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。這些特點決定了地面?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)計出相應(yīng)的傳輸方案以實現(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)備造價昂貴，不適于進行頻繁搭載實驗，因此，建立能夠準確模擬深空通信環(huán)境中文件傳輸?shù)姆桨阜抡鎸嶒炏到y(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)幫助客戶進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計、建設(shè)、分析和管理。提供三層建模機制，底層為Process模型，以狀態(tài)機來描述協(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；提供了一個比較齊全的基本模型庫。2,NETWORK SIMULATOR NS是一個由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)計的，集成了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，路由排隊管理機制，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的特點是源代碼公開；可擴展性強；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)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)環(huán)境.MATLAB提供了一個人機交互的數(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)通信方案時均存在著無法克服的缺
占-
^ \\\ ·I、OPNET仿真軟件對于深空通信實體及通信特征搭建基本不能實現(xiàn)，因此仿真不能體現(xiàn)出各個星體特點對整個通信過程的影響；另外仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量很大時，仿真的效率會降低；而且，整個仿真過程無實際數(shù)據(jù)流的通過，對于仿真擴展到鏈路層、物理層特性時，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，無實際數(shù)據(jù)流通過，無法對物理層進行仿真。3,MATLAB的主要缺點是不能實現(xiàn)端口操作和實時控制，而深空通信中環(huán)境是時刻間可能產(chǎn)生巨變的環(huán)境；當(dāng)仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時，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?？芍赜眯阅軌虮ＷC在相對最短的時間內(nèi)，以最小的成本開發(fā)出符合要求的仿真系統(tǒng)?；ゲ僮餍?，能夠保證面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)各個功能成員間進行實時的協(xié)調(diào)溝通。同時，此面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)具有高度的可擴展性。本發(fā)明的面向深空通信的分布式仿真系統(tǒng)同時實現(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
具體實施例方式下面結(jié)合

及具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。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的各個聯(lián)邦成員以RTI (Run-time Infrastructure)為中心,各個聯(lián)邦成員通過 RTI (Run-time Infrastructure)進行交互。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，存在真實仿真數(shù)據(jù)流。如圖所示，使用過程為1、系統(tǒng)各個聯(lián)邦成員啟動并實時更新狀態(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)進行處理，然后進行發(fā)送，所述探測星聯(lián)邦成員111的后向目標是中繼星聯(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)進行處理；3、數(shù)據(jù)流發(fā)送端，數(shù)據(jù)的后向接點是中繼星聯(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)點是探測星聯(lián)邦成員111，后向節(jié)點是地面站聯(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，對整個仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率進行調(diào)整，以達到最大傳輸效率的目的。同時所述速率控制聯(lián)邦成員113能夠?qū)?nèi)存效率進行仿真。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)傳輸速率進行適時調(diào)整，以達到傳輸效率最高。地面站聯(lián)邦成員114 :地面站聯(lián)邦成員114是整個仿真系統(tǒng)中探測數(shù)據(jù)接收端。此聯(lián)邦成員實現(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·現(xiàn)實時深空環(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，其前向節(jié)點是中繼星聯(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)生及實時更新。仿真環(huán)境數(shù)據(jù)包括點對點實時通信距離、點對點實時鏈路狀態(tài)、點對點實時鏈路誤碼率等。深空環(huán)境聯(lián)邦成員131完成相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，實時向仿真系統(tǒng)中廣播這些數(shù)據(jù)，同時對應(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保證整個仿真過程是在真實的深空環(huán)境中進行的。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)境中的實時誤碼率大小、實時鏈路狀態(tài)、實時的傳播延時等等。此聯(lián)邦成員生成這些數(shù)據(jù)后，實時將這些環(huán)境數(shù)據(jù)在整個仿真網(wǎng)絡(luò)中進行更新。此聯(lián)邦成員在系統(tǒng)中的作用是實時產(chǎn)生深空環(huán)境數(shù)據(jù)并通過廣播的方式，使系統(tǒng)中的各個聯(lián)邦成員對數(shù)據(jù)進行實時更新。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，實時采集各個聯(lián)邦成員的相應(yīng)數(shù)據(jù)，對其進行記錄并簡單分析并存儲。例如對應(yīng)仿真時刻的各條點對點鏈路狀態(tài)、鏈路誤碼率、點對點通信距離、數(shù)據(jù)塊排隊時間、節(jié)點數(shù)據(jù)編碼效率或者協(xié)議數(shù)據(jù)包生成耗時、鏈路通斷時間段、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、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)仿真的評價成員，不直接參與仿真數(shù)據(jù)流的流動。
為了實現(xiàn)深空通信的仿真，仿真系統(tǒng)必須能夠模擬出真實環(huán)境中深空通信的難點深空通信環(huán)境的，傳播延時大；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)邦成員實現(xiàn)的。深空環(huán)境數(shù)據(jù)包括點到點實時通信距離、信道實時誤碼率、點到點實時鏈路狀態(tài)等。而上下行非對稱鏈路是通過延時發(fā)送的方式等效實現(xiàn)的。此仿真系統(tǒng)再次仿真其它任務(wù)時，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。仿真系統(tǒng)的突出特點仿真系統(tǒng)的可擴展性和系統(tǒng)的重用性；充分保證深空環(huán)境，并實時更新；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償，但 是仍然達不到遠距離文件可靠傳輸?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或者多個中繼，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是基于實際的文件存儲，協(xié)議可以用來在實體間傳輸數(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。此仿真系統(tǒng)使用C++代碼實現(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，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集并對數(shù)據(jù)進行處理，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，實時產(chǎn)生深空環(huán)境數(shù)據(jù)并通過廣播的方式，使系統(tǒng)中的各個聯(lián)邦成員對數(shù)據(jù)進行實時更新； 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。
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