面向確定性傳輸?shù)男滦吞摂M衛(wèi)星編隊方案

徐川，周密，趙國鋒，崔釗婧，何熊文

（1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065；2.復雜環(huán)境通信重慶市重點實驗室，重慶 400065；3.中國空間技術研究院北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

隨著航空航天、移動通信等技術的快速發(fā)展，空間信息網(wǎng)絡已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡發(fā)展的重要方向[1-2]。基于衛(wèi)星的快速位置報告、遙感遙測、應急搜救等時敏業(yè)務需求快速增長，業(yè)務對端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性（丟包率和時延抖動）提出了更高的要求[3]。如圖1 所示，a、b、c表示衛(wèi)星與主星的距離，f1、f2、f3表示不同業(yè)務。近年來，由于衛(wèi)星編隊飛行隊形控制嚴格，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，被用來支撐時敏業(yè)務的確定性傳輸[4]。但衛(wèi)星編隊飛行的穩(wěn)定隊形依賴于編隊中衛(wèi)星之間的協(xié)同控制性能和實時交互能力[5-6]，而頻繁的指令交互、姿態(tài)控制導致星上額外的計算開銷。同時，當任務需求變化時，衛(wèi)星編隊飛行需要進行重新規(guī)劃軌道、調(diào)整衛(wèi)星形態(tài)、重新分配任務等過程，單個衛(wèi)星編隊飛行很難服務于不同業(yè)務的端到端傳輸需求[7]，如要部署多個時敏業(yè)務，衛(wèi)星編隊飛行靈活性差，且成本巨大。

圖1 衛(wèi)星編隊飛行示意

然而，當前大規(guī)模LEO 星座覆蓋廣、組網(wǎng)靈活，發(fā)展迅速，Starlink、OneWeb、Telesat 等新興星座已成為空間信息網(wǎng)絡的重要代表，為偏遠地區(qū)、時敏通信等提供了條件，且LEO 網(wǎng)絡正朝著大規(guī)模、多層軌道面部署的方向蓬勃發(fā)展[8-9]，不同軌道面衛(wèi)星之間形成的跨層鏈路提升了鏈路的多樣性，也能減少傳輸跳數(shù)以優(yōu)化時延。其中Starlink 為每顆衛(wèi)星配備了星間鏈路，連接星座內(nèi)同軌或異軌衛(wèi)星，建立高容量、低時延的LEO 網(wǎng)絡[10]。如圖2 所示，考慮兩層LEO衛(wèi)星星座HLEO（high LEO）和VLEO（very LEO）場景，當執(zhí)行某項時敏任務時，如能根據(jù)衛(wèi)星星座拓撲，從規(guī)定區(qū)域中選取同層或不同層中運動相對穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，組成一個臨時衛(wèi)星編隊（如圖2 中快速位置報告編隊），任務結(jié)束后自動釋放衛(wèi)星資源，使之構(gòu)成一個靈活而穩(wěn)定的衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡，替代傳統(tǒng)的衛(wèi)星編隊飛行支撐時敏任務的確定性傳輸，這將大幅減少衛(wèi)星編隊飛行的編隊控制成本；同時，通過在衛(wèi)星上引入網(wǎng)絡功能虛擬化技術，可以在相同衛(wèi)星節(jié)點上構(gòu)建出多個虛擬衛(wèi)星編隊，滿足不同任務的同時部署與資源的靈活調(diào)度。

圖2 虛擬衛(wèi)星編隊飛行示意

然而，LEO 節(jié)點動態(tài)性強，星間存在相對運動，如何在LEO 網(wǎng)絡中選擇多顆穩(wěn)定的衛(wèi)星節(jié)點是構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊亟待解決的問題。

本文面向時敏業(yè)務的確定性傳輸需求，提出了虛擬衛(wèi)星編隊的構(gòu)想，并給出了衛(wèi)星編隊選擇算法，主要貢獻如下。

1) 面向時敏任務的不同傳輸指標需求，提出了基于LEO 網(wǎng)絡的虛擬衛(wèi)星編隊思路，給出了相關概念，并深入分析了虛擬衛(wèi)星編隊設計的技術優(yōu)勢和建立虛擬衛(wèi)星編隊所面臨的挑戰(zhàn)。

