一種適用于天地一體化網(wǎng)絡的衛(wèi)星通信港設(shè)計

王為眾，趙永利，郁小松，楊 柳，張 杰

(北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876)

0 引言

近年來，隨著衛(wèi)星研制、火箭發(fā)射、深空通信等各類空間技術(shù)不斷地進步與運用，空間信息網(wǎng)絡迅速發(fā)展，由此人類得以將信息通信網(wǎng)絡的范圍擴展到了地球每一個角落、近地空間乃至深空空間。在此背景下我國為了能夠在未來國際空間領(lǐng)域具有制天權(quán)和制空權(quán)，提出天地一體化網(wǎng)絡概念，來支持我國軍事通信、遙感導航、商用發(fā)展等多方面需求的提升。天地一體化網(wǎng)絡的概念是指：具有綜合性的星間、星地及地面互聯(lián)互通的網(wǎng)絡系統(tǒng)，凡與航天器有關(guān)的數(shù)據(jù)接收、傳輸分發(fā)、運行控制等資源均應一并予以有機整合，服務不再局限于一種衛(wèi)星，也不再對應特定用戶，而是向多種用戶提供多種類型的信息，實現(xiàn)信息共享和統(tǒng)籌建設(shè)[1]。

天基骨干網(wǎng)絡在天地一體化網(wǎng)絡構(gòu)想中承擔信息傳輸與分發(fā)功能，其主要是由數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、地面測控網(wǎng)、地面數(shù)據(jù)網(wǎng)和深空網(wǎng)等構(gòu)成。其中，中繼衛(wèi)星系統(tǒng)作為天基骨干網(wǎng)絡的核心，是天地一體化網(wǎng)絡構(gòu)想實現(xiàn)的關(guān)鍵點。地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠為地面網(wǎng)絡、低軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)難以覆蓋的區(qū)域提供移動通信服務，并且具有視距覆蓋范圍廣、帶寬大、組網(wǎng)靈活、控制簡單等優(yōu)點，是組成天基骨干網(wǎng)的重要部分。目前學術(shù)界對于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)有了不少的研究[2-6]，本文在文獻[6]基礎(chǔ)上，進一步對衛(wèi)星通信港的架構(gòu)和功能進行研究，綜合天地一體化網(wǎng)絡架構(gòu)，并基于STK軟件對衛(wèi)星通信港網(wǎng)絡進行仿真。

1 天地一體化網(wǎng)絡背景介紹

1.1 天地一體化網(wǎng)絡架構(gòu)

天地一體化網(wǎng)絡從物理架構(gòu)層進行劃分，可以分為3層，分別是：天基骨干網(wǎng)絡、天基接入網(wǎng)絡和地基節(jié)點網(wǎng)絡。3個網(wǎng)絡相互協(xié)同、融合，采用統(tǒng)一的技術(shù)方案和標準規(guī)范進行管理，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 天地一體化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖

① 天基骨干網(wǎng)絡：由若干個運行在地球同步軌道的高軌衛(wèi)星組成，衛(wèi)星采用多波束星下天線與地面站進行通信，可實現(xiàn)中低緯度區(qū)域全域覆蓋。承擔網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由管理、傳輸協(xié)議、狀態(tài)監(jiān)控等重要功能，可實現(xiàn)對于制定區(qū)域的全時覆蓋。

② 天基接入網(wǎng)絡：由若干個處于中軌道或低軌道的衛(wèi)星星座組成，接入網(wǎng)衛(wèi)星之間可以有鏈路也可以沒有鏈路，由天基骨干網(wǎng)絡衛(wèi)星進行統(tǒng)一管理。衛(wèi)星節(jié)點以星座的形式組網(wǎng)，可以全時全域為地面、海洋及高空等多維度用戶提供網(wǎng)絡接入服務。

③ 地基節(jié)點網(wǎng)：由地面網(wǎng)關(guān)、地面設(shè)施和地面網(wǎng)絡組成，主要承擔對天基骨干網(wǎng)絡和天基接入網(wǎng)絡的信息管理、控制管理和數(shù)據(jù)處理，同時可以對天基骨干網(wǎng)絡和天基接入網(wǎng)絡的管理模式進行更新，來滿足用戶對于空間網(wǎng)絡的新需求。

