徐川，周密，趙國(guó)鋒，崔釗婧，何熊文

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.復(fù)雜環(huán)境通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

隨著航空航天、移動(dòng)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，空間信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向[1-2]?；谛l(wèi)星的快速位置報(bào)告、遙感遙測(cè)、應(yīng)急搜救等時(shí)敏業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)對(duì)端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性（丟包率和時(shí)延抖動(dòng)）提出了更高的要求[3]。如圖1 所示，a、b、c表示衛(wèi)星與主星的距離，f1、f2、f3表示不同業(yè)務(wù)。近年來，由于衛(wèi)星編隊(duì)飛行隊(duì)形控制嚴(yán)格，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，被用來支撐時(shí)敏業(yè)務(wù)的確定性傳輸[4]。但衛(wèi)星編隊(duì)飛行的穩(wěn)定隊(duì)形依賴于編隊(duì)中衛(wèi)星之間的協(xié)同控制性能和實(shí)時(shí)交互能力[5-6]，而頻繁的指令交互、姿態(tài)控制導(dǎo)致星上額外的計(jì)算開銷。同時(shí)，當(dāng)任務(wù)需求變化時(shí)，衛(wèi)星編隊(duì)飛行需要進(jìn)行重新規(guī)劃軌道、調(diào)整衛(wèi)星形態(tài)、重新分配任務(wù)等過程，單個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)飛行很難服務(wù)于不同業(yè)務(wù)的端到端傳輸需求[7]，如要部署多個(gè)時(shí)敏業(yè)務(wù)，衛(wèi)星編隊(duì)飛行靈活性差，且成本巨大。

圖1 衛(wèi)星編隊(duì)飛行示意

然而，當(dāng)前大規(guī)模LEO 星座覆蓋廣、組網(wǎng)靈活，發(fā)展迅速，Starlink、OneWeb、Telesat 等新興星座已成為空間信息網(wǎng)絡(luò)的重要代表，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、時(shí)敏通信等提供了條件，且LEO 網(wǎng)絡(luò)正朝著大規(guī)模、多層軌道面部署的方向蓬勃發(fā)展[8-9]，不同軌道面衛(wèi)星之間形成的跨層鏈路提升了鏈路的多樣性，也能減少傳輸跳數(shù)以優(yōu)化時(shí)延。其中Starlink 為每顆衛(wèi)星配備了星間鏈路，連接星座內(nèi)同軌或異軌衛(wèi)星，建立高容量、低時(shí)延的LEO 網(wǎng)絡(luò)[10]。如圖2 所示，考慮兩層LEO衛(wèi)星星座HLEO（high LEO）和VLEO（very LEO）場(chǎng)景，當(dāng)執(zhí)行某項(xiàng)時(shí)敏任務(wù)時(shí)，如能根據(jù)衛(wèi)星星座拓?fù)洌瑥囊?guī)定區(qū)域中選取同層或不同層中運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，組成一個(gè)臨時(shí)衛(wèi)星編隊(duì)（如圖2 中快速位置報(bào)告編隊(duì)），任務(wù)結(jié)束后自動(dòng)釋放衛(wèi)星資源，使之構(gòu)成一個(gè)靈活而穩(wěn)定的衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，替代傳統(tǒng)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行支撐時(shí)敏任務(wù)的確定性傳輸，這將大幅減少衛(wèi)星編隊(duì)飛行的編隊(duì)控制成本；同時(shí)，通過在衛(wèi)星上引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，可以在相同衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建出多個(gè)虛擬衛(wèi)星編隊(duì)，滿足不同任務(wù)的同時(shí)部署與資源的靈活調(diào)度。

圖2 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行示意

然而，LEO 節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，星間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如何在LEO 網(wǎng)絡(luò)中選擇多顆穩(wěn)定的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)是構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊(duì)亟待解決的問題。

本文面向時(shí)敏業(yè)務(wù)的確定性傳輸需求，提出了虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的構(gòu)想，并給出了衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法，主要貢獻(xiàn)如下。

