馮建元，龐立新，李 杰，閆文凱，周志成

(1.亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司，深圳 518126；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

通信技術(shù)和設(shè)施是服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防安全的關(guān)鍵緊要技術(shù)和重大基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)于國(guó)家、社會(huì)和個(gè)人都具有極為重要的作用。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我國(guó)通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，特別是陸地蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了2G跟隨、3G突破、4G同步以及5G引領(lǐng)的世界先進(jìn)水平[1]。然而，就衛(wèi)星通信而言，由于我國(guó)通信衛(wèi)星的研究起步較晚，到目前為止，我國(guó)衛(wèi)星通信技術(shù)尚處于追趕國(guó)外先進(jìn)水平的階段；同時(shí)，應(yīng)用和市場(chǎng)培育還不夠充分、成熟。

與陸地蜂窩移動(dòng)通信不同，衛(wèi)星通信以其優(yōu)勢(shì)[2]，在諸多方面具有不可替代的角色和重要的作用。在海事和航空等無(wú)法架設(shè)蜂窩基站的地方，衛(wèi)星通信是最有效、最便捷的通信手段，提供了遠(yuǎn)洋船舶和航班客艙的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，讓用戶隨時(shí)隨地保持在線；在陸地災(zāi)備保障方面，衛(wèi)星通信相較陸地蜂窩通信更加可靠，是保障災(zāi)后救援與重建的關(guān)鍵；此外，衛(wèi)星通信還是偏遠(yuǎn)地區(qū)通信的首選方式，能夠大大降低蜂窩基站骨干回傳的通信成本[3]。

用于通信的衛(wèi)星稱為通信衛(wèi)星，與導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星共同構(gòu)成了全部應(yīng)用衛(wèi)星。按照軌道高度不同，通信衛(wèi)星分為地球同步軌道衛(wèi)星(高軌衛(wèi)星)和中低軌衛(wèi)星，高軌衛(wèi)星位于赤道上方35 800 km的軌道，由于軌道高度高，對(duì)地球視場(chǎng)大，故信號(hào)覆蓋范圍大，理論上3顆衛(wèi)星即可覆蓋除兩極外的全球區(qū)域，如亞太系列衛(wèi)星、中星系列衛(wèi)星和Inmarsat等。中低軌道衛(wèi)星是飛行高度小于1 000 km(低軌道)和介于1 000～20 000 km之間(中軌道)的衛(wèi)星，由于相對(duì)地球處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通常需以星座的形式提供通信服務(wù)，如銥星星座、OneWeb星座和O3B星座[4]。

當(dāng)前，高軌衛(wèi)星仍然是最成熟、最經(jīng)濟(jì)的衛(wèi)星通信方式，廣泛服務(wù)于海事、航空及廣電等用戶。然而高軌衛(wèi)星也有其不足：① 由于地球站天線仰角過(guò)低，高軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋兩極地區(qū)的通信，無(wú)法滿足未來(lái)隨處接入的通信要求。② 高軌衛(wèi)星距地面較遠(yuǎn)，信號(hào)傳播時(shí)延不可忽略，影響用戶體驗(yàn)，也無(wú)法滿足有低時(shí)延需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。③ 盡管新一代高通量衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射，通信容量增長(zhǎng)數(shù)十倍，但由于衛(wèi)星數(shù)目少，仍然無(wú)法滿足越來(lái)越多的通信需求。這些不足，可以通過(guò)低軌衛(wèi)星來(lái)解決，一方面，低軌衛(wèi)星繞地運(yùn)動(dòng)，可以覆蓋兩極地區(qū)；另一方面，由于軌道高度低，對(duì)地傳播時(shí)延也較小。④ 由于低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)覆蓋的自身要求，其衛(wèi)星數(shù)量龐大，多顆衛(wèi)星也讓通信容量有了保障。但由此衍生的缺點(diǎn)是組網(wǎng)周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高和頻率軌位資源不足?？梢钥闯?，應(yīng)該發(fā)展低軌通信衛(wèi)星星座作為現(xiàn)有高軌衛(wèi)星的補(bǔ)充，同時(shí)，在低軌衛(wèi)星星座尚未實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)前，由高軌衛(wèi)星保障其覆蓋組網(wǎng)。因此，實(shí)現(xiàn)高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)是發(fā)展未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的必由階段和必經(jīng)之路[5]。