天地一體化網(wǎng)絡除了以上3個基本組成部分之外，同時包括地面互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、移動通信網(wǎng)絡、高空通信設(shè)施等地面網(wǎng)絡，為移動、互聯(lián)網(wǎng)用戶提供接入衛(wèi)星網(wǎng)服務的功能。

1.2 天地一體化網(wǎng)絡特征

天地一體化網(wǎng)絡包括高軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星、遠洋輪船、高空無人機編隊等多層級、多維度的空間通信設(shè)施，可以實現(xiàn)對全球、近地空間甚至深空環(huán)境的覆蓋，應用前景廣闊，具有很強的信息革命性和網(wǎng)絡革命性，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

① 遍在性：在當前4G普及、5G即將面世的移動通信時代，天地一體化網(wǎng)絡的覆蓋范圍將從傳統(tǒng)空天地專用用戶終端擴散到物聯(lián)網(wǎng)中無數(shù)的非專用用戶終端。衛(wèi)星通信功能將不再只針對專業(yè)級用戶，可以為遍及全球的普通用戶提供服務。

② 綜合性：在大數(shù)據(jù)時代背景下，用戶將會對信息網(wǎng)絡提出更高的要求，如提供更加便利的交通聯(lián)網(wǎng)、為人類對地球未知領(lǐng)域的探索提供信息支撐，天地一體化網(wǎng)絡在此過程中承擔收集、處理、傳輸?shù)染C合性作用。并且其具備空間和動態(tài)的衛(wèi)星感知、分析能力，可以為國家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更大的幫助。

③ 網(wǎng)絡化：隨著物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)完全融入到用戶之間，天地一體化網(wǎng)絡作為地球互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，將會進一步加快網(wǎng)絡化的進程，從專業(yè)級應用擴展為大眾級應用。

④ 實時性：遵照“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合”的原則，天地一體化網(wǎng)絡將全面與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)進行集成，與北斗系統(tǒng)密切協(xié)同，實現(xiàn)對地球表面米級空間分辨率、小時級時間分辨率的影像與視頻數(shù)據(jù)采集和優(yōu)于米級精度的實時導航定位服務，實時地為國民經(jīng)濟各部門、各行業(yè)和廣大終端用戶提供快速、精確、智能化的PNTRC(定位、導航、授時、遙感、通信)服務，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化運營的、軍民深度融合的我國天基信息實時服務系統(tǒng)[7-11]。

⑤ 應用型：天地一體化網(wǎng)絡是一個面向經(jīng)濟、國防、民生應用需求的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，需要為專業(yè)用戶或者普通用戶提供高速、有效、合理、有序的接入服務，最終實現(xiàn)指定時間、指定地點上為指定設(shè)備、指定用戶提供指定的服務。

2 衛(wèi)星通信港設(shè)計方案

天地一體化網(wǎng)絡主要由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基接入網(wǎng)組成，在建設(shè)天基骨干網(wǎng)的過程中，由于地球同步軌道衛(wèi)星具有很多優(yōu)勢，如開設(shè)快速、廣域覆蓋、廣播高效及常態(tài)持續(xù)等，得到了研究者廣泛的關(guān)注?；谕杰壍赖男l(wèi)星骨干網(wǎng)，可以采用基于激光的電路交換，從而構(gòu)建高速、穩(wěn)定、可靠的天基骨干網(wǎng)，其他用于通信、導航、探測、數(shù)據(jù)匯聚、處理的各類子網(wǎng)或者高速節(jié)點，與骨干網(wǎng)可以采用分組交換策略直接相連或通過接入網(wǎng)絡互聯(lián)[6]。