1) 面向時(shí)敏任務(wù)的不同傳輸指標(biāo)需求，提出了基于LEO 網(wǎng)絡(luò)的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)思路，給出了相關(guān)概念，并深入分析了虛擬衛(wèi)星編隊(duì)設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和建立虛擬衛(wèi)星編隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)。

2) 針對(duì)虛擬衛(wèi)星編隊(duì)動(dòng)態(tài)選擇問題，構(gòu)建衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型以刻畫衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)星間鏈路時(shí)延變化的影響，對(duì)鏈路的剩余生存時(shí)間、時(shí)延變化邊界進(jìn)行分析，以時(shí)敏業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延需求為目標(biāo)，提出基于蟻群優(yōu)化理論的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法。

3) 基于STK（systems tool kit）和Exata 搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景對(duì)比分析虛擬衛(wèi)星編隊(duì)性能，仿真結(jié)果表明，相對(duì)于衛(wèi)星編隊(duì)飛行方案，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)方案可以達(dá)到前者所提供的QoS 性能，且能靈活地滿足多種業(yè)務(wù)的確定性傳輸要求。

1 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)分析

具有穩(wěn)定隊(duì)形的傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行能夠支撐時(shí)敏業(yè)務(wù)的確定性傳輸，但會(huì)產(chǎn)生額外的計(jì)算開銷，且不能同時(shí)服務(wù)多個(gè)業(yè)務(wù)。為此，基于廣泛部署的LEO 星座，選取相對(duì)穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，組成一個(gè)臨時(shí)的編隊(duì)替代傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行支撐時(shí)敏任務(wù)的確定性傳輸，能大幅降低編隊(duì)控制成本，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。本節(jié)將詳細(xì)分析虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)及構(gòu)建虛擬編隊(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.1 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，可以靈活地支撐多種業(yè)務(wù)的確定性傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

1) 隊(duì)形控制

傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行要求衛(wèi)星按照一定規(guī)律協(xié)同動(dòng)作，保持相對(duì)穩(wěn)定的距離繞飛，為實(shí)現(xiàn)空間任務(wù)的采集、處理和分析，彼此之間保持緊密連接，衛(wèi)星需要頻繁地進(jìn)行指令交互和姿態(tài)控制，以維持編隊(duì)的穩(wěn)定隊(duì)形。

虛擬衛(wèi)星編隊(duì)在已有的可覆蓋全球的衛(wèi)星星座（如Starlink、OneWeb、Telesat 等）中選取部分相對(duì)穩(wěn)定的衛(wèi)星組成編隊(duì)，編隊(duì)成員按照自己的軌道規(guī)律周期運(yùn)行，不再需要對(duì)衛(wèi)星間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

2) 編隊(duì)靈活性

傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行往往為單一任務(wù)而設(shè)計(jì)，如偵查、重力場(chǎng)測(cè)量、遙感遙測(cè)等，難以應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)需求。當(dāng)面臨任務(wù)需求變化時(shí)，衛(wèi)星編隊(duì)飛行需要進(jìn)行重新規(guī)劃軌道、調(diào)整衛(wèi)星形態(tài)、重新分配任務(wù)等過程，操作復(fù)雜且耗時(shí)；針對(duì)任務(wù)需求差異大的不同任務(wù)，需要設(shè)計(jì)多個(gè)不同的衛(wèi)星編隊(duì)飛行，靈活性差。

虛擬衛(wèi)星編隊(duì)面對(duì)不同業(yè)務(wù)可選取衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中不同區(qū)域的衛(wèi)星來達(dá)到目的，不需要重新規(guī)劃軌道或調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)，也不需要多個(gè)衛(wèi)星編隊(duì)來支撐不同的業(yè)務(wù)傳輸，且某一虛擬衛(wèi)星編隊(duì)中的成員衛(wèi)星也可作為其他業(yè)務(wù)編隊(duì)的成員，靈活性強(qiáng)。

3) 資源利用率

星上資源有限，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行頻繁的指令交互和姿態(tài)控制，需要耗費(fèi)額外的資源。相反，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)不需要耗費(fèi)額外的資源去進(jìn)行隊(duì)形控制，資源開銷??；此外，在星上部署網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，一個(gè)物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可以作為不同虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的節(jié)點(diǎn)使用，系統(tǒng)整體資源利用率高。

