李文屏 白鶴峰 趙 毅* 馮旭哲 邵富杰

①(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京 100094)

②(國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410003)

1 引言

未來(lái)天基骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，作為天基信息高速公路，通過(guò)建立星間、星地骨干鏈路，為陸、海、空基寬帶用戶和天基節(jié)點(diǎn)，提供全球骨干傳輸、寬帶接入、全域通聯(lián)等服務(wù)。未來(lái)，天基骨干傳輸系統(tǒng)將向?qū)拵c中繼融合方向發(fā)展，是衛(wèi)星寬帶通信和數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、綜合化發(fā)展的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的由單一軌道構(gòu)成的單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)榈厍虮砻娴年懮?、海上、空中用戶提供全球通信服?wù)，但無(wú)法滿足航天器等太空用戶的覆蓋需求，而采用多層軌道的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)能夠提供全域覆蓋，因此面向全域用戶的多層軌道衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有重要的研究意義，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

衛(wèi)星按所處軌道高度可分為低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星、中軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星和地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛(wèi)星[1–3]。多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)是指在不同軌道層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)通過(guò)星間鏈路構(gòu)建的多層立體交叉衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)[4]，例如雙層或多層軌道平面內(nèi)同時(shí)部署衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)多重覆蓋。層內(nèi)、層間星間鏈路是多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，是連接不同層間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的主要手段。

目前多數(shù)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的研究局限于地面覆蓋分析，對(duì)于為空間用戶服務(wù)的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋性研究甚少。文獻(xiàn)[5–10]對(duì)GEO/LEO衛(wèi)星的雙層衛(wèi)星組網(wǎng)進(jìn)行研究，但僅從地面的全覆蓋著手考慮，沒(méi)有涉及天域覆蓋。且這些研究為了實(shí)現(xiàn)地面的全覆蓋，需要大量的LEO衛(wèi)星，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)于龐大，相應(yīng)的路由算法復(fù)雜度急劇上升。文獻(xiàn)[11]針對(duì)GEO理論上不能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的問(wèn)題，提出了一種傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit, IGSO)/LEO衛(wèi)星的雙層衛(wèi)星組網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)同樣從地面的全覆蓋著手考慮，沒(méi)有涉及天域覆蓋問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]研究了基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)星座的天域覆蓋幾何可見(jiàn)性。文獻(xiàn)[13]歸納了影響全域覆蓋性能主要因素，對(duì)全域覆蓋性能計(jì)算方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[14]針對(duì)GEO/MEO/LEO多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了鏈路中斷時(shí)的高效路由策略。上述文獻(xiàn)對(duì)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)研究不多，在研究多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋性的同時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，如：路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等，對(duì)用戶通信質(zhì)量影響大，值得定量分析研究。

本文針對(duì)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的全域覆蓋需求，提出一種中高軌衛(wèi)星軌道層的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(3GEO+3IGSO/24MEO)。對(duì)從地球表面到高軌層約36000 km高度的全域覆蓋性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明該多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)全域100%的覆蓋。然后進(jìn)一步對(duì)路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究，說(shuō)明了中軌層與高軌層之間建立層間星間鏈路的必要性。

2 多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為陸、海、空、天基各類用戶提供服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，需要在全域范圍內(nèi)提供全時(shí)間段覆蓋，即在任何時(shí)刻都有骨干節(jié)點(diǎn)覆蓋全域的任何區(qū)域，且是全時(shí)間段一直連通的。除了滿足全域覆蓋之外，還需要從通信鏈路穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)健壯性、用戶通信時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、衛(wèi)星成本等方面考慮，確定衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