1 高低軌衛(wèi)星組網(wǎng)面臨的難題

高低軌衛(wèi)星由于其軌道特性不同，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同。高軌衛(wèi)星位于地球同步軌道，與地面保持相對(duì)靜止，而低軌衛(wèi)星軌道高度較低，繞地旋轉(zhuǎn)速度大于地球自轉(zhuǎn)速度，因此，高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此引發(fā)了高低軌衛(wèi)星相互通信時(shí)，星載天線對(duì)準(zhǔn)難、對(duì)準(zhǔn)開(kāi)銷大的問(wèn)題[6]。一方面，對(duì)準(zhǔn)難度高，對(duì)星載天線提出了很高的要求；另一方面，對(duì)準(zhǔn)開(kāi)銷大，對(duì)攜帶有限燃料的衛(wèi)星是一個(gè)挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了衛(wèi)星的壽命。

此外，對(duì)于高軌衛(wèi)星，其視場(chǎng)內(nèi)有多顆低軌通信衛(wèi)星，如圖1所示。組網(wǎng)時(shí)需要一顆高軌衛(wèi)星對(duì)多顆低軌衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行通信，但因?yàn)轭l率資源有限，每個(gè)低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星通信時(shí)不具備使用不同頻率進(jìn)行區(qū)隔的條件，因此，如何避免多顆低軌衛(wèi)星與高軌衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行通信時(shí)的干擾，是另一個(gè)需要解決的問(wèn)題[7]。

圖1 高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)示意圖

最后，當(dāng)前設(shè)計(jì)衛(wèi)星的主要思路和方法仍然是設(shè)計(jì)安裝對(duì)應(yīng)的星載硬件設(shè)備來(lái)匹配不同的衛(wèi)星功能，這種設(shè)計(jì)方法帶來(lái)了衛(wèi)星用途僵化的問(wèn)題，無(wú)法根據(jù)情況的變化改變使用場(chǎng)景和使用方式，同時(shí)也帶來(lái)載荷設(shè)備復(fù)雜性，不僅提高了使用衛(wèi)星的技術(shù)門檻，也使衛(wèi)星系統(tǒng)的不可靠性風(fēng)險(xiǎn)大大增加。在當(dāng)前通信設(shè)備軟件定義化的趨勢(shì)下，高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)的解決途徑應(yīng)從可重構(gòu)的通信協(xié)議設(shè)計(jì)入手解決[8]。

2 星間共享信道協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)的通信協(xié)議著重解決一星對(duì)多星的通信干擾問(wèn)題，同時(shí)盡量降低高低軌衛(wèi)星天線對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜度。根據(jù)這個(gè)設(shè)計(jì)要求，高低軌衛(wèi)星星間通信信道應(yīng)采用共享信道的設(shè)計(jì)模式，保證多顆低軌衛(wèi)星有序共享信道資源，同時(shí)，星間通信天線應(yīng)采用方向性要求低的天線。

針對(duì)共享信道協(xié)議，有基于競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)的信道協(xié)議模式，競(jìng)爭(zhēng)信道是讓共享用戶隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)信道，依靠協(xié)議的概率模型設(shè)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上保證多用戶有序接入信道；非競(jìng)爭(zhēng)信道協(xié)議則是依靠系統(tǒng)控制器進(jìn)行調(diào)度，使多用戶有序接入信道。由于非競(jìng)爭(zhēng)信道的中心控制使高低軌衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)復(fù)雜度大大增加，因此，信道通信協(xié)議宜采用基于競(jìng)爭(zhēng)的多用戶共享信道接入模式[9-11]。

