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        基于多重區(qū)域劃分的低時延多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)*

        2010-09-26 04:28:46尹志忠1張繼光周賢偉
        電訊技術(shù) 2010年2期
        關(guān)鍵詞:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仰角星座

        尹志忠1,,張繼光,周賢偉,張 龍

        (1.裝備指揮技術(shù)學院,北京 101400;2.北京科技大學 通信工程系,北京 1000830)

        1 引 言

        具有路由能力的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是未來衛(wèi)星通信發(fā)展的趨勢,然而要想很好地利用多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行通信,首先必須解決時延問題。衛(wèi)星鏈路具有較長的傳輸時延,單程傳輸時延GEO衛(wèi)星為250~280 ms,MEO為80~100 ms,LEO為20~25 ms[1]。長期以來,研究人員都將焦點集中在解決長時延對傳輸效率的影響上,從協(xié)議的改進入手提出了許多行之有效的解決方案,如TCP-Peach[2]、TCP-Westwood[3]、TCP-Newjersey[4]等,但是很少有人從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建入手來降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式多種多樣,從大的方面主要分成兩類:按地理區(qū)域劃分,經(jīng)典的包括虛擬節(jié)點(Virtual Node)[5]等;按時間劃分,經(jīng)典的包括FSA(Finite State Automation)[6]等。本文主要是在按不同層衛(wèi)星對地面進行區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上提出多重區(qū)域劃分(Multi-Area Division,MAD)的思想,依此來降低多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。

        2 覆蓋我國的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

        以實現(xiàn)我國全球通信為例建立多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。由于位于回歸軌道上的衛(wèi)星可以在一天內(nèi)沿同一軌跡環(huán)行若干次,對于固定區(qū)域通信來說具有明顯優(yōu)勢。因此,在MEO層和LEO層的星座設(shè)計中,我們將采用回歸軌道,并采用Walker-δ星座[7]設(shè)計方案。

        2.1 GEO層

        要求GEO衛(wèi)星能夠以10°最小仰角對我國國土進行覆蓋,并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小仰角為5°的全球覆蓋。我國地處中緯,國土范圍處于[N4°,N53°]與[E73°,E135°]之間。設(shè)GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)所對應(yīng)的半地心角為θ,最小仰角為α,GEO衛(wèi)星距地面高度為H(35 786 km),地球半徑為Re(6 378.14 km)。由圖1可見,θ、α之間存在以下關(guān)系[8]:

        (1)

        由公式(1)可得θ≈71.43°。因此,使用一顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)對我國最小仰角為10°的單重覆蓋,該GEO衛(wèi)星應(yīng)處于[E63.75°,E144.43°]之間的經(jīng)度范圍內(nèi),為了簡便設(shè)計,我們選擇東經(jīng)120°。要實現(xiàn)最小仰角為5°的全球覆蓋,最少需要3顆GEO衛(wèi)星,并且應(yīng)該分別位于東經(jīng)0°、東經(jīng)120°,西經(jīng)120°,各GEO衛(wèi)星之間建立星間鏈路。

        圖1 衛(wèi)星最小仰角和半覆蓋角的關(guān)系Fig.1 The relationship between the smallest elevation and the half-coverage angle

        2.2 MEO層

        要求MEO星座能夠以20°最小仰角覆蓋我國國土,并提供最小仰角為10°的全球覆蓋。根據(jù)文獻[9],我們選擇軌道高度為13 892 km的8 h回歸軌道,軌道傾角為40.78°;MEO星座由2個軌道面組成,每軌道面4顆衛(wèi)星,即i:T/P/F為40.78:8/2/1。該星座可以為南北緯60°之間的地區(qū)提供最小仰角為20°的覆蓋,并能提供最小仰角14°的全球覆蓋。各MEO衛(wèi)星之間建立星間鏈路。

        設(shè)該MEO星座中任一軌道面的升節(jié)點經(jīng)度為Ω1,該軌道面第一顆衛(wèi)星初始緯度幅角為ρ11,則在初始時刻t0,星座中另一個軌道面升節(jié)點經(jīng)度Ω2以及該軌道面第j顆星的緯度幅角ρ2j可由下列方程求得:

        (2)

