閻 凱

(中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

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衛(wèi)星組網(wǎng)構型設計及接入算法技術研究

閻 凱

(中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部， 北京 100094)

為了彌補單層衛(wèi)星網(wǎng)絡的缺點，綜合各單層衛(wèi)星網(wǎng)絡的優(yōu)點，形成優(yōu)勢互補，為用戶提供更好的服務質(zhì)量，混合衛(wèi)星網(wǎng)絡應運而生.針對不同的衛(wèi)星接入算法對衛(wèi)星的服務質(zhì)量的影響各不相同，重點研究設計更好的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡和衛(wèi)星接入算法.在分析GEO、MEO、LEO和HEO衛(wèi)星網(wǎng)絡各自的特點的基礎上，綜合其性能的好壞和設計實現(xiàn)的難易程度，設計并提出5 GEO+66 LEO的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡及多QoS約束的衛(wèi)星接入算法.最后通過仿真分析，驗證該算法的正確性.

雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡；衛(wèi)星接入算法；多QoS約束

0 引 言

混合衛(wèi)星網(wǎng)絡是由不同類型、不同軌道層面上的多顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡，和單層衛(wèi)星網(wǎng)絡相比較，混合衛(wèi)星網(wǎng)絡綜合了各個軌道層面上的衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點，具有優(yōu)勢互補的優(yōu)點，能保證更好的通信質(zhì)量以及全球覆蓋能力.

最初的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡是由Kimura提出的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(double layer satellite constellation，DLSC)[1]，這個雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡由中軌衛(wèi)星軌道(medium earth orbit,MEO)和低軌衛(wèi)星軌道(low earth orbit,LEO)組成.后來，Ian[2]提出了一個比DLSC更復雜的三層混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(multilayered satellite networks,MLSN)星座結(jié)構.

混合衛(wèi)星網(wǎng)絡對地面用戶存在著大量的多星覆蓋情況，因此，對混合衛(wèi)星網(wǎng)絡中的衛(wèi)星接入算法的研究是十分必要的，接入算法的研究重點是如何按照準則選定要接入的衛(wèi)星，即根據(jù)一定的設計指標，選擇性能最優(yōu)的一顆衛(wèi)星進行接入.

張華濤等[3]針對此問題，分析給出了適用于雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡的多星覆蓋下的接入選擇策略以及相應的仿真分析.同時，為了滿足混合衛(wèi)星網(wǎng)絡中快速、高可靠性的接入性能，張貴等[4]提出了一種基于環(huán)境感知的優(yōu)化多目標的衛(wèi)星接入算法.這些算法多是從衛(wèi)星對用戶的覆蓋時間、傳輸距離以及衛(wèi)星的負載能力等方面進行設計，但是越來越多的用戶使用衛(wèi)星網(wǎng)絡進行通信以及其他的各項業(yè)務，能夠為用戶提供更好的服務質(zhì)量也是需要考慮的，現(xiàn)有文章從這個角度出發(fā)去探討相關的接入算法，僅僅注重某一個服務質(zhì)量，并未深入探討，因此，考慮多個用戶關心的服務質(zhì)量參數(shù)，來提高服務質(zhì)量的整體性能的均衡是更有意義的.

1 5 GEO+66 LEO混合衛(wèi)星網(wǎng)絡星座設計

由不同軌道高度的衛(wèi)星組合起來能形成不同的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡構型，本文設計由對地靜止軌道(geostationary earth orbit, GEO)衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星組成的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡是考慮到結(jié)合GEO衛(wèi)星覆蓋范圍廣和LEO衛(wèi)星延時短的優(yōu)勢，這個混合衛(wèi)星網(wǎng)絡中GEO衛(wèi)星作為骨干網(wǎng)絡層，LEO衛(wèi)星作為接入層[5].

骨干網(wǎng)絡層主要進行數(shù)據(jù)的處理，同時也是接入層衛(wèi)星的中繼點，幫助完成接入層衛(wèi)星之間的切換等任務.接入層衛(wèi)星網(wǎng)絡是地面用戶接入混合衛(wèi)星網(wǎng)絡時直接面對的衛(wèi)星網(wǎng)絡，完成用戶接入，星間切換等具體工作.