在實際應用中，地球同步軌道高度為35 786 km，最小覆蓋半角76.34°。結(jié)合我國實際地理位置(位于東經(jīng)73°～135°)以及GEO衛(wèi)星在天基骨干網(wǎng)的核心作用，考慮搭配骨干網(wǎng)的抗毀性能以及可擴展性，本文設(shè)計一種運行在同步軌道的衛(wèi)星通信港星座模型，即由3顆衛(wèi)星運行在東經(jīng)105°、軌道仰角為10°的衛(wèi)星組成，互相連通，并且由于不同衛(wèi)星位于不同軌道，避免了同軌道間每隔3°設(shè)置1顆衛(wèi)星的限制，具有良好的可擴展性和抗毀性，所以港內(nèi)衛(wèi)星能夠靈活組網(wǎng)，完成天地一體化網(wǎng)絡天基骨干網(wǎng)的功能。

2.1 衛(wèi)星通信港架構(gòu)模型

衛(wèi)星通信港，是指在空間中多顆分布于同一軌道位置或者不同軌道位置上的不同類型的衛(wèi)星，通過星間高速鏈路互聯(lián)，相互協(xié)同以實現(xiàn)單顆衛(wèi)星難以完成的功能，并能在部分衛(wèi)星失效或者故障時快速自愈的衛(wèi)星群體集合[6]。在衛(wèi)星通信港內(nèi)部鏈路可以采用激光通信的策略，來實現(xiàn)高速率、高安全性的傳輸需求；衛(wèi)星通信港之間可以采用無線微波鏈路進行通信。通過衛(wèi)星通信港的可擴展、自愈重構(gòu)等能力，可以實現(xiàn)通信的快速響應。

基于衛(wèi)星通信港的天地一體化網(wǎng)絡是未來空間通信發(fā)展的必然趨勢，但是在目前實施部署仍存在很多問題。第一，衛(wèi)星通信港作為天基骨干網(wǎng)，需要接入天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)中各種類型的網(wǎng)絡節(jié)點，連接用戶數(shù)量巨大，業(yè)務種類繁雜，這些因素會造成衛(wèi)星通信港的網(wǎng)絡機構(gòu)和管理方案異常復雜；第二，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡具有特殊的拓撲結(jié)構(gòu)、時變特性、傳輸距離長等固有因素，導致傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡協(xié)議及路由策略無法適應衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境。所以本文根據(jù)天地一體化網(wǎng)絡背景，借鑒SDN集中式管理模型，提出一種適用于天地一體化的衛(wèi)星通信港設(shè)計方案。SDN是一種新型網(wǎng)絡架構(gòu)，它將網(wǎng)絡的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，將網(wǎng)絡設(shè)備與資源虛擬化，從而實現(xiàn)底層硬件的可編程化，完成對資源的按需調(diào)配[13]。基于軟件定義的衛(wèi)星通信港網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 基于軟件定義的衛(wèi)星通信港設(shè)計架構(gòu)

圖2中的資源層由天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)組成，包括LEO衛(wèi)星、地面網(wǎng)關(guān)、星間鏈路及地面網(wǎng)絡等通信設(shè)施，用戶通過資源層接入到天地一體化網(wǎng)絡之中。

衛(wèi)星通信港位于架構(gòu)中的控制層，同虛擬網(wǎng)絡管理器進行配合，完成拓撲管理、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡節(jié)點信息收集等功能。衛(wèi)星通信港內(nèi)部構(gòu)建一個統(tǒng)一控制中心，對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡進行智能管控。

協(xié)作層連接控制層和應用層，為SDN應用和商業(yè)應用提供基礎(chǔ)支持功能，協(xié)作控制層提供天地一體化網(wǎng)絡天基骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡配置、信息同步、災難備份、抗毀性能等功能。

在該網(wǎng)絡模型中，衛(wèi)星通信港承擔天地一體化網(wǎng)絡中多域控制器的作用，連接多個異構(gòu)網(wǎng)絡，將資源層的設(shè)施合理有序地劃分成由單域控制器管理的控制域，使網(wǎng)絡組網(wǎng)方式更加靈活有效。多域控制器直連各個單域控制器，在每個時間切片內(nèi)，單域控制器上報路由流表給多域控制器，由多域控制器進行整理、統(tǒng)計、策略選擇、下發(fā)流表等功能。