4) 衛(wèi)星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)

LEO 具有高移動(dòng)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)時(shí)變特性。相對(duì)于傳統(tǒng)的衛(wèi)星編隊(duì)飛行，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)無嚴(yán)格的隊(duì)形控制，成員衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這要求在業(yè)務(wù)傳輸中考慮衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確保業(yè)務(wù)的確定性傳輸。

總體來說，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)和虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的特征對(duì)比如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)和虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的特征對(duì)比

1.2 構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)

如前文所述，在LEO 網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行給時(shí)敏業(yè)務(wù)的多跳傳輸帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)，面對(duì)靈活的任務(wù)需求，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，星間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如何在動(dòng)態(tài)拓?fù)湎逻x擇出較穩(wěn)定的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行面臨著如下技術(shù)挑戰(zhàn)。

1) 鏈路通斷導(dǎo)致業(yè)務(wù)丟包問題

基于LEO 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)往往通過多跳鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于星間鏈路會(huì)隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而發(fā)生通信中斷，引起數(shù)據(jù)傳輸中的延遲、中斷及路徑切換等，導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟包，降低網(wǎng)絡(luò)性能。

2) 鏈路距離變化導(dǎo)致時(shí)延不穩(wěn)定問題

星間鏈路距離的變化（變短或是變長(zhǎng)），引起鏈路傳播時(shí)延變化，而時(shí)敏業(yè)務(wù)的傳輸往往需要經(jīng)過多跳星間鏈路，任意一跳鏈路的傳播時(shí)延變化都會(huì)帶來端到端時(shí)延抖動(dòng)問題。

為了達(dá)到編隊(duì)飛行的性能要求，在進(jìn)行虛擬衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)建時(shí)，需要通過以下指標(biāo)來衡量編隊(duì)選擇的性能。

1) 時(shí)延有界

時(shí)敏業(yè)務(wù)的確定性傳輸需要保證數(shù)據(jù)包的時(shí)延在一定范圍內(nèi)，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行需要滿足時(shí)延的性能要求。

2) 丟包率

丟包會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌暾院筒豢煽啃?，影響?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間鏈路切換會(huì)導(dǎo)致傳輸中出現(xiàn)丟包。因此，在選擇虛擬衛(wèi)星編隊(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮丟包率性能指標(biāo)。

3) 抖動(dòng)

抖動(dòng)是指端到端時(shí)延的變化量。過高的抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。虛擬衛(wèi)星編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起星間鏈路（尤其是層間鏈路）的距離變化，從而增加端到端時(shí)延抖動(dòng)。

2 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)建模

面向業(yè)務(wù)持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的確定性傳輸需求，星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況會(huì)直接影響虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的節(jié)點(diǎn)選擇，本節(jié)將詳細(xì)分析LEO 網(wǎng)絡(luò)模型以及虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇模型。

2.1 LEO 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖3 所示，面向基于衛(wèi)星的確定性業(yè)務(wù)需求，本文考慮兩層LEO 星座VLEO（very LEO）和HLEO（high LEO）場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。LEO 星座拓?fù)涿枋鰹镚=(V,E)，V=VH∪VL，E=EH∪EL∪EH-L，其中，VH、VL、EH、EL、EH-L分別表示HLEO、VLEO 的衛(wèi)星集合、HLEO 的ISL集合、VLEO 的ISL 集合以及HLEO-VLEO 的層間ISL 集合。其中，同層軌間、不同層間鏈路會(huì)隨衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。

圖3 LEO 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

1) 時(shí)敏業(yè)務(wù)模型

時(shí)敏業(yè)務(wù)f定義為一個(gè)七元組f:〈sf,df,sif,,tf,dlf,jtf〉，其中，sf和df表示業(yè)務(wù)f的源端和目的端；sif表示業(yè)務(wù)f的數(shù)據(jù)量大小；表示業(yè)務(wù)f開始傳輸時(shí)刻；tf表示業(yè)務(wù)f的持續(xù)時(shí)間；dlf表示業(yè)務(wù)的時(shí)延要求；jtf表示業(yè)務(wù)f的端到端抖動(dòng)要求。

