基于GEO/LEO兩層星座協(xié)同衛(wèi)星組網(wǎng)分析

楊冬梅，唐舟進

（世訊衛(wèi)星技術有限公司，北京 100022）

1 引言

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡已經(jīng)成為了信息基礎設施不可或缺的重要部分。當前衛(wèi)星網(wǎng)絡已經(jīng)進入了業(yè)務多樣化及覆蓋全球化的時代，我國目前的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡是以同步地球軌道衛(wèi)星（GEO）為主體。衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋面積大，具有傳輸速度快，可移動性強等優(yōu)點，但是由于資源緊缺，如何有效的利用空間資源，提高衛(wèi)星通信的效能等都是目前的研究熱點。

傳統(tǒng)的單層衛(wèi)星網(wǎng)絡主要有同步地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡、低軌道衛(wèi)星（LEO）網(wǎng)絡和中軌道衛(wèi)星（MEO）網(wǎng)絡。其中GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡應用最為廣泛，GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空36000千米的軌道上，并且相對地面靜止；MEO衛(wèi)星位于距地面高度為10000km～20000km之間的軌道上；LEO衛(wèi)星的軌道高度則距離地面500km～2000km，覆蓋全球需要進行星座組網(wǎng)[1]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的告訴發(fā)展，用戶對于低時延寬帶接入的需求日益迫切，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡，無論是高中軌低軌衛(wèi)星，都難以兼顧時延、擁塞、抗毀、帶寬等方面的性能，通常在部分指標上存在缺陷，無法滿足當前移動互聯(lián)網(wǎng)的應用需求。例如目前應用廣泛、技術成熟的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡就存在鏈路時延大、信號衰減大、頻譜利用率低、終端設備復雜等問題[2]；而LEO衛(wèi)星投入成本高，運控系統(tǒng)復雜，需要形成規(guī)模才能實現(xiàn)全球覆蓋；因此單層衛(wèi)星網(wǎng)絡已經(jīng)難以滿足目前人們不斷的增加的需求，難以支撐多樣化的業(yè)務。高低軌衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡能夠更加有效地利用衛(wèi)星資源，使得各層衛(wèi)星網(wǎng)絡優(yōu)勢互補，提高接入和覆蓋能力，更有效地為不同類型的用戶提供差異化的服務，滿足各種用戶的QoS需求，混合衛(wèi)星網(wǎng)絡將是衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向。

2 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡特點及缺陷

GEO衛(wèi)星位于靜止軌道，單星就可以覆蓋地球40%的面積，僅需要3顆就可以實現(xiàn)全球覆蓋，為全球任何地點、任何時間的用戶提供通信服務。目前GEO通信衛(wèi)星應用較為廣泛，主要提供互聯(lián)網(wǎng)接入、PSTN服務以及網(wǎng)絡電話等服務。Inmarsat海事衛(wèi)星系統(tǒng)，Thuraya系統(tǒng)，Skyterra系統(tǒng)等是典型的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

典型的MEO衛(wèi)星星座有O3b系統(tǒng)等。O3b系統(tǒng)由12顆位于8000千米軌道上的MEO衛(wèi)星組成，為全球南北緯45°之間所有用戶提供寬帶接入服務，最大速率可達到500Mb/s[3]。

LEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)以星座形式組網(wǎng)，通過運行在多個軌道面上的大量衛(wèi)星為地面提供服務，由于LEO衛(wèi)星單星覆蓋范圍有限，跨區(qū)服務的路由需要通過星間鏈路或者大量地面站點網(wǎng)絡完成，LEO衛(wèi)星類似于地面網(wǎng)絡的蜂窩基站，通過頻率復用擴大系統(tǒng)容量，能夠支持大量的用戶隨時接入。典型的LEO衛(wèi)星星座有銥星系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)等。

但是，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡存在以下問題[1]：

（1）時延較大。GEO和MEO衛(wèi)星軌道高度大，信號時延主要來自于路徑傳輸時延；而LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡因為節(jié)點數(shù)量多以及路由頻繁切換而時延過高。為了提高系統(tǒng)容量和覆蓋性能，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡需要不斷地擴大規(guī)模和節(jié)點數(shù)，對于單顆的低軌道衛(wèi)星時延并不大，但是復雜的路由交換會增加總的網(wǎng)絡時延開銷；衛(wèi)星星間鏈路的增長也會造成路由的復雜化，引起網(wǎng)絡擁塞，造成時延上升。