2) 針對虛擬衛(wèi)星編隊動態(tài)選擇問題，構(gòu)建衛(wèi)星運動模型以刻畫衛(wèi)星的相對運動對星間鏈路時延變化的影響，對鏈路的剩余生存時間、時延變化邊界進行分析，以時敏業(yè)務的端到端時延需求為目標，提出基于蟻群優(yōu)化理論的虛擬衛(wèi)星編隊選擇算法。

3) 基于STK（systems tool kit）和Exata 搭建實驗場景對比分析虛擬衛(wèi)星編隊性能，仿真結(jié)果表明，相對于衛(wèi)星編隊飛行方案，虛擬衛(wèi)星編隊方案可以達到前者所提供的QoS 性能，且能靈活地滿足多種業(yè)務的確定性傳輸要求。

1 虛擬衛(wèi)星編隊分析

具有穩(wěn)定隊形的傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行能夠支撐時敏業(yè)務的確定性傳輸，但會產(chǎn)生額外的計算開銷，且不能同時服務多個業(yè)務。為此，基于廣泛部署的LEO 星座，選取相對穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，組成一個臨時的編隊替代傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行支撐時敏任務的確定性傳輸，能大幅降低編隊控制成本，提高網(wǎng)絡的靈活性。本節(jié)將詳細分析虛擬衛(wèi)星編隊的特點與優(yōu)勢及構(gòu)建虛擬編隊的技術挑戰(zhàn)。

1.1 特點與優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行，虛擬衛(wèi)星編隊具有獨一無二的優(yōu)勢特點，可以靈活地支撐多種業(yè)務的確定性傳輸，提高網(wǎng)絡性能。

1) 隊形控制

傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行要求衛(wèi)星按照一定規(guī)律協(xié)同動作，保持相對穩(wěn)定的距離繞飛，為實現(xiàn)空間任務的采集、處理和分析，彼此之間保持緊密連接，衛(wèi)星需要頻繁地進行指令交互和姿態(tài)控制，以維持編隊的穩(wěn)定隊形。

虛擬衛(wèi)星編隊在已有的可覆蓋全球的衛(wèi)星星座（如Starlink、OneWeb、Telesat 等）中選取部分相對穩(wěn)定的衛(wèi)星組成編隊，編隊成員按照自己的軌道規(guī)律周期運行，不再需要對衛(wèi)星間的相對位置和運動進行控制。

2) 編隊靈活性

傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行往往為單一任務而設計，如偵查、重力場測量、遙感遙測等，難以應對不同的任務需求。當面臨任務需求變化時，衛(wèi)星編隊飛行需要進行重新規(guī)劃軌道、調(diào)整衛(wèi)星形態(tài)、重新分配任務等過程，操作復雜且耗時；針對任務需求差異大的不同任務，需要設計多個不同的衛(wèi)星編隊飛行，靈活性差。

虛擬衛(wèi)星編隊面對不同業(yè)務可選取衛(wèi)星網(wǎng)絡中不同區(qū)域的衛(wèi)星來達到目的，不需要重新規(guī)劃軌道或調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，也不需要多個衛(wèi)星編隊來支撐不同的業(yè)務傳輸，且某一虛擬衛(wèi)星編隊中的成員衛(wèi)星也可作為其他業(yè)務編隊的成員，靈活性強。

3) 資源利用率

星上資源有限，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行頻繁的指令交互和姿態(tài)控制，需要耗費額外的資源。相反，虛擬衛(wèi)星編隊不需要耗費額外的資源去進行隊形控制，資源開銷?。淮送?，在星上部署網(wǎng)絡虛擬化技術，一個物理衛(wèi)星節(jié)點可以作為不同虛擬衛(wèi)星編隊的節(jié)點使用，系統(tǒng)整體資源利用率高。

