低軌衛(wèi)星移動性管理仿真平臺研究及實現(xiàn)

曹 暉，陳前斌，梁承超，唐 倫

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065； 2.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室，重慶 400065)

0 引 言

隨著5G時代的到來，低時延、海量連接以及高可靠通信成為時代主題，人們希望在任何時間、任何地點都能夠進行數(shù)據(jù)和信息的訪問和共享。5G技術(shù)在高帶寬、高速率方面擁有強大的優(yōu)勢，但其過高的傳輸頻率會引發(fā)高衰減率，導(dǎo)致單個運行基站的覆蓋范圍只有幾百米，難以實現(xiàn)大面積的覆蓋。目前我國地面通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了約15%的國土面積，而人口稀少的偏遠地區(qū)，如草原、森林及海島，因業(yè)務(wù)量極少，無法消化通信設(shè)備巨大的安裝和運行成本，未來也依然難以被地面通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]。低軌(low earth orbit，LEO)衛(wèi)星相對于同步軌道衛(wèi)星擁有更低的時延和更廣泛的覆蓋范圍，因而愈發(fā)受到人們的青睞，成為世界各國都爭相發(fā)展的重點。

近幾年來，以O(shè)neWeb、SpaceX為代表的多家公司正在大力發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，通過打造由LEO衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，為全球提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[2]。OneWeb計劃構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)是OneWeb星座，預(yù)計由數(shù)百個1 200 km軌道高度的衛(wèi)星構(gòu)成，OneWeb星座將與地面網(wǎng)絡(luò)集成，并且提供無線局域網(wǎng)服務(wù)，允許用戶使用各種移動設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)[3]。SpaceX的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目是“星鏈(Starlink) ”，計劃發(fā)射4 425顆LEO衛(wèi)星，為全球提供低成本的互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)，在2024年之前全面運行[4]。

LEO衛(wèi)星星座往往規(guī)模龐大，有的甚至多達成百上千顆衛(wèi)星；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)功能多種多樣，需要為用戶提供各種服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要衛(wèi)星節(jié)點、地面站、移動用戶端高度融合。此外，實際衛(wèi)星設(shè)計、制作周期較長、造價高昂，衛(wèi)星進入復(fù)雜的空間環(huán)境后，一旦失控會造成巨大的損失；而在地面搭建出整個星座實驗平臺也耗資巨大，并且效果有限。因此，星座設(shè)計、星間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建往往需要借助于各種仿真軟件，仿真軟件對于確保星座的順利運行也同樣十分重要[5]。

LEO衛(wèi)星通信中，移動性管理(mobility management, MM)包括切換管理(handover management, HM)和位置管理(position management, PM)[7]，是對移動終端位置信息、安全性以及業(yè)務(wù)連續(xù)性方面的管理，用于努力使終端與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系狀態(tài)達到最佳，進而為各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用提供保證。高效的移動性管理技術(shù)對于在網(wǎng)絡(luò)之間提供無縫連接和保持會話連續(xù)性至關(guān)重要[6]。LEO單顆衛(wèi)星移動速度快、覆蓋面小，要保障地面通信的穩(wěn)定性，衛(wèi)星間的切換必不可少。同時，LEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域不是固定的，衛(wèi)星越過地球不同區(qū)域時，要在地面站之間進行切換。因此，LEO衛(wèi)星系統(tǒng)中的移動性管理相比地面網(wǎng)絡(luò)更具挑戰(zhàn)性[8]。

當(dāng)前，有關(guān)低軌衛(wèi)星的切換研究主要聚焦于目的衛(wèi)星選擇和信道資源預(yù)留。文獻[9]和文獻[10]分別提出了基于服務(wù)質(zhì)量和覆蓋時間的衛(wèi)星切換方案，但這些方案的運算方式過于復(fù)雜，在實際情況下難以實現(xiàn)。文獻[11]和文獻[12]則提出了在考慮分布式衛(wèi)星之間的相互作用和網(wǎng)絡(luò)資源開銷的情況下的信道預(yù)留策略，但這是基于單顆衛(wèi)星的整體考慮，沒有具體細分到每個波束的情況，具有較大的局限性。

本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)計了一個LEO衛(wèi)星移動性管理仿真平臺，并從工程實現(xiàn)的角度設(shè)計了基于信號接收強度的星間切換和波束間切換流程。通過此平臺，能夠模擬LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作狀態(tài)，獲取相關(guān)仿真參數(shù)，為系統(tǒng)的調(diào)制和測試提供數(shù)據(jù)支撐。

