天地一体化卫星网络的仿真系统、方法及计算机可读介质

本发明主要涉及卫星网络仿真模拟，具体地涉及一种天地一体化卫星网络的仿真系统、仿真方法及计算机可读介质。

背景技术：

1、天地一体化卫星网络是目前通信网络技术的重点研究方向，基于天基卫星通信网络、空基通信网络和地基陆地通信网络，可以实现空天地信息网络一体化协同，组成空天地一体化信息网络可以实现全球通信和万物互联。天地一体化卫星网络目前仍处于广泛研究阶段，例如针对星地融合网络，可以进行星地边缘计算、星地网络切片、星地频谱共享以及星内、星间、星地等场景的研究。通常可以通过网络模拟仿真系统、仿真方法和实物验证系统来研究天地一体化卫星网络，实物验证系统例如包括真实的微型基站和真实的应用终端等。

2、现有技术中，专利cn110266368a提供了一种基于云平台的天地一体化信息网络仿真方法，在卫星工具包(satellite tool kit，stk)中构建天地一体化仿真网络场景，包括用于获取卫星工具包中的场景节点数据以及卫星链路特性数据的仿真数据交换模块、用于部署卫星和地面站节点的网络节点部署模块、用于监听端口和提交卫星链路参数的网络仿真模块。该专利中搭建了网络仿真技术下的天地一体化网络仿真环境，可以应用于天地一体化信息网络的相关技术、协议验证以及体系评估。专利cn108574581a提供了一种天地一体化网络环境地面仿真系统，包括星上终端、星上网关、星上的链路层网络环境仿真模块、射频通信模块、地面的链路层网络环境仿真模块、地面网关和地面终端。该专利中的星上网关、地面网关和网络终端等均为物理实体，这些物理实体可以模拟真实环境，方便获取网络通信中各个环节的数据。

3、目前的天地一体化卫星网络的仿真验证方案中，采用网络模拟仿真技术会存在无法仿真大量实际业务的高并发情况、无法保证仿真的时效性、仿真传输协议局限和仿真场景局限等问题。采用实物验证系统可以提高仿真的时效性和仿真的逼真度，但会存在物理实体设备成本高和灵活性差的问题，在实物验证系统仿真高并发业务过程中还会进一步增加使用成本。因此亟需一种能够以低成本实现高并发业务仿真的仿真系统。

技术实现思路

1、本技术所要解决的技术问题是提供一种天地一体化卫星网络的仿真系统、仿真方法及计算机可读介质，可以仿真卫星网络中的高并发业务且降低了仿真成本。

2、本技术为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种天地一体化卫星网络的仿真系统，包括：可视化及系统管理模块、仿真器模块、核心网模块以及智能算法处理模块，每个模块包括共享内存，共享内存用于存储信令和/或业务数据，每个模块内部根据共享内存的内存地址转发信令和/或传输业务数据，每个模块之间根据互联网协议寻址方法或者隧道方法传输数据，其中，可视化及系统管理模块用于配置仿真场景、导入人工智能算法和展示每个模块的仿真结果；仿真器模块和核心网模块共同用于模拟星地融合网络，星地融合网络包括：卫星接入网、卫星承载网、卫星核心网、地面接入网、地面承载网、地面核心网、互联网服务器和应用终端中的一种或多种的组合，仿真器模块还用于接入硬件设备；智能算法处理模块用于根据仿真场景和星地融合网络执行人工智能算法。

3、在本技术的一实施例中，仿真器模块还用于基于容器化技术分别将卫星接入网、卫星承载网、地面接入网、地面承载网、互联网服务器和应用终端构建为对应的容器，每个容器包括至少一个对应的虚拟节点，每个虚拟节点用于模拟星地融合网络中的实物节点。

4、在本技术的一实施例中，仿真器模块包括卫星接入网单元、卫星承载网单元和应用终端单元，其中，卫星接入网单元用于模拟卫星接入网以及提供卫星空中接口，卫星空中接口用于将应用终端接入至卫星接入网；卫星承载网单元用于模拟卫星承载网，以及用于将卫星接入网、卫星核心网和地面核心网进行联通；应用终端单元用于模拟应用终端，应用终端包括卫星终端和/或地面终端。

5、在本技术的一实施例中，仿真器模块还包括地面接入网单元和地面承载网单元，其中，地面接入网单元用于模拟地面接入网以及提供地面空中接口，地面空中接口用于将应用终端接入至地面接入网；地面承载网单元用于模拟地面承载网，以及用于将地面接入网和地面核心网进行联通。

6、在本技术的一实施例中，仿真器模块还包括互联网服务器单元，互联网服务器单元用于模拟互联网服务器，互联网服务器包括移动边缘计算服务器和/或内容分发网络服务器。

7、在本技术的一实施例中，核心网模块包括核心网模拟子模块，核心网模拟子模块用于模拟卫星核心网的控制面、地面核心网的控制面和地面核心网的用户面，其中，卫星核心网的控制面和地面核心网的控制面用于对应用终端进行接入与移动性管理、会话管理和策略控制；地面核心网的用户面用于识别应用终端的数据和应用终端的业务并执行相应的动作和策略，以及路由和转发应用终端的数据。