        由方程(2)可知,t0=0時,GEO與MEO星座的連接及覆蓋情況。

        2.3 LEO層

        要求LEO星座能夠為我國提供最小仰角為10°的覆蓋,并且能夠提供最小仰角為5°的全球覆蓋。LEO衛(wèi)星同樣使用回歸軌道,各衛(wèi)星之間建立星間鏈路。設(shè)地球自轉(zhuǎn)的角速度為ωe,衛(wèi)星軌道面的角速度為ωs(升節(jié)點向東運動時取正直),衛(wèi)星軌道半徑為Rs,地球赤道半徑為Re,則每天運行N圈、軌道傾角為i的圓形回歸軌道參數(shù)之間存在以下關(guān)系[10]:

        (3)

        表1 N為15、14、13、12的回歸軌道參數(shù)Table1 The parameters of regress orbitwhen N is 15,14,13,12,respectively

        由于范·艾倫帶(Van·Allen belts)[12]和大氣阻力的影響,LEO衛(wèi)星軌道應(yīng)該介于700~1 500 km之間。又考慮到覆蓋要求,我們將選用軌道傾角為40°、軌道高度為1 201.25 km的24星6軌道面星座,即i:T/P/F為40:24/6/1。

        3 多重區(qū)域劃分原理

        進行多重區(qū)域劃分的基本原則是:依照各層衛(wèi)星的地面覆蓋范圍使數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所經(jīng)受的時延最小,具體步驟如下:

        (1)以t0時刻為基準,將LEO層各衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進行劃分。t0時刻選取的原則是盡可能多地使LEO衛(wèi)星的星下點與人口密集、通信任務(wù)繁重的區(qū)域中心重合。劃分后,每個區(qū)域得到一個固定標號作為運行到該區(qū)域LEO衛(wèi)星的邏輯地址,O為進行劃分時覆蓋該區(qū)域衛(wèi)星的軌道編號,S為衛(wèi)星編號。隨著時間的推移,原先覆蓋該區(qū)域的LEO衛(wèi)星將飛離該區(qū)域,由其后的衛(wèi)星繼承該地址接替它進行通信。根據(jù)2.3節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),以LEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到24個不同區(qū)域;

        (2)以t1時刻為基準,將MEO層衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進行劃分。t1時刻的選取原則與步驟1相同。劃分所得區(qū)域標號記為,O為MEO衛(wèi)星的軌道編號,S為其為衛(wèi)星編號。該標號作為運行到該區(qū)域的MEO衛(wèi)星的邏輯地址,隨著MEO衛(wèi)星的移動,該地址是固定不變的。根據(jù)2.2節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),以MEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到8個區(qū)域;

        (3)以t2時刻為基準,將GEO層衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進行劃分。劃分所得的區(qū)域標號記為,O為GEO衛(wèi)星的軌道編號(常數(shù)1),S為GEO衛(wèi)星編號。同樣用該標號作為覆蓋該區(qū)域GEO衛(wèi)星的邏輯地址,且該地址固定不變。根據(jù)2.1節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),以GEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到3個不同區(qū)域;

        (4)假設(shè)t3時刻,處于不同MEO衛(wèi)星覆蓋下的A、B兩地間存在一條包含L顆衛(wèi)星的LEO鏈路。數(shù)據(jù)包在第i個LEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqi;第i個LEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進行處理的時間為Tdi;數(shù)據(jù)包從第i-1顆LEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趇顆LEO衛(wèi)星所消耗的時間為Tti;數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tleo;Tt0=0,則數(shù)據(jù)在這條LEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

        (4)

        顯然,在A、B兩地間還可以建立一條包含M顆衛(wèi)星的MEO鏈路。同樣,假設(shè)數(shù)據(jù)包在第j顆MEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqj;第j顆MEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進行處理所消耗的時間為Tdj;數(shù)據(jù)包從第j-1顆MEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趈顆MEO衛(wèi)星所消耗的時間為Ttj;數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tmeo;Tt0=0。則數(shù)據(jù)在這條MEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

        (5)

        將TMEO作為臨界點,如果TLEO>TMEO,則以A地為中心,以TMEO為半徑進行區(qū)域劃分。該區(qū)域標記為,O為t3時刻距離A地最近的MEO衛(wèi)星的軌道編號,S為該MEO衛(wèi)星的編號。

        由公式(1)和余弦定理可以計算出在我們所建立的網(wǎng)絡(luò)中tleo最大約為10.446ms、tmeo最大約為60.861 84 ms,假設(shè)所有單位數(shù)據(jù)包的排隊和衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包的處理時間用因子T表示(T在一定的時期內(nèi)是定值)。根據(jù)公式(4)、(5)和區(qū)域劃分條件可以得到表2。

