基于低軌星座的星地路由技術研究

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

LEO衛(wèi)星網絡是通信網絡的重要組成部分，地面通信網絡只能覆蓋陸地上的有限區(qū)域，對于海洋，山區(qū)以及兩極地區(qū)的覆蓋較難實現。而LEO衛(wèi)星可以實現對于全球的完整的連續(xù)的覆蓋，系統(tǒng)通信的傳輸時延更小，實時性高；LEO衛(wèi)星發(fā)射功率低，便于終端小型化和多樣化，通信成本更低；LEO衛(wèi)星節(jié)點的抗毀能力比較強，即使有部分衛(wèi)星節(jié)點被毀，通信系統(tǒng)仍能維持使用；衛(wèi)星的空間部署比較靈活，可以搭載火箭進行衛(wèi)星發(fā)射，甚至可以實現一箭多星[1]。因此，作為最有應用前景的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，本文重點針對LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地路由技術展開研究。

LEO衛(wèi)星網絡路由技術承擔數據傳輸任務，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要技術組成。由于服務業(yè)務種類的的快速增加,LEO衛(wèi)星網絡的傳輸壓力越來越大，LEO衛(wèi)星網絡的路由面臨諸多挑戰(zhàn)。LEO衛(wèi)星網絡路由技術包括星間路由和星地路由。星間路由實現衛(wèi)星之間數據傳輸路徑的選擇。目前, 星間路由技術已有較多研究, 按照解決 LEO 衛(wèi)星星座網絡拓撲結構快速變化問題的不同方式，當前的星間路由算法劃分為系統(tǒng)周期分割法(虛擬拓撲)、覆蓋區(qū)域分割法(虛擬節(jié)點)以及動態(tài)拓撲更新法三大類[2]。

但是目前對于星地路由設計的研究相對較少。本文聚焦于星地路由研究，即研究衛(wèi)星與信關站之間的路由設計。星地路由面臨如下挑戰(zhàn)：LEO衛(wèi)星軌道處于較低的高度，衛(wèi)星處于較快的運行速度，衛(wèi)星網絡拓撲時刻處于變化中。比如經典的LEO星座Iridium 星座，衛(wèi)星和地面信關站之間處于快速的相對運動中，性對運動速度約為 7 km/s，針對地面信關站而言每顆衛(wèi)星的可視時間只有9分鐘。由此可見，對于地面信關站而言，與其建立連接的衛(wèi)星切換速度非常快[3]。衛(wèi)星系統(tǒng)星地路由切換所引起的路由重構會對數據傳輸造成以下幾方面影響：

1)數據丟失:在信關站與前一顆衛(wèi)星斷開連接轉而切換到下一顆衛(wèi)星時,仍然緩存在前一顆衛(wèi)星中的數據包會丟失,數據業(yè)務這種對數據丟失比較敏感的業(yè)務對這種情況容忍度較低。

2)延遲抖動：星地路由切換過程會導致長的時延以及延遲抖動，語音和視頻業(yè)務對時延相對比較敏感，因此會受到比較大的影響。

3)網絡信令開銷：當星地路由切換發(fā)生時,需要為數據傳輸重新建立路徑,而LEO衛(wèi)星的頻繁切換特性必將導致大量的重路由，進而產生很大的信令開銷。

因此,為了網絡的可靠運行,減少網絡信令開銷。本文根據衛(wèi)星運行的周期性規(guī)律，計算各顆衛(wèi)星對信關站的覆蓋情況，進行饋電鏈路切換預測，盡量減小由于饋電鏈路切換而造成LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務傳輸性能下降。

1 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般由和用戶段、空間段、地面段構成，如圖1所示。

圖1 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

1)用戶段：用戶段由各種用戶構成。地面用戶終端種類繁多, 如車載終端、機載終端、手機等，各種終端向衛(wèi)星網絡發(fā)起各種業(yè)務請求。終端一般位于衛(wèi)星天線形成的某一波束中，其與移動通信衛(wèi)星間的鏈路稱為用戶通信鏈路。

