(中國電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，地面通信網(wǎng)絡(luò)只能覆蓋陸地上的有限區(qū)域，對于海洋，山區(qū)以及兩極地區(qū)的覆蓋較難實現(xiàn)。而LEO衛(wèi)星可以實現(xiàn)對于全球的完整的連續(xù)的覆蓋，系統(tǒng)通信的傳輸時延更小，實時性高；LEO衛(wèi)星發(fā)射功率低，便于終端小型化和多樣化，通信成本更低；LEO衛(wèi)星節(jié)點的抗毀能力比較強，即使有部分衛(wèi)星節(jié)點被毀，通信系統(tǒng)仍能維持使用；衛(wèi)星的空間部署比較靈活，可以搭載火箭進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射，甚至可以實現(xiàn)一箭多星[1]。因此，作為最有應(yīng)用前景的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，本文重點針對LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地路由技術(shù)展開研究。

LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要技術(shù)組成。由于服務(wù)業(yè)務(wù)種類的的快速增加,LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力越來越大，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由面臨諸多挑戰(zhàn)。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)包括星間路由和星地路由。星間路由實現(xiàn)衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)傳輸路徑的選擇。目前, 星間路由技術(shù)已有較多研究, 按照解決 LEO 衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化問題的不同方式，當(dāng)前的星間路由算法劃分為系統(tǒng)周期分割法(虛擬拓?fù)?、覆蓋區(qū)域分割法(虛擬節(jié)點)以及動態(tài)拓?fù)涓路ㄈ箢怺2]。

但是目前對于星地路由設(shè)計的研究相對較少。本文聚焦于星地路由研究，即研究衛(wèi)星與信關(guān)站之間的路由設(shè)計。星地路由面臨如下挑戰(zhàn)：LEO衛(wèi)星軌道處于較低的高度，衛(wèi)星處于較快的運行速度，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r刻處于變化中。比如經(jīng)典的LEO星座Iridium 星座，衛(wèi)星和地面信關(guān)站之間處于快速的相對運動中，性對運動速度約為 7 km/s，針對地面信關(guān)站而言每顆衛(wèi)星的可視時間只有9分鐘。由此可見，對于地面信關(guān)站而言，與其建立連接的衛(wèi)星切換速度非?？靃3]。衛(wèi)星系統(tǒng)星地路由切換所引起的路由重構(gòu)會對數(shù)據(jù)傳輸造成以下幾方面影響：

1)數(shù)據(jù)丟失:在信關(guān)站與前一顆衛(wèi)星斷開連接轉(zhuǎn)而切換到下一顆衛(wèi)星時,仍然緩存在前一顆衛(wèi)星中的數(shù)據(jù)包會丟失,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)這種對數(shù)據(jù)丟失比較敏感的業(yè)務(wù)對這種情況容忍度較低。

2)延遲抖動：星地路由切換過程會導(dǎo)致長的時延以及延遲抖動，語音和視頻業(yè)務(wù)對時延相對比較敏感，因此會受到比較大的影響。

3)網(wǎng)絡(luò)信令開銷：當(dāng)星地路由切換發(fā)生時,需要為數(shù)據(jù)傳輸重新建立路徑,而LEO衛(wèi)星的頻繁切換特性必將導(dǎo)致大量的重路由，進(jìn)而產(chǎn)生很大的信令開銷。

因此,為了網(wǎng)絡(luò)的可靠運行,減少網(wǎng)絡(luò)信令開銷。本文根據(jù)衛(wèi)星運行的周期性規(guī)律，計算各顆衛(wèi)星對信關(guān)站的覆蓋情況，進(jìn)行饋電鏈路切換預(yù)測，盡量減小由于饋電鏈路切換而造成LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸性能下降。

1 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般由和用戶段、空間段、地面段構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

1)用戶段：用戶段由各種用戶構(gòu)成。地面用戶終端種類繁多, 如車載終端、機載終端、手機等，各種終端向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)起各種業(yè)務(wù)請求。終端一般位于衛(wèi)星天線形成的某一波束中，其與移動通信衛(wèi)星間的鏈路稱為用戶通信鏈路。