對(duì)于單層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)，低軌衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)周期短，通過(guò)低軌衛(wèi)星與低軌用戶和地面用戶進(jìn)行通信時(shí)，需要不停地切換通信鏈路，缺乏通信鏈路的穩(wěn)定性；且需要大量的低軌衛(wèi)星來(lái)組建低軌網(wǎng)絡(luò)層，增加了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。高軌衛(wèi)星具有低軌衛(wèi)星無(wú)法比擬的覆蓋性能優(yōu)勢(shì)，能用較少的高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全域覆蓋，且能實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的通信鏈路。但高軌衛(wèi)星與地面用戶和低軌用戶通信時(shí)延增加，導(dǎo)致需要其他軌道層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來(lái)彌補(bǔ)這一劣勢(shì)。中軌衛(wèi)星星座的特征介于低軌衛(wèi)星星座和高軌衛(wèi)星星座之間，規(guī)模適當(dāng)?shù)闹熊壭l(wèi)星可形成全域覆蓋能力。與高軌衛(wèi)星較大的通信時(shí)延(針對(duì)低軌用戶和地面用戶而言)相比，中軌衛(wèi)星在通信時(shí)延方面有較大的優(yōu)勢(shì)，正好彌補(bǔ)了高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)這一劣勢(shì)。

針對(duì)大量分散分布用戶全域覆蓋、多路徑傳輸?shù)刃枨?，考慮到單層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)魯棒性不足和服務(wù)能力限制，本文采用多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對(duì)用戶“一點(diǎn)接入、全網(wǎng)通達(dá)”要求，多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)各可視衛(wèi)星之間建立星間鏈路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋性、用戶通信時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度等之間作出均衡選擇，采用中高軌混合的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文提出一種中高軌混合的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為減少多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星數(shù)量，本文采用如圖1所示的“衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)/全域用戶接入”模型，即將多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)既作為衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，支持全球高速骨干傳輸；又作為全域用戶接入的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，支持陸?？盏孛嬗脩艉透咧械蛙壧旎脩艚尤搿?/p>

圖1 “衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)/全域用戶接入”模型

多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)包括高軌層和中軌層星座(3GEO+3IGSO+24MEO)，如圖2所示，具體為：

圖2 3GEO+3IGSO+24MEO星座構(gòu)型

高軌層：由3GEO+3IGSO衛(wèi)星組成。3顆GEO衛(wèi)星在GEO軌道面均勻分布，主要為全球中低緯度區(qū)域上空用戶提供接入；3顆IGSO衛(wèi)星為65°傾角的同軌道面均勻分布衛(wèi)星，主要為全球高緯度區(qū)域上空用戶提供接入。3顆GEO衛(wèi)星之間、3顆IGSO衛(wèi)星之間、可視的GEO與IGSO之間，建立星間鏈路，保證在軌形成一個(gè)互聯(lián)互通的高軌骨干網(wǎng)絡(luò)。

中軌層：由24MEO中軌衛(wèi)星組成。24顆MEO衛(wèi)星采用Walker(24/3/1)星座，軌道高度20000 km。同軌道面8顆MEO衛(wèi)星建立星間鏈路、異軌道面MEO衛(wèi)星按可見(jiàn)性建立星間鏈路，保證在軌形成一個(gè)互聯(lián)互通的中軌骨干網(wǎng)絡(luò)。中軌層主要為低軌用戶和地面用戶提供接入，對(duì)于中軌用戶，則根據(jù)實(shí)際情況選擇網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)的高軌層或中軌層星座為其提供接入。

該多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已在北斗系統(tǒng)建設(shè)上有較為成熟的應(yīng)用，能滿足對(duì)地多重覆蓋的基礎(chǔ)上，形成較穩(wěn)定的傳輸路徑，避免了采用低軌星座帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜度以及頻繁切換通信鏈路的弊端。與北斗系統(tǒng)星座架構(gòu)相比，3顆IGSO衛(wèi)星采用同軌道面部署，在兼顧兩極覆蓋的基礎(chǔ)上可形成更好的全球覆蓋性能，但在全域覆蓋性能和通信網(wǎng)絡(luò)性能等方面還有諸多技術(shù)細(xì)節(jié)仍有待研究。比如：該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是否滿足全域覆蓋和網(wǎng)絡(luò)性能的需求？不同軌道層間之間是否需要層間星間鏈路？接下來(lái)將進(jìn)行詳細(xì)分析論證。第3節(jié)將對(duì)該骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的覆蓋率、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)等全域覆蓋性能進(jìn)行分析，研究其全域覆蓋性能和全域用戶多重覆蓋能力。第4節(jié)將分別對(duì)有層間星間鏈路和無(wú)層間星間鏈路兩種架構(gòu)的路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)說(shuō)明層間星間鏈路的存在必要性。