考慮到陸地上用戶多的情況，在陸地范圍內(nèi)增加GEO衛(wèi)星的數(shù)量，能有效的提高通信的呼叫成功率，降低切換失敗的概率，同時也考慮到衛(wèi)星數(shù)量不宜過多，因此本文選取5顆GEO衛(wèi)星不均勻分布，其軌道參數(shù)如表1所示.

表1 GEO衛(wèi)星軌道參數(shù)Tab.1 The orbit parameters of GEO satellites

為了確保能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶的全球覆蓋，在低軌道衛(wèi)星的設計上，參考了已有的銥星系統(tǒng)[6].使用66顆小衛(wèi)星均勻且有規(guī)律的分布在6個極地圓軌道上來實現(xiàn)，其軌道參數(shù)如表2所示.

表2 LEO衛(wèi)星主要參數(shù)Tab.2 The main parameters of LEO satellites

該混合衛(wèi)星網(wǎng)絡示意圖如圖1所示.

圖1 5 GEO+66 LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡示意圖Fig.1 The sketch map of 5 GEO+66 LEO double-layered satellite network

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)星間鏈路的幾何分析中，有3個幾何量具有十分重要的意義，它們分別是星間鏈路指向的方位角變化、星間鏈路指向的俯仰角變化和衛(wèi)星之間的空間距離.

GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間主要考慮衛(wèi)星間的空間距離.GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間的通信鏈路隨著衛(wèi)星的移動而發(fā)生通斷，當LEO衛(wèi)星運動到地球的另一側(cè)，超過了當前GEO衛(wèi)星的覆蓋范圍時，鏈路發(fā)生中斷，這時LEO衛(wèi)星需要切換到其他與其相鄰并可見的GEO衛(wèi)星進行通信.圖2顯示的是GEO1衛(wèi)星對LEO1衛(wèi)星的鏈路通斷情況，從圖中可以看出，其鏈路的通信距離范圍為35 000～43 000 km，俯仰角度變化范圍為80°～89°.

同時，LEO衛(wèi)星之間的星間鏈路的設計主要考慮星間鏈路指向的方位角和俯仰角這兩個幾何量.本文設計的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)采用近極軌道類型的星座，因此就會有順行軌道和逆行軌道兩種情況.處于逆行軌道上的衛(wèi)星相對運動十分劇烈，對星間鏈路的天線提出了很高的要求.構建這樣的星間鏈路會增加星間鏈路天線的復雜度，提高系統(tǒng)成本，因此這里只考慮處于順行軌道之間的星間鏈路[7].

圖2 GEO1到LEO1星際鏈路分析Fig.2 The analysis of inter-satellite link between GEO1 and LEO1

順行軌道的兩顆LEO衛(wèi)星相對相位保持不變，可以認為這兩顆衛(wèi)星處于相對靜止狀態(tài).圖3給出了順行軌道的兩顆LEO衛(wèi)星之間的鏈路分析，可以看出，順行軌道上的兩顆衛(wèi)星的通信范圍為2 200～4 500 km，俯仰角度變化范圍為8°～18°，且衛(wèi)星處于連續(xù)可見狀態(tài).

圖3 順行軌道衛(wèi)星LEO101與LEO201的鏈路分析Fig.3 The analysis of inter-satellite link between LEO101 to and LEO201

2 多QoS約束的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡接入選擇算法

傳統(tǒng)的衛(wèi)星接入算法只考慮衛(wèi)星方面的接入性能的好壞，一般情況下認為時延小、帶寬大和移動性高的衛(wèi)星網(wǎng)絡就是好的網(wǎng)絡.在考慮較少的用戶時這樣判定是可以的，但是隨著用戶數(shù)量越來越多，多用戶、多業(yè)務量的情況也越來越多，應該更多地考慮用戶接入過程中的服務質(zhì)量問題.因此，目前越來越多的衛(wèi)星接入算法是面向用戶、考慮用戶服務質(zhì)量的設計，更關注用戶的感受和體驗.