2) 星間鏈路建模

目前，LEO 間的鏈路多為激光鏈路[11]，衛(wèi)星必須能看到其他衛(wèi)星才具備通信條件，所以需要對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行可見性分析；其次，衛(wèi)星間如果存在較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星上的天線需要實(shí)時(shí)調(diào)整指向，在這種情況下，由于星上機(jī)械天線調(diào)整，可能會(huì)對(duì)星體的穩(wěn)定性造成影響，因此還需對(duì)相對(duì)角速度進(jìn)行分析。因此，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行可見性分析以及相對(duì)角速度分析是為時(shí)敏業(yè)務(wù)選擇合適的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的前提條件。

如圖4 所示，R為地球半徑，RL、RH分別表示VLEO、HLEO 軌道半徑，ME表示地球的質(zhì)量，Si表示衛(wèi)星，Gi表示地面節(jié)點(diǎn)，α為地面節(jié)點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的最小仰角。在衛(wèi)星運(yùn)行過程中，根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)可以確定衛(wèi)星任意時(shí)刻在地心坐標(biāo)系中的位置。因此，各衛(wèi)星以及地面節(jié)點(diǎn)的位置矢量為r=(x,y,z)，速度矢量為v=(vx,vy,vz)。由以上參數(shù)可得如下關(guān)系。

圖4 衛(wèi)星軌道參數(shù)

衛(wèi)星Si的軌道Li周期TLi

其中，G為引力常量。

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的星間距離dij為

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的相對(duì)位置矢量rij為

兩顆衛(wèi)星Si、Sj的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vij為

任意兩矢量ri、rj之間形成的夾角φ為

其中，·表示點(diǎn)乘。

地心O到兩顆衛(wèi)星Si、Sj連線的距離h為

由于星間鏈路通過大氣層會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，在地球表面設(shè)有最小保護(hù)余隙H。因此，衛(wèi)星間可見需滿足

其中，h可由式(6)計(jì)算。

相對(duì)角速度。由式(4)可得單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)位移矢量v0=vjk，則Sj指向C 點(diǎn)的矢量為rk-rj+v0，于是可以得到單位時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星Sj的轉(zhuǎn)角γ

假設(shè)星上機(jī)械天線的最大角速度為ωm，因此，在可見基礎(chǔ)上，若兩顆衛(wèi)星的相對(duì)角速度大小使式(10)成立，則認(rèn)為星間鏈路建立成功。

2.2 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇模型

1) 剩余生存時(shí)間

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中星間鏈路的生存時(shí)間不同，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的傳輸路徑生存時(shí)間不同，所以在業(yè)務(wù)要求持續(xù)時(shí)間內(nèi)，業(yè)務(wù)通過不同路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸路徑的切換次數(shù)會(huì)有差異，進(jìn)而引起數(shù)據(jù)丟包不同，因此需要考慮傳輸路徑的生存時(shí)間。

鏈路生存時(shí)間。衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致軌間、層間的星間鏈路發(fā)生中斷，鏈路從連接到斷開的一段時(shí)間稱之為鏈路生存時(shí)間。

圖5 鏈路生存時(shí)間分析

假設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)，沒有其他因素干擾，兩衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)保持相對(duì)速度方向不變，衛(wèi)星Si相對(duì)靜止，衛(wèi)星Sj以相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)衛(wèi)星Sj到達(dá)D點(diǎn)時(shí)，兩點(diǎn)間相對(duì)距離達(dá)到可通信的最大距離，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)星間鏈路將斷開。本文定義該時(shí)間為鏈路lij生存時(shí)間，結(jié)合圖5 中的輔助線，化簡(jiǎn)可得

業(yè)務(wù)f傳輸路徑的剩余生存時(shí)間。衛(wèi)星源端到目的端的第j條可達(dá)的傳輸路徑記為Pj，則t時(shí)刻Pj的剩余生存時(shí)間為該條路徑上所有星間鏈路的剩余生存時(shí)間中最小的一個(gè)，即