3 全域覆蓋性研究

針對(duì)“衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)/全域用戶接入”模型，陸、海、空、天基用戶接入多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的前提是需要實(shí)現(xiàn)全域覆蓋。下面從全域覆蓋原理和覆蓋性能兩方面，對(duì)該多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的全域覆蓋性進(jìn)行研究。

3.1 全域覆蓋原理

全域覆蓋能力是衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)將所需衛(wèi)星通信資源動(dòng)態(tài)分配到所在位置的能力，具有時(shí)間和位置的特征。與地面覆蓋性分析不同，全域覆蓋性分析將會(huì)增加一個(gè)維度，可以將36000 km以下天域分為無(wú)數(shù)個(gè)同心球面，當(dāng)對(duì)所有高度的球面進(jìn)行覆蓋性分析之后，便可以得到全域覆蓋性。對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)球面覆蓋性分析又可以拆分為單個(gè)衛(wèi)星的覆蓋性分析，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋性是由單個(gè)衛(wèi)星的覆蓋性組合而成的。衛(wèi)星通過(guò)搭載的轉(zhuǎn)發(fā)器接收或者發(fā)送信號(hào)，單個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的覆蓋區(qū)域，即衛(wèi)星搭載的轉(zhuǎn)發(fā)器可以觀測(cè)到的區(qū)域范圍。單顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器以一定的輻射角向地球發(fā)射信號(hào)，信號(hào)覆蓋區(qū)域呈圓錐形。空間用戶在收發(fā)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，一方面要考慮衛(wèi)星信號(hào)輻射角的限制，另一方面要避免地球的遮擋。

單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)輻射錐邊緣與轉(zhuǎn)發(fā)器在地球表面切線之間的輻射區(qū)域，和轉(zhuǎn)發(fā)器在地球表面兩切線之間的輻射區(qū)域，如圖3所示，S為衛(wèi)星，Hs為衛(wèi)星軌道高度。坐標(biāo)系選擇為地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐標(biāo)系，設(shè)衛(wèi)星S的坐標(biāo)為(xs,ys,zs)，衛(wèi)星S轉(zhuǎn)發(fā)器在地球表面的切線SB與衛(wèi)星和地球球心連線SO的夾角為β，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的半輻射角∠DSO為γ，則與衛(wèi)星信號(hào)輻射范圍相切的球面高度h為

圖3 單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域

其中，R為地球半徑，衛(wèi)星到地心的距離OS=R+HS，且OD=R+h。

相對(duì)于地面用戶，空間用戶的觀測(cè)范圍有所不同，隨著空間用戶軌道高度的增加，其能夠以一定的負(fù)仰角對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，如圖4所示，箭頭范圍表示空間用戶U的有效觀測(cè)范圍。在ECEF坐標(biāo)系中， (xu,yu,zu)為 空間用戶U的坐標(biāo)，Hu為其軌道高度，θ為用戶在地球表面的切線與用戶和地球球心連線的夾角，則θ可表示為

圖4 空間用戶的觀測(cè)范圍

3.2 全域覆蓋性能

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能由多顆衛(wèi)星的覆蓋性組合而成，評(píng)價(jià)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能通常包括覆蓋率、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)等指標(biāo)。

覆蓋率是指衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對(duì)給定軌道高度球面所覆蓋的面積與整個(gè)軌道球面面積的比值。若衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行周期內(nèi)，0～36000 km軌道高度球面的覆蓋率均為100%，則認(rèn)為該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有全域覆蓋能力。

可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)是指覆蓋區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn)可以觀測(cè)到的衛(wèi)星總數(shù)。可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)越多，則表示該采樣點(diǎn)可接入的衛(wèi)星越多，覆蓋性能越好。

