【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及衛星互聯網通信，具體地，涉及一種衛星互聯網數字孿生系統。
技術介紹
1、空天地一體化網絡(integrated?space-air-ground?network，sagin)實現包括衛星、飛行器、地面基礎設施之間的通信，對推進部署衛星互聯網通信技術，實現全球互聯互通至關重要，是一項通信技術的變革性轉變。該網絡技術的發展需要先進的仿真工具，能夠處理復雜、動態的網絡拓撲，并深入分析網絡性能。
2、現有技術中，衛星互聯網模擬器，如hypatia、stk等，使用虛擬節點模擬衛星通信過程，能夠在一定程度上反映衛星網絡的理論模型。網絡仿真器，如mininet、starrynet等，利用物理機或虛機仿真網絡部署操作，與網絡真實情況更為貼近。然而，現有技術或專利雖然各自在某一方面解決了空天地一體化網絡仿真當中存在的問題，但對實現衛星互聯網的端到端仿真均有所不足，即未能仿真網絡協議棧中所有層的細節，不能夠更真實地復刻和分析衛星互聯網的網絡特征。包括實現物理層的信道干擾仿真、物理層與mac層融合仿真、包級別仿真以及集成ai功能的流級別的分析等，難以全面反映復雜的衛星通信系統。此外，由于空天地一體化網絡技術的復雜性，仿真平臺應當具有模塊化的設計以便于集成或替換各層相關技術，并且支持自定義網絡參數、添加各類通信設備、腳本化部署等。因此需要一種更具靈活性、能夠實現端到端全方位仿真的衛星互聯網數字孿生系統。
技術實現思路
1、針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的在于提供一種衛星互聯
2、為解決上述問題，本專利技術的技術方案為：
3、一種衛星互聯網數字孿生系統，采用微服務架構，包括物理層模塊、拓撲模塊、路徑計算模塊以及可視化界面模塊，使用ns-3進行包級別仿真，各個模塊間通過api接口進行通信；所述物理層模塊用于仿真星地鏈路信道，包括波束增益計算模塊、波束干擾計算模塊、信道容量計算模塊；所述拓撲模塊用于根據衛星與地面站位置實時更新動態的網絡拓撲；所述路徑計算模塊用于根據網絡拓撲進行實時路徑分析；所述可視化界面模塊用于輸入仿真參數和輸出仿真結果。
4、優選地，所述波束增益計算模塊根據發射器與接收器的相對位置與視軸方向，其計算公式為：
5、
6、其中，gmax代表峰值天線增益，j1(x)為第一類和階貝塞爾函數，a代表天線孔徑半徑，代表波束，其中f和c分別代表頻率和光速，θ代表根據發射機和接收機的位置，從天線的主波束視軸測量的角度。
7、優選地，所述波束干擾模塊計算同頻率波束間的干擾等級，其計算公式為：
8、
9、其中pi代表干擾功率，即干擾集合中所有波束的功率總和，s代表同頻干擾波束所屬的發射器的集合，pk代表波束發送功率，hk,j代表第k個發射器和第j個接收器之間的信道系數，gt(θk,j)代表第k個發射機指向第j個接收機的發射天線的增益，代表第j個接收器的增益，dk,j代表第k個發射器和第j個接收器之間的空間距離，λ代表信號波長。
10、優選地，所述信道容量計算模塊基于香農公式，結合信號干擾加噪聲比、信道帶寬，以及環境噪聲水平計算鏈路最大傳輸能力，計算公式為：
11、
12、其中代表發送器i和接收器j在t時刻的信道容量，單位是比特/秒，b代表信號帶寬，單位為赫茲，sinr代表發送器i和接收器j在時刻t的信號干擾加噪聲比，利用計算得到的波束增益和干擾水平確定，pi|hi,j|代表信號接收功率，其中pi為發射器功率，hi,j是信道系數，kbtrxb代表接收器的理論噪聲功率，kb為玻爾茲曼參數，trx是接收器的噪聲溫度，b為信號帶寬，∑l∈spl|hl,j|代表同頻波束的累計干擾功率。
13、優選地，所述波束增益計算模塊計算出天線的波束增益，并傳輸至波束干擾模塊與信道容量計算模塊，所述波束干擾計算模塊確定重疊波束之間的干擾功率電平，并傳輸至信道容量計算模塊，所述信道容量計算模塊基于波束增益值和波束干擾功率計算出信道容量值，計算得到的信道容量值輸入到ns-3中進行動態仿真，ns-3根據不同時隙星地鏈路的信道容量來調整傳輸速率。
14、優選地，所述ns-3通過api接口與其他模塊進行通信，用于將物理層信道質量參數、路徑計算結果輸入ns-3仿真器進行包級別仿真。
15、優選地，所述拓撲模塊基于網絡中衛星的相對位置動態生成網絡拓撲，并交由路徑計算模塊計算地面站之間或者衛星之間的路徑，當衛星位置和地面站狀態改變時，路徑計算模塊實時計算生成路徑轉發表，確保數據總能根據需求選擇最有效的路徑。
16、優選地，所述路徑計算模塊考慮了衛星位置的變化和地面網絡環境，提供了節點之間最有效路徑的實時反饋，仿真了真實網絡行為，包括衛星運動對通信層的影響，以及數據傳輸的最優路徑選擇。
17、優選地，所述可視化界面模塊用于直觀化仿真結果，把復雜的網絡動態變化和路由轉換成3d可視模型，讓用戶更容易理解和分析網絡行為，也能夠幫助發現網絡的潛在瓶頸，優化網絡配置。
18、優選地，使用tapbridge接口將真實設備節點接入至仿真網絡中。
19、與現有技術相比，本專利技術的有益效果如下：
20、1、本專利技術系統使用不同的模塊仿真網絡協議棧中的各個層次，每個模塊都是一個微服務，各個微服務之間通過api交流，提升了模塊間通信的效率，并且基于模塊化的微服務架構進行設計，系統靈活性強、可維護性高。
