一種低軌衛(wèi)星星地鏈路評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳躍春，丁斗博，徐瑞豐

(中電防務(wù)科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著通信領(lǐng)域天地一體化的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在其中承擔(dān)了重要的任務(wù)，而在衛(wèi)星通信中，低軌衛(wèi)星通信憑借靈活性強(qiáng)、覆蓋度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用[1]。低軌衛(wèi)星通信已成為天基信息系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)[2]。

與傳統(tǒng)地面鏈路相比，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的星地鏈路具有長延時(shí)、高誤碼、上下行帶寬有限且不對稱等鮮明特性，是影響空間網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。因此，開展星地鏈路特性評估具有重要意義。

1 星地鏈路評估的必要性

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地鏈路的驗(yàn)證及評估等工作，迫切需要建立真實(shí)可信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，鏈路評估技術(shù)是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地環(huán)境構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

星地鏈路評估工作的必要性主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1 評估星地鏈路的復(fù)雜性和多樣性

在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，大氣對空間無線電波傳輸?shù)挠绊懭Q于無線電傳輸頻率、當(dāng)?shù)貧夂?、?dāng)?shù)氐匦?、傳輸類型、衛(wèi)星仰角。通常，隨著頻率的增加和仰角的減小，這種影響將變得更嚴(yán)重。傳播影響的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，增加了對衛(wèi)星通信傳輸損傷進(jìn)行評估的復(fù)雜性。

另外，低軌衛(wèi)星軌道高度低，運(yùn)行速度快，多普勒頻偏較大且快速時(shí)變；低軌衛(wèi)星地面站數(shù)量和類型眾多，用戶終端的移動(dòng)性、天線類型差異也較大。

由此可見，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中星地鏈路的可靠性和可用性評估涉及的因素眾多，和現(xiàn)有的無線鏈路評估系統(tǒng)差異較大。

1.2 可進(jìn)行通信體制評估

通信體制的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在節(jié)省射頻信號(hào)帶寬和功率，提高信息傳輸質(zhì)量和可靠性。星地鏈路的傳輸特性是影響通信體制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，著重體現(xiàn)在信道編碼、載波調(diào)制和多址技術(shù)等方面。信道編碼方案的設(shè)計(jì)主要用于提高數(shù)字通信系統(tǒng)的抗干擾能力，需結(jié)合空間鏈路的實(shí)際干擾情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。載波調(diào)制即進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的過程，針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)功率受限和頻率受限的特點(diǎn)，需結(jié)合低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)空間鏈路的實(shí)際特性進(jìn)行。多址技術(shù)使眾多地球站可共享有限的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，能夠最大限度地利用空間無線鏈路資源。低軌系統(tǒng)的星地鏈路能力也是在方案設(shè)計(jì)、鏈路評估時(shí)需要重點(diǎn)考慮的。

1.3 可對系統(tǒng)容量進(jìn)行實(shí)時(shí)、確定分析

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的傳輸容量受限于分配到的通信帶寬、載波功率和噪聲功率比(載噪比C/N)，分配給所有地球站的載波頻率和帶寬構(gòu)成了衛(wèi)星的頻率圖案。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地鏈路的空間環(huán)境特性和傳輸特性直接影響到系統(tǒng)通信容量。在系統(tǒng)容量分析過程中，引入星地鏈路評估結(jié)果，可大大提高系統(tǒng)容量分析的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

綜上分析，在不同情況下，評估低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中星地鏈路的可靠性和可用性，是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的無線鏈路評估、通信體制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)容量評估等方面不可或缺的部分，因此，開展星地鏈路評估系統(tǒng)的開發(fā)工作至關(guān)重要。

2 評估內(nèi)容

2.1 評估對象

星地?zé)o線通信鏈路評估系統(tǒng)的評估對象包括衛(wèi)星和用戶終端之間的用戶鏈路以及衛(wèi)星和地面站之間的饋電鏈路。評估系統(tǒng)能夠在不同的氣候條件(晴空、不同降雨率)、不同的大氣條件(弱、中、強(qiáng)湍流)下，當(dāng)終端的移動(dòng)性、天線類型不同以及終端和衛(wèi)星的相對位置不同時(shí)，對用戶鏈路的可靠性和可用性進(jìn)行評估；在不同的氣候條件(晴空、不同降雨率)、不同的大氣條件(弱、中、強(qiáng)湍流)下，當(dāng)?shù)孛嬲镜囊苿?dòng)性、天線類型不同以及地面站和衛(wèi)星相對位置不同時(shí)，可對饋電鏈路的可靠性和可用性進(jìn)行評估。

2.2 評估指標(biāo)

星地鏈路質(zhì)量的評估指標(biāo)可分為兩大類：硬度量指標(biāo)和軟度量指標(biāo)[3]，如圖1所示。

硬度量指標(biāo)主要是指能夠由物理層直接測得或經(jīng)簡單計(jì)算能夠得到的指標(biāo)，主要包括接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)、信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)、鏈路質(zhì)量指示(Link Quality Indicator，LQI)、多普勒頻偏和多普勒頻偏變化率、時(shí)延等。