運(yùn)用式(3)作為衛(wèi)星可見(jiàn)性的判斷條件，對(duì)連續(xù)空間和時(shí)間進(jìn)行離散采樣，計(jì)算得出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)。本文首先對(duì)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)(3GEO+3IGSO/24MEO)的覆蓋率進(jìn)行計(jì)算分析，各軌道星座參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 各軌道星座參數(shù)

圖5 空間用戶相對(duì)衛(wèi)星的3種位置

設(shè)置GEO和IGSO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器半輻射角γ= 60?，MEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器半輻射角γ= 45?，針對(duì)高軌層(3GEO+3IGSO)和中軌層(24MEO)、多層(3GEO+3IGSO/24MEO)等3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，對(duì)0～36000 km整個(gè)空域，以1000 km為高度采樣步長(zhǎng)劃分軌道球面，以6°為經(jīng)緯度采樣步長(zhǎng)劃分空間用戶的觀測(cè)點(diǎn)，以0.5 h為采樣步長(zhǎng)劃分觀測(cè)時(shí)間，計(jì)算全天24 h各觀測(cè)點(diǎn)的衛(wèi)星可見(jiàn)性，所有可觀測(cè)點(diǎn)圍成的區(qū)域?yàn)楦采w區(qū)，進(jìn)而求得各軌道球面的覆蓋率。因數(shù)據(jù)量大，表2列舉了典型高度和時(shí)間的覆蓋率。

表2表明：高軌層、中軌層、多層等3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全域覆蓋率均為100%。

表2 3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率(%)

用可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)來(lái)衡量3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的覆蓋性能，以1000 km為高度采樣步長(zhǎng)劃分軌道球面，以0.5 h為采樣步長(zhǎng)劃分觀測(cè)時(shí)間，每個(gè)球面隨機(jī)確定空間用戶的觀測(cè)點(diǎn)，分析計(jì)算全天24 h不同高度下3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)的最大值、平均值和最小值，得到一組仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6中橫坐標(biāo)為空間用戶軌道高度Hu，縱坐標(biāo)為可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)，其中3條曲線分別表示不同軌道高度的用戶對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)的最大值、平均值和最小值。

由圖6可知：在地球表面到一定高度之間，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)的最大值、平均值和最小值都隨著空間用戶軌道高度的增加而增加，這是由于隨著軌道高度增加，因地球遮擋的天球錐體部分減小，使得用戶可以以一定的負(fù)仰角接收衛(wèi)星信號(hào)，從而使可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)不斷增加。當(dāng)軌道高度到達(dá)一定高度時(shí)，平均可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)達(dá)到最大，高軌層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在30000 km處達(dá)到最大，中軌層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在16000 km處達(dá)到最大，多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)在16000 km處達(dá)到最大。隨高度再次增加，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)最大值、平均值和最小值都開(kāi)始減少，這是由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)地形成一定的輻射角，用戶以正仰角接收的衛(wèi)星數(shù)不斷減少，從而使可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)不斷減少。

圖6 用戶軌道高度與可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系

由上述的分析可知，3種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)全域100%覆蓋，但是多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)的最大值、平均值和最小值優(yōu)于高軌層和中軌層。多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)可由高軌層實(shí)現(xiàn)全域1層覆蓋，再由中軌層實(shí)現(xiàn)全域2層覆蓋，因此具有更多的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)，可為用戶提供更多的接入路徑選擇，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和可用度。

4 網(wǎng)絡(luò)性能分析對(duì)比

4.1 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

下面從路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等指標(biāo)對(duì)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析比較。

路徑數(shù)是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所有可選路徑的總量。路徑數(shù)是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)健壯性的指標(biāo)，路徑數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)健壯性越好。

最少跳數(shù)是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所有路徑中所含鏈路的最小值。跳數(shù)是評(píng)價(jià)路徑選擇的指標(biāo)，一般最優(yōu)路徑的跳數(shù)最少。

最小時(shí)延是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)延的最小值。最小時(shí)延是評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)，時(shí)延越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好。

