卫星均匀分布在6个轨道面上，每个轨道面上有11颗卫星。每颗卫星有4条星间链路，分别与同轨道面前后两颗卫星和相邻轨道面左右相邻卫星间有星间链路连接[8-9]。反向缝两侧轨道面上的卫星只有3条星间链路，分别与同轨道面前后两颗卫星和非反向缝一侧相邻轨道面卫星间有星间链路连接[10]。因为反向缝两侧轨道面上的卫星反向运动，卫星相邻关系变化剧烈，所以不使用星间链路连接。其中，UE间通信链路分为三种：（1）同一卫星下的用户，直接通过该星下波束建立连接；（2）不同星下用户通信，这两颗卫星间存在星间链路，用户通过星间链路进行通信；（3）用户处于不同星下，两颗卫星间没有星间链路，通过卫星和地面网关转发进行通信。地面通信网络采用简单的星型拓扑结构来模拟，每个网关和归属位置寄存器（Home location Register，HLR）直接相连。HLR既担负着用户位置信息存储功能，也负责各网关间的数据转发功能。网络层卫星节点和网关节点分布场景如图2所示。

1.2　卫星节点介绍

整个仿真系统主要涉及2类节点的搭建：卫星节点和地面节点。地面节点包括用户节点、网关节点和归属位置寄存器节点。地面节点的搭建与传统地面通信系统建模区别不大，不再赘述，下面将主要对卫星节点搭建过程进行分析。OPNET卫星节点域主要用来模拟卫星节点的通信功能，实现星间路由表的建立和数据转发。如图3所示，卫星节点由以下几个模型组成：4组星间链路模型、13组地面波束通信模型、1个中央处理模型、1个星间链路天线控制模型。卫星节点中的地面波束通信模型包含天线模块、点波束进程模块、广播进程模块和收发信机四部分。天线模块中加载由OPNET Antenna Pattern编辑器设计的点波束模型。点波束固定指向星下特定角度来模拟多波束覆盖的场景。收发信机模块中的Channel属性设置决定该点波束的信道数量、频率和带宽等相关属性。地面点波束包含1个控制信道和5个通信子信道，其中收信机每个信道通过包流线连接点播束进程模块，而发信机可以通过op_pk_deliver()函数直接选择需要发送数据的空闲信道。广播进程模块周期性产生卫星广播包，点播束处理模块对卫星收到和产生的数据包进行相关处理。星下波束覆盖采用频率7色复用方案，分为7个波束段在点波束间进行分布，以增加频率利用率。由于卫星在轨运行位置变换快，因此星间链路模型的天线模块不能像地面天线模块一样指定某一固定角度。天线指向处理模型ant_point_cpu通过相邻卫星的坐标信息来实时更新星间链路模型的天线模块指向。

1.3　卫星相关协议进程介绍

进程模型是OPNET三层建模架构的最底层，实现代码和协议跳转。图4为卫星节点的点波束处理进程。

其中，INIT为初始化状态，卫星节点在该状态获取波束编号、节点的MAC地址、空间位置等信息。IDLE为空闲状态，等待中断的到来，判断下一个跳往的状态。Broadcast为广播包处理状态，接收到产生的广播包，在广播包内写入卫星的位置、MAC、波束等信息。Center状态接收到卫星中心处理模块传送过来的包，判断包类型，进行相关处理，并选择合适的下行信道发送给UE或者GW。UE状态接收到地面UE传送过来的相关包类型，转送到Center模块，然后根据数据包携带的转发端口号对数据包进行转发；GW状态用来接收地面网关发送过来的相关包类型，选取指定网关的数据包进行接收，并转发到SAT节点的Center进程模块中进行相关处理。

1.4　无线通信链路和天线模型设计

OPNET通过14个首尾相连的管道阶段（Pipeline Stage）来模拟数据在无线信道中的传输过程。针对低轨卫星通信特点，需要对其中几个关键的管道阶段做出修改。SAT节点包含多对收发信机。为避免收信机接收到同节点内发信机发送的数据帧，在链路闭锁（Closure model）管道中，通过op_topo_parent()函数获取卫星节点ID。如果收发信机的父节点ID相同，则信道匹配失败，滤除同节点内信号干扰，减少无线管道阶段的计算量。

OPNET通过14个首尾相连的管道阶段（Pipeline Stage）来模拟数据在无线信道中的传输过程。针对低轨卫星通信特点，需要对其中几个关键的管道阶段做出修改。SAT节点包含多对收发信机。为避免收信机接收到同节点内发信机发送的数据帧，在链路闭锁（Closure model）管道中，通过op_topo_parent()函数获取卫星节点ID。如果收发信机的父节点ID相同，则信道匹配失败，滤除同节点内信号干扰，减少无线管道阶段的计算量。

卫星节点通过多波束方案覆盖地面通信区域，地面波束覆盖区域随着卫星的运动而持续漂移。天线模型并不指向地球坐标系中某一固定坐标点和方位，因此需要在发信机天线增益（Txgain Model）管道阶段和接收机增益（Rxgain Model）管道阶段中将地球坐标系转换成SAT的星上坐标系[11]。星上坐标系：设以卫星为原点平行地面球面坐标系的坐标系为S ，根据卫星在球面坐标系上的方位角和俯仰角进行旋转变换，得到Z轴指向球心的星上坐标系 ，如图5所示。