2) 距離變化率

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中任意一跳鏈路距離變化都會(huì)引起傳播時(shí)延變化，進(jìn)一步導(dǎo)致端到端時(shí)延抖動(dòng)，因此需要考慮傳輸路徑的鏈路距離變化情況。

星間鏈路距離變化率。衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致軌間、層間的星間鏈路距離發(fā)生變化，本文將星間鏈路剩余生存時(shí)間(t)內(nèi)的變化情況定義為星間鏈路距離變化率(t)，具體可表示為

傳輸路徑的距離變化率。在t時(shí)刻路徑Pj的路徑距離變化率(t)為該條路徑上所有星間鏈路的距離變化率最大的一個(gè)，即

3) 面向確定性業(yè)務(wù)需求的傳輸約束

端到端時(shí)延約束。業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，其端到端時(shí)延必須要在時(shí)延要求范圍內(nèi)，表示為

傳播時(shí)延。傳播時(shí)延是指激光在星間無線信道中傳播一定距離所花費(fèi)的時(shí)間，由傳播距離d和傳播速度vc決定。然而，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，星間鏈路的距離dij隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。因此，[t,t+Δt]星間鏈路lij的傳播時(shí)延的計(jì)算式為

傳輸時(shí)延。傳輸時(shí)延是指衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間。傳輸時(shí)延取決于數(shù)據(jù)包大小B（單位為bit）和發(fā)送速率R（單位為bit/s），衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)si的傳輸時(shí)延計(jì)算式為

處理時(shí)延。處理時(shí)延是指衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)包時(shí)通過軟件和硬件對(duì)其進(jìn)行處理所花費(fèi)的時(shí)間。處理時(shí)延由緩存大小BS（單位為bit）與設(shè)備處理速率SP（單位為bit/s）的比率所決定，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)si的處理時(shí)延計(jì)算式為

排隊(duì)時(shí)延。排隊(duì)時(shí)延是指數(shù)據(jù)包在輸出緩存區(qū)中傳輸?shù)芥溌分芭抨?duì)（等待）所花費(fèi)的時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延的大小取決于等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量（隊(duì)列長(zhǎng)度），并且受衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)具體的資源調(diào)度策略和數(shù)據(jù)包到達(dá)方式等因素的影響。節(jié)點(diǎn)Si的排隊(duì)時(shí)延記為。因此，t時(shí)刻業(yè)務(wù)傳輸路徑的總時(shí)延可以描述為

端到端時(shí)延抖動(dòng)約束。業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延抖動(dòng)需在抖動(dòng)要求范圍內(nèi)，表示為

信噪比（SNR）約束。由香農(nóng)定理可知，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間ISL 的信噪比[12]決定著星間鏈路能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)無差錯(cuò)可靠傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾?。在星間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，若SNR 小于預(yù)設(shè)閾值，數(shù)據(jù)傳輸很可能發(fā)生中斷，無法保障ISL 的通信質(zhì)量。t時(shí)刻路徑Pj的信噪比SN(t)約束表達(dá)式為

節(jié)點(diǎn)緩存約束。為保障接收節(jié)點(diǎn)能夠成功接收數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)需要有緩存隊(duì)列長(zhǎng)度以接收或處理數(shù)據(jù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有相同的最大緩存隊(duì)列長(zhǎng)度為β，在t內(nèi)接收節(jié)點(diǎn)等待處理的數(shù)據(jù)量Xn，新到達(dá)業(yè)務(wù)數(shù)量為A(t)，可處理業(yè)務(wù)數(shù)量為D(t)，那么t時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度可以表示為X(t)=Xn+A(t)-D(t)。t時(shí)刻路徑Pj的節(jié)點(diǎn)緩存資源約束(t)表達(dá)式為

其中，XPj(t)定義為路徑Pj的剩余生存時(shí)間TPj(t)內(nèi)的鏈路中的緩存資源最大值。

3 面向時(shí)敏業(yè)務(wù)的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法

由虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇模型可見，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇時(shí)需要滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和QoS 指標(biāo)要求，本節(jié)以時(shí)敏業(yè)務(wù)的確定性傳輸需求為目標(biāo)，選擇最穩(wěn)定的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)為其服務(wù)。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