2)空間段：空間段主要指太空環(huán)境中運行著的LEO 衛(wèi)星星座網絡，每顆衛(wèi)星都是其中的一個節(jié)點，衛(wèi)星之間通過星間鏈路進行數據與信令的傳輸。在空間段中，LEO衛(wèi)星軌道高度為500-2 000 km。單顆衛(wèi)星覆蓋域直徑為數十千米，經典的Iridium 星座和全球星系統(tǒng)均為數十顆衛(wèi)星覆蓋全球[4]。本文所研究的LEO 衛(wèi)星星座網絡中，衛(wèi)星不再只是中繼轉發(fā)功能,也具備了星上處理的能力，包括星上再生和星上交換。

3)地面段：地面段設備包括信關站和地面網絡控制中心。信關站負責進行地面網和衛(wèi)星網之間的連接，是地面網與衛(wèi)星網用戶之間通信的重要連接部分。信關站主要完成地面與衛(wèi)星之間業(yè)務信息交互、控制信令等任務。在通信過程中，信關站需要始終保持對星可見，在衛(wèi)星與信關站之間俯仰角低于一定的限制數值，或者信關站接受信號強度較弱需要切換時，信關站發(fā)出切換請求，采用合適的切換準則從當前覆蓋該信關站的衛(wèi)星中選擇切換衛(wèi)星[5]。

2 LEO衛(wèi)星系統(tǒng)星地路由的挑戰(zhàn)與需求

同地面網絡相比，LEO衛(wèi)星網絡具有很多獨特的地方，比如切換頻率高，長時延，鏈路不對稱，星上處理能力受限等?？紤]到以上因素，不能將地面路由協議直接應用到LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地路由計算中。在諸多LEO衛(wèi)星系統(tǒng)特點帶來的挑戰(zhàn)下，對星地路由提出了相應的設計需求。

1)星地切換頻繁:LEO衛(wèi)星軌道高度低，衛(wèi)星與信關站之間處于高速的相對運動中，對于信關站而言，每顆衛(wèi)星的可視時間非常短，信關站要始終保持對星可見(使用定向天線)，則切換的速度非常快。本文星地路由研究是在基于Iridium 星座的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)環(huán)境下進行的，根據Iridium的經典參數可大致計算出，信關站對每顆衛(wèi)星的可視時間只有9分鐘，也即星地路由切換頻率非常高[6]。

本文中針對低軌衛(wèi)星頻繁進行星地切換的特點，需要采用合適的切換準則從候選切換目標衛(wèi)星集合中選擇切換衛(wèi)星。而且由于信關站接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，原有的星地路由也會發(fā)生改變，為了減少頻繁切換造成的傳輸中斷和數據丟失，需要進行切換預測，提前計算星地路由。

2)星載處理能力受限:星載設備需要考慮發(fā)射難度以及運行成本等問題，同時還要考慮設備的發(fā)射功率這一限制條件，因此星上設備的運算能力、存儲容量都不能沿襲地面設備的標準。

為了降低協議的邏輯控制的復雜度，本文方案設計了基于SDN的星地一體路由架構，將網絡的配置和管理等協議集中部署于地面信關站，完成控制與轉發(fā)的分離，降低星上處理負荷。

3)網絡流量變化:在衛(wèi)星網絡中,衛(wèi)星節(jié)點覆蓋地球表面，地域、人口分布等問題會導致星地路由中的流量分布不均勻問題[7]。因此,路由協議應具有流量負載均衡功能,避免因出現鏈路擁塞現象降低網絡性能。

3 基于SDN的路由架構

針對LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星上設備運算能力、存儲容量受限的特點，為了降低協議的邏輯控制的復雜度，本文設計了基于SDN的星地一體路由架構，將網絡的配置和管理等協議集中部署于地面信關站，完成控制與轉發(fā)的分離，降低星上處理負荷。路由架構主要包括路由計算、路由注入和路由切換三部分，如圖2所示。

圖2 低軌路由協議架構

1)路由計算：路由計算包括星間路由計算和星地路由計算，本文側重于研究星地路由計算。地面控制中心結合衛(wèi)星運動的規(guī)律性，周期性地計算各顆衛(wèi)星對信關站的覆蓋時間。采用合適的衛(wèi)星切換準則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間進行切換預測。路由計算部分是本文提出的路由協議架構的核心部分，在第4節(jié)中進行詳細介紹。

