高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)和協(xié)議設(shè)計

馮建元，龐立新，李 杰，閆文凱，周志成

(1.亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司，深圳 518126；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

通信技術(shù)和設(shè)施是服務(wù)于國家經(jīng)濟發(fā)展、國防安全的關(guān)鍵緊要技術(shù)和重大基礎(chǔ)設(shè)施，對于國家、社會和個人都具有極為重要的作用。經(jīng)過幾十年的努力，我國通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，特別是陸地蜂窩移動通信技術(shù)，實現(xiàn)了2G跟隨、3G突破、4G同步以及5G引領(lǐng)的世界先進水平[1]。然而，就衛(wèi)星通信而言，由于我國通信衛(wèi)星的研究起步較晚，到目前為止，我國衛(wèi)星通信技術(shù)尚處于追趕國外先進水平的階段；同時，應(yīng)用和市場培育還不夠充分、成熟。

與陸地蜂窩移動通信不同，衛(wèi)星通信以其優(yōu)勢[2]，在諸多方面具有不可替代的角色和重要的作用。在海事和航空等無法架設(shè)蜂窩基站的地方，衛(wèi)星通信是最有效、最便捷的通信手段，提供了遠洋船舶和航班客艙的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，讓用戶隨時隨地保持在線；在陸地災(zāi)備保障方面，衛(wèi)星通信相較陸地蜂窩通信更加可靠，是保障災(zāi)后救援與重建的關(guān)鍵；此外，衛(wèi)星通信還是偏遠地區(qū)通信的首選方式，能夠大大降低蜂窩基站骨干回傳的通信成本[3]。

用于通信的衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星，與導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星共同構(gòu)成了全部應(yīng)用衛(wèi)星。按照軌道高度不同，通信衛(wèi)星分為地球同步軌道衛(wèi)星(高軌衛(wèi)星)和中低軌衛(wèi)星，高軌衛(wèi)星位于赤道上方35 800 km的軌道，由于軌道高度高，對地球視場大，故信號覆蓋范圍大，理論上3顆衛(wèi)星即可覆蓋除兩極外的全球區(qū)域，如亞太系列衛(wèi)星、中星系列衛(wèi)星和Inmarsat等。中低軌道衛(wèi)星是飛行高度小于1 000 km(低軌道)和介于1 000～20 000 km之間(中軌道)的衛(wèi)星，由于相對地球處于運動狀態(tài)，通常需以星座的形式提供通信服務(wù)，如銥星星座、OneWeb星座和O3B星座[4]。

當前，高軌衛(wèi)星仍然是最成熟、最經(jīng)濟的衛(wèi)星通信方式，廣泛服務(wù)于海事、航空及廣電等用戶。然而高軌衛(wèi)星也有其不足：① 由于地球站天線仰角過低，高軌衛(wèi)星無法覆蓋兩極地區(qū)的通信，無法滿足未來隨處接入的通信要求。② 高軌衛(wèi)星距地面較遠，信號傳播時延不可忽略，影響用戶體驗，也無法滿足有低時延需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。③ 盡管新一代高通量衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射，通信容量增長數(shù)十倍，但由于衛(wèi)星數(shù)目少，仍然無法滿足越來越多的通信需求。這些不足，可以通過低軌衛(wèi)星來解決，一方面，低軌衛(wèi)星繞地運動，可以覆蓋兩極地區(qū)；另一方面，由于軌道高度低，對地傳播時延也較小。④ 由于低軌衛(wèi)星實現(xiàn)全球組網(wǎng)覆蓋的自身要求，其衛(wèi)星數(shù)量龐大，多顆衛(wèi)星也讓通信容量有了保障。但由此衍生的缺點是組網(wǎng)周期長、運營成本高和頻率軌位資源不足?？梢钥闯?，應(yīng)該發(fā)展低軌通信衛(wèi)星星座作為現(xiàn)有高軌衛(wèi)星的補充，同時，在低軌衛(wèi)星星座尚未實現(xiàn)組網(wǎng)前，由高軌衛(wèi)星保障其覆蓋組網(wǎng)。因此，實現(xiàn)高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)是發(fā)展未來衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的必由階段和必經(jīng)之路[5]。