4.2 網(wǎng)絡(luò)性能比較

星間鏈路是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部互聯(lián)互通、為用戶提供“1點(diǎn)接入、全網(wǎng)通達(dá)”的基礎(chǔ)。本文將中高軌多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)分為無(wú)層間星間鏈路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(簡(jiǎn)稱架構(gòu)1，3GEO+3IGSO-24MEO)和有層間星間鏈路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(簡(jiǎn)稱架構(gòu)2，3GEO+3IGSO+24MEO)，通過(guò)對(duì)路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延的比較，從網(wǎng)絡(luò)性能的角度分析層間星間鏈路的必要性。

對(duì)高軌、中軌、低軌和地面4類用戶，存在10種典型應(yīng)用場(chǎng)景，如表3所示。

表3 典型應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)每個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景指定的特定用戶對(duì)，比較分析路徑數(shù)和最小時(shí)延等指標(biāo)。具體方法：首先根據(jù)3.1節(jié)中用戶對(duì)單顆衛(wèi)星的可見(jiàn)性判斷條件公式，分別計(jì)算出各時(shí)間段的所有骨干衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)以及用戶節(jié)點(diǎn)之間的可見(jiàn)關(guān)系，根據(jù)可見(jiàn)即可達(dá)的原則，遍歷出各時(shí)間段內(nèi)所有的源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的可達(dá)傳輸路徑，即可得到各種典型場(chǎng)景下的傳輸路徑數(shù)。再根據(jù)式(4)、式(5)得出每條傳輸路徑的傳輸時(shí)延，取最小值即為最小時(shí)延。

由于在兩跳情況下兩個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)僅僅通過(guò)1顆骨干衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)連接，無(wú)需采用星間鏈路，故此時(shí)架構(gòu)1和架構(gòu)2傳輸路徑一致。為了說(shuō)明層間星間鏈路存在的必要性，至少需要2顆骨干衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行對(duì)比分析，故最少跳數(shù)為3跳和4跳的情況下，分別計(jì)算10種場(chǎng)景在架構(gòu)1和架構(gòu)2的路徑數(shù)與最小時(shí)延。

由圖7可知：對(duì)于10種場(chǎng)景，架構(gòu)2的3跳和4跳路徑數(shù)均多于架構(gòu)1，中軌與高軌之間的層間星間鏈路將顯著增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

圖7 2種架構(gòu)的路徑數(shù)

由圖8可知：在前4種場(chǎng)景中，架構(gòu)2的3跳和4跳最小時(shí)延小于架構(gòu)1，這是因?yàn)橛袑娱g星間鏈路可以減少高軌用戶到高軌用戶、中軌用戶、低軌用戶、地面用戶的傳輸路徑距離。對(duì)于其他場(chǎng)景，由于不含高軌用戶，最小時(shí)延傳輸路徑均在中軌層，故兩種架構(gòu)的最小時(shí)延相同。

圖8 2種架構(gòu)的3跳和4跳最小時(shí)延

從路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等分析結(jié)果，可得中軌層(24MEO)和高軌層(3GEO+3IGSO)之間建立層間星間鏈路的必要性，特別是高軌用戶接入骨干網(wǎng)時(shí)，有層間星間鏈路的架構(gòu)性能較優(yōu)。但對(duì)于多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)，層間星間鏈路也將增加系統(tǒng)的運(yùn)行復(fù)雜度和工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)陸、海、空、天基全域用戶通信需求，提出一種中高軌混合(3GEO+3IGSO/24MEO)的多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)對(duì)多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的全域覆蓋性進(jìn)行研究分析，可得出本架構(gòu)在從地表到約36000 km地球同步軌道高度的全域可實(shí)現(xiàn)100%覆蓋，且能提供多重衛(wèi)星覆蓋；并且進(jìn)一步從路徑數(shù)、最少跳數(shù)、最小時(shí)延等方面，分析了無(wú)層間星間鏈路和有層間星間鏈路兩種骨干網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能，仿真分析結(jié)果表明多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在層間星間鏈路的必要性，層間星間鏈路能夠提高多層衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)的健壯性，并且能降低用戶傳輸時(shí)延，但層間星間鏈路將增加衛(wèi)星載荷重量和管理復(fù)雜度。