2)空間段：空間段主要指太空環(huán)境中運行著的LEO 衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，每顆衛(wèi)星都是其中的一個節(jié)點，衛(wèi)星之間通過星間鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)與信令的傳輸。在空間段中，LEO衛(wèi)星軌道高度為500-2 000 km。單顆衛(wèi)星覆蓋域直徑為數(shù)十千米，經(jīng)典的Iridium 星座和全球星系統(tǒng)均為數(shù)十顆衛(wèi)星覆蓋全球[4]。本文所研究的LEO 衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星不再只是中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能,也具備了星上處理的能力，包括星上再生和星上交換。

3)地面段：地面段設(shè)備包括信關(guān)站和地面網(wǎng)絡(luò)控制中心。信關(guān)站負(fù)責(zé)進(jìn)行地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)之間的連接，是地面網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)用戶之間通信的重要連接部分。信關(guān)站主要完成地面與衛(wèi)星之間業(yè)務(wù)信息交互、控制信令等任務(wù)。在通信過程中，信關(guān)站需要始終保持對星可見，在衛(wèi)星與信關(guān)站之間俯仰角低于一定的限制數(shù)值，或者信關(guān)站接受信號強度較弱需要切換時，信關(guān)站發(fā)出切換請求，采用合適的切換準(zhǔn)則從當(dāng)前覆蓋該信關(guān)站的衛(wèi)星中選擇切換衛(wèi)星[5]。

2 LEO衛(wèi)星系統(tǒng)星地路由的挑戰(zhàn)與需求

同地面網(wǎng)絡(luò)相比，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有很多獨特的地方，比如切換頻率高，長時延，鏈路不對稱，星上處理能力受限等?？紤]到以上因素，不能將地面路由協(xié)議直接應(yīng)用到LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地路由計算中。在諸多LEO衛(wèi)星系統(tǒng)特點帶來的挑戰(zhàn)下，對星地路由提出了相應(yīng)的設(shè)計需求。

1)星地切換頻繁:LEO衛(wèi)星軌道高度低，衛(wèi)星與信關(guān)站之間處于高速的相對運動中，對于信關(guān)站而言，每顆衛(wèi)星的可視時間非常短，信關(guān)站要始終保持對星可見(使用定向天線)，則切換的速度非常快。本文星地路由研究是在基于Iridium 星座的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行的，根據(jù)Iridium的經(jīng)典參數(shù)可大致計算出，信關(guān)站對每顆衛(wèi)星的可視時間只有9分鐘，也即星地路由切換頻率非常高[6]。

本文中針對低軌衛(wèi)星頻繁進(jìn)行星地切換的特點，需要采用合適的切換準(zhǔn)則從候選切換目標(biāo)衛(wèi)星集合中選擇切換衛(wèi)星。而且由于信關(guān)站接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，原有的星地路由也會發(fā)生改變，為了減少頻繁切換造成的傳輸中斷和數(shù)據(jù)丟失，需要進(jìn)行切換預(yù)測，提前計算星地路由。

2)星載處理能力受限:星載設(shè)備需要考慮發(fā)射難度以及運行成本等問題，同時還要考慮設(shè)備的發(fā)射功率這一限制條件，因此星上設(shè)備的運算能力、存儲容量都不能沿襲地面設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。

為了降低協(xié)議的邏輯控制的復(fù)雜度，本文方案設(shè)計了基于SDN的星地一體路由架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的配置和管理等協(xié)議集中部署于地面信關(guān)站，完成控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，降低星上處理負(fù)荷。

3)網(wǎng)絡(luò)流量變化:在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星節(jié)點覆蓋地球表面，地域、人口分布等問題會導(dǎo)致星地路由中的流量分布不均勻問題[7]。因此,路由協(xié)議應(yīng)具有流量負(fù)載均衡功能,避免因出現(xiàn)鏈路擁塞現(xiàn)象降低網(wǎng)絡(luò)性能。