4) 衛(wèi)星間相對運動

LEO 具有高移動性，導致網(wǎng)絡呈現(xiàn)時變特性。相對于傳統(tǒng)的衛(wèi)星編隊飛行，虛擬衛(wèi)星編隊無嚴格的隊形控制，成員衛(wèi)星節(jié)點間會有相對運動，這要求在業(yè)務傳輸中考慮衛(wèi)星的相對運動，確保業(yè)務的確定性傳輸。

總體來說，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊和虛擬衛(wèi)星編隊的特征對比如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊和虛擬衛(wèi)星編隊的特征對比

1.2 構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊的技術挑戰(zhàn)

如前文所述，在LEO 網(wǎng)絡中構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊飛行給時敏業(yè)務的多跳傳輸帶來了巨大的優(yōu)勢。但同時，面對靈活的任務需求，衛(wèi)星節(jié)點動態(tài)性強，星間存在相對運動，如何在動態(tài)拓撲下選擇出較穩(wěn)定的虛擬衛(wèi)星編隊飛行面臨著如下技術挑戰(zhàn)。

1) 鏈路通斷導致業(yè)務丟包問題

基于LEO 網(wǎng)絡的業(yè)務往往通過多跳鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，由于星間鏈路會隨衛(wèi)星運動而發(fā)生通信中斷，引起數(shù)據(jù)傳輸中的延遲、中斷及路徑切換等，導致業(yè)務數(shù)據(jù)丟包，降低網(wǎng)絡性能。

2) 鏈路距離變化導致時延不穩(wěn)定問題

星間鏈路距離的變化（變短或是變長），引起鏈路傳播時延變化，而時敏業(yè)務的傳輸往往需要經(jīng)過多跳星間鏈路，任意一跳鏈路的傳播時延變化都會帶來端到端時延抖動問題。

為了達到編隊飛行的性能要求，在進行虛擬衛(wèi)星編隊構(gòu)建時，需要通過以下指標來衡量編隊選擇的性能。

1) 時延有界

時敏業(yè)務的確定性傳輸需要保證數(shù)據(jù)包的時延在一定范圍內(nèi)，虛擬衛(wèi)星編隊飛行需要滿足時延的性能要求。

2) 丟包率

丟包會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌暾院筒豢煽啃?，影響?shù)據(jù)的準確性和實時性。衛(wèi)星節(jié)點間鏈路切換會導致傳輸中出現(xiàn)丟包。因此，在選擇虛擬衛(wèi)星編隊節(jié)點時，需要考慮丟包率性能指標。

3) 抖動

抖動是指端到端時延的變化量。過高的抖動會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。虛擬衛(wèi)星編隊成員節(jié)點間的相對運動會引起星間鏈路（尤其是層間鏈路）的距離變化，從而增加端到端時延抖動。

2 虛擬衛(wèi)星編隊建模

面向業(yè)務持續(xù)一段時間內(nèi)的確定性傳輸需求，星間相對運動情況會直接影響虛擬衛(wèi)星編隊的節(jié)點選擇，本節(jié)將詳細分析LEO 網(wǎng)絡模型以及虛擬衛(wèi)星編隊選擇模型。

2.1 LEO 網(wǎng)絡模型

如圖3 所示，面向基于衛(wèi)星的確定性業(yè)務需求，本文考慮兩層LEO 星座VLEO（very LEO）和HLEO（high LEO）場景，可實現(xiàn)全球覆蓋。LEO 星座拓撲描述為G=(V,E)，V=VH∪VL，E=EH∪EL∪EH-L，其中，VH、VL、EH、EL、EH-L分別表示HLEO、VLEO 的衛(wèi)星集合、HLEO 的ISL集合、VLEO 的ISL 集合以及HLEO-VLEO 的層間ISL 集合。其中，同層軌間、不同層間鏈路會隨衛(wèi)星的相對運動而發(fā)生變化。

