中高軌天基骨干網(wǎng)絡性能研究

李 杰,馮旭哲,代建中

(國防科技大學智能科學學院,湖南 長沙 410073)

1 引言

隨著航天技術的不斷發(fā)展和空間業(yè)務不斷增多,衛(wèi)星網(wǎng)絡的服務對象不再局限于地面用戶,逐漸向空間用戶擴展,如飛機、飛艇、空間飛行器、其他衛(wèi)星用戶等均需要通過衛(wèi)星網(wǎng)絡進行通信,面向各種空間用戶的多層天基骨干衛(wèi)星網(wǎng)絡得以迅速發(fā)展。目前各國學者對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡的組網(wǎng)方案進行了大量研究。文獻[1-4]中對基于GEO/LEO的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡進行了相關設計研究,并對網(wǎng)絡路由算法進行了相關研究,但其仍然只針對地面用戶。文獻[5-10]中分別基于GEO、IGSO、MEO和LEO各軌道層的組合提出了對應的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(例如IGSO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡[5]、LEO/MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡[6,7]、GEO-IGSO/MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡[8]、GEO/MEO/LEO多層衛(wèi)星網(wǎng)絡[9]等)。面向空間用戶的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡空域全覆蓋和空間鏈路性能分析研究極具意義。

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡是指在兩層或兩層以上軌道平面內(nèi)同時布星,利用層間星際鏈路建立的立體交叉衛(wèi)星網(wǎng)絡[11]。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡具有組網(wǎng)靈活,抗毀性強的優(yōu)點[12]。不同軌道類型有著各自的優(yōu)勢與不足。低軌衛(wèi)星具有通信時延短、發(fā)射成本低等優(yōu)點,但是其覆蓋面積有限,星座內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量龐大,同時對天文觀測等存在不可忽視的影響。中高軌衛(wèi)星覆蓋范圍大,僅需少量的衛(wèi)星即可完成全球乃至全空域覆蓋,同時中軌衛(wèi)星的通信時延與發(fā)射成本適中,本文對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡的研究是基于中軌和高軌兩層軌道平面。中高軌天基骨干網(wǎng)絡示意圖如圖1所示。

圖1 中高軌天基骨干網(wǎng)絡示意圖

目前,天基骨干網(wǎng)絡的建設仍處于研究階段,也缺少對其空域覆蓋性的系統(tǒng)研究,且已有文獻也未對其用戶接入性能進行分析。本文基于中高軌天基骨干網(wǎng)絡對空間用戶的接入性能進行研究。首先,通過建立模型對天基骨干網(wǎng)絡的星間可視性進行詳細的分析,推導星間可視條件;構建一個全時段連通的中高軌(3GEO+3IGSO+24MEO)天基骨干網(wǎng)絡,對中高軌各軌道層的空域覆蓋性能進行仿真研究,各軌道層衛(wèi)星網(wǎng)絡都能滿足地面至GEO軌道全空域覆蓋的要求。其次,對滿足空域全覆蓋的骨干節(jié)點轉發(fā)器的配置個數(shù)及參數(shù)進行研究。最后,從傳輸時延、轉發(fā)器和節(jié)點復雜度等網(wǎng)絡性能參數(shù)出發(fā),對此中高軌天基骨干網(wǎng)絡構建的四種骨干網(wǎng)架構(架構一:高軌3GEO+3IGSO、架構二:中軌24MEO、架構三:高軌+低軌無層間鏈路3GEO+3IGSO-24MEO和架構四:高軌+中軌有層間鏈路3GEO+3IGSO+24MEO)在各種用戶接入場景下的性能進行對比分析,以評估各骨干網(wǎng)架構在各場景下性能的優(yōu)劣,同時結合綜合評價函數(shù)的權重因子,對天基骨干網(wǎng)絡性能的影響因素進行研究與分析。

2 星間可視性分析

衛(wèi)星之間的可視性要求是衛(wèi)星之間建立星間鏈路進行數(shù)據(jù)通信的前提和基礎。星間可視性的影響因素主要包含幾何可視約束、天線可視約束和星間距離約束這三個方面。必須同時滿足以上三個方面的約束,衛(wèi)星之間才能進行正常的數(shù)據(jù)通信。下面分別對其進行具體分析。

