网络损伤仪可用于测试卫星通信

简介

卫星通信系统实际上也是一种微波通信，它以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面站之间通信，卫星通信的主要目的是实现对地面的“无缝隙”覆盖。

卫星通讯覆盖范围远大于一般的移动通信系统。但卫星通信要求地面设备具有较大的发射功率，因此不易普及使用。只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，地面上任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响可靠性高；只要设置好地面站点电路即可通信；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

但卫星通信也有其局限性，由于卫星工作于几百、几千、甚至上万公里的轨道上，传输时延大、高纬度难以实现卫星通讯、过多的卫星数量会导致各卫星通信系统之间的互相干扰、太空中的日凌和星食现象会中断或影响卫星通讯、无线电波穿过大气层时会遇到高湿度或者其他干扰，卫星通讯需要长远规划承担卫星发射失败的风险。如果使用直接发射卫星的方式对卫星通讯进行测试，未免成本风险过于高昂，我们使用HoloWAN网损仪来创建一个仿真测试环境，可以在没有发射卫星的情况下进行模拟复制卫星通信时各种因素导致的高延迟、丢包、乱序等网络特征。在产品交付给客户前，轻松低消耗地定位并消除问题。

卫星系统仿真

按照工作轨道区分，卫星通信系统一般分为以下3类：

低轨道卫星通信系统(LEO)：
距地面500—2000Km，传输时延和功耗都比较小，但每颗星的覆盖范围也比较小，典型系统有Motorola的铱星系统。低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，所以可支持多跳通信；其链路损耗小，可以降低对卫星和用户终端的要求，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。但是低轨道卫星系统也为这些优势付出了较大的代价：由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要数十颗卫星，如铱星系统有66颗卫星、Globalstar有48颗卫星、Teledisc有288颗卫星。同时，由于低轨道卫星的运动速度快，对于单一用户来说，卫星从地平线升起到再次落到地平线以下的时间较短，所以卫星间或载波间切换频繁。因此，低轨系统的系统构成和控制复杂、技术风险大、建设成本也相对较高。
中轨道卫星通信系统(MEO)：
距地面2000—20000Km，传输时延要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大，典型系统是国际海事卫星系统。中轨道卫星通信系统可以说是同步卫星系统和低轨道卫星系统的折中做法，中轨道卫星系统兼有这两种方案的优点，同时又在一定程度上克服了这两种方案的不足之处。中轨道卫星的链路损耗和传播时延都比较小，仍然可采用简单的小型卫星。如果中轨道和低轨道卫星系统均采用星际链路，当用户进行远距离通信时，中轨道系统信息通过卫星星际链路子网的时延将比低轨道系统低。而且由于其轨道比低轨道卫星系统高许多，每颗卫星所能覆盖的范围比低轨道系统大得多，当轨道高度为l0000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23．5%，因而只要几颗卫星就可以覆盖全球。若有十几颗卫星就可以提供对全球大部分地区的双重覆盖，这样可以利用分集接收来提高系统的可靠性，同时系统投资要低于低轨道系统。因此，从一定意义上说，中轨道系统可能是建立全球或区域性卫星移动通信系统较为优越的方案。当然，如果需要为地面终端提供宽带业务，中轨道系统将存在一定困难，而利用低轨道卫星系统作为高速的多媒体卫星通信系统的性能要优于中轨道卫星系统。
高轨道卫星通信系统(GEO)：
距地面35800km，即同步静止轨道。理论上，用三颗高轨道卫星即可以实现全球覆盖。传统的同步轨道卫星通信系统的技术最为成熟，自从同步卫星被用于通信业务以来，用同步卫星来建立全球卫星通信系统已经成为了建立卫星通信系统的传统模式。但是，同步卫星有一个不可克服的障碍，因离地距离较远导致较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响到它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。首先，同步卫星轨道高，链路损耗大，对用户终端接收机性能要求较高。这种系统难以支持手持机直接通过卫星进行通信，或者需要采用l2m以上的星载天线(L波段)，这就对卫星星载通信有效载荷提出了较高的要求，不利于小卫星技术在移动通信中的使用。其次，由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就会达到数百毫秒，加上编码器、解码器等的处理时间则单跳时延将进一步增加，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延甚至达到秒级，这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。

例如SpaceX公司的星链计划就是在低地轨道上开发和部署一个由几百颗卫星组成的星座，以便提供互联网接入。然而，位于卫星位于低地轨道，卫星相对地面终端在快速移动，地面终端与卫星之间的通信链路不断变化。低轨道卫星通常以每小时2万8公里的速度飞行，这使得此卫星通讯的网络环境变化迅速，带宽、延迟、丢包、误码率在几分之一秒内发生变化。我们需要找到一种方法来模拟这样一个动态的网络，创造一个类真实的测试环境，在卫星发射到太空之前验证数据链路能否正常工作。

使用Linux下的Qos模块traffic_control（liunx自带的流量控制器）对链路进行模拟看起来是一种行之有效的方法，但其局限性很明显。在模型中，有些时候用户终端被移交给新波束的同时地面也在对卫星进行控制，这是一个复杂而独特的IP性能仿真。使用TC模块配合脚本和程序对卫星通信模拟并不够真实，这对于测试来说是精度不够的，所以需要一个替代方案。使用HoloWAN这类网络损伤仪配合测试，HoloWAN网络损伤仪能够模拟带宽、丢包、误码、延迟等网络条件，使用方便简单、精度高且支持调用API这些优点能够大大减轻测试人员的工作量。

自动化测试

模拟卫星网络需要能够快速地更改网络参数的能力，这很快就排除了市场上很大一部分的产品，卫星系统是动态的，人类并不可能如此快速地操作网络损伤仪界面更改损伤参数来跟上卫星通信的变化，所以我们必须拥有自动化工具来驱动网络损伤仪。

HoloWAN网络损伤仪提供了可供用户使用的API接口，方便专业用户编写自动化脚本进行调用测试。运用脚本进行调用HoloWAN网损仪我们能实现我们测试时所需要的极快速地更改网络参数。例如，在地球上有一个终端与卫星进行连接，我们需要对其进行模拟，我们编写脚本调用HoloWAN的API组合不同的延迟、误码率等参数，保存运行脚本，便能快速准确地模拟出卫星通信时数据包所历经的网络环境。

对于卫星通讯来说，在最佳的覆盖范围和提供最佳的带宽之间会有一个微妙的平衡，使用最佳的信号来实现可接受的错误率。我们模拟的是这些所有的变量加上其他的损伤，以便我们更改误码率、带宽、延迟时，直接观察到我们所想要观察的性能表现。我们使用编程方式调用API创建和控制所有这些变量，其速度是人类无法通过手动操作页面实现的。所以HoloWAN提供的API调用是极其方便用户的。

卫星发射前进行测试是十分重要的，卫星制造发射的成本高昂，一旦您把卫星发射到太空，您几乎不能对它进行改动。使用HoloWAN网络损伤仪，在发射器进行模拟通信测试，进一步完善卫星，能够降低开发成本。