圖3 LEO 網(wǎng)絡場景

1) 時敏業(yè)務模型

時敏業(yè)務f定義為一個七元組f:〈sf,df,sif,,tf,dlf,jtf〉，其中，sf和df表示業(yè)務f的源端和目的端；sif表示業(yè)務f的數(shù)據(jù)量大?。槐硎緲I(yè)務f開始傳輸時刻；tf表示業(yè)務f的持續(xù)時間；dlf表示業(yè)務的時延要求；jtf表示業(yè)務f的端到端抖動要求。

2) 星間鏈路建模

目前，LEO 間的鏈路多為激光鏈路[11]，衛(wèi)星必須能看到其他衛(wèi)星才具備通信條件，所以需要對衛(wèi)星進行可見性分析；其次，衛(wèi)星間如果存在較大的相對運動，衛(wèi)星上的天線需要實時調(diào)整指向，在這種情況下，由于星上機械天線調(diào)整，可能會對星體的穩(wěn)定性造成影響，因此還需對相對角速度進行分析。因此，對衛(wèi)星進行可見性分析以及相對角速度分析是為時敏業(yè)務選擇合適的虛擬衛(wèi)星編隊的前提條件。

如圖4 所示，R為地球半徑，RL、RH分別表示VLEO、HLEO 軌道半徑，ME表示地球的質(zhì)量，Si表示衛(wèi)星，Gi表示地面節(jié)點，α為地面節(jié)點對衛(wèi)星的最小仰角。在衛(wèi)星運行過程中，根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)可以確定衛(wèi)星任意時刻在地心坐標系中的位置。因此，各衛(wèi)星以及地面節(jié)點的位置矢量為r=(x,y,z)，速度矢量為v=(vx,vy,vz)。由以上參數(shù)可得如下關系。

圖4 衛(wèi)星軌道參數(shù)

衛(wèi)星Si的軌道Li周期TLi

其中，G為引力常量。

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的星間距離dij為

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的相對位置矢量rij為

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的相對運動速度vij為

任意兩矢量ri、rj之間形成的夾角φ為

其中，·表示點乘。

地心O到兩顆衛(wèi)星Si、Sj連線的距離h為

由于星間鏈路通過大氣層會導致信號衰減，在地球表面設有最小保護余隙H。因此，衛(wèi)星間可見需滿足

其中，h可由式(6)計算。

相對角速度。由式(4)可得單位時間內(nèi)相對位移矢量v0=vjk，則Sj指向C 點的矢量為rk-rj+v0，于是可以得到單位時間內(nèi)衛(wèi)星Sj的轉(zhuǎn)角γ

假設星上機械天線的最大角速度為ωm，因此，在可見基礎上，若兩顆衛(wèi)星的相對角速度大小使式(10)成立，則認為星間鏈路建立成功。

2.2 虛擬衛(wèi)星編隊選擇模型

1) 剩余生存時間

衛(wèi)星網(wǎng)絡中星間鏈路的生存時間不同，導致業(yè)務的傳輸路徑生存時間不同，所以在業(yè)務要求持續(xù)時間內(nèi)，業(yè)務通過不同路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸路徑的切換次數(shù)會有差異，進而引起數(shù)據(jù)丟包不同，因此需要考慮傳輸路徑的生存時間。

鏈路生存時間。衛(wèi)星間的相對運動易導致軌間、層間的星間鏈路發(fā)生中斷，鏈路從連接到斷開的一段時間稱之為鏈路生存時間。

圖5 鏈路生存時間分析

假設在一定時間內(nèi)，沒有其他因素干擾，兩衛(wèi)星節(jié)點保持相對速度方向不變，衛(wèi)星Si相對靜止，衛(wèi)星Sj以相對運動速度做勻速直線運動。當衛(wèi)星Sj到達D點時，兩點間相對距離達到可通信的最大距離，繼續(xù)運動星間鏈路將斷開。本文定義該時間為鏈路lij生存時間，結(jié)合圖5 中的輔助線，化簡可得

業(yè)務f傳輸路徑的剩余生存時間。衛(wèi)星源端到目的端的第j條可達的傳輸路徑記為Pj，則t時刻Pj的剩余生存時間為該條路徑上所有星間鏈路的剩余生存時間中最小的一個，即