1)幾何可視約束

幾何可視約束是指衛(wèi)星間通信不受地球及大氣層遮擋,即從幾何的角度滿足星間建鏈、通信的基本要求。如圖2所示,R為地球半徑,h為大氣層厚度,衛(wèi)星A和B的軌道高度分別為dA、dB,衛(wèi)星A、B之間的距離為lAB。衛(wèi)星B所處位置為幾何可視的臨界位置,此時正好可見,衛(wèi)星A和B通信鏈路連接線與大氣層正好相切,衛(wèi)星A到該切點的距離為LAmax,衛(wèi)星B到此切點的距離為LBmax[13]。

圖2 幾何可視約束示意圖

由幾何關系可得衛(wèi)星之間的距離lAB應滿足如下關系式

(1)

由上述幾何可見性約束條件可知,衛(wèi)星B所處位置為幾何可視的臨界位置,此時正好與衛(wèi)星A可見,兩衛(wèi)星幾何位置關系為lAB=LAmax+LBmax。衛(wèi)星B在位置B′時與衛(wèi)星A不可見,兩衛(wèi)星幾何位置關系為lAB>LAmax+LBmax。衛(wèi)星B在位置B″時與衛(wèi)星A可見,兩衛(wèi)星幾何位置關系為lAB

2)天線可視約束

在滿足幾何可視的約束條件后,兩衛(wèi)星間仍不一定能夠進行通信,還需要滿足天線可視的約束條件。天線可視約束首先要求兩顆衛(wèi)星分別位于對方天線波束的掃描范圍之內(nèi);同時還要考慮天線的跟蹤、捕獲和對準能力等。本文中認為天線的性能能夠滿足要求,僅僅考慮天線波速的掃射范圍[13]。如圖3所示,R為地球半徑,衛(wèi)星A和B的軌道高度分別為dA、dB,衛(wèi)星A、B之間的距離為lAB。衛(wèi)星A和B天線的半波束角分別為αA和αB。如圖3中衛(wèi)星A和B所示位置為天線可視的臨界位置,兩顆衛(wèi)星恰好處于對方的天線波束掃射范圍,恰好可見。過地心做衛(wèi)星A和B通信鏈路連接線的垂線,衛(wèi)星A到該垂足的距離為LAmin,衛(wèi)星B到此垂足的距離為LBmin[13]。

圖3 天線可視約束示意圖

由幾何關系可得衛(wèi)星之間的距離lAB應滿足如下關系式

(2)

由上述天線可見性約束條件可知,衛(wèi)星A和B所處位置為天線可視的臨界位置,此時兩顆衛(wèi)星恰好處于對方的天線波束掃射范圍,衛(wèi)星B正好與衛(wèi)星A相互可見,此時lAB=LAmin+LBmin。圖3中衛(wèi)星A與衛(wèi)星B″所處的相對位置為正常相互可見,兩顆衛(wèi)星都處于對方的天線波束掃射范圍內(nèi),此時lAB>LAmin+LBmin。衛(wèi)星A與衛(wèi)星B?所處的相對位置為衛(wèi)星A處于衛(wèi)星B?的天線波束范圍內(nèi),而衛(wèi)星B?不在衛(wèi)星A的天線波束范圍內(nèi),兩顆衛(wèi)星仍然不可見,此時lAB

3)星間距離約束

電磁波在傳播過程中存在衰減,在衛(wèi)星天線發(fā)射功率一定的條件下,信號的載噪比隨星間距離的增大而減小,一方面增加了信號誤碼率,通信質(zhì)量無法保證;另一方面對接收機的跟蹤、捕獲和對準的性能提出了更高的要求。為簡化分析,設滿足衛(wèi)星可視性要求的最大星間距離為Lmax,當超過該距離時,衛(wèi)星間不可視[13]。即

l

(3)

綜上所述,兩衛(wèi)星之間建立通信的前提條件為它們之間的距離lAB應滿足如下關系式

(4)

其中

(5)

3 骨干網(wǎng)星間鏈路及用戶鏈路可視性分析

天基骨干網(wǎng)絡通過星間鏈路保證各骨干網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點相互連通,同時通過獨立的用戶鏈路與用戶進行通信。本文研究的中高軌天基骨干網(wǎng)絡具體參數(shù)如下:

1)高軌道層:由3顆GEO衛(wèi)星(星下點分別為110°、-10°和-130°)和3顆IGSO衛(wèi)星(處于同一軌道面,軌道傾角55°,平近點角相差120°,升交點赤經(jīng)都為0°,即升交點經(jīng)度相差120°)組成,各衛(wèi)星之間都有鏈路。