在整個接入過程中，作為接入的直接作用者，用戶的體驗和感受是服務質(zhì)量好壞的具體體現(xiàn)，也是設計衛(wèi)星接入算法的重要依據(jù)[8-10].本文提出的面向用戶的多QoS約束的衛(wèi)星接入算法重點考慮用戶關心的時延、抖動和網(wǎng)絡費用三個方面.在此，對網(wǎng)絡費用和抖動等級進行相應的設定，根據(jù)抖動的定義，為了計算簡單，本文進行相應的簡化，即將抖動情況分等級進行設置，設定為{1,2,3,4}4個等級，數(shù)值越大就表示抖動程度越大.同樣的，也對網(wǎng)絡費用進行簡化，分為類似的4個等級{1,2,3,4}[11].各衛(wèi)星在仿真中使用的參數(shù)如表3所示.

表3 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡各項服務參數(shù)值Tab.3 The service parameters of double-layered satellite network

在通常所用的標準中，把各項業(yè)務對時延的要求作為分類的標準，可以把業(yè)務大致分成視頻類、會話類、信息交互類等.前兩種業(yè)務是實時業(yè)務的代表，對時延的要求較高；后一種業(yè)務是非實時業(yè)務的代表，對時延要求不是很高.ITU-G.114中建議在視頻、會話類業(yè)務中單向傳輸時延為200～300 ms[12].本文仿真中使用了10種業(yè)務，并將業(yè)務隨機分配給用戶，各項業(yè)務參數(shù)如表4所示.

表4 候選業(yè)務參數(shù)Tab.4 Parameters in the candidate business

本算法定時采樣和收集每一顆衛(wèi)星為用戶提供的各項服務的參數(shù)以及用戶業(yè)務需要得到的服務參數(shù)，分別使用Pser和Preq表示.延時、抖動性和誤比特率等都是反應衛(wèi)星服務質(zhì)量的指標.

(1)

其中，U表示用戶體驗差異程度(user experience differences)，可以反應衛(wèi)星網(wǎng)絡對用戶的服務質(zhì)量.n是用戶衡量服務質(zhì)量的指標的個數(shù).衛(wèi)星選擇的目標就是在M個候選衛(wèi)星中為用戶選擇出用戶體驗差異程度最小的衛(wèi)星進行接入，也就是選擇出服務質(zhì)量最好的衛(wèi)星進行接入.如公式(2)所示:

(2)

根據(jù)上述定義，面向用戶的多QoS約束的衛(wèi)星接入算法過程如圖4所示，地面用戶找到其可接入的候選衛(wèi)星網(wǎng)絡，計算出候選衛(wèi)星網(wǎng)絡中每個衛(wèi)星的服務參數(shù)和地面用戶要求的參數(shù)，對二者進行比較，選出差距最小的一顆衛(wèi)星作為地面用戶要接入的衛(wèi)星.

圖4 多QoS約束的衛(wèi)星接入算法流程Fig.4 Satellite access algorithm of multiple QoS constraints

通過將本文提出的面向用戶的多QoS約束的用戶體驗算法(user experence algorithm, UE)和已有的算法進行性能比較的方式來給出本文提出的算法的仿真結(jié)果，仿真中使用的對比算法包括最長覆蓋時間算法(time maximum algorithm, T-max)、最短距離算法(distance minimum algorithm, D-min)和綜合加權算法(time and distance comprehensive algorithm, TDC).分別從新呼叫阻塞率的性能、切換失敗概率的性能、網(wǎng)絡平均負載的性能以及強制中斷率的性能4個方面進行對比.圖5～8給出了4種算法相應性能的比較結(jié)果.

隨著會話到達率的增加，網(wǎng)絡負載趨于飽和，從而導致該衛(wèi)星網(wǎng)絡的新呼叫阻塞率升高.對于不同的接入算法，新呼叫阻塞率是反應接入性能好壞的首要指標，從圖5中可以看出，和其它3個算法相比較，多QoS約束的衛(wèi)星接入算法(UE)有很低的新呼叫阻塞率.