1 平臺設(shè)計

1.1 仿真平臺架構(gòu)設(shè)計

LEO衛(wèi)星移動性管理仿真平臺不僅需要模擬衛(wèi)星和地面終端的各種通信場景，還應(yīng)該支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且具有對后續(xù)服務(wù)提供更新升級的潛力。本文設(shè)計的LEO衛(wèi)星移動性管理仿真平臺總體架構(gòu)如圖1。本仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為功能實體模塊、衛(wèi)星通信協(xié)議模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、衛(wèi)星運行模塊和分析模塊。

功能實體模塊主要用于模擬具體的物理節(jié)點，包括用戶終端、衛(wèi)星、信關(guān)站和網(wǎng)控中心。通過設(shè)置各節(jié)點的狀態(tài)，來仿真在各種場景下的系統(tǒng)運行情況。其中，可以手動或自動設(shè)置用戶終端的速率和軌跡，以此仿真用戶在低速或者高速運動下的通信狀態(tài)。而衛(wèi)星的運行軌跡則可以自行編輯或通過外部軌道文件進行導(dǎo)入。

衛(wèi)星屬性模塊用于設(shè)置協(xié)議以支持模擬衛(wèi)星和衛(wèi)星之間、衛(wèi)星和地面之間的通信。通過將不同通信模塊作為不同網(wǎng)絡(luò)接口的方式，實現(xiàn)不同節(jié)點間的相互通信，并避免沖突。此模塊還可以編輯衛(wèi)星信道模型，用于模擬各種復(fù)雜自然環(huán)境。同時，單獨將其列為一個模塊也具有很強的靈活性，能夠很容易地修改現(xiàn)有模塊或者添加新模塊以拓展仿真平臺功能。

網(wǎng)絡(luò)管理模塊用于構(gòu)建整個LEO通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。通過此模塊，能夠模擬出包括星間鏈路和星地鏈路在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以評估網(wǎng)絡(luò)性能。通過修改該模塊，可以修改或添加新的鏈路通道，從而更新整個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

圖1 仿真平臺總體架構(gòu)Fig.1 Simulation platform architecture

衛(wèi)星運行模塊用于模擬衛(wèi)星自身的運行狀態(tài)，通過獲取衛(wèi)星運行軌道文件，實時更新衛(wèi)星在虛擬網(wǎng)絡(luò)中的位置。同時，本模塊也負(fù)責(zé)管理衛(wèi)星中波束的運行狀態(tài)，包括設(shè)置衛(wèi)星波束的信道數(shù)、頻率等參數(shù)。

分析模塊負(fù)責(zé)對整個LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行情況進行統(tǒng)計和分析。通過對設(shè)定參數(shù)下的計算，分析系統(tǒng)在不同參數(shù)條件下的表現(xiàn)。此模塊具有極大的靈活性和可拓展性，仿真者可根據(jù)自身的需求添加和刪減統(tǒng)計量，以此達到各種仿真需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

本文中的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間部分和地面部分組成?？臻g部分由圍繞地球旋轉(zhuǎn)的低軌衛(wèi)星星座組成，地面部分則由負(fù)責(zé)提供控制和處理信息的移動交換中心(mobile switch center, MSC)和網(wǎng)絡(luò)控制中心(network control center, NCC)以及使用LEO衛(wèi)星通信服務(wù)的用戶終端(user equipment, UE)組成[13]，如圖2。

本文網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮⒖剂算炐?Iridium)星座系統(tǒng)[14]，此星座由66顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道面上，每個軌道面均勻分布11顆衛(wèi)星。其中，每顆衛(wèi)星軌道高度781 km，軌道傾角86.4°，相鄰軌道面間隔為30°，相鄰軌道面間衛(wèi)星的相位差為16.36°。同時，每顆衛(wèi)星擁有4條星間鏈路，分別與同軌道面前后兩顆衛(wèi)星和相鄰軌道面左右相鄰衛(wèi)星間有星間鏈路連接。反向縫兩側(cè)軌道面上的衛(wèi)星只有3條星間鏈路，分別與同軌道面前后兩顆衛(wèi)星和非反向縫一側(cè)相鄰軌道面衛(wèi)星間有星間鏈路連接。

圖2 仿真平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Simulation platform network topology