針對(duì)星載天線，為了降低星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)天線對(duì)準(zhǔn)的難度和對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的開(kāi)銷，天線可使用主瓣方向角大、對(duì)方向性要求不高的天線，這將大大提高天線對(duì)準(zhǔn)的幾率，提高傳輸連接成功率。天線方向性不強(qiáng)的副作用是對(duì)其他衛(wèi)星的通信干擾大，這點(diǎn)可以通過(guò)基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入?yún)f(xié)議避免干擾。

2.2 協(xié)議內(nèi)容

為降低衛(wèi)星天線波束對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜度，高低軌衛(wèi)星間通信采用波束寬度較寬的天線[12]，高軌衛(wèi)星天線對(duì)下發(fā)射信號(hào)，低軌衛(wèi)星天線對(duì)上發(fā)射信號(hào)。高低軌衛(wèi)星間天線發(fā)射和接收信號(hào)的波束角度范圍很寬，這樣的設(shè)計(jì)可以讓高低軌衛(wèi)星在相對(duì)運(yùn)動(dòng)且天線沒(méi)有精確對(duì)準(zhǔn)的情況下也能完成通信，提高了通信成功的概率。

由于收發(fā)天線波束角較寬，高軌衛(wèi)星可以同時(shí)收到視場(chǎng)內(nèi)多顆低軌衛(wèi)星的信號(hào)，而無(wú)線電頻譜資源有限，無(wú)法通過(guò)設(shè)置不同的頻段給各衛(wèi)星鏈路加以區(qū)分通信信號(hào)。為了避免多顆低軌衛(wèi)星的信號(hào)互相干擾，本方案將星間通信鏈路協(xié)議設(shè)計(jì)為分時(shí)隙的應(yīng)答確認(rèn)與退避機(jī)制[9,13]。

該機(jī)制具體為：高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的星間鏈路收發(fā)信機(jī)接受授時(shí)同步，授時(shí)方法可以是北斗授時(shí)，也可以是地面信號(hào)授時(shí)或者其他授時(shí)方法(如內(nèi)置原子鐘，或星間時(shí)鐘信號(hào)同步)。各衛(wèi)星時(shí)間的長(zhǎng)度(如1 ms,1 μs)，實(shí)際系統(tǒng)中可根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定，一般來(lái)說(shuō)，時(shí)隙短的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以提高頻譜利用率，但會(huì)增加系統(tǒng)開(kāi)銷，時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。以低軌衛(wèi)星向高軌衛(wèi)星傳輸?shù)逆溌窞槔?反向亦然)，在時(shí)隙開(kāi)始，低軌衛(wèi)星檢查是否有待傳數(shù)據(jù)，如發(fā)送緩存器中有數(shù)據(jù)且是未嘗試傳輸過(guò)的數(shù)據(jù)，則在避讓計(jì)數(shù)集中隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)值a。該避讓計(jì)數(shù)集有如下特點(diǎn)：它是一個(gè)自然數(shù)的集合，里面所有兩兩數(shù)字的和都不等于集合中的另一個(gè)數(shù)字，盡量選取較小的數(shù)字組成集合，并且計(jì)數(shù)集中的數(shù)字?jǐn)?shù)目盡可能多，具體數(shù)目可根據(jù)系統(tǒng)可靠性需求設(shè)計(jì)，可靠性越高的系統(tǒng)，計(jì)數(shù)集的規(guī)模越大。同步后，將時(shí)間分成長(zhǎng)度為t的時(shí)隙，t可以是任意值。