2)路由注入：將集中計算后的路由注入到低軌衛(wèi)星的星載交換機上，并指導路由切換。

3)路由切換：當到達路由計算得到的切換時間時，激活星上注入的路由，自動進行星上轉發(fā)表的更新，完成路由切換。

4 星地路由計算

星地路由計算涉及兩個方面：星地覆蓋規(guī)律計算和切換衛(wèi)星選取。星座中的衛(wèi)星始終處于運動中，地面控制中心需要周期性地進行星座覆蓋規(guī)律計算，判斷是否存在單個地面站被兩顆或多顆衛(wèi)星同時覆蓋的情形，如圖3所示，若存在則采用合適的切換準則從多個覆蓋衛(wèi)星中選取切換衛(wèi)星，進行切換預測。

圖3 星座覆蓋情況

4.1 星地覆蓋情況計算

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)相對地面站進行高速移動，一次通信可經歷多次星地切換，因此需要對低軌衛(wèi)星的單顆星覆蓋時間、和整個低軌衛(wèi)星系統(tǒng)對地面站的覆蓋規(guī)律進行準確的分析，為低軌衛(wèi)星和信關站間路由計算提供支撐[8]。

衛(wèi)星對地覆蓋需要考慮星下點軌跡和覆蓋半徑。星下點定義為衛(wèi)星與地心連線和地球表面的交點。如圖3所示。Re為地球半徑，h為軌道高度，最小仰角Emin定義了衛(wèi)星覆蓋面積的邊界。

本文基于Iridium星座進行星座覆蓋規(guī)律計算，由于Iridium星座衛(wèi)星間拓撲結構固定，可根據某顆已知衛(wèi)星的星下點軌跡，推算所有衛(wèi)星的星下點軌跡。假設參考經線為0°，初始時刻t=0時衛(wèi)星L1.1的右升軌道與參考經線重合(λ0=0)，星座覆蓋規(guī)律計算的流程如圖4所示。

圖4 星座覆蓋規(guī)律計算流程圖

1)在時刻t衛(wèi)星L1,1星下點的經緯度坐標(λs,φs)：

(1)

2)衛(wèi)星Li,j的星下點經度λi,j：

(2)

λi,1≥0時±取+，λi,1<0，±取-

表1 銥星參數列表

3)衛(wèi)星Li,j的星下點緯度φi,j：

(3)

4)信關站和星下點之間的距離:

d=Re*cos-1[sinφesinφi,j+cosφecosφi,jcos(λe-λi,j)]

(4)

其中衛(wèi)星Li,j的星下點經緯度(λi,j,φi,j)，信關站經緯度(λe,φe)。

5)衛(wèi)星對地面的覆蓋半徑:

(5)

其中:h為軌道高度,Emin為最小仰角。

本文選用Iridium系統(tǒng)星座進行衛(wèi)星覆蓋規(guī)律計算，Iridium系統(tǒng)是典型的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其軌道參數如表1所示[9]?；贗ridium系統(tǒng)按照上述計算方法仿真得到北京地面站的部分星歷圖，如表2所示。

仿真計算結果顯示北京地面站將在360～480 s和900～960 s時間段內存在被兩顆衛(wèi)星覆蓋的情況，在960～1 020 s時間段內存在被三顆衛(wèi)星同時覆蓋的情形，需要采用合適的切換準則從多顆覆蓋衛(wèi)星中選擇切換衛(wèi)星。

4.2 切換衛(wèi)星選取準則

由表1北京站覆蓋情況可知，星座存在著對信關站的多重覆蓋，切換時需要在多顆覆蓋衛(wèi)星中做出選擇，而采用不同的衛(wèi)星選取準則時，會使得系統(tǒng)性能的差異較大。在星地路由設計中，饋電鏈路切換可采用的衛(wèi)星選取準則主要有以下5種準則[10]。

最長覆蓋時間準則：根據開普勒三定律，任意時刻星座中每顆衛(wèi)星的位置是可預測的。信關站通過星歷計算出各顆衛(wèi)星覆蓋時間，當原衛(wèi)星不再覆蓋信關站時，從備選服務衛(wèi)星中選擇另一顆覆蓋時間最長的衛(wèi)星進行切換。最長覆蓋時間準則結合星座運行的規(guī)律性，減少了控制中心的計算量。

最大仰角準則：也稱為最近衛(wèi)星準則。該準則為信關站選擇當前時刻與信關站之間仰角最大的衛(wèi)星。但由于LEO衛(wèi)星的高速運行，各顆衛(wèi)星與地面站之間的的仰角出在隨時的變化之中，因此控制中心需要連續(xù)計算每時刻每顆衛(wèi)星與信關站之間的仰角，計算量非常之大，對設備的計算能力提出了很高的要求。