        表2 不同因子T下的LEO和MEO數(shù)量對比Table 2 The numbers comparison of LEO and MEO on different T value

        (5)假設(shè)t4時刻,處于不同GEO衛(wèi)星覆蓋下的C、D兩地間存在一條包含M顆衛(wèi)星的MEO鏈路。數(shù)據(jù)包在第k顆MEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqk;第k顆MEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進行處理的時間為Tdk;數(shù)據(jù)包從第k-1顆MEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趉顆MEO衛(wèi)星所消耗的時間為Ttk;數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tmeo;Tt0=0。則數(shù)據(jù)在這條MEO衛(wèi)星鏈路的總耗時為

        (6)

        同樣,在C、D兩地間同樣可以建立一條包含G顆衛(wèi)星的GEO鏈路。假設(shè)數(shù)據(jù)包在第o顆GEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqo;第o顆GEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進行處理所消耗的時間為Tdo;數(shù)據(jù)包從第o-1顆GEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趏顆GEO衛(wèi)星所消耗的時間為Tto;數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tgeo;Tt0=0,則數(shù)據(jù)在這條GEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

        (7)

        同樣,由公式(1)和余弦定理可以計算出在我們所建立的網(wǎng)絡(luò)中tgeo最大約為135.286 ms。根據(jù)公式(6)、(7)和區(qū)域劃分條件可以得表3。

        表3 不同因子T下的MEO和GEO數(shù)量對比Table3 The numbers comparison of MEO and GEO on different T value

        4 通信過程中衛(wèi)星的選取原則

        (1)位于同一或同一區(qū)域的用戶之間進行通信一定要采用覆蓋該區(qū)的LEO衛(wèi)星或LEO衛(wèi)星鏈路;

        (2)位于同一區(qū)域而不同區(qū)域以內(nèi)的用戶之間進行通信只采用多顆LEO衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星鏈路;

        (3)位于同一區(qū)域內(nèi)而位于同一區(qū)域以外或位于同一區(qū)域內(nèi)而不同區(qū)域的用戶之間利用MEO衛(wèi)星鏈路進行通信;

        (4)位于區(qū)域以外的用戶利用GEO衛(wèi)星鏈路進行通信。

        5 仿真及性能分析

        利用我們所建立的網(wǎng)絡(luò)對多重區(qū)域劃分理論的優(yōu)越性進行驗證。假設(shè)從北京(E116.38°,N39.90°)開始,在N39.90°緯線圈附近每隔15°就有一個用戶向北京傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)第2節(jié)建立的網(wǎng)絡(luò),在上述假設(shè)情況下,N39.90°緯線圈附近存在9顆LEO衛(wèi)星和5顆MEO衛(wèi)星。假定LEO和MEO星間鏈路帶寬均為100 Mbit/s,每顆衛(wèi)星的緩沖區(qū)容量均為50 packet;TCP數(shù)據(jù)包的大小為1 024 byte/packet。仿真網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

        圖2 仿真網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 The networks for simulation

        根據(jù)所建立的仿真網(wǎng)絡(luò)和多重區(qū)域劃分理論,利用NS2進行仿真得到的時延性能對比結(jié)果如圖3所示。

        圖3 LEO、MEO、MAD網(wǎng)絡(luò)時延性能對比Fig.3 The performance comparison among LEO,MEO and MAD

        由圖4可見,MAD的時延性能在絕大部分經(jīng)度范圍內(nèi)要優(yōu)于LEO網(wǎng)絡(luò)和MEO網(wǎng)絡(luò)。對于我們所要求的特定地點通信而言,單純的MEO網(wǎng)絡(luò)的時延性能最差。在仿真過程中,對位于(E26.38°,E101.38°)之間的用戶按照時延最小的原則,我們利用了LEO和MEO衛(wèi)星之間的星間鏈路來降低時延。

        6 結(jié)束語

        本文在建立滿足我國通信需求的GEO/MEO/LEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,提出了多重區(qū)域劃分的理論來降低衛(wèi)星通信的時延。在區(qū)域劃分過程中,以傳輸時延最小為根本出發(fā)點,將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的地理區(qū)域劃分為五重,仿真表明利用該方法進行傳輸?shù)臅r延特性優(yōu)于單純的LEO網(wǎng)絡(luò)或MEO網(wǎng)絡(luò)。

        多重區(qū)域劃分理論雖然可以有效降低多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延,然而各層相鄰衛(wèi)星之間都要建立鏈路,大大增加了系統(tǒng)的復雜程度,有待于進一步優(yōu)化改進。

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