2)中軌道層:由軌道高度為21528km的Walker24/3/1星座組成,軌道傾角55°。

上述中高軌衛(wèi)星節(jié)點仿真場景通過STK軟件仿真如圖4所示,其中,藍色表示由GEO、IGSO衛(wèi)星組成的高軌道層骨干網(wǎng)絡,紅色、棕色和粉色分別表示由MEO衛(wèi)星組成三個軌道面Walker24/3/1星座的中軌道層骨干網(wǎng)絡。

圖4 3GEO+3IGSO+24MEO天基骨干網(wǎng)絡仿真場景示意圖

為更好的服務于空間用戶,首先需確保天基骨干網(wǎng)的空域全覆蓋,然后在全覆蓋的基礎上保證骨干鏈路以及用戶鏈路的全時段連通。因此,本節(jié)先分析上述參數(shù)的中高軌天基骨干網(wǎng)的空域覆蓋性;然后分別從骨干網(wǎng)層內(nèi)星間鏈路和層間星間鏈路、以及用戶鏈路的轉發(fā)器配置情況進行研究,以滿足天基骨干網(wǎng)絡鏈路的全時段連通可視性要求。

3.1 骨干網(wǎng)空域覆蓋性分析

星座覆蓋性能分析不能僅僅局限于地面覆蓋,需要將關注區(qū)域擴展至三維空間,即計算空域覆蓋性能。空域覆蓋不同于傳統(tǒng)的二維地面覆蓋,空間覆蓋性能的分析將增加一個維度,可以看作連續(xù)的不同軌道高度球面覆蓋的集合,覆蓋性能也不局限于覆蓋率。將GEO軌道層高度以下空域分為無數(shù)個同心球面,當對所有高度的球面進行覆蓋性能分析之后便可以得到整個空域的覆蓋性能[13]。

分別對不同高度的球面在高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡下做覆蓋性仿真得到結果如圖5所示。可以看出3GEO+3IGSO高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡下能實現(xiàn)整個空域的全仿真時段的100%覆蓋;且單獨24MEO中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡也能實現(xiàn)整個空域的全仿真時段的100%覆蓋。

圖5 3GEO+3IGSO和24MEO空域覆蓋性

由圖5可知,對于3GEO+3IGSO高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)全空域的第一重覆蓋,可以較好的服務高軌用戶;24MEO中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)了全空域第二重覆蓋。3GEO+3IGSO高軌衛(wèi)星星座實現(xiàn)全空域的第一重覆蓋,可以較好的服務高軌用戶,其中,GEO之間、IGSO之間、GEO和IGSO之間都存在星間鏈路,保證其連接成為一個互相通達的網(wǎng)絡。其次,24MEO中軌衛(wèi)星星座實現(xiàn)了第二重覆蓋,MEO之間存在星間鏈路,保證24顆MEO衛(wèi)星之間相互通達,更好地服務于低軌用戶和地面用戶。因此采用上述中軌和高軌兩層骨干網(wǎng)組合成的四種骨干網(wǎng)架構(架構一:高軌3GEO+3IGSO、架構二:中軌24MEO、架構三:高軌+低軌無層間鏈路3GEO+3IGSO-24MEO和架構四:高軌+中軌有層間鏈路3GEO+3IGSO+24MEO)都可以較好的滿足全空域覆蓋的需求。

3.2 骨干鏈路轉發(fā)器配置分析

中高軌骨干網(wǎng)絡為了實現(xiàn)全空域的全覆蓋,需要保證骨干網(wǎng)高軌層、中軌層的層內(nèi)節(jié)點全連通,高軌層和中軌層的層間節(jié)點全連通,以及骨干網(wǎng)對全空域內(nèi)各高度用戶的連通。通過搭載特定個數(shù)、角度的轉發(fā)器來實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡的全時段互連,下面以中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(24MEO)為例對此轉發(fā)器進行詳細分析。