8、在本技术的一实施例中，核心网模块还包括星上用户平面功能子模块，星上用户平面功能子模块用于模拟卫星核心网的用户面，卫星核心网的用户面用于识别应用终端的数据和应用终端的业务并执行相应的动作和策略，以及路由和转发应用终端的数据。

9、在本技术的一实施例中，核心网模拟子模块还包括核心网网元，核心网网元包括：接入与移动性管理网元、会话管理功能网元、策略控制功能网元、统一数据管理网元、统一数据存储库网元、网络切片选择功能网元和网络注册功能网元中的一种或多种的组合。

10、在本技术的一实施例中，仿真系统还包括空间网络信道模拟器模块，空间网络信道模拟器模块用于模拟星间通信网络的链路状态和星地通信网络的链路状态，链路状态包括时延、丢包、抖动、乱序和带宽中的一种或多种的组合，空间网络信道模拟器模块还用于接入硬件设备。

11、在本技术的一实施例中，智能算法处理模块包括人工智能算法单元和终端业务模拟单元，人工智能算法单元用于部署和执行人工智能算法，终端业务模拟单元用于模拟应用终端，智能算法处理模块基于虚拟化技术提供图形处理器和/或中央处理器的算力资源。

12、在本技术的一实施例中，可视化及系统管理模块包括仿真结果可视化单元和仿真参数配置单元，其中，仿真参数配置单元用于配置仿真场景的仿真参数，仿真参数包括：应用终端数量、应用终端位置、应用终端移动模型、卫星轨道参数、基站数量、信关站数量、基站位置、信关站位置、每颗卫星的载荷信息、空间传输信道模型、应用终端业务模型和模拟业务数据中的一种或多种的组合；仿真结果可视化单元用于展示每个模块的仿真结果，仿真结果包括：端到端信令消息收发、端到端业务数据收发、并发通信数、并发接入数、用户同时上下线数、用户接入成功率、通信时延、通信带宽、系统吞吐量、信干噪比、通信误码率和通信丢包率中的一种或多种的组合。

13、在本技术的一实施例中，仿真系统还包括网络交换机模块，网络交换机模块分别与可视化及系统管理模块、仿真器模块、核心网模块以及智能算法处理模块连接，网络交换机模块用于根据互联网协议寻址方法或者隧道方法传输每个模块之间的数据。

14、本技术为解决上述技术问题还提出一种天地一体化卫星网络的仿真方法，使用如上的仿真系统，包括：可视化及系统管理模块接收仿真场景的仿真参数和人工智能算法；仿真器模块和核心网模块共同根据仿真参数模拟星地融合网络以及生成至少一个虚拟节点；智能算法处理模块根据仿真场景和星地融合网络执行人工智能算法，传输智能算法处理模块的仿真结果至可视化及系统管理模块；可视化及系统管理模块展示智能算法处理模块的仿真结果。

15、本技术为解决上述技术问题还提出一种天地一体化卫星网络的仿真系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如上的仿真方法。

16、本技术为解决上述技术问题还提出一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码在由处理器执行时实现如上的仿真方法。

17、本技术的技术方案通过设计可视化及系统管理模块、仿真器模块、核心网模块以及智能算法处理模块，每个模块包括共享内存，在每个模块内部通过创建共享内存并根据共享内存的内存地址来转发信令和传输业务数据；在每个模块之间，信令和业务数据经过传输控制协议/互联协议(transmission control protocol/internet protocol，tcp/ip)处理后通过互联网协议(internet protocol，ip)寻址方法或者隧道方法进行交互。本技术这样设置可以在各个模块内部和各个模块之间实现数据的高速交换，可以仿真大量实际业务的高并发情况并提高仿真的时效性和仿真的逼真度。本技术基于数字化仿真，通过可视化及系统管理模块来灵活配置仿真场景、导入人工智能算法和展示相应的仿真结果；本技术的设计相当于半实物仿真模式，可以通过仿真器模块自由接入硬件设备，例如真实的微型基站、实物手机终端、星上智能路由器、星上智能计算机和信道模拟器等；通过仿真器模块和核心网模块共同模拟完整的星地融合网络，智能算法处理模块可以基于该星地融合网络开展多种星地移动通信智能算法验证和研究。

18、本技术的仿真系统可以根据第三代合作伙伴计划(3rd generation partnershipproject，3gpp)标准组织制定的第五代移动通信技术非地面网络(5th generation mobilecommunication technology non-terrestrial network，5g ntn)通信标准协议进行仿真，各个模块相互协同可以验证多种场景下的卫星网络性能。本技术结合网络模拟仿真方式和实物硬件设备设计的仿真系统，相当于天地一体化卫星网络半实物仿真验证系统，本技术的仿真传输协议和仿真场景灵活可扩展，本技术的仿真系统能够以低成本实现高并发业务仿真。