軟度量指標(biāo)則指物理層或數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行長時(shí)間統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)得到的指標(biāo)，主要包括誤比特率(Bit Error Rate，BER)、包接收率(Packet Reception Ratio，PRR)、RNP(Required Number of Packet)、ETT(Expected Transmission Time)。其中，BER在物理層統(tǒng)計(jì)得到，PRR，RNP和ETT在數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)計(jì)得到。

3 評估方法

低軌衛(wèi)星的星地鏈路評估系統(tǒng)通過星地鏈路建模與仿真、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及結(jié)果可視化與決策等方法完成對星地鏈路質(zhì)量的評估[4]。

3.1 仿真建模

與地面無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，低軌衛(wèi)星的星地鏈路有著傳播延時(shí)大、衰落情況復(fù)雜、多普勒頻移顯著等特點(diǎn)。對星地鏈路信道的仿真建模，利用信道模擬系統(tǒng)可以控制、改變各種信道參數(shù)，從而為評估一種通信系統(tǒng)或通信技術(shù)在不同信道條件下的性能；或在同一信道特性條件下，不同通信設(shè)備或通信手段的優(yōu)缺點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。仿真建模也可縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，有利于新體制、新技術(shù)的使用，對支持低軌衛(wèi)星的建設(shè)具有重要的意義。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

低軌衛(wèi)星信道具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，并且低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星、地面站的數(shù)量較大，低軌衛(wèi)星星地鏈路評估系統(tǒng)需要對多種場景、多種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)下的鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，因此，信道數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析工具很可能難以挖掘出多維變量下的數(shù)據(jù)特征。在低軌衛(wèi)星星地鏈路評估的數(shù)據(jù)分析階段，不能局限于傳統(tǒng)的研究方法，而要采用適合分析大量數(shù)據(jù)的分析方法，利用自動(dòng)規(guī)律學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘下的特征分析等技術(shù)，對得到的大量仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的挖掘，以實(shí)現(xiàn)對仿真數(shù)據(jù)的有效利用。

3.3 結(jié)果可視化與決策

評估結(jié)果以表格、圖形等方式通過人機(jī)交互界面進(jìn)行呈現(xiàn)，進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還能夠根據(jù)鏈路質(zhì)量的評估結(jié)果，使用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的各模塊設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

4 實(shí)現(xiàn)方案

低軌衛(wèi)星星地鏈路評估系統(tǒng)大體由評估分析單元、協(xié)議加載單元、接口配置單元、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析單元及相關(guān)評估平臺(tái)附屬單元組成，如圖2所示。

圖2 低軌衛(wèi)星星地鏈路評估系統(tǒng)組成

(1)評估分析單元：主要對星地鏈路的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評估，并將評估結(jié)果以表格、圖形、源碼等方式通過人機(jī)交互界面呈現(xiàn)；同時(shí)該系統(tǒng)還能夠接收任務(wù)定義模塊的任務(wù)請求，通過決策分析對需求任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃并傳送至任務(wù)定義模塊。

(2)協(xié)議加載單元：對待評估的物理層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行加載，可通過接口配置模塊與其他評估系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)議交互模擬，也可通過內(nèi)部模擬產(chǎn)生各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)協(xié)議驗(yàn)證。

(3)接口配置單元：實(shí)現(xiàn)模擬分系統(tǒng)與外部業(yè)務(wù)接口信息交互的重要組成部分，完成對衛(wèi)星通信狀態(tài)、地面站設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入，同時(shí)具有移動(dòng)衛(wèi)星模型、地面站模型、用戶終端模型以及星地天線等模型配置庫，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求對相關(guān)模型進(jìn)行參數(shù)配置。

(4)星地模擬單元：能夠?qū)崿F(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)低軌衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)仿真、波束覆蓋范圍設(shè)計(jì)仿真，地面站有效跟蹤范圍仿真、用戶終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)情況、信道環(huán)境、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口、系統(tǒng)星地設(shè)備配置規(guī)模等進(jìn)行仿真。當(dāng)外部存在星地模擬系統(tǒng)時(shí)，可通過接口配置單元，與其進(jìn)行交互，可不使用該單元。

(5)任務(wù)定義單元：為模擬仿真中的星地設(shè)備提供低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源、地面站變更以及系統(tǒng)更新等業(yè)務(wù)的規(guī)劃任務(wù)。當(dāng)外部存在任務(wù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)時(shí)，可通過接口配置單元，與其進(jìn)行交互，可不使用該單元。

5 結(jié)語

低軌衛(wèi)星通信是無線通信系統(tǒng)未來發(fā)展的新方向，針對低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星地鏈路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)對多種星地鏈路指標(biāo)的評估方法，為低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論研究和實(shí)踐基礎(chǔ)。