng)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行記錄并簡單分析并存儲。例如對應(yīng)仿真時(shí)刻的各條點(diǎn)對點(diǎn)鏈路狀態(tài)、鏈路誤碼率、點(diǎn)對點(diǎn)通信距離、數(shù)據(jù)塊排隊(duì)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)編碼效率或者協(xié)議數(shù)據(jù)包生成耗時(shí)、鏈路通斷時(shí)間段、中繼星上內(nèi)存變化情況、中繼星的利用率、速率變化情況、才用速率變化后的效率提高情況、總數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)、平均傳輸速率等。數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員151 :數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員151用于實(shí)現(xiàn)對仿真過程數(shù)據(jù)參量的記錄存儲。此聯(lián)邦成員的作用是1.實(shí)現(xiàn)對仿真系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)的提取和存儲；2.對仿真的編碼方案或者協(xié)議方案在仿真中的性能給與初步的判斷。此聯(lián)邦成員為系統(tǒng)仿真的評價(jià)成員，不直接參與仿真數(shù)據(jù)流的流動。
為了實(shí)現(xiàn)深空通信的仿真，仿真系統(tǒng)必須能夠模擬出真實(shí)環(huán)境中深空通信的難點(diǎn)深空通信環(huán)境的，傳播延時(shí)大；鏈路頻繁中斷；上下行鏈路非對稱信息傳輸。這些特征是通過仿真系統(tǒng)中的“深空環(huán)境聯(lián)邦成員131”產(chǎn)生的。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131通過衛(wèi)星工具包軟件STK(satellite tool kit，衛(wèi)星工具箱)產(chǎn)生環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過仿真網(wǎng)絡(luò)通知各聯(lián)邦成員實(shí)現(xiàn)的。深空環(huán)境數(shù)據(jù)包括點(diǎn)到點(diǎn)實(shí)時(shí)通信距離、信道實(shí)時(shí)誤碼率、點(diǎn)到點(diǎn)實(shí)時(shí)鏈路狀態(tài)等。而上下行非對稱鏈路是通過延時(shí)發(fā)送的方式等效實(shí)現(xiàn)的。此仿真系統(tǒng)再次仿真其它任務(wù)時(shí)，能夠通過只修改功能仿真部分和通信場景配置部分，就可完成仿真任務(wù)。即本分布式仿真系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)是可以重復(fù)使用的，也即本仿真系統(tǒng)的可重用性強(qiáng)。仿真系統(tǒng)的突出特點(diǎn)仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)的重用性；充分保證深空環(huán)境，并實(shí)時(shí)更新；系統(tǒng)的健壯性好。深空通信無法回避的問題是由于超遠(yuǎn)距離通信造成的路徑損耗非常巨大，雖然通過現(xiàn)有的技術(shù)手段，例如增大天線尺寸以獲得接收端較高的信噪比等措施給予了補(bǔ)償，但 是仍然達(dá)不到遠(yuǎn)距離文件可靠傳輸?shù)募夹g(shù)需求。目前，最直接有效減少大路徑損耗的通信方式是添加單個(gè)或者多個(gè)中繼，以減小單跳之間的路徑衰減，利用中繼星的存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，提高端到端的文件傳輸?shù)目煽啃?。然而，對于中繼星的選擇和相應(yīng)的參數(shù)配置，極大的影響這通信系統(tǒng)的性能，所以對中繼星配置的仿真，要給與足夠的重視。以仿真CFDP協(xié)議為例，簡單說明仿真過程CFDP 協(xié)議是 Council of the Consultative Committee for Space DataSystems (國際空間組織委員會)建議使用的靈活、高效的空間信道數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。CFDP是基于實(shí)際的文件存儲，協(xié)議可以用來在實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)塊。延遲否定型CFDP協(xié)議傳輸模型如圖2所示，分布式仿真系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。此流程圖是以CCSDS建議的文件傳輸協(xié)議(CFDP)為仿真任務(wù)而設(shè)計(jì)。此仿真系統(tǒng)使用C++代碼實(shí)現(xiàn)。仿真場景如下表所示
權(quán)利要求
1.一種面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)，其特征在于包括功能仿真組件、仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件、仿真性能分析與記錄組件， 功能仿真組件包括 探測星聯(lián)邦成員，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼星聯(lián)邦成員； 中繼星聯(lián)邦成員，數(shù)據(jù)通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸中繼； 速率控制聯(lián)邦成員，用于對數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行調(diào)整； 地面站聯(lián)邦成員，地面站聯(lián)邦成員是數(shù)據(jù)接收端，用于接受數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢復(fù)處理； 仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件包括 深空環(huán)境聯(lián)邦成員，實(shí)時(shí)產(chǎn)生深空環(huán)境數(shù)據(jù)并通過廣播的方式，使系統(tǒng)中的各個(gè)聯(lián)邦成員對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新； 仿真性能分析與記錄組件包括 數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員，用于實(shí)現(xiàn)對仿真過程數(shù)據(jù)參量的記錄存儲。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)，其特征在于所述深空環(huán)境聯(lián)邦成員通過衛(wèi)星工具包軟件STK產(chǎn)生深空環(huán)境數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)，其特征在于所述面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)設(shè)有多個(gè)中繼星聯(lián)邦成員。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)，其特征在于所述面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)采用C++代碼實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)，包括功能仿真組件、仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件、仿真性能分析與記錄組件。功能仿真組件包括探測星聯(lián)邦成員、中繼星聯(lián)邦成員、速率控制聯(lián)邦成員、地面站聯(lián)邦成員。仿真環(huán)境產(chǎn)生及更新組件包括深空環(huán)境聯(lián)邦成員。仿真性能分析與記錄組件包括數(shù)據(jù)采集聯(lián)邦成員。本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)具有可重用性和互操作性的特點(diǎn)。
文檔編號H04L12/24GK102821159SQ20121029588
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者張欽宇, 楊志華, 焦健, 羅輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院