2.2 衛(wèi)星通信港業(yè)務建立流程

如圖3所示，基于SDN的衛(wèi)星通信港路由服務處理流程設(shè)計為以下幾個步驟：

① 用戶B發(fā)出通信請求至LEOs衛(wèi)星。

② 控制域1的LEOs衛(wèi)星通過查詢當前更新的服務請求，并同A進行通信。此時用戶B所在位置無法與地面網(wǎng)絡進行直連，請求信息被發(fā)送至控制域1的L拓撲鏈路鏈接流表，未發(fā)現(xiàn)有任何路由匹配請求，即將轉(zhuǎn)發(fā)請求信息發(fā)送至空間網(wǎng)絡控制器1。

③ 空間網(wǎng)絡控制器1將轉(zhuǎn)發(fā)請求信息上報至多域控制器，即衛(wèi)星通信港，由多域控制器進行業(yè)務調(diào)度。

④ 多域控制器通過對全網(wǎng)的集中式控制，獲取當前時間片的全網(wǎng)拓撲。對業(yè)務種類、QoS等級、時延等級、擁塞等級進行判斷，并對業(yè)務傳輸時長進行預測，當前時間片拓撲是否能夠?qū)I(yè)務傳輸完畢。分析完畢，從控制器策略庫中選取路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，并進行路由計算。

⑤ 多域控制器將流表發(fā)送至各個空間、地面單域控制器。

⑥ 地面網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)流表通過OpenFlow控制通道分別下發(fā)到該路徑上相應的各個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點上，進行建路準備。

⑦ 數(shù)據(jù)開始傳輸，最終到達節(jié)點A。

圖3 衛(wèi)星通信港業(yè)務建立流程示意圖

3 衛(wèi)星通信港網(wǎng)絡性能分析

本文使用STK仿真軟件實現(xiàn)上述提出的適用于天地一體化網(wǎng)絡的衛(wèi)星通信港設(shè)計方案，衛(wèi)星軟件工具包(Satellite Tool Kit，STK)，是由美國AGI公司開發(fā)的一款在航天工業(yè)領(lǐng)域應用的商業(yè)化分析軟件，能夠提供圖標以及文本形式的結(jié)果分析[14]。方案通過STK對衛(wèi)星通信港的覆蓋特性、鏈路特性進行了仿真與性能分析，仿真時間設(shè)置為1 May 2017 4:00至7 May 2017 4:00。

3.1 衛(wèi)星通信港覆蓋特性仿真

本節(jié)分別對衛(wèi)星通信港、Walker星座、天地一體化網(wǎng)絡的覆蓋性能進行了仿真。

3.1.1 衛(wèi)星通信港對地覆蓋特性

本文在地面網(wǎng)關(guān)仿真中設(shè)計了5個在我國具有代表性的地面站設(shè)施，分別位于北京(Beijing)、甘肅(Gansu)、貴州(Guizhou)、海南(Hainan)、新疆(Xinjiang)?？紤]到衛(wèi)星通信港更多的是為我國提供通信服務，并且由于地球靜止衛(wèi)星軌道有限，必須遵守國際規(guī)則和衛(wèi)星通信港可擴展性的原則，本文設(shè)計由1顆主星、2顆輔星組成的衛(wèi)星通信港，將Subsatellite point屬性設(shè)置為105°，Inclination屬性設(shè)置為10°，港內(nèi)3顆衛(wèi)星的True Anomaly分別為：0°、5°、10°。圖4為2017年5月1日的通信港覆蓋情況，衛(wèi)星通信港可以實現(xiàn)在我國北緯60°以南實現(xiàn)24 h無間斷覆蓋。圖4說明了通信港主星距離北京地面站的鏈路接入AER，由圖可知在通信港距離地面站的距離在23:00左右達到峰值，此時不適合和通信港主星進行通信。

圖4 衛(wèi)星通信港對地面站覆蓋情況

3.1.2 衛(wèi)星通信港對Walker星座的覆蓋特性

由圖5可以看出，衛(wèi)星通信港對LEO層Walker星座每顆衛(wèi)星都具有良好的覆蓋性能，一天超過90%的時間可以保持連通狀態(tài)，這為業(yè)務的多路徑選擇和網(wǎng)絡負載均衡策略設(shè)計提供了基礎(chǔ)支持。