1 高低軌衛(wèi)星組網(wǎng)面臨的難題

高低軌衛(wèi)星由于其軌道特性不同，運動狀態(tài)也不同。高軌衛(wèi)星位于地球同步軌道，與地面保持相對靜止，而低軌衛(wèi)星軌道高度較低，繞地旋轉(zhuǎn)速度大于地球自轉(zhuǎn)速度，因此，高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間處于相對運動狀態(tài)，由此引發(fā)了高低軌衛(wèi)星相互通信時，星載天線對準難、對準開銷大的問題[6]。一方面，對準難度高，對星載天線提出了很高的要求；另一方面，對準開銷大，對攜帶有限燃料的衛(wèi)星是一個挑戰(zhàn)，嚴重影響了衛(wèi)星的壽命。

此外，對于高軌衛(wèi)星，其視場內(nèi)有多顆低軌通信衛(wèi)星，如圖1所示。組網(wǎng)時需要一顆高軌衛(wèi)星對多顆低軌衛(wèi)星同時進行通信，但因為頻率資源有限，每個低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星通信時不具備使用不同頻率進行區(qū)隔的條件，因此，如何避免多顆低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星同時進行通信時的干擾，是另一個需要解決的問題[7]。

圖1 高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)示意圖

最后，當前設(shè)計衛(wèi)星的主要思路和方法仍然是設(shè)計安裝對應(yīng)的星載硬件設(shè)備來匹配不同的衛(wèi)星功能，這種設(shè)計方法帶來了衛(wèi)星用途僵化的問題，無法根據(jù)情況的變化改變使用場景和使用方式，同時也帶來載荷設(shè)備復(fù)雜性，不僅提高了使用衛(wèi)星的技術(shù)門檻，也使衛(wèi)星系統(tǒng)的不可靠性風(fēng)險大大增加。在當前通信設(shè)備軟件定義化的趨勢下，高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)的解決途徑應(yīng)從可重構(gòu)的通信協(xié)議設(shè)計入手解決[8]。

2 星間共享信道協(xié)議設(shè)計

2.1 設(shè)計思想

高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)的通信協(xié)議著重解決一星對多星的通信干擾問題，同時盡量降低高低軌衛(wèi)星天線對準復(fù)雜度。根據(jù)這個設(shè)計要求，高低軌衛(wèi)星星間通信信道應(yīng)采用共享信道的設(shè)計模式，保證多顆低軌衛(wèi)星有序共享信道資源，同時，星間通信天線應(yīng)采用方向性要求低的天線。

針對共享信道協(xié)議，有基于競爭和非競爭的信道協(xié)議模式，競爭信道是讓共享用戶隨機競爭信道，依靠協(xié)議的概率模型設(shè)計，在統(tǒng)計學(xué)上保證多用戶有序接入信道；非競爭信道協(xié)議則是依靠系統(tǒng)控制器進行調(diào)度，使多用戶有序接入信道。由于非競爭信道的中心控制使高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)復(fù)雜度大大增加，因此，信道通信協(xié)議宜采用基于競爭的多用戶共享信道接入模式[9-11]。

針對星載天線，為了降低星間相對運動時天線對準的難度和對準過程的開銷，天線可使用主瓣方向角大、對方向性要求不高的天線，這將大大提高天線對準的幾率，提高傳輸連接成功率。天線方向性不強的副作用是對其他衛(wèi)星的通信干擾大，這點可以通過基于競爭的信道接入?yún)f(xié)議避免干擾。

2.2 協(xié)議內(nèi)容

為降低衛(wèi)星天線波束對準的復(fù)雜度，高低軌衛(wèi)星間通信采用波束寬度較寬的天線[12]，高軌衛(wèi)星天線對下發(fā)射信號，低軌衛(wèi)星天線對上發(fā)射信號。高低軌衛(wèi)星間天線發(fā)射和接收信號的波束角度范圍很寬，這樣的設(shè)計可以讓高低軌衛(wèi)星在相對運動且天線沒有精確對準的情況下也能完成通信，提高了通信成功的概率。

由于收發(fā)天線波束角較寬，高軌衛(wèi)星可以同時收到視場內(nèi)多顆低軌衛(wèi)星的信號，而無線電頻譜資源有限，無法通過設(shè)置不同的頻段給各衛(wèi)星鏈路加以區(qū)分通信信號。為了避免多顆低軌衛(wèi)星的信號互相干擾，本方案將星間通信鏈路協(xié)議設(shè)計為分時隙的應(yīng)答確認與退避機制[9,13]。