2) 距離變化率

衛(wèi)星網(wǎng)絡中任意一跳鏈路距離變化都會引起傳播時延變化，進一步導致端到端時延抖動，因此需要考慮傳輸路徑的鏈路距離變化情況。

星間鏈路距離變化率。衛(wèi)星間的相對運動易導致軌間、層間的星間鏈路距離發(fā)生變化，本文將星間鏈路剩余生存時間(t)內(nèi)的變化情況定義為星間鏈路距離變化率(t)，具體可表示為

傳輸路徑的距離變化率。在t時刻路徑Pj的路徑距離變化率(t)為該條路徑上所有星間鏈路的距離變化率最大的一個，即

3) 面向確定性業(yè)務需求的傳輸約束

端到端時延約束。業(yè)務持續(xù)時間內(nèi)，其端到端時延必須要在時延要求范圍內(nèi)，表示為

傳播時延。傳播時延是指激光在星間無線信道中傳播一定距離所花費的時間，由傳播距離d和傳播速度vc決定。然而，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中，星間鏈路的距離dij隨著衛(wèi)星運動而發(fā)生變化。因此，[t,t+Δt]星間鏈路lij的傳播時延的計算式為

傳輸時延。傳輸時延是指衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送每個數(shù)據(jù)包所需要的時間。傳輸時延取決于數(shù)據(jù)包大小B（單位為bit）和發(fā)送速率R（單位為bit/s），衛(wèi)星節(jié)點si的傳輸時延計算式為

處理時延。處理時延是指衛(wèi)星節(jié)點在收到數(shù)據(jù)包時通過軟件和硬件對其進行處理所花費的時間。處理時延由緩存大小BS（單位為bit）與設備處理速率SP（單位為bit/s）的比率所決定，衛(wèi)星節(jié)點si的處理時延計算式為

排隊時延。排隊時延是指數(shù)據(jù)包在輸出緩存區(qū)中傳輸?shù)芥溌分芭抨牐ǖ却┧ㄙM的時間。排隊時延的大小取決于等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量（隊列長度），并且受衛(wèi)星節(jié)點具體的資源調(diào)度策略和數(shù)據(jù)包到達方式等因素的影響。節(jié)點Si的排隊時延記為。因此，t時刻業(yè)務傳輸路徑的總時延可以描述為

端到端時延抖動約束。業(yè)務的端到端時延抖動需在抖動要求范圍內(nèi)，表示為

信噪比（SNR）約束。由香農(nóng)定理可知，衛(wèi)星節(jié)點間ISL 的信噪比[12]決定著星間鏈路能夠進行數(shù)據(jù)無差錯可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?。在星間進行數(shù)據(jù)傳輸時，若SNR 小于預設閾值，數(shù)據(jù)傳輸很可能發(fā)生中斷，無法保障ISL 的通信質(zhì)量。t時刻路徑Pj的信噪比SN(t)約束表達式為

節(jié)點緩存約束。為保障接收節(jié)點能夠成功接收數(shù)據(jù)，接收節(jié)點需要有緩存隊列長度以接收或處理數(shù)據(jù)。假設網(wǎng)絡中節(jié)點具有相同的最大緩存隊列長度為β，在t內(nèi)接收節(jié)點等待處理的數(shù)據(jù)量Xn，新到達業(yè)務數(shù)量為A(t)，可處理業(yè)務數(shù)量為D(t)，那么t時刻該節(jié)點的數(shù)據(jù)隊列長度可以表示為X(t)=Xn+A(t)-D(t)。t時刻路徑Pj的節(jié)點緩存資源約束(t)表達式為

其中，XPj(t)定義為路徑Pj的剩余生存時間TPj(t)內(nèi)的鏈路中的緩存資源最大值。

3 面向時敏業(yè)務的虛擬衛(wèi)星編隊選擇算法

由虛擬衛(wèi)星編隊選擇模型可見，虛擬衛(wèi)星編隊選擇時需要滿足時敏業(yè)務的服務時長和QoS 指標要求，本節(jié)以時敏業(yè)務的確定性傳輸需求為目標，選擇最穩(wěn)定的虛擬衛(wèi)星編隊為其服務。

