MF-TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡仿真測試研究

  MF-TDMA 衛(wèi)星網(wǎng)絡是由地面主站、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，每個地面站作為主叫或被叫，向網(wǎng)控中心站申請衛(wèi)星信道資源，因此必須對衛(wèi)星網(wǎng)絡資源與信息進行有效管理與調(diào)配，使其可以應對各種復雜的突發(fā)情況，適應應用任務、網(wǎng)絡本身和外部條件的變化，保證衛(wèi)星網(wǎng)絡穩(wěn)定、可靠、持續(xù)和高效運行。

　　RatiONal Rose 工具是美國Rational 公司開發(fā)的用于分析和設計面向?qū)ο笙到y(tǒng)的強大工具，可以幫助先建模，再進行功能測試，從而保證系統(tǒng)結(jié)構合理、運行正常。Rational Rose 工具支持可視化開發(fā)測試用例模型，結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡的的實際情況，主要進行業(yè)務建模、分析建模、設計建模，然后完成用例驅(qū)動、迭代和增量測試任務。

　　主要介紹衛(wèi)星網(wǎng)絡中比較重要的幾個設計要素的測試方法，并通過仿真建模對網(wǎng)絡化業(yè)務傳輸要求的TDMA 技術體制進行探討研究。

　　1   網(wǎng)絡模型組成及業(yè)務流程

　　1. 1   網(wǎng)絡模型

　　以MF TDMA 方式組網(wǎng)應用時，主站發(fā)送TDMA參考信號并作為全網(wǎng)各站的時間參考基準、一個備份主站用于主站出現(xiàn)故障時接替主站的工作。一般業(yè)務站以主站為參考，并按照主站下發(fā)的時隙表在分配給本站的時隙內(nèi)發(fā)送信息。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)模型如圖1 所示。

圖1  衛(wèi)星網(wǎng)絡半實物仿真網(wǎng)絡的架構

　　網(wǎng)絡運行中幀同步設計、呼叫業(yè)務量的調(diào)整、射頻鏈路功率調(diào)整等設計方法是網(wǎng)絡高效運行的關鍵技術。為此建立如下測試模型和測試流程。

　　測試人員利用序列圖取得測試腳本所需的信息，測試過程包括4 個步驟:

　?、賹⑿蛄袌D轉(zhuǎn)換為流程圖; ②從流程圖識別要測試的路徑，首先識別入口——出口路徑，這樣所有的判定分支都會至少被采用一次，每一條跟蹤的路徑就成為一個測試用例; ③識別特殊的異常情況，即用于開發(fā)測試實例以測試與被測實現(xiàn)相關的異常處理; ④識別要采用特定路徑所需要的輸入和狀態(tài)，當滿足所有的路徑條件時就會沿該路徑而行,測試用例定義需要滿足路徑條件的特定輸入和狀態(tài)。最后確定每個測試實例的預期結(jié)果，完成測試包，得到的測試包可以用一個規(guī)定腳本語言在一個用戶測試驅(qū)動程序中實現(xiàn)。

　　1. 2   MF TDMA 系統(tǒng)定時同步模型

　　定時是TDMA 系統(tǒng)的一個關鍵問題，它為系統(tǒng)運行提供時間基準，是初始捕獲和同步保持的基礎。

　　初始捕獲是指地球站開始發(fā)射突發(fā)時，保證其能夠正確地進入指定的時隙，而不會誤入其他時隙造成干擾的過程。

　　1. 3   申請話音進展模型

　　建立一個雙工的用戶模型，既能作為主叫也能作為被叫。當作為主叫時，用戶根據(jù)加載的業(yè)務發(fā)出呼叫請求; 而作為被叫時，則需要對主叫作出必要的應答，以保證通話鏈路的建立. 整個測試流程如下: 終端用戶站發(fā)送呼叫申請幀并獲取信道分配幀,申請成功后則將信道分配包傳給用戶進程，若申請失敗則通知擁護進程失敗的信息，這些過程為流程圖識別的測試路徑。

　　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，前者主要是對地面站的發(fā)送功率進行處理，后者主要確定誤碼問題。這里對上行鏈路做了限制，即申請路徑只能傳到網(wǎng)控中心; 在下行鏈路，主要確認衛(wèi)星模塊傳來的信號功率是不是到達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)過一個衛(wèi)星信道的時延并滿足接收站功率控制要求。

　　為每個站的調(diào)制器的突發(fā)信噪比都配置一個值，這個值用于傳輸功率控制。遠端站將它們從控制站收到的參考突發(fā)的信噪比報告給控制站,TDMA幀頭的一個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期望的范圍內(nèi)。各遠端站也調(diào)整它們的上行功率，使得它們的突發(fā)在接收時與參考突發(fā)有著相同的信噪比。