最強信號準則：從本質上來說，接收到信號才能實現

表2 北京地面站的星歷圖部分計算結果

通信，因此在最強信號準則中，信關站選擇接收到最強信號的衛(wèi)星建立星地路由。

最小負荷準則：信關站選擇負荷最輕的衛(wèi)星建立鏈路。該準則實現衛(wèi)星星座中各顆衛(wèi)星的負荷較為公平地分配，防止有些衛(wèi)星與多個信關站建立連接，而有些衛(wèi)星處于空閑狀態(tài)情況的出現。

最短傳播路徑準則：在該準則下，數據傳播路徑最短的衛(wèi)星可以與信關站建立連接。根據準則名稱可知，數據傳播的距離最短。那么其傳播延時是所有準則中最小的。但是與最大仰角準則面臨同樣的問題，衛(wèi)星和信關站的距離處于連續(xù)變化之中，需要實時計算各顆衛(wèi)星與信關站之間的距離，計算量較大[11]。

為了減少信關站與衛(wèi)星之間的切換頻率，并利用已知的衛(wèi)星運行的規(guī)律性實現較小的計算量，本文選擇最長覆蓋時間準則。當發(fā)現地星仰角低于最小仰角時,信關站發(fā)出切換請求，開始進行饋電鏈路切換。由于信關站的接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，等到檢測到切換請求后再實時進行路由計算，則用戶將會感覺到明顯的中斷。因此本文結合衛(wèi)星運動的規(guī)律性，根據4.1節(jié)計算各顆衛(wèi)星覆蓋時間，根據最長覆蓋時間準則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間進行切換預測，并將計算結果注入星上，到達計算的切換時間激活注入的路由，從而實現快速重路由，盡量減少由于鏈路切換而造成的數據丟失和延遲抖動，實現通信過程的服務質量保證。

5 仿真驗證

為了更好地分析本文星地路由協議的性能，將其與在星地鏈路切換后再進行路由計算的標準星地路由協議進行了比較。性能的評價要考慮很多因素，在此著重分析兩種路由算法的丟包率性能。

本文基于Iridium衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行仿真分析，其軌道參數如表1所示;兩種路由協議的傳輸性能仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 標準路由協議數據傳輸性能仿真

圖5是標準路由算法在饋電鏈路切換過程中數據傳輸情況。分析可知，切換過程中數據接收出現了30秒的中斷。這是因為切換過程中信關站的接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，等到切換完成后才去進行路由計算，造成切換前衛(wèi)星已發(fā)送但是還沒有到達信關站的數據丟失，所以數據接收發(fā)生明顯的中斷。

圖6 本文路由協議數據傳輸性能仿真

圖6是本文提出的路由協議在饋電鏈路切換過程中的數據傳輸情況?？梢姅祿邮詹⒉淮嬖诿黠@中斷，只存在少量丟包。這是因為地面控制中心根據4.1節(jié)計算各顆衛(wèi)星覆蓋時間，據此計算切換時間進行切換預測。提前進行路由計算，并將計算結果注入到星上，到達預測的切換時間激活注入的路由，從而實現快速重路由，減少了饋電鏈路切換而造成的數據丟失。

至于優(yōu)化后的算法仍有少量丟包, 原因是衛(wèi)星和信關站之間的數據傳輸某些時候會超過資源限制的閾值，造成鏈路擁塞，可采用星地路由的負載均衡技術，減少信道擁塞，這也是后續(xù)要研究的技術。

6 結束語

本文提出了一種LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地一體路由架構，并重點研究該路由架構的星地路由計算部分。針對LEO衛(wèi)星與信關站之間饋電鏈路頻繁切換的特點，地面控制中心周期性地計算各顆衛(wèi)星覆蓋規(guī)律，采用最長覆蓋時間準則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間并將路由計算結果注入衛(wèi)星，待到預測的切換時間激活注入的路由，從而實現快速重路由。通過理論分析和仿真測試得到，標準星地路由算法在饋電鏈路切換后再進行路由計算，造成數據接收出現了30秒的中斷。相比之下本文提出的基于切換預測的星地路由協議在丟包率性能上有著明顯的優(yōu)勢，數據接收并不存在明顯中斷，只存在少量丟包，提高了LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數據傳輸性能。