3.1 優(yōu)化目標

為滿足業(yè)務需求時間內(nèi)的確定性傳輸，所選擇的編隊需盡可能為業(yè)務提供持續(xù)穩(wěn)定的傳輸路徑。基于虛擬衛(wèi)星編隊選擇模型可知，傳輸路徑的生存時間取決于其所包含鏈路中最短生存時間的鏈路，當一條傳輸路徑不足以滿足業(yè)務的持續(xù)時間要求時，需要為業(yè)務規(guī)劃多條傳輸路徑，但路徑切換過程中易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包，選擇生存時間較長的傳輸路徑，業(yè)務切換過程中的丟包較少；其次，衛(wèi)星節(jié)點之間的鏈路距離變化將引起的星間時延抖動，路徑距離變化小的傳輸路徑更優(yōu)。

因此，本文以剩余生存時間和距離變化率來量化傳輸路徑的穩(wěn)定性，以最大的路徑剩余生存時間和最小距離變化率為目標，為業(yè)務選擇穩(wěn)定的傳輸路徑，目標函數(shù)如下

其中，約束C1表示路徑Pj的端到端時延要在業(yè)務的截止時間dlf內(nèi)；C2表示路徑的端到端時延抖動要在業(yè)務要求jtf內(nèi)；C3表示路徑的SNR 要大于預設閾值α，否則數(shù)據(jù)傳輸很可能發(fā)生中斷；C4表示路徑的隊列長度要小于預設閾值β，否則節(jié)點很可能無法接收或處理數(shù)據(jù)。

3.2 虛擬衛(wèi)星編隊選擇算法

根據(jù)3.1 節(jié)的分析，本文把衛(wèi)星網(wǎng)絡中的編隊選擇問題抽象成為時敏業(yè)務選擇最優(yōu)路徑的問題模型。由于該模型通常是一個NP 難問題，而蟻群優(yōu)化（ACO,ant colony optimization）算法已經(jīng)成功地應用于解決LEO 網(wǎng)絡中的路徑選擇問題[14]。因此，本文基于改進ACO 算法求解目標函數(shù)，求出業(yè)務持續(xù)一段時間內(nèi)的最優(yōu)路徑集合，路徑上的衛(wèi)星節(jié)點集合作為虛擬衛(wèi)星編隊的成員集合。針對一段時間的確定性業(yè)務需求，本文設計了基于ACO的虛擬衛(wèi)星編隊選擇算法，如算法1 所示。

算法1基于ACO 的虛擬衛(wèi)星編隊選擇算法

為了使算法能夠更好地適應不同規(guī)模的衛(wèi)星網(wǎng)絡，算法1 中的初始化信息素濃度τij()在大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡中采用均勻分布減少計算，在小規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡中采用不均勻信息素分布，更有針對性地搜索解空間，進一步提高效率，且需調(diào)小δ0，使其更多地探索新路徑。

4 實驗仿真與結(jié)果分析

4.1 場景設置

為驗證本文所提出的虛擬衛(wèi)星編隊構(gòu)建算法的可行性與有效性，使用STK 搭建一個兩層LEO網(wǎng)絡場景，軌道高度和傾角相關參數(shù)參考Starlink星座的Phase 1 的Shell 1、Shell 2 進行設置[16]，如表2 所示。并基于Exata 進行虛擬衛(wèi)星編隊方案與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行[4]的實驗對比。

表2 衛(wèi)星網(wǎng)絡場景參數(shù)

根據(jù)文獻[13]對仿真實驗參數(shù)進行設置，如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

此外，為了驗證本文所提虛擬衛(wèi)星編隊方案對多種時敏業(yè)務傳輸?shù)闹涡Ч鶕?jù)文獻[17-18]設置多種時敏業(yè)務，根據(jù)文獻[19-20]設置其QoS 指標要求，同時也設置一種大范圍監(jiān)視業(yè)務，業(yè)務參數(shù)如表4 所示。