（2）網(wǎng)絡擁塞較大。GEO衛(wèi)星主要通過信關站網(wǎng)關系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡進行交互，當負載較高時，網(wǎng)關容易成為網(wǎng)絡擁塞的瓶頸。LEO衛(wèi)星則由于路由的復雜化，造成鏈路的快速切換，特別是在極地區(qū)域，頻繁的切換會引起鏈路的動態(tài)變化，增大網(wǎng)絡阻塞的概率。

（3）網(wǎng)絡抗毀性較差。在混合衛(wèi)星網(wǎng)絡中會采用不同類型的衛(wèi)星作為備用傳輸節(jié)點，這樣一旦衛(wèi)星中出現(xiàn)鏈路中斷時，可以找到用來替代的鏈路。但是在傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡中，一旦鏈路終端，容易造成衛(wèi)星網(wǎng)絡部分癱瘓，因此網(wǎng)絡的抗毀性較差。

3 混合衛(wèi)星網(wǎng)絡優(yōu)勢分析

隨著通信技術在標準化方面的進步，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也開始向多星一網(wǎng)的方向發(fā)展。不同軌道面上的衛(wèi)星通過協(xié)同組網(wǎng)，形成混合衛(wèi)星網(wǎng)絡，能夠兼顧覆蓋性、移動性和可擴展性等優(yōu)點[1]。

LEO衛(wèi)星通過星座組網(wǎng)實現(xiàn)全球覆蓋，覆蓋性能與星座節(jié)點數(shù)量呈正相關性。目前提出的超大規(guī)模LEO星座計劃，如OneWeb星座，就是利用這一特性提高覆蓋性能和頻譜效率，提供寬帶接入服務。但是LEO衛(wèi)星星座節(jié)點數(shù)量增加時，會引起路由算法復雜性的急劇增長，會增大網(wǎng)絡擁塞程度和傳輸時延[4]。混合衛(wèi)星網(wǎng)絡將結合高低軌的優(yōu)勢，高軌衛(wèi)星作為骨干層和核心網(wǎng)絡，利用其覆蓋和星上處理能力的優(yōu)勢，承擔路由、交換和控制等功能，進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)處理，并控制接入層低軌衛(wèi)星實現(xiàn)高效的切換；LEO衛(wèi)星實現(xiàn)用戶服務和接入功能?；旌闲l(wèi)星網(wǎng)絡由于有GEO和LEO協(xié)同組網(wǎng)，不僅可以實現(xiàn)全球覆蓋，同時可以保證用戶服務質(zhì)量的同時根據(jù)不同用戶提供多業(yè)務服務，混合衛(wèi)星組網(wǎng)的拓撲結構穩(wěn)定性強，網(wǎng)絡適應性強，能降低網(wǎng)絡路由開銷。

（1）減少地面站部署難度?；旌闲l(wèi)星網(wǎng)絡重GEO和LEO衛(wèi)星在覆蓋上相互補充，可以實現(xiàn)完全的全球覆蓋，并針對熱點地區(qū)進行覆蓋增強，并且高軌的衛(wèi)星網(wǎng)絡與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡之間有星間鏈路互聯(lián)，結合星上處理技術，信息跨區(qū)傳輸不再依附于地面站的幫助，可以減少地面站部署的數(shù)量和難度，一個地面站就可以實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡的實時控制和信息落地。

（2）通信時延減小。從上一節(jié)的討論中我們分析了單層鏈路的時延問題，如果衛(wèi)星混合組網(wǎng)，不同軌道的衛(wèi)星將基于其優(yōu)勢和特點承擔不同的任務，MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星主要用于地面用戶接入，消除了因通信距離過長而導致的時延問題，而高軌的GEO衛(wèi)星也分擔了低軌道接入衛(wèi)星的切換任務，總體上降低了信息傳輸?shù)臅r延。

（3）信號損耗減小。傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星主要通過地面信關站進行路由交換，信號通過星地鏈路傳輸，衰減大，傳輸效率低，頻譜資源緊張。而混合衛(wèi)星組網(wǎng)方式主要依靠于星間鏈路進行，由于無大氣損耗，可以采用毫米波、激光等高效的傳輸手段實現(xiàn)星間鏈路的寬帶化、。