21、2、本專利技術系統核心部分包括物理層模塊、拓撲模塊及路徑計算模塊，并且使用ns-3實現包級別仿真，使用tapbridge將物理世界中支持ip的設備集成到模擬網絡環境中，無縫集成真實世界設備。
22、3、本專利技術系統還設計可視化界面模塊用于簡化網絡仿真操作，直觀展示仿真效果。
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1.一種衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述系統采用微服務架構，包括物理層模塊、拓撲模塊、路徑計算模塊以及可視化界面模塊，使用NS-3進行包級別仿真，各個模塊間通過API接口進行通信；所述物理層模塊用于仿真星地鏈路信道，包括波束增益計算模塊、波束干擾計算模塊、信道容量計算模塊；所述拓撲模塊用于根據衛星與地面站位置實時更新動態的網絡拓撲；所述路徑計算模塊用于根據網絡拓撲進行實時路徑分析；所述可視化界面模塊用于輸入仿真參數和輸出仿真結果。
2.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束增益計算模塊根據發射器與接收器的相對位置與視軸方向，其計算公式為：
3.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束干擾模塊計算同頻率波束間的干擾等級，其計算公式為：
4.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述信道容量計算模塊基于香農公式，結合信號干擾加噪聲比、信道帶寬，以及環境噪聲水平計算鏈路最大傳輸能力，計算公式為：
5.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束
6.根據權利要求5所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述NS-3通過API接口與其他模塊進行通信，用于將物理層信道質量參數、路徑計算結果輸入NS-3仿真器進行包級別仿真。
7.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述拓撲模塊基于網絡中衛星的相對位置動態生成網絡拓撲，并交由路徑計算模塊計算地面站之間或者衛星之間的路徑，當衛星位置和地面站狀態改變時，路徑計算模塊實時計算生成路徑轉發表，確保數據總能根據需求選擇最有效的路徑。
8.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述路徑計算模塊考慮了衛星位置的變化和地面網絡環境，提供了節點之間最有效路徑的實時反饋，仿真了真實網絡行為，包括衛星運動對通信層的影響，以及數據傳輸的最優路徑選擇。
9.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述可視化界面模塊用于直觀化仿真結果，把復雜的網絡動態變化和路由轉換成3D可視模型，讓用戶更容易理解和分析網絡行為，也能夠幫助發現網絡的潛在瓶頸，優化網絡配置。
10.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，使用TapBridge接口將真實設備節點接入至仿真網絡中。
...【技術特征摘要】
1.一種衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述系統采用微服務架構，包括物理層模塊、拓撲模塊、路徑計算模塊以及可視化界面模塊，使用ns-3進行包級別仿真，各個模塊間通過api接口進行通信；所述物理層模塊用于仿真星地鏈路信道，包括波束增益計算模塊、波束干擾計算模塊、信道容量計算模塊；所述拓撲模塊用于根據衛星與地面站位置實時更新動態的網絡拓撲；所述路徑計算模塊用于根據網絡拓撲進行實時路徑分析；所述可視化界面模塊用于輸入仿真參數和輸出仿真結果。
2.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束增益計算模塊根據發射器與接收器的相對位置與視軸方向，其計算公式為：
3.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束干擾模塊計算同頻率波束間的干擾等級，其計算公式為：
4.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述信道容量計算模塊基于香農公式，結合信號干擾加噪聲比、信道帶寬，以及環境噪聲水平計算鏈路最大傳輸能力，計算公式為：
5.根據權利要求1所述的衛星互聯網數字孿生系統，其特征在于，所述波束增益計算模塊計算出天線的波束增益，并傳輸至波束干擾模塊與信道容量計算模塊，所述波束干擾計算模塊確定重疊波束之間的干擾功率電平，并傳輸至信道容量計算模塊，所述信道容量計算模塊基于波束增益值和波束干擾功率計算出...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高躍，朱文俊，陳哲，邱堃，羅漢東，趙致遠，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：
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