3 基于SDN的路由架構(gòu)

針對LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星上設(shè)備運算能力、存儲容量受限的特點，為了降低協(xié)議的邏輯控制的復(fù)雜度，本文設(shè)計了基于SDN的星地一體路由架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的配置和管理等協(xié)議集中部署于地面信關(guān)站，完成控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，降低星上處理負(fù)荷。路由架構(gòu)主要包括路由計算、路由注入和路由切換三部分，如圖2所示。

圖2 低軌路由協(xié)議架構(gòu)

1)路由計算：路由計算包括星間路由計算和星地路由計算，本文側(cè)重于研究星地路由計算。地面控制中心結(jié)合衛(wèi)星運動的規(guī)律性，周期性地計算各顆衛(wèi)星對信關(guān)站的覆蓋時間。采用合適的衛(wèi)星切換準(zhǔn)則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間進(jìn)行切換預(yù)測。路由計算部分是本文提出的路由協(xié)議架構(gòu)的核心部分，在第4節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2)路由注入：將集中計算后的路由注入到低軌衛(wèi)星的星載交換機上，并指導(dǎo)路由切換。

3)路由切換：當(dāng)?shù)竭_(dá)路由計算得到的切換時間時，激活星上注入的路由，自動進(jìn)行星上轉(zhuǎn)發(fā)表的更新，完成路由切換。

4 星地路由計算

星地路由計算涉及兩個方面：星地覆蓋規(guī)律計算和切換衛(wèi)星選取。星座中的衛(wèi)星始終處于運動中，地面控制中心需要周期性地進(jìn)行星座覆蓋規(guī)律計算，判斷是否存在單個地面站被兩顆或多顆衛(wèi)星同時覆蓋的情形，如圖3所示，若存在則采用合適的切換準(zhǔn)則從多個覆蓋衛(wèi)星中選取切換衛(wèi)星，進(jìn)行切換預(yù)測。

圖3 星座覆蓋情況

4.1 星地覆蓋情況計算

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)相對地面站進(jìn)行高速移動，一次通信可經(jīng)歷多次星地切換，因此需要對低軌衛(wèi)星的單顆星覆蓋時間、和整個低軌衛(wèi)星系統(tǒng)對地面站的覆蓋規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，為低軌衛(wèi)星和信關(guān)站間路由計算提供支撐[8]。

衛(wèi)星對地覆蓋需要考慮星下點軌跡和覆蓋半徑。星下點定義為衛(wèi)星與地心連線和地球表面的交點。如圖3所示。Re為地球半徑，h為軌道高度，最小仰角Emin定義了衛(wèi)星覆蓋面積的邊界。

本文基于Iridium星座進(jìn)行星座覆蓋規(guī)律計算，由于Iridium星座衛(wèi)星間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定，可根據(jù)某顆已知衛(wèi)星的星下點軌跡，推算所有衛(wèi)星的星下點軌跡。假設(shè)參考經(jīng)線為0°，初始時刻t=0時衛(wèi)星L1.1的右升軌道與參考經(jīng)線重合(λ0=0)，星座覆蓋規(guī)律計算的流程如圖4所示。

圖4 星座覆蓋規(guī)律計算流程圖

1)在時刻t衛(wèi)星L1,1星下點的經(jīng)緯度坐標(biāo)(λs,φs)：

(1)

2)衛(wèi)星Li,j的星下點經(jīng)度λi,j：

(2)

λi,1≥0時±取+，λi,1<0，±取-

表1 銥星參數(shù)列表

3)衛(wèi)星Li,j的星下點緯度φi,j：

(3)

4)信關(guān)站和星下點之間的距離:

d=Re*cos-1[sinφesinφi,j+cosφecosφi,jcos(λe-λi,j)]

(4)

其中衛(wèi)星Li,j的星下點經(jīng)緯度(λi,j,φi,j)，信關(guān)站經(jīng)緯度(λe,φe)。

5)衛(wèi)星對地面的覆蓋半徑:

(5)

其中:h為軌道高度,Emin為最小仰角。

本文選用Iridium系統(tǒng)星座進(jìn)行衛(wèi)星覆蓋規(guī)律計算，Iridium系統(tǒng)是典型的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其軌道參數(shù)如表1所示[9]?；贗ridium系統(tǒng)按照上述計算方法仿真得到北京地面站的部分星歷圖，如表2所示。

仿真計算結(jié)果顯示北京地面站將在360～480 s和900～960 s時間段內(nèi)存在被兩顆衛(wèi)星覆蓋的情況，在960～1 020 s時間段內(nèi)存在被三顆衛(wèi)星同時覆蓋的情形，需要采用合適的切換準(zhǔn)則從多顆覆蓋衛(wèi)星中選擇切換衛(wèi)星。

4.2 切換衛(wèi)星選取準(zhǔn)則

由表1北京站覆蓋情況可知，星座存在著對信關(guān)站的多重覆蓋，切換時需要在多顆覆蓋衛(wèi)星中做出選擇，而采用不同的衛(wèi)星選取準(zhǔn)則時，會使得系統(tǒng)性能的差異較大。在星地路由設(shè)計中，饋電鏈路切換可采用的衛(wèi)星選取準(zhǔn)則主要有以下5種準(zhǔn)則[10]。

最長覆蓋時間準(zhǔn)則：根據(jù)開普勒三定律，任意時刻星座中每顆衛(wèi)星的位置是可預(yù)測的。信關(guān)站通過星歷計算出各顆衛(wèi)星覆蓋時間，當(dāng)原衛(wèi)星不再覆蓋信關(guān)站時，從備選服務(wù)衛(wèi)星中選擇另一顆覆蓋時間最長的衛(wèi)星進(jìn)行切換。最長覆蓋時間準(zhǔn)則結(jié)合星座運行的規(guī)律性，減少了控制中心的計算量。

最大仰角準(zhǔn)則：也稱為最近衛(wèi)星準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則為信關(guān)站選擇當(dāng)前時刻與信關(guān)站之間仰角最大的衛(wèi)星。但由于LEO衛(wèi)星的高速運行，各顆衛(wèi)星與地面站之間的的仰角出在隨時的變化之中，因此控制中心需要連續(xù)計算每時刻每顆衛(wèi)星與信關(guān)站之間的仰角，計算量非常之大，對設(shè)備的計算能力提出了很高的要求。

最強信號準(zhǔn)則：從本質(zhì)上來說，接收到信號才能實現(xiàn)

表2 北京地面站的星歷圖部分計算結(jié)果

通信，因此在最強信號準(zhǔn)則中，信關(guān)站選擇接收到最強信號的衛(wèi)星建立星地路由。

最小負(fù)荷準(zhǔn)則：信關(guān)站選擇負(fù)荷最輕的衛(wèi)星建立鏈路。該準(zhǔn)則實現(xiàn)衛(wèi)星星座中各顆衛(wèi)星的負(fù)荷較為公平地分配，防止有些衛(wèi)星與多個信關(guān)站建立連接，而有些衛(wèi)星處于空閑狀態(tài)情況的出現(xiàn)。

最短傳播路徑準(zhǔn)則：在該準(zhǔn)則下，數(shù)據(jù)傳播路徑最短的衛(wèi)星可以與信關(guān)站建立連接。根據(jù)準(zhǔn)則名稱可知，數(shù)據(jù)傳播的距離最短。那么其傳播延時是所有準(zhǔn)則中最小的。但是與最大仰角準(zhǔn)則面臨同樣的問題，衛(wèi)星和信關(guān)站的距離處于連續(xù)變化之中，需要實時計算各顆衛(wèi)星與信關(guān)站之間的距離，計算量較大[11]。