由24顆MEO衛(wèi)星組成的中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)全連通,需要各MEO衛(wèi)星分別搭載4個轉發(fā)器來構建中軌衛(wèi)星之間一直連通的星間鏈路。其中2個轉發(fā)器的方位角分別為0°和180°,仰角均為45°,半波束角均為45°,用來保證同軌道面衛(wèi)星的星間鏈路;另外2個轉發(fā)器的方位角分別為90°和-90°,仰角均為45°,半波束角均為45°,用來保證異軌道面衛(wèi)星的星間鏈路。由于中軌24顆MEO衛(wèi)星組成的Walker星座是均勻?qū)ΨQ分布的,此處僅以MEO11衛(wèi)星為例來進行研究,MEO11搭載4個轉發(fā)器保證中軌衛(wèi)星最大程度的可見性。MEO11和其它中軌衛(wèi)星之間的可見性關系如圖6中所示。

通過統(tǒng)計MEO11衛(wèi)星與均搭載4個轉發(fā)器的中軌骨干網(wǎng)的可見關系仿真結果可知:MEO11與按上述參數(shù)搭載4個轉發(fā)器的中軌骨干網(wǎng)的可見關系和24MEO中軌衛(wèi)星間的最大可見關系相同。因此如表1所示24MEO分別搭載4個轉發(fā)器能實現(xiàn)骨干網(wǎng)中軌衛(wèi)星節(jié)點間的最大可見鏈接,且實現(xiàn)了中軌骨干網(wǎng)間的全時段連通。

表1 中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡層內(nèi)鏈路轉發(fā)器參數(shù)

相同的研究可知高軌網(wǎng)絡層內(nèi)鏈路實現(xiàn)全時段連通所需搭載轉發(fā)器的相關參數(shù)如下表2所示。

表2 高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡層內(nèi)鏈路轉發(fā)器參數(shù)

中高軌天基骨干網(wǎng)中涉及的高、中兩層衛(wèi)星網(wǎng)絡的多種組合架構,包括高軌(架構一)、中軌(架構二)、高軌+低軌無層間鏈路(架構三)和高軌+中軌有層間鏈路(架構四)四種網(wǎng)絡架構;建立中軌和高軌層間星間鏈路所需轉發(fā)器搭載情況如表3所示。

表3 層間鏈路轉發(fā)器參數(shù)

3.3 用戶鏈路轉發(fā)器配置分析

中高軌天基骨干網(wǎng)配置對應上述參數(shù)的轉發(fā)器后,實現(xiàn)了天基骨干網(wǎng)的全時段連通。骨干網(wǎng)節(jié)點與用戶之間通過用戶鏈路進行通信,各衛(wèi)星節(jié)點需另外搭載一個轉發(fā)器用于建立用戶鏈路,各節(jié)點搭載轉發(fā)器的參數(shù)配置如下表4所示。

表4 用戶鏈路轉發(fā)器參數(shù)

表5 各網(wǎng)絡架構傳輸時延比率和評價函數(shù)值對比結果

4 骨干網(wǎng)接入性能分析

從通信實時性的角度來看,傳輸時延是天基骨干網(wǎng)絡的最基本也是最重要指標之一。而骨干網(wǎng)節(jié)點和轉發(fā)器數(shù)量一方面會影響天基骨干網(wǎng)的實現(xiàn)成本,另一方面會增加系統(tǒng)管理的復雜度。因此,本文主要從轉發(fā)器、傳輸時延和節(jié)點復雜度三個方面對骨干網(wǎng)網(wǎng)絡性能進行綜合評價。采用如下的網(wǎng)絡性能評價函數(shù)

J(θ1,θ2,θ3)=h1θ1+h2θ2+h3θ3

(6)

(7)

(8)

(9)

其中,θ1表示搭載轉發(fā)器效率,θ2表示傳輸時延比率,θ3表示節(jié)點管理復雜度。h1,h2,h3分別表示上述參數(shù)的不同權值,在實際應用下,根據(jù)實際工程所關注情況分別取對應的權重值。

式(7)中,n為子星座數(shù)量,si為子星座衛(wèi)星數(shù)量,ci為衛(wèi)星搭載的轉發(fā)器數(shù)量,Cmax為待評價星座中單顆衛(wèi)星搭載轉發(fā)器的最大數(shù)量,此項參數(shù)主要體現(xiàn)衛(wèi)星星座實現(xiàn)的工程代價。

式(8)中,t為星座傳輸時延,tmax為待評價星座的最大傳輸時延。傳輸時延綜合考慮了轉發(fā)節(jié)點的處理時延和距離傳輸時延。距離傳輸時延即為電磁波以光速通過源節(jié)點到目的節(jié)點之間的傳輸路徑所消耗的時間;節(jié)點轉發(fā)時延即為骨干網(wǎng)節(jié)點完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā)處理所消耗的時間。本文仿真中轉發(fā)節(jié)點的處理時延取為100ms。