1.3 網(wǎng)絡(luò)場景設(shè)計

在LEO衛(wèi)星移動性管理仿真平臺的設(shè)計中，本文采取STK軟件搭配OPNET Modeler仿真平臺的設(shè)計方式。STK是由美國Analytical Graphics公司研發(fā)的一種商用航天、衛(wèi)星仿真設(shè)計工具，它是目前國內(nèi)衛(wèi)星星座仿真主流軟件，在航天領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，支持用戶進行二次開發(fā)，在程序中調(diào)用STK界面或者是將STK引擎嵌入程序[15]。OPNET Modeler是美國OPNET公司出品的一個商業(yè)化的通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，采用層次化、模塊化面向?qū)ο蟮慕C制，有圖形化用戶界面。OPNET Modeler以事件調(diào)度為基礎(chǔ)，能夠通過進程形式把活動、事件按時間的先后順序組合，使得建模方式靈活而又直觀[16]。同時，OPNET Modeler對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的支持也很完善，提供衛(wèi)星節(jié)點、無線鏈路、天線和衛(wèi)星軌道等的設(shè)置功能[17]。本平臺STK軟件版本為11.0，負(fù)責(zé)生成所需的低軌衛(wèi)星星座，并導(dǎo)出為軌道文件；OPNET Modeler軟件版本為14.5，負(fù)責(zé)將生成的軌道文件導(dǎo)入仿真平臺，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械钠渌?jié)點，其生成結(jié)果如圖3。

圖3 仿真平臺場景Fig.3 Simulation platform scenario

仿真場景中，除了66顆LEO衛(wèi)星之外，還包括了2個MSC、1個NCC以及若干UE。在本仿真平臺中，UE與衛(wèi)星，MSC與衛(wèi)星之間為無線連接；MSC之間以及MSC與NCC間為有線連接。衛(wèi)星向MSC進行注冊，而每個MSC站通過其注冊過的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)，分別管理多個向它注冊的UE。

1.4 衛(wèi)星節(jié)點模型設(shè)計

在仿真平臺中，地面網(wǎng)絡(luò)的MSC、NCC及UE與傳統(tǒng)地面移動通信系統(tǒng)相差不大，本文主要介紹仿真平臺中的LEO衛(wèi)星節(jié)點。

LEO衛(wèi)星節(jié)點模型如圖4，本衛(wèi)星節(jié)點主要由5個模型組成，分別為48組用戶鏈路模型，1組星間路由模型，1組饋電鏈路模型，1個天線管理模型和1個中央處理器模型。

用戶鏈路模型用于衛(wèi)星與用戶終端進行交互，包括發(fā)送導(dǎo)頻信號與傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。星間路由模型采用了銥星系統(tǒng)的路由模式，用于衛(wèi)星間的相互通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。饋電鏈路模型用于與地面站進行通信，接收來自地面控制中心的各類信號。天線管理模型用于管理每個用戶鏈路模型組中天線的指向位置，通過此模型，能夠保證每個波束覆蓋范圍都相對衛(wèi)星保持一致。中央處理器模型負(fù)責(zé)整個衛(wèi)星節(jié)點的控制交互，將來自不同部分的數(shù)據(jù)進行分類處理。

2 用戶切換方案設(shè)計

由于低軌衛(wèi)星圍繞地球高速運動的特性，用戶接入一顆衛(wèi)星的時間相當(dāng)有限，為了保證用戶能夠獲得連續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)，對LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進行移動性管理就顯得尤為重要。移動性管理為網(wǎng)絡(luò)提供移動性支持并滿足相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)指標(biāo)，例如切換時延、丟包率、阻塞率、信令開銷等。在移動性管理中，切換管理與位置管理一般獨立進行研究，本文主要研究切換管理。

切換包括軟切換(soft handover, SH)和硬切換(hard handover, HH)。在軟切換中，如果移動終端配備了多個網(wǎng)絡(luò)接口，它可以使用其中一個接口在切換期間通過新的網(wǎng)絡(luò)訪問點獲得連接，同時仍然繼續(xù)使用舊的接口[18]。而在硬切換中，則是先中斷舊的通信鏈路，再建立新的連接，在整個切換過程中移動臺只能使用一個無線信道。

在LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，切換管理分為波束切換和星間切換，波束切換又稱為蜂窩切換或者星內(nèi)切換，是指同一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi),鏈路在相鄰波束間的切換；而星間切換又稱為衛(wèi)星切換,是指一個鏈路在相鄰衛(wèi)星間的切換[19]。

圖4 LEO衛(wèi)星節(jié)點模型Fig.4 LEO satellite node model

LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的信道資源緊張，不適宜采用需要UE同時占用多個信道的軟切換策略，故本文中UE的切換流程設(shè)計采用硬切換策略。該策略大致分為4個階段：切換測量階段、切換決策階段、切換準(zhǔn)備階段以及切換執(zhí)行階段。當(dāng)切換測量的結(jié)果滿足切換決策條件時，就會觸發(fā)切換準(zhǔn)備然后執(zhí)行切換，最終使UE轉(zhuǎn)移連接到新的波束或者衛(wèi)星下。在本仿真平臺中，用戶默認(rèn)采用參考信號接收功率(reference signal receiving power, RSRP)的判決方式進行切換。