該機制具體為：高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的星間鏈路收發(fā)信機接受授時同步，授時方法可以是北斗授時，也可以是地面信號授時或者其他授時方法(如內(nèi)置原子鐘，或星間時鐘信號同步)。各衛(wèi)星時間的長度(如1 ms,1 μs)，實際系統(tǒng)中可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定，一般來說，時隙短的系統(tǒng)設(shè)計可以提高頻譜利用率，但會增加系統(tǒng)開銷，時隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。以低軌衛(wèi)星向高軌衛(wèi)星傳輸?shù)逆溌窞槔?反向亦然)，在時隙開始，低軌衛(wèi)星檢查是否有待傳數(shù)據(jù)，如發(fā)送緩存器中有數(shù)據(jù)且是未嘗試傳輸過的數(shù)據(jù)，則在避讓計數(shù)集中隨機選取一個數(shù)值a。該避讓計數(shù)集有如下特點：它是一個自然數(shù)的集合，里面所有兩兩數(shù)字的和都不等于集合中的另一個數(shù)字，盡量選取較小的數(shù)字組成集合，并且計數(shù)集中的數(shù)字數(shù)目盡可能多，具體數(shù)目可根據(jù)系統(tǒng)可靠性需求設(shè)計，可靠性越高的系統(tǒng)，計數(shù)集的規(guī)模越大。同步后，將時間分成長度為t的時隙，t可以是任意值。

圖2 衛(wèi)星共享通信鏈路時隙結(jié)構(gòu)圖

前述選取計數(shù)集數(shù)值a后，低軌衛(wèi)星將倒數(shù)計數(shù)器設(shè)為a，每過一個時隙t，則計數(shù)器減1，計數(shù)器為0時，低軌衛(wèi)星星間發(fā)信機將向高軌衛(wèi)星發(fā)送待傳數(shù)據(jù)。

當數(shù)據(jù)發(fā)送后，低軌衛(wèi)星的收信機開始接收來自高軌衛(wèi)星的確認數(shù)據(jù)成功接收的信號(ACK)[14-15]，如圖2所示的時隙結(jié)構(gòu)中ACK/NACK的信號傳輸時間，高軌衛(wèi)星在成功收到低軌衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)后，會向低軌衛(wèi)星返回ACK信號。如發(fā)生其他低軌衛(wèi)星同時發(fā)來信號，信號間產(chǎn)生沖突干擾，高軌衛(wèi)星接收失敗，高軌衛(wèi)星向低軌衛(wèi)星發(fā)送傳輸不成功信號(NACK)。低軌衛(wèi)星收到NACK信號后，從避讓計數(shù)集隨機選取另一個數(shù)值b，并將計數(shù)器設(shè)為b，每過一個時隙t，則計數(shù)器減1，計數(shù)器為0時，低軌衛(wèi)星星間發(fā)信機將向高軌衛(wèi)星再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，如高軌衛(wèi)星接收成功，則向低軌衛(wèi)星返回ACK信號;否則，低軌衛(wèi)星收到高軌衛(wèi)星反饋的NACK信號并重復(fù)該過程。當重復(fù)該過程n次后仍然沒有成功傳輸，待傳數(shù)據(jù)包則被丟掉，n可由系統(tǒng)使用者根據(jù)實際操作時系統(tǒng)性能需求設(shè)定數(shù)值。當對系統(tǒng)可靠性要求高時，可以適當增加n值，此時系統(tǒng)的丟包率較低，保證了數(shù)據(jù)的準確性；當系統(tǒng)對實時性要求較高時，可以適當減小n值，此時系統(tǒng)的時延較小，保證通信實施的有效性。

協(xié)議執(zhí)行的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化程序包括：系統(tǒng)授時、各計數(shù)器歸零及設(shè)定時隙長度為t等。

在講解第五章生態(tài)系統(tǒng)時，可以補充自清潔魚缸的圖片和視頻。自清潔魚缸是一個微型的生態(tài)系統(tǒng)，由透明的玻璃球體組成。裝有LED燈，白天呈現(xiàn)白光，夜晚呈現(xiàn)藍光。內(nèi)有細菌、藻類、小蝦、小魚和經(jīng)過濾的海水等，只需要補充水，自清潔魚缸可以維持正常的生態(tài)循環(huán)。學(xué)生被這個奇妙的“微型世界”吸引，體會到生態(tài)系統(tǒng)需要恰當?shù)纳a(chǎn)者、消費者和分解者的數(shù)量配比才能維持生態(tài)平衡，認識到維持生態(tài)平衡對生物圈的重要性。