式(9)中,n為子星座數(shù)量,si為子星座衛(wèi)星數(shù)量,smax為待評價星座的最大衛(wèi)星數(shù)量,根據(jù)分析計算,“高軌+中軌”網(wǎng)絡架構下衛(wèi)星數(shù)量達到最大,其值為30。由衛(wèi)星數(shù)量帶來的鏈路切換代價、管理成本代價均在這項參數(shù)中體現(xiàn)。

通過各用戶場景仿真分析得到各骨干網(wǎng)網(wǎng)絡架構性能結果如下表所示。

由表6可知,在考慮工程實現(xiàn)代價、管理復雜程度、數(shù)據(jù)傳輸延遲的綜合影響下,對權重分別取h1=0.3,h2=0.4,h3=0.3,四種架構的網(wǎng)絡性能排序如下:

表6 各網(wǎng)絡架構性能對比結果

架構一>架構二>架構三>架構四。

顯然,上述的分析受轉發(fā)時延和權重因子取值的影響,當取值發(fā)生變化時,各個架構的性能也會產(chǎn)生差異。為分析轉發(fā)時延影響,取固定權重因子hi(i=1,2,3)取值為0.3、0.4和0.3,按照性能評價函數(shù)計算四種架構在不同轉發(fā)時延下評價函數(shù)的結果如圖7可知:當固定權重因子為H1=0.3,H2=0.4,H3=0.3時,改變轉發(fā)器的轉發(fā)時延對評價函數(shù)影響不大。

圖7 轉發(fā)時延對各個架構綜合性能的影響

固定轉發(fā)時延為100ms,對權重因子的影響進行分析,獲取四種架構在不同權重因子下的評價結果均值如表7所示。

表7 各架構在不同權重因子下評價函數(shù)值統(tǒng)計情況

根據(jù)表7可知,權重因子取值不同,四種架構的性能評價函數(shù)數(shù)值也會有所不同。權重因子的具體取值則依據(jù)各個指標的重要程度。對轉發(fā)器效率要求較高的應用場景,主要考慮轉發(fā)器效率影響,即上表的第一種情況,此時性能優(yōu)劣關系為:架構一>架構三>架構二>架構四。對傳輸時延比率要求較高的應用場景,即僅考慮傳輸時延比率指標的影響,此時四種架構的性能優(yōu)劣關系為:架構三=架構四>架構二>架構一。而對主要考慮節(jié)點管理復雜度的應用場景,四種架構的性能優(yōu)劣關系為:架構一>架構二>架構三=架構四。權重設置不同,會導致四種架構性能優(yōu)劣的差異。

5 結束語

本文圍繞中軌和高軌天基骨干網(wǎng)絡模型與架構進行了分析,對空間用戶的接入性能進行研究。首先對骨干網(wǎng)星間可視條件進行了具體分析;并對中高軌天基骨干網(wǎng)的空域覆蓋性進行仿真研究,其高軌衛(wèi)星層(3GEO+3IGSO衛(wèi)星)和中軌衛(wèi)星層(24MEO衛(wèi)星)組合的四種骨干網(wǎng)絡架構都能實現(xiàn)全空域的完全覆蓋。其次對滿足空域全覆蓋的骨干節(jié)點轉發(fā)器的配置個數(shù)及參數(shù)進行研究;并構建了全時段連通的骨干網(wǎng)架構。最后基于傳輸時延、轉發(fā)器和節(jié)點復雜度三項指標的綜合評價函數(shù),對天基骨干網(wǎng)絡的綜合性能進行研究。為進一步分析各個指標對天基骨干網(wǎng)絡用戶接入性能的影響,本文提出了一種基于主要性能指標的綜合評價函數(shù),并在此基礎上對四種天基骨干網(wǎng)絡架構在10種用戶場景下的性能進行了對比分析。結果表明,權重因子取值的不同會導致四種架構性能優(yōu)劣變化。權重因子設置具有較大的主觀性,而實際權重因子的取值應根據(jù)當前工程實現(xiàn)實際水平和關注點而選取。本文可為多層骨干網(wǎng)絡設計提供借鑒。