圖5 新呼叫阻塞率性能Fig.5 New call blocking rate

同樣當用戶即將進入其他衛(wèi)星的覆蓋范圍時，需要考慮其切換失敗的概率.本文仿真中，定義切換失敗次數(shù)和切換總次數(shù)的比值為切換失敗概率.從圖6中能看出，隨著會話到達率的逐漸增加，使用四種接入算法時，網(wǎng)絡的切換失敗概率都有所升高.但是相比較后可以看出多QoS約束的衛(wèi)星接入算法(UE)的切換失敗概率最低.

圖6 切換失敗概率性能Fig.6 Handover failure probability

網(wǎng)絡平均負載是指平均每單位時間間隔內(nèi)在雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡中所有衛(wèi)星的負載的平均情況.從圖7中可以看出，會話到達率的增加，導致網(wǎng)絡中接入用戶的數(shù)量增加，4種接入算法下雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡的平均負載都在增加.經(jīng)分析得到，多QoS約束的衛(wèi)星接入算法(UE)和綜合加權算法(TDC)都有較高的網(wǎng)絡平均負載值，這是因為這兩種算法有較低的切換失敗概率和新呼叫阻塞率，能及時的把用戶切換分配到其它衛(wèi)星中，使整個雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡的負載平均，有助于更好的利用資源.

圖7 平均負載性能Fig.7 Average load of network

仿真中，定義強制中斷率=通信中中斷的呼叫次數(shù)/系統(tǒng)中接入的總呼叫次數(shù).從圖8中能夠看出，隨著會話到達率的不斷增加，整個雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡中能接納的會話數(shù)量也在不斷增加，從而會造成雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡的強制中斷率增加.強制中斷概率反應的是整個雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡中正在進行業(yè)務通信的用戶在通信業(yè)務沒有完成時，由于不能切換接入到新的衛(wèi)星下繼續(xù)進行業(yè)務而被強制掉線的情況的概率.這種情況是用戶最不希望見到的.從圖8中可知本文提出的多QoS約束的用戶體驗算法(UE)比其他3個算法的強制中斷概率都要低，因此其性能比其他3種算法要好.

圖8 強制中斷率Fig.8 Forced outage probability

3 結(jié) 論

本文在介紹和分析了現(xiàn)有的混合衛(wèi)星網(wǎng)絡以及衛(wèi)星接入算法的研究現(xiàn)狀之后，綜合各單層衛(wèi)星網(wǎng)絡的優(yōu)點，設計了5 GEO+66 LEO的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡.同時通過對典型衛(wèi)星網(wǎng)絡接入算法的研究提出了從用戶角度考慮的多QoS約束的衛(wèi)星網(wǎng)絡接入算法，并使用本文設計的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡為模型進行仿真分析和驗證.通過結(jié)果可以看到，本文提出的多QoS約束的衛(wèi)星接入算法(UE)比其他算法具有更小的新呼叫阻塞率和切換失敗概率，因此能夠維持較高的網(wǎng)絡平均負載，同時降低了強制中斷概率.從而證明了本文算法的正確性和性能的優(yōu)越性.

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Constellation Design and Access Algorithm of Satellite Networks

YAN Kai

(InstituteofTelecommunicationSatellite，CAST，Beijing100094，China)

In order to compensate for the shortcomings of single-satellite network and combine the advantages of single-satellite network so as to provide users with a better quality of service, hybrid satellite networks are proposed. Every algorithm has different impact on the quality of service; so many current researches focus on how to design better hybrid satellite networks and satellite access method. After analyzing the characteristics of the GEO, MEO, LEO and HEO satellite networks and comparing their performances and complexities, a double 5 GEO +66 LEO satellite network and a satellite selection algorithm with multiple QoS constraints are designed in this paper. Finally, the correctness of this algorithm is verified via simulation.

double-layered satellite network； satellite access algorithm； multiple QoS constraints

V474.2

A

1674-1579(2017)02-0050-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.008

2017-01-15

閻 凱(1988—)，女, 工程師，研究方向為衛(wèi)星通信及姿軌控制.