圖5 衛(wèi)星通信港與Walker星座的覆蓋情況

3.2 衛(wèi)星通信港鏈路特性分析

方位角、俯仰角和鏈路長度是判斷鏈路質(zhì)量的重要指標，以下對衛(wèi)星通信港的鏈路特性進行仿真與性能分析。

3.2.1 衛(wèi)星通信港港內(nèi)鏈路仿真與分析

本文設(shè)計衛(wèi)星通信港港內(nèi)衛(wèi)星并不在同一軌道中，這樣的好處是能夠極大限度地提升通信港的可擴展性和安全性，但同時會產(chǎn)生衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整，衛(wèi)星信號發(fā)射器需要周期性轉(zhuǎn)動，來完成港內(nèi)衛(wèi)星的互聯(lián)。

通過仿真結(jié)果可以看出星間鏈路距離Distance成周期性變化，峰值為640 km，港內(nèi)衛(wèi)星可以全時保持連通狀態(tài)，這樣的鏈路特點對于港內(nèi)衛(wèi)星協(xié)同工作、災難備份起到非常關(guān)鍵性的作用，同時提供了新增輔星、主輔切換的可能性。在受到物理攻擊或者被動竊聽的情況下，能及時進行防御和數(shù)據(jù)熱更新，保證了通信港的安全性。

3.2.2 衛(wèi)星通信港港內(nèi)通信鏈路仿真

通過STK的communicate模塊對衛(wèi)星通信港港內(nèi)通信狀況進行模擬仿真，每個港內(nèi)衛(wèi)星放置接收器和發(fā)射器。其中接收機增益/系統(tǒng)噪聲溫度設(shè)置6 dB/K，發(fā)射機頻率為5 GHz，EIRP為35 dBW，傳輸速率為1 Mbps，調(diào)制類型為QPSK。

仿真結(jié)果顯示，在4:00～16:00的時間段內(nèi)，誤碼率一直保持在一個很低的范圍之內(nèi)，符合我國天地一體化組網(wǎng)通信需求。

3.2.3 衛(wèi)星通信港與地面站鏈路仿真與分析

衛(wèi)星通信港運行在地球同步軌道，對地面站具有無間斷覆蓋特性，但是在一天之中，由于衛(wèi)星的移動，星地通信鏈路狀況隨著時間在發(fā)生改變，衛(wèi)星通信港與傳統(tǒng)高軌衛(wèi)星有著不同的性能表現(xiàn)，本文通過對衛(wèi)星通信港和地球靜止軌道、較高軌道傾角同步軌道衛(wèi)星進行鏈路性能對比，對衛(wèi)星通信港性能進行說明。

如圖6所示，不同參數(shù)的衛(wèi)星在不同時段具有不同的誤碼率，高軌道傾角同步衛(wèi)星和衛(wèi)星通信港在4:00～16:00時段有著幾乎完全相同的誤碼率，但是在17:00之后有著明顯的增高，無法適應持續(xù)性的通信服務需求。地球靜止軌道衛(wèi)星具有穩(wěn)定的誤碼率，并且在某些時段誤碼率表現(xiàn)更優(yōu)，但是由于靜止軌道衛(wèi)星數(shù)量有限，可擴展性差，并且在白天誤碼率表現(xiàn)不如衛(wèi)星通信港，故衛(wèi)星通信港相比兩者具有更好的通信性能。

圖6 衛(wèi)星通信港與高軌衛(wèi)星對Beijing地面站通信鏈路仿真

4 結(jié)束語

天地一體化網(wǎng)絡是未來信息網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢，本文針對天地一體化網(wǎng)絡中的衛(wèi)星骨干網(wǎng)設(shè)計衛(wèi)星通信港架構(gòu)，提出基于SDN的集中式管理模式，提高了天地一體化骨干網(wǎng)絡的組網(wǎng)靈活性、結(jié)構(gòu)可擴展性。通過STK對衛(wèi)星通信港架構(gòu)進行仿真，對其覆蓋特性、星間/星地鏈路狀況進行模擬，結(jié)果表明該架構(gòu)能夠滿足我國對于天地一體化衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡的要求，為下一步研究工作提供理論依據(jù)與參考。

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