　　2   測試模型仿真

　　2. 1   網(wǎng)絡同步參數(shù)設置

　　同步保持調(diào)整間隔時間是指為了保持全網(wǎng)的同步，需要對突發(fā)發(fā)送時刻進行調(diào)整的周期。調(diào)整的越頻繁，各類誤差對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)設計時應折中考慮。

　　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)整間隔時間) 內(nèi)，突發(fā)發(fā)送時刻所能達到的準確度。它與衛(wèi)星漂移引起的誤差、時鐘穩(wěn)定度引起的誤差、邏輯電路抖動以及調(diào)整精度等因素有關。

　　2. 2   話音參數(shù)設置

　　系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構為網(wǎng)狀網(wǎng)，系統(tǒng)參數(shù)描述如下:

　?、傧到y(tǒng)中每站最大支持20 個話音信道; 每個信道的速率為2 400 bps; ②每個站發(fā)送時間間隔服從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，信道重發(fā)3 次，重發(fā)時間服從指數(shù)分布; ③衛(wèi)星延遲時間為0. 27 s;④中央站為1 個網(wǎng)控站，服務速率為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)時延是指一個呼叫從產(chǎn)生到接通，從而準備通話之前的時間。

　　2. 3   功率調(diào)整參數(shù)設置

　　功率調(diào)整機制的建立，需要衛(wèi)星網(wǎng)絡各站參數(shù)聯(lián)動響應，為此用Rational Rose 工具建立的特殊測試流程為: 識別要采用特定路徑所需要的輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)，當滿足所有的路徑條件時就會沿該路徑而行，不滿足時給出告警并提示可行指數(shù)，所有測試用例中定義的數(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)整測試用例中可設置如下參數(shù)。

　　( 1) 信噪比參數(shù)設置

　　在每個站的參數(shù)文件中定義3 個參考突發(fā)的信噪比值，以達到期望的鏈路質(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)文件中定義一個下行鏈路控制值。這個參數(shù)的意義是: 有多少遠端站接收控制站突發(fā)信號的質(zhì)量低于期望值才能導致控制站增大發(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)中設置一個標志，告訴各遠端站。遠端站跟著凍結(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增加，各遠端站將報告接收質(zhì)量變差。由于當?shù)厍闆r不同，有些站的信號質(zhì)量會低于最小信噪比(Minimum Es/ No) 的閾值，當接收信號質(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，控制站在功率控制機制的控制下增加發(fā)射功率電平。當下行鏈路控制值較小時，控制站的反應會早些，功率電平會馬上增加。

　　遠端站匯報實際接收的信噪比。“ 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)，由遠端站自己歸類，向控制站報告結(jié)果。

　　3   系統(tǒng)測試

　　3. 1   同步系統(tǒng)測試結(jié)果

　　通過建立的測試模型，對網(wǎng)絡同步系統(tǒng)各參數(shù)進行測試得到如下結(jié)果: 幀長度的選取首先要考慮衛(wèi)星鏈路的傳輸時延和話音業(yè)務對傳輸時延的要求。話音業(yè)務傳輸時延一般要求在400 ms 以內(nèi)，衛(wèi)星鏈路的傳輸時延大約為270 ms，同時考慮到傳輸設備的處理時延，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。但超幀結(jié)構的引入使各站占用申請時隙的機會從一幀一次變成了一超幀一次,根據(jù)對話音業(yè)務呼叫建立時間限制的仿真，最大超幀長度定為16 幀。

　　圖2   同步保持誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計衛(wèi)星漂移的典型速率為2. 8 m/ s，系統(tǒng)要求的時鐘穩(wěn)定度為1 ( 10- 8/ 日，典型的同步保持調(diào)整間隔時間為一個超幀，以最長超幀16 幀，最長幀長110ms進行分析,仿真同步保持誤差小于10  s，保證網(wǎng)絡的同步運行。同步誤差仿真數(shù)據(jù)如圖2所示?？梢钥闯?strong>仿真測試結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。

圖2   同步保持誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計

　　3. 2   業(yè)務接入系統(tǒng)測試結(jié)果

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

　　各站間平均業(yè)務互通量為1 Mbps，采取相應的流量控制、排隊和調(diào)度機制，通過對網(wǎng)絡話音業(yè)務大話務量的測試仿真，系統(tǒng)的平均呼叫成功率統(tǒng)計如圖3 所示，呼叫接續(xù)時延統(tǒng)計如圖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)時延

　　在上述業(yè)務背景下，系統(tǒng)的呼叫成功率在87%左右，而平均接續(xù)時延維持在1. 1 s 左右，這個結(jié)果滿足網(wǎng)絡用戶服務質(zhì)量要求。

　　4   結(jié)束語

　　使用Rational Rose 工具設計的模型，測試人員可以根據(jù)MF TDMA 衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點設計出很多測試用例，獲得大量數(shù)據(jù)，很方便地捕獲設計缺陷，從而能以較小的代價盡可能多地找出網(wǎng)絡設計中存在的各種缺陷，有效指導系統(tǒng)設計，使網(wǎng)絡得到最佳的配置。