圖2 衛(wèi)星共享通信鏈路時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖

前述選取計(jì)數(shù)集數(shù)值a后，低軌衛(wèi)星將倒數(shù)計(jì)數(shù)器設(shè)為a，每過(guò)一個(gè)時(shí)隙t，則計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器為0時(shí)，低軌衛(wèi)星星間發(fā)信機(jī)將向高軌衛(wèi)星發(fā)送待傳數(shù)據(jù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送后，低軌衛(wèi)星的收信機(jī)開(kāi)始接收來(lái)自高軌衛(wèi)星的確認(rèn)數(shù)據(jù)成功接收的信號(hào)(ACK)[14-15]，如圖2所示的時(shí)隙結(jié)構(gòu)中ACK/NACK的信號(hào)傳輸時(shí)間，高軌衛(wèi)星在成功收到低軌衛(wèi)星發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，會(huì)向低軌衛(wèi)星返回ACK信號(hào)。如發(fā)生其他低軌衛(wèi)星同時(shí)發(fā)來(lái)信號(hào)，信號(hào)間產(chǎn)生沖突干擾，高軌衛(wèi)星接收失敗，高軌衛(wèi)星向低軌衛(wèi)星發(fā)送傳輸不成功信號(hào)(NACK)。低軌衛(wèi)星收到NACK信號(hào)后，從避讓計(jì)數(shù)集隨機(jī)選取另一個(gè)數(shù)值b，并將計(jì)數(shù)器設(shè)為b，每過(guò)一個(gè)時(shí)隙t，則計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器為0時(shí)，低軌衛(wèi)星星間發(fā)信機(jī)將向高軌衛(wèi)星再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，如高軌衛(wèi)星接收成功，則向低軌衛(wèi)星返回ACK信號(hào);否則，低軌衛(wèi)星收到高軌衛(wèi)星反饋的NACK信號(hào)并重復(fù)該過(guò)程。當(dāng)重復(fù)該過(guò)程n次后仍然沒(méi)有成功傳輸，待傳數(shù)據(jù)包則被丟掉，n可由系統(tǒng)使用者根據(jù)實(shí)際操作時(shí)系統(tǒng)性能需求設(shè)定數(shù)值。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)可靠性要求高時(shí)，可以適當(dāng)增加n值，此時(shí)系統(tǒng)的丟包率較低，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；當(dāng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，可以適當(dāng)減小n值，此時(shí)系統(tǒng)的時(shí)延較小，保證通信實(shí)施的有效性。

協(xié)議執(zhí)行的流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化程序包括：系統(tǒng)授時(shí)、各計(jì)數(shù)器歸零及設(shè)定時(shí)隙長(zhǎng)度為t等。

在講解第五章生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，可以補(bǔ)充自清潔魚(yú)缸的圖片和視頻。自清潔魚(yú)缸是一個(gè)微型的生態(tài)系統(tǒng)，由透明的玻璃球體組成。裝有LED燈，白天呈現(xiàn)白光，夜晚呈現(xiàn)藍(lán)光。內(nèi)有細(xì)菌、藻類、小蝦、小魚(yú)和經(jīng)過(guò)濾的海水等，只需要補(bǔ)充水，自清潔魚(yú)缸可以維持正常的生態(tài)循環(huán)。學(xué)生被這個(gè)奇妙的“微型世界”吸引，體會(huì)到生態(tài)系統(tǒng)需要恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的數(shù)量配比才能維持生態(tài)平衡，認(rèn)識(shí)到維持生態(tài)平衡對(duì)生物圈的重要性。

圖3 星間通信信道協(xié)議流程圖

協(xié)議設(shè)計(jì)中有2個(gè)事項(xiàng)需注意：

① 通信鏈路時(shí)隙分為數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間和ACK/NACK信號(hào)傳輸時(shí)間，這2部分占信道時(shí)隙的比例要根據(jù)系統(tǒng)情況設(shè)定。數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間在整個(gè)信道時(shí)隙中占比越大，則信道利用效率越高，同資源強(qiáng)度條件下星間通信速率越快，但由于接收ACK/NACK信號(hào)的時(shí)間變短，漏收ACK/NACK信號(hào)的概率會(huì)增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或者漏檢、虛警率提高；相反，增加ACK/NACK信號(hào)傳輸時(shí)間，可以讓系統(tǒng)有足夠的冗余度保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢拖到y(tǒng)的穩(wěn)定，但以犧牲部分頻譜利用效率為代價(jià)。因此，實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同客戶和不同業(yè)務(wù)的傳輸需求，相應(yīng)設(shè)置時(shí)隙。