4 GEO/LEO雙層星座網(wǎng)絡體系架構

混合衛(wèi)星網(wǎng)絡需要多層軌道上的衛(wèi)星互聯(lián)互通，設計難度較高，沈榮駿院士提出了結合星間、星地及地面互聯(lián)互通的構想，天地一體化信息網(wǎng)路重大工程課題組提出了“骨干/接入”模型[6]，骨干網(wǎng)由GEO衛(wèi)星組成，接入網(wǎng)由LEO衛(wèi)星組成。GEO/LEO雙層星座網(wǎng)絡體系架構由GEO層星座、LEO 層星座、地面系統(tǒng)以及各類星間、星際鏈路組成。

圖1 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡架構示意圖

GEO衛(wèi)星利用其覆蓋優(yōu)勢，為LEO衛(wèi)星提供中繼、交換、監(jiān)控以及應急備份等服務，少量甚至單個地面站可通過GEO衛(wèi)星一跳實現(xiàn)對全球衛(wèi)星網(wǎng)絡的狀態(tài)監(jiān)控，運行控制和網(wǎng)絡管理，解決傳統(tǒng)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡高度依賴全球布站的瓶頸問題。LEO 衛(wèi)星利用其時延小、路損低、容量高等優(yōu)勢，結合星上處理和星間鏈路技術，可以為海量用戶提供低時延、低成本、高帶寬的寬帶接入服務，達到接近于地面網(wǎng)絡的用戶體驗，加快互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務在世界欠發(fā)達地區(qū)的推廣速度[7]。

雙層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡融合了LEO衛(wèi)星系統(tǒng)和GEO衛(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)勢，能夠提供更高的通信容量、更低的接入時延、更少的地面站點要求和更好的可靠性[8]。本文提出一種GEO/LEO雙層星座衛(wèi)星網(wǎng)絡的初步設計，主要基于以下幾方面考慮：

（1）軌道類型?？紤]高緯度地區(qū)的覆蓋，LEO 星座應采用圓軌道星座。考慮到星間鏈路的建立和維護需要衛(wèi)星間的位置關系相對固定，LEO層星座比較適合采用圓軌道星座中的類極軌道。例如銥星系統(tǒng)就采用類極軌道星座，已經(jīng)經(jīng)過多年運營和應用的檢驗，取得了良好的實際效果。因此本文所提系統(tǒng)采用類極軌道星座[9]。

（2）軌道高度。星座軌道高度設計[9]時應考慮大氣層以及范·艾倫帶的影響以及衛(wèi)星定位及控制管理。通常LEO衛(wèi)星軌道高度選擇在500～1500km，高度越高，單星覆蓋范圍也越大，但是鏈路損耗也隨之增長。本系統(tǒng)采用Ka頻段進行通信，具有更高的天線增益，因此可較少的衛(wèi)星數(shù)量覆蓋全球，考慮軌道高度與星座數(shù)量有關，本文設計的LEO衛(wèi)星軌道采用1400km高度。

（3）星間鏈路。LEO衛(wèi)星之間的星間鏈路主要用于地面用戶的衛(wèi)星切換，地面用戶在衛(wèi)星過頂末期階段采用軟切換的方式保證鏈路的持續(xù)性，這就要求終端用戶在切換過程中與前后兩顆衛(wèi)星同時保持鏈接。前后兩顆衛(wèi)星之間通過星間鏈路交互信令，實現(xiàn)用戶無感切換。此外在遠距離傳輸時，通過優(yōu)化的路由算法，信息可選擇LEO層間的星間鏈路，必要的情況下也可選擇LEO-GEO之間的層間鏈路進行傳輸[10]。而在運行過程中，LEO-GEO之間的層間鏈路主要用于信令和運控信息的交互，必要時作為應急業(yè)務的一跳到達傳輸途徑。

綜上所述，本文所提的衛(wèi)星系統(tǒng)設計參數(shù)表1 所示。

表1 衛(wèi)星系統(tǒng)設計參數(shù)

5 結束語

本文通過分析傳統(tǒng)層衛(wèi)星網(wǎng)絡存在的問題和混合衛(wèi)星網(wǎng)絡的優(yōu)勢，設計了一種GEO/LEO雙層星座網(wǎng)絡架構，并對GEO/LEO協(xié)作組網(wǎng)特征及關鍵問題進行了分析，為未來的衛(wèi)星網(wǎng)絡建設提供參考。