為了防止因信道不穩(wěn)定產(chǎn)生信號強度誤差而導(dǎo)致乒乓切換，通常會采用遲滯算法，即只有信號強度差值超過了一定滯后參數(shù)(hysteresis, Hys)，UE才會決定進行切換。LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)采取了類似做法，即要求只有外部波束的RSRP值大于接入波束的RSRP值與Hys值之和時，方可執(zhí)行切換，如圖5。在LTE網(wǎng)絡(luò)中的切換還會采用增加時間觸發(fā)器(time to trig, TTT)和偏置值(A3偏置)的方式來減少乒乓切換的產(chǎn)生，本平臺中也采用了此方式。

圖5 切換觸發(fā)條件Fig.5 Handover trigger condition

在本文仿真場景中，當(dāng)UE接入波束信號強度小于其他波束時，UE向當(dāng)前接入衛(wèi)星發(fā)送請求切換的消息包。當(dāng)前接入衛(wèi)星通過消息包中目的波束的消息判斷目的波束是否屬于本衛(wèi)星，如屬于本衛(wèi)星，則進行波束間切換，否則進行星間切換。星間切換流程如圖6。

圖6 星間切換流程Fig.6 Inter-satellite handover process

星間切換的具體步驟如下。

1)衛(wèi)星A和衛(wèi)星B周期性地向UE發(fā)送導(dǎo)頻信息，在導(dǎo)頻信息中寫入發(fā)出本導(dǎo)頻的波束號和衛(wèi)星號。UE通過測量此導(dǎo)頻信號的RSRP值對衛(wèi)星A和衛(wèi)星B的信號強度大小進行比較；

2)當(dāng)UE檢測到衛(wèi)星B的導(dǎo)頻信號RSRP值大于當(dāng)前接入衛(wèi)星A時，向衛(wèi)星A發(fā)出測量報告，報告中含有UE的ID號和衛(wèi)星B的衛(wèi)星號；

3)衛(wèi)星A生成切換需求報告并向NCC發(fā)送，報告中包含UE的ID及衛(wèi)星B的衛(wèi)星號；

4)NCC收到衛(wèi)星A的報告后，生成切換請求報告并向衛(wèi)星B發(fā)送，報告中含有UE的ID，要求衛(wèi)星B進行信道資源預(yù)留；

5)衛(wèi)星B收到NCC發(fā)來的消息后，檢測當(dāng)前波束是否存在空閑信道，如果存在，則將此信道用UE的ID號進行鎖定，同時獲取此信道的發(fā)射頻率和接收頻率，并寫入到切換請求回復(fù)報告中，向NCC進行發(fā)送；

6)NCC獲取到衛(wèi)星B的回復(fù)后，生成切換命令報告，在報告中寫入衛(wèi)星B波束的信道的發(fā)射頻率和接收頻率，并向衛(wèi)星A發(fā)送；

7)衛(wèi)星A收到報告后，將此報告通過UE當(dāng)前接入的波束轉(zhuǎn)發(fā)給UE；

8)UE收到該報告后，將自身的發(fā)射頻率和接收頻率分別改為報告中信道的接收頻率和發(fā)射頻率，并向衛(wèi)星B發(fā)送切換確認(rèn)報告，在報告中寫入自身的ID號；

9)衛(wèi)星B收到報告后，如果確認(rèn)報告中UE與預(yù)留信道中UE的ID一致，則允許UE進行接入，并向NCC發(fā)送切換通知報告；

10) NCC接到衛(wèi)星B發(fā)來的通知報告后，向衛(wèi) 星A發(fā)送資源釋放報告，在報告中寫入UE的ID，要求衛(wèi)星A釋放UE所占的資源。

波束間切換流程與星間切換流程大體相同，但由于不涉及跨衛(wèi)星，因此，不需要通過NCC進行報告轉(zhuǎn)發(fā)，其切換流程如圖7。

圖7 波束間切換流程Fig.7 Inter-beam handover process

3 仿真平臺驗證

3.1 仿真場景及參數(shù)設(shè)置

在仿真平臺性能評測中，以LTE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]和文獻[21]作為參照設(shè)定仿真參數(shù)。表1為仿真時設(shè)定的各項參數(shù)，包括仿真場景配置、衛(wèi)星屬性配置和用戶-衛(wèi)星通信的相關(guān)參數(shù)。