② 計(jì)數(shù)集的生成。計(jì)數(shù)集的作用是讓系統(tǒng)在遇到多顆衛(wèi)星同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和信號(hào)發(fā)生碰撞時(shí)能夠隨機(jī)避讓一段時(shí)間，擇機(jī)選擇不與其他衛(wèi)星傳輸沖突的時(shí)間重新嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)在計(jì)數(shù)集中選取數(shù)值a和數(shù)值b時(shí)，選取算法應(yīng)設(shè)置為非重復(fù)的隨機(jī)選取，即如果有衛(wèi)星選取了某一數(shù)值，則其他衛(wèi)星在此時(shí)隙中不會(huì)再次選取該數(shù)字。同時(shí)，計(jì)數(shù)集較大的數(shù)據(jù)規(guī)模也保證了選取的隨機(jī)性。

3 傳輸效果仿真分析

如果不采用本文多衛(wèi)星共享信道的通信協(xié)議，則衛(wèi)星間數(shù)據(jù)傳輸遇到其他衛(wèi)星傳輸信號(hào)碰撞和干擾時(shí)，丟包率和傳輸失敗率都很高；采用本文衛(wèi)星共享信道的通信協(xié)議后，能夠大大降低丟包率、提高傳輸成功率。低軌衛(wèi)星個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸成功率關(guān)系如圖4所示。

圖4 低軌衛(wèi)星個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸成功率關(guān)系

為便于分析，假設(shè)每顆低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)到達(dá)率相同，隨著低軌衛(wèi)星數(shù)量的增加觀察星間數(shù)據(jù)傳輸成功率。由圖4可以看出，使用本文通信協(xié)議后，星間數(shù)據(jù)傳輸成功率相較于未使用協(xié)議時(shí)大大增加，尤其是在低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)較多，衛(wèi)星間信息傳輸沖突、碰撞概率較大的情況下，可以有效協(xié)調(diào)各衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)傳輸秩序，提高共享信道的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達(dá)率與信道利用效率關(guān)系如圖5所示。

圖5 低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達(dá)率與信道利用效率關(guān)系

為便于分析，仿真中2個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)均假設(shè)6顆低軌衛(wèi)星共享信道傳輸?shù)那樾?。由圖可以看出，使用本文信道通信協(xié)議后，相較于未使用協(xié)議的情況，能夠有效增加星間通信信道的利用率。文中信道利用率隨低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)到達(dá)率升高而先增加后減少，原因是在較空閑的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源利用不充分，適當(dāng)增加到達(dá)數(shù)據(jù)量可以更多利用信道資源，但當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)量過(guò)于龐大，信道中衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和碰撞加劇，則會(huì)導(dǎo)致信息重傳甚至丟包，導(dǎo)致信道利用率反而下降。

由上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，采用本文星間信道通信協(xié)議后，能夠有效避免星間信道中衛(wèi)星間相互干擾，提高信息傳輸成功率與信道利用效率，提升多軌道聯(lián)合組網(wǎng)的系統(tǒng)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)情況下共享信道的通信協(xié)議設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：① 允許衛(wèi)星天線可以形成較寬波束，解決了高低軌衛(wèi)星天線對(duì)準(zhǔn)技術(shù)難、開(kāi)銷大的問(wèn)題；② 允許多顆衛(wèi)星對(duì)一顆衛(wèi)星的通信場(chǎng)景，解決了衛(wèi)星間共享通信信道時(shí)的干擾問(wèn)題；③ 實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的各模塊技術(shù)實(shí)施難度低，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)開(kāi)銷，系統(tǒng)具有很高的可靠性，降低研發(fā)、采購(gòu)和維護(hù)的成本；④ 通信協(xié)議具有可定制性，方案中的各參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)要求和用戶需要相應(yīng)調(diào)整，并且適用于各種載波頻率下傳輸條件，不同基帶系統(tǒng)的通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

通過(guò)分析和仿真驗(yàn)證，采用本文設(shè)計(jì)的協(xié)議后，能夠有效避免星間信道中衛(wèi)星間相互干擾，提高信息傳輸成功率與信道利用效率，提升多軌道聯(lián)合組網(wǎng)的系統(tǒng)性能。