為了減少信關(guān)站與衛(wèi)星之間的切換頻率，并利用已知的衛(wèi)星運行的規(guī)律性實現(xiàn)較小的計算量，本文選擇最長覆蓋時間準(zhǔn)則。當(dāng)發(fā)現(xiàn)地星仰角低于最小仰角時,信關(guān)站發(fā)出切換請求，開始進(jìn)行饋電鏈路切換。由于信關(guān)站的接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，等到檢測到切換請求后再實時進(jìn)行路由計算，則用戶將會感覺到明顯的中斷。因此本文結(jié)合衛(wèi)星運動的規(guī)律性，根據(jù)4.1節(jié)計算各顆衛(wèi)星覆蓋時間，根據(jù)最長覆蓋時間準(zhǔn)則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間進(jìn)行切換預(yù)測，并將計算結(jié)果注入星上，到達(dá)計算的切換時間激活注入的路由，從而實現(xiàn)快速重路由，盡量減少由于鏈路切換而造成的數(shù)據(jù)丟失和延遲抖動，實現(xiàn)通信過程的服務(wù)質(zhì)量保證。

5 仿真驗證

為了更好地分析本文星地路由協(xié)議的性能，將其與在星地鏈路切換后再進(jìn)行路由計算的標(biāo)準(zhǔn)星地路由協(xié)議進(jìn)行了比較。性能的評價要考慮很多因素，在此著重分析兩種路由算法的丟包率性能。

本文基于Iridium衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，其軌道參數(shù)如表1所示;兩種路由協(xié)議的傳輸性能仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸性能仿真

圖5是標(biāo)準(zhǔn)路由算法在饋電鏈路切換過程中數(shù)據(jù)傳輸情況。分析可知，切換過程中數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)了30秒的中斷。這是因為切換過程中信關(guān)站的接入衛(wèi)星發(fā)生了改變，等到切換完成后才去進(jìn)行路由計算，造成切換前衛(wèi)星已發(fā)送但是還沒有到達(dá)信關(guān)站的數(shù)據(jù)丟失，所以數(shù)據(jù)接收發(fā)生明顯的中斷。

圖6 本文路由協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸性能仿真

圖6是本文提出的路由協(xié)議在饋電鏈路切換過程中的數(shù)據(jù)傳輸情況?？梢姅?shù)據(jù)接收并不存在明顯中斷，只存在少量丟包。這是因為地面控制中心根據(jù)4.1節(jié)計算各顆衛(wèi)星覆蓋時間，據(jù)此計算切換時間進(jìn)行切換預(yù)測。提前進(jìn)行路由計算，并將計算結(jié)果注入到星上，到達(dá)預(yù)測的切換時間激活注入的路由，從而實現(xiàn)快速重路由，減少了饋電鏈路切換而造成的數(shù)據(jù)丟失。

至于優(yōu)化后的算法仍有少量丟包, 原因是衛(wèi)星和信關(guān)站之間的數(shù)據(jù)傳輸某些時候會超過資源限制的閾值，造成鏈路擁塞，可采用星地路由的負(fù)載均衡技術(shù)，減少信道擁塞，這也是后續(xù)要研究的技術(shù)。

6 結(jié)束語

本文提出了一種LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星地一體路由架構(gòu)，并重點研究該路由架構(gòu)的星地路由計算部分。針對LEO衛(wèi)星與信關(guān)站之間饋電鏈路頻繁切換的特點，地面控制中心周期性地計算各顆衛(wèi)星覆蓋規(guī)律，采用最長覆蓋時間準(zhǔn)則選取切換衛(wèi)星，計算切換時間并將路由計算結(jié)果注入衛(wèi)星，待到預(yù)測的切換時間激活注入的路由，從而實現(xiàn)快速重路由。通過理論分析和仿真測試得到，標(biāo)準(zhǔn)星地路由算法在饋電鏈路切換后再進(jìn)行路由計算，造成數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)了30秒的中斷。相比之下本文提出的基于切換預(yù)測的星地路由協(xié)議在丟包率性能上有著明顯的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)接收并不存在明顯中斷，只存在少量丟包，提高了LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。