3.2 仿真指標(biāo)

為了驗證仿真平臺的準(zhǔn)確性及測試不同參數(shù)對仿真結(jié)果的影響，本文從以下幾個方面對仿真平臺的性能進行評估。

1)切換成功率。定義為所有用戶截至當(dāng)前時刻已經(jīng)切換成功的次數(shù)除以已經(jīng)發(fā)生切換的總次數(shù)，即表示為

(1)

(1)式中：Hosrate為切換成功率；Hos為切換成功次數(shù)；Hof為切換失敗次數(shù)。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

2)切換總次數(shù)，定義為所有用戶截至當(dāng)前時刻已經(jīng)發(fā)生的星間切換次數(shù)與波束間切換次數(shù)之和。

3)平均業(yè)務(wù)中斷時間，定義為所有用戶截至當(dāng)前時刻因切換導(dǎo)致業(yè)務(wù)包中斷發(fā)送的總時間與總次數(shù)的比值。

3.3 仿真結(jié)果

不同條件下切換成功率比較如圖8。從圖8可以看出，隨機接入階段由于無法使用共享信道，用戶數(shù)較多時會產(chǎn)生資源不足，數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，帶來信令包丟失，導(dǎo)致切換失敗。因此，在TTT和A3偏置相同時，用戶數(shù)越多，其切換的成功率越低；TTT設(shè)置較長可以在一定程度上減輕乒乓切換問題，但由于觸發(fā)測量報告的時間過長，測量上報不及時從而切換不及時，又會帶來切換過程中的鏈路失敗，降低切換成功率；A3偏置設(shè)置過大，也能一定程度上減輕乒乓切換問題，但增加了A3事件的進入難度和保持難度，使切換發(fā)生更加困難，從而帶來切換不及時使得切換過程容易發(fā)生鏈路失敗，降低切換成功率。從圖8中可以看出，以用戶數(shù)60為例，在沒有TTT和A3偏置時，切換成功率能夠達到99.5%左右，而加入后則會降至97%～97.5%附近，此結(jié)果與LTE系統(tǒng)中的結(jié)果相似，該測量結(jié)果較為可靠。

圖8 不同條件下切換成功率比較Fig.8 Comparison of handover success rate under different conditions

不同條件下切換總次數(shù)比較如圖9。從圖9顯示的仿真結(jié)果來看，在TTT和A3偏置保持不變的情況下，用戶數(shù)從30至60增加一倍，但切換總次數(shù)并沒有隨之增加一倍，這是由于終端爭奪通信資源而導(dǎo)致有些終端無法獲取信道資源進行切換。在用戶數(shù)同為60時，沒有設(shè)置TTT與A3偏置的切換總次數(shù)相比有設(shè)置時多出了30%，這是因為此情況下出現(xiàn)了大量的乒乓切換，導(dǎo)致切換總次數(shù)增多。此仿真結(jié)果與理論實際相符合，說明仿真結(jié)果比較可靠。

圖9 不同條件下切換總次數(shù)比較Fig.9 Comparison of total handover times under different conditions

圖10為不同條件下的業(yè)務(wù)中斷時間對比。不同參數(shù)配置下，對中斷時間影響較大的為傳輸時延和排隊時延。傳輸時延主要取決于包大小和鏈路速率，而信令包大小相同，相同物理信道鏈路速率恒定，故傳輸時延恒定，因此時延變化來自排隊時延。當(dāng)用戶數(shù)增多時，更多用戶使用處理器核心，導(dǎo)致排隊時延增加；當(dāng)A3偏置和TTT設(shè)置過小或者沒有設(shè)置時存在乒乓切換，信令負(fù)荷加大，排隊時延也會增加。因此，在同等條件下，用戶數(shù)越多，中斷時延越大。此結(jié)果與理論相符。

圖10 不同條件下平均中斷時間比較Fig.10 Comparison of average interruption time under different conditions

4 結(jié)束語

本文基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，通過導(dǎo)入STK衛(wèi)星軌道軟件，搭建了LEO衛(wèi)星移動性管理仿真平臺。此外，本文提出了一種基于信號強度檢測的硬切換管理方案，包括星間切換和波束間切換。仿真結(jié)果表明，此仿真平臺能夠較為準(zhǔn)確地模擬LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作狀態(tài)，并表示出衛(wèi)星與用戶間的整個切換過程，能夠為低軌衛(wèi)星移動性管理的進一步研究提供依據(jù)和參考。