表4 業(yè)務參數(shù)

STK 三維仿真場景及業(yè)務設置示意如圖6 所示。

圖6 STK 三維仿真場景及業(yè)務設置示意

4.2 與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行對比分析

本節(jié)對比傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行與虛擬衛(wèi)星編隊對同一時敏業(yè)務的服務質(zhì)量，針對同一時敏業(yè)務（如快速位置報告）的確定性要求，選擇同一對源節(jié)點和目的節(jié)點加載時敏業(yè)務，源節(jié)點和目的節(jié)點之間距離3 000 km，數(shù)據(jù)量大小為500 bit，時敏業(yè)務的開始傳輸時刻由15 s 到300 s 以步長15 s 不斷增加，測試其在300 s 內(nèi)的編隊服務性能（單顆衛(wèi)星對地覆蓋的時間一般為300～600 s，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行為業(yè)務提供至少300 s 的服務），對比虛擬衛(wèi)星編隊與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行的業(yè)務傳輸性能指標。

如圖7(a)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點同半球時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的端到端時延范圍為[16.72,16.81]ms，虛擬衛(wèi)星編隊提供的時延范圍為[16.63,16.82]ms，時延范圍擴大了0.1 ms，在180 s時由于虛擬衛(wèi)星編隊（東北方向運行）中的業(yè)務傳輸路徑發(fā)生切換，時延出現(xiàn)波動。如圖7(b)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點跨半球時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的端到端時延范圍為[22.15,22.21]ms，虛擬衛(wèi)星編隊提供的時延范圍為[21.98,22.28]ms，時延范圍擴大了0.24 ms。由于傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行會實時控制隊形，在同半球和跨半球的時延均較穩(wěn)定，而虛擬衛(wèi)星編隊的星間距離會隨時間變化，對端到端時延有一定影響，但均能滿足時敏業(yè)務的時延傳輸要求。

圖7 不同傳輸時刻下的時敏業(yè)務端到端時延

如圖8(a)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點同半球體時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的端到端時延抖動范圍為[3.0,7.4]μs，虛擬衛(wèi)星編隊提供的時延抖動范圍為[0.8,9.6]μs，抖動范圍擴大了4.4 μs，在180 s時由于虛擬衛(wèi)星編隊中的業(yè)務傳輸路徑發(fā)生切換，抖動會出現(xiàn)較大的變化。如圖8(b)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點跨半球時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的端到端時延抖動范圍為[3.0,7.6]μs，虛擬衛(wèi)星編隊提供的抖動范圍[0.1,9.7]μs，抖動范圍擴大了5.0 μs?？傮w來說，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行在同半球和跨半球的端到端時延抖動在一定范圍內(nèi)波動，受編隊的控制精度影響；虛擬衛(wèi)星編隊飛行中，抖動受到傳輸路徑的軌間鏈路距離變化率的影響，但均能滿足時敏業(yè)務的抖動傳輸要求。

圖8 不同傳輸時刻下的時敏業(yè)務端到端時延抖動

如圖9(a)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點同半球時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的丟包率范圍為[0.03%,0.043%]，虛擬衛(wèi)星編隊提供的丟包率范圍為[0.03%,0.08%]，在180 s 時由于虛擬衛(wèi)星編隊中的業(yè)務傳輸路徑發(fā)生切換，丟包率會增加。如圖9(b)所示，當源節(jié)點和目的節(jié)點跨半球時，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊為業(yè)務提供的丟包率范圍為[0.032%,0.044%]，該虛擬衛(wèi)星編隊提供的丟包率范圍[0.032%,0.043%]，其始終存在一條路徑滿足要求，丟包率無明顯變化?？傮w來說，隨時間變化，丟包率保持相對穩(wěn)定，均能滿足時敏業(yè)務的丟包率要求。