圖3 星間通信信道協(xié)議流程圖

協(xié)議設(shè)計中有2個事項需注意：

① 通信鏈路時隙分為數(shù)據(jù)包傳輸時間和ACK/NACK信號傳輸時間，這2部分占信道時隙的比例要根據(jù)系統(tǒng)情況設(shè)定。數(shù)據(jù)包傳輸時間在整個信道時隙中占比越大，則信道利用效率越高，同資源強度條件下星間通信速率越快，但由于接收ACK/NACK信號的時間變短，漏收ACK/NACK信號的概率會增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或者漏檢、虛警率提高；相反，增加ACK/NACK信號傳輸時間，可以讓系統(tǒng)有足夠的冗余度保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢拖到y(tǒng)的穩(wěn)定，但以犧牲部分頻譜利用效率為代價。因此，實際系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同客戶和不同業(yè)務(wù)的傳輸需求，相應(yīng)設(shè)置時隙。

② 計數(shù)集的生成。計數(shù)集的作用是讓系統(tǒng)在遇到多顆衛(wèi)星同時傳輸數(shù)據(jù)和信號發(fā)生碰撞時能夠隨機避讓一段時間，擇機選擇不與其他衛(wèi)星傳輸沖突的時間重新嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)在計數(shù)集中選取數(shù)值a和數(shù)值b時，選取算法應(yīng)設(shè)置為非重復(fù)的隨機選取，即如果有衛(wèi)星選取了某一數(shù)值，則其他衛(wèi)星在此時隙中不會再次選取該數(shù)字。同時，計數(shù)集較大的數(shù)據(jù)規(guī)模也保證了選取的隨機性。

3 傳輸效果仿真分析

如果不采用本文多衛(wèi)星共享信道的通信協(xié)議，則衛(wèi)星間數(shù)據(jù)傳輸遇到其他衛(wèi)星傳輸信號碰撞和干擾時，丟包率和傳輸失敗率都很高；采用本文衛(wèi)星共享信道的通信協(xié)議后，能夠大大降低丟包率、提高傳輸成功率。低軌衛(wèi)星個數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸成功率關(guān)系如圖4所示。

圖4 低軌衛(wèi)星個數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸成功率關(guān)系

為便于分析，假設(shè)每顆低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)到達率相同，隨著低軌衛(wèi)星數(shù)量的增加觀察星間數(shù)據(jù)傳輸成功率。由圖4可以看出，使用本文通信協(xié)議后，星間數(shù)據(jù)傳輸成功率相較于未使用協(xié)議時大大增加，尤其是在低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)較多，衛(wèi)星間信息傳輸沖突、碰撞概率較大的情況下，可以有效協(xié)調(diào)各衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸秩序，提高共享信道的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達率與信道利用效率關(guān)系如圖5所示。

圖5 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達率與信道利用效率關(guān)系

為便于分析，仿真中2個對比實驗均假設(shè)6顆低軌衛(wèi)星共享信道傳輸?shù)那樾?。由圖可以看出，使用本文信道通信協(xié)議后，相較于未使用協(xié)議的情況，能夠有效增加星間通信信道的利用率。文中信道利用率隨低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達率升高而先增加后減少，原因是在較空閑的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源利用不充分，適當增加到達數(shù)據(jù)量可以更多利用信道資源，但當?shù)竭_數(shù)據(jù)量過于龐大，信道中衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的競爭和碰撞加劇，則會導(dǎo)致信息重傳甚至丟包，導(dǎo)致信道利用率反而下降。

由上述2個實驗可以看出，采用本文星間信道通信協(xié)議后，能夠有效避免星間信道中衛(wèi)星間相互干擾，提高信息傳輸成功率與信道利用效率，提升多軌道聯(lián)合組網(wǎng)的系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語

介紹了高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)情況下共享信道的通信協(xié)議設(shè)計方案，該設(shè)計方案有如下優(yōu)點：① 允許衛(wèi)星天線可以形成較寬波束，解決了高低軌衛(wèi)星天線對準技術(shù)難、開銷大的問題；② 允許多顆衛(wèi)星對一顆衛(wèi)星的通信場景，解決了衛(wèi)星間共享通信信道時的干擾問題；③ 實現(xiàn)通信協(xié)議的各模塊技術(shù)實施難度低，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷，系統(tǒng)具有很高的可靠性，降低研發(fā)、采購和維護的成本；④ 通信協(xié)議具有可定制性，方案中的各參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)要求和用戶需要相應(yīng)調(diào)整，并且適用于各種載波頻率下傳輸條件，不同基帶系統(tǒng)的通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

通過分析和仿真驗證，采用本文設(shè)計的協(xié)議后，能夠有效避免星間信道中衛(wèi)星間相互干擾，提高信息傳輸成功率與信道利用效率，提升多軌道聯(lián)合組網(wǎng)的系統(tǒng)性能。