1.5　卫星轨道导入

本文使用STK软件生成低轨卫星星座的轨道文件。66颗低轨卫星均匀分布在离地面高度760 km的6个轨道面，轨道倾角为86°。STK星座图如图6所示。

使用OPNET软件中的Import STK Orbit将每颗卫星的轨道文件导入模型库。OPNET中节点类型分为固定节点、移动节点和卫星节点。搭建卫星节点时，在Node Interfaces选择支持的节点类型为satellite，节点属性中会出现Orbit属性栏。在orbit中选择导入的轨道模型，节点下方就会出现星下点轨迹图。卫星节点在仿真过程中按照轨道设定的参数进行运动。

2　仿真系统验证

在设计的仿真平台上对一种自主设计的基于IP寻址的星座通信协议进行仿真。星下用户UE_1和UE_2之间、UE_3和UE_4之间分别进行通信。两组通信链路随着LEO卫星的移动会发生相应变化，仿真验证了通信的呼叫建链和切换过程。UE接收到SAT发送过来的广播包后，开始向网关注册自己的位置信息。注册成功后，经过一段随机时间发起呼叫建链。建链成功后，进行数据传输。仿真场景中，用户UE_1和UE_2建链成功后通过星间链路进行通信，UE_3和UE_4之间通过GW和核心网传输。整体时延分布，如图7所示。

通信链路两端用户间切换次数和时间的关系，如图8所示。

通信开始初期，UE_1和UE_2通过星间链路进行数据传输，端到端时延为0.025～0.030 s。随着卫星和UE的距离增加，星内波束切换并不影响传输时延。在100 s min左右时，UE_2发生星间切换，切换到和UE_1同一颗卫星，通信方式发生变化，进行星内通信，时延大幅度下降，并随着卫星运动而变化。当UE_1切换到其他卫星时，通信方式又变成星间链路模式，端到端时延增加。而UE_3和UE_4之间通过网关和核心网进行通信，端到端时延在0.040 s左右。2 min左右时由于服务网关发生变化，所以时延有一个较小的抖动。在360 s min时，UE_3发生星间切换，通信链路变成星间通信。

通过协议论证和结果分析发现，该仿真平台能够正确模拟LEO星座通信系统中寻呼、建链、切换等通信过程，体现出SAT高速运动下，星座系统可通过星间链路和GW协同工作，且UE可灵活在不同通信链路间切换。

3　结　语

本文利用OPNET无线建模机制和STK轨道文件，搭建LEO卫星星座移动通信仿真系统，体现了低轨卫星在轨高速运动、链路方式和服务卫星频繁切换的特点。论文详细描述了网络层、节点层、进程层和无线管道阶段等仿真模型搭建过程，在建模方法上具有一定的通用性，能够为低轨卫星仿真和建模提供帮助。

此外，通过低轨卫星组网协议验证了该平台的可行性，能够仿真出低轨卫星星座三种不同通信链路下的通信特点，并根据点波束增益进行波束切换和星间切换，在通信传输不中断的情况下完成整个切换行为，可为进一步的LEO卫星路由算法、切换机制等相关研究提供帮助。

参考文献：

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[3] 申建平,虞红芳,章小宁等.基于OPNET的低轨卫星网络仿真平台[J].计算机工程,2009,35(18):237-239.

[4] 宋娜,刘群.基于OPNET的卫星网络仿真平台设计[J].计算机工程与应用,2005,41(04):158-160.

[5] 王鸣涛,周诠,黄普明等.LEO卫星网络路由算法的OPNET建模与仿[J].宇航学报,2010,31(02):441-447.

[6] 李永斌,徐友云,许魁.基于系统卫星网络路由算法的建模与仿真[J].通信技术,2017,50(04):707-713.

[7] 闵士权.卫星通信系统工程设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2015.

[8] 张亚生,孙晨华,谷聚娟.天地一体化网络协议研究[J].无线电工程,2018,3(03):178-182.

[9] SAN F,Yousefnezhad M,Othman M F,et al.A Wised Routing Protocols for LEO Satellite Networks[C].IEEE Asian Control Conference(ASCC),2015:1-6.

[10]胡东伟,宋春晓.低轨卫星移动通信系统的星间链设计[J].无线电通信技术,2017,5(05):11-15.

[11]张晓东,马东堂,李树锋等.基于OPNET的卫星多波束天线仿真建模研究[J].现代电子技术,2009,3(03):46-53.

[12]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004:221-232.

作者简介：

胡宸华，湖南大学 电气与信息工程学院硕士，主要研究方向为移动自组网、卫星通信；

黄圣春，国防科技大学 电子科学学院讲师，博士，主要研究方向为卫星通信、无线通信协议、嵌入式系统等；

王　玲，湖南大学 电气与信息工程学院教授，博士，主要研究方向为无线通信、嵌入式等；

孟祥龙，海军潜艇学院讲师，博士，主要研究方向为数据链、纠错编码等。

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