4.3 虛擬衛(wèi)星編隊支持多業(yè)務靈活部署

本節(jié)驗證所提虛擬衛(wèi)星編隊方案能夠支撐多種時敏業(yè)務的傳輸，設置如表4 所示的業(yè)務，共4 種類型，測試其傳輸不同類型業(yè)務的編隊性能；此外，隨機選取多組源節(jié)點和目的節(jié)點分別處于地球上不同位置，測試其某一個類型業(yè)務（快速位置報告），在多種類型業(yè)務（每種類型5 個業(yè)務，共20 個業(yè)務）同時傳輸下的編隊性能情況。

如圖10 所示，面向4 種時敏業(yè)務，傳統(tǒng)編隊飛行構(gòu)建了4 個不同的編隊為其服務，共占用21 顆衛(wèi)星，且在業(yè)務傳輸中編隊衛(wèi)星不會改變；針對同樣的時敏業(yè)務，本文方法選取了16 顆衛(wèi)星構(gòu)建了4 個虛擬衛(wèi)星編隊，其中有5 顆衛(wèi)星復用在不同編隊中，衛(wèi)星數(shù)量減少了20%以上，當業(yè)務動態(tài)變化時，也可根據(jù)需求實現(xiàn)編隊的靈活調(diào)整。

圖10 4 種編隊部署情況

如圖11(a)所示，4 種不同類型業(yè)務的端到端時延并沒有隨時間出現(xiàn)較大的波動，這是因為選擇虛擬衛(wèi)星編隊時，考慮了生存時間和距離變化率，使編隊相對穩(wěn)定；另外，在同一條件下，快速位置報告業(yè)務的端到端時延最小，大范圍監(jiān)視業(yè)務的端到端時延最大，且時延變化相對更大，這是因為快速位置報告業(yè)務單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最少，而大范圍監(jiān)視業(yè)務的數(shù)據(jù)量最多，且源節(jié)點和目的節(jié)點距離最遠，星間距離變化帶來的影響更大。如圖11(b)所示，隨著業(yè)務數(shù)量增多，所需衛(wèi)星顆數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，但增長速度逐漸變緩，這是因為虛擬衛(wèi)星編隊在已有的LEO 網(wǎng)絡中選擇穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，某一編隊中的成員衛(wèi)星在資源充足的條件下可作為其他編隊的成員，提高衛(wèi)星的資源利用率。

圖11 傳輸多種類型業(yè)務的編隊性能

如圖12 所示，隨著其他時敏業(yè)務數(shù)量的增加，當前的快速位置報告業(yè)務的時延、抖動、丟包率整體上呈增長趨勢，這是因為隨著其他業(yè)務的加入，該快速位置報告編隊的成員衛(wèi)星節(jié)點會與其他業(yè)務的編隊共用衛(wèi)星節(jié)點資源，從而會影響當前業(yè)務的傳輸性能，但其在不同數(shù)量的業(yè)務傳輸?shù)挠绊懴?，時延、抖動、丟包率仍然能夠滿足該時敏業(yè)務的需求，并且能夠同時支撐多業(yè)務的靈活部署。

圖12 快速位置報告虛擬衛(wèi)星編隊在多個業(yè)務傳輸下的編隊性能

5 結(jié)束語

面向確定性傳輸業(yè)務需求，針對傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊飛行需要實時隊形控制導致額外資源開銷，并且面臨多個業(yè)務時不夠靈活的問題，本文提出了虛擬衛(wèi)星編隊構(gòu)想來支撐確定性傳輸。首先分析了基于低軌星座的虛擬衛(wèi)星編隊的設計挑戰(zhàn)和性能指標；然后，通過刻畫星間鏈路的生存時間與距離變化率等屬性，建立了虛擬衛(wèi)星編隊節(jié)點選擇模型；最后，以該模型為基礎，基于時敏業(yè)務設計虛擬衛(wèi)星編隊飛行選擇算法。仿真結(jié)果表明，所提虛擬衛(wèi)星編隊方案能夠為時敏業(yè)務提供確定性傳輸，還能同時支撐多種業(yè)務同時傳輸。