為滿足業(yè)務(wù)需求時(shí)間內(nèi)的確定性傳輸，所選擇的編隊(duì)需盡可能為業(yè)務(wù)提供持續(xù)穩(wěn)定的傳輸路徑?；谔摂M衛(wèi)星編隊(duì)選擇模型可知，傳輸路徑的生存時(shí)間取決于其所包含鏈路中最短生存時(shí)間的鏈路，當(dāng)一條傳輸路徑不足以滿足業(yè)務(wù)的持續(xù)時(shí)間要求時(shí)，需要為業(yè)務(wù)規(guī)劃多條傳輸路徑，但路徑切換過程中易發(fā)生數(shù)據(jù)丟包，選擇生存時(shí)間較長(zhǎng)的傳輸路徑，業(yè)務(wù)切換過程中的丟包較少；其次，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的鏈路距離變化將引起的星間時(shí)延抖動(dòng)，路徑距離變化小的傳輸路徑更優(yōu)。

因此，本文以剩余生存時(shí)間和距離變化率來量化傳輸路徑的穩(wěn)定性，以最大的路徑剩余生存時(shí)間和最小距離變化率為目標(biāo)，為業(yè)務(wù)選擇穩(wěn)定的傳輸路徑，目標(biāo)函數(shù)如下

其中，約束C1表示路徑Pj的端到端時(shí)延要在業(yè)務(wù)的截止時(shí)間dlf內(nèi)；C2表示路徑的端到端時(shí)延抖動(dòng)要在業(yè)務(wù)要求jtf內(nèi)；C3表示路徑的SNR 要大于預(yù)設(shè)閾值α，否則數(shù)據(jù)傳輸很可能發(fā)生中斷；C4表示路徑的隊(duì)列長(zhǎng)度要小于預(yù)設(shè)閾值β，否則節(jié)點(diǎn)很可能無法接收或處理數(shù)據(jù)。

3.2 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法

根據(jù)3.1 節(jié)的分析，本文把衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的編隊(duì)選擇問題抽象成為時(shí)敏業(yè)務(wù)選擇最優(yōu)路徑的問題模型。由于該模型通常是一個(gè)NP 難問題，而蟻群優(yōu)化（ACO,ant colony optimization）算法已經(jīng)成功地應(yīng)用于解決LEO 網(wǎng)絡(luò)中的路徑選擇問題[14]。因此，本文基于改進(jìn)ACO 算法求解目標(biāo)函數(shù)，求出業(yè)務(wù)持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的最優(yōu)路徑集合，路徑上的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合作為虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的成員集合。針對(duì)一段時(shí)間的確定性業(yè)務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)了基于ACO的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法，如算法1 所示。

算法1基于ACO 的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)選擇算法

為了使算法能夠更好地適應(yīng)不同規(guī)模的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，算法1 中的初始化信息素濃度τij()在大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中采用均勻分布減少計(jì)算，在小規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中采用不均勻信息素分布，更有針對(duì)性地搜索解空間，進(jìn)一步提高效率，且需調(diào)小δ0，使其更多地探索新路徑。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

4.1 場(chǎng)景設(shè)置

為驗(yàn)證本文所提出的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)建算法的可行性與有效性，使用STK 搭建一個(gè)兩層LEO網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，軌道高度和傾角相關(guān)參數(shù)參考Starlink星座的Phase 1 的Shell 1、Shell 2 進(jìn)行設(shè)置[16]，如表2 所示。并基于Exata 進(jìn)行虛擬衛(wèi)星編隊(duì)方案與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行[4]的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

表2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

此外，為了驗(yàn)證本文所提虛擬衛(wèi)星編隊(duì)方案對(duì)多種時(shí)敏業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹涡Ч鶕?jù)文獻(xiàn)[17-18]設(shè)置多種時(shí)敏業(yè)務(wù)，根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]設(shè)置其QoS 指標(biāo)要求，同時(shí)也設(shè)置一種大范圍監(jiān)視業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)參數(shù)如表4 所示。

表4 業(yè)務(wù)參數(shù)

STK 三維仿真場(chǎng)景及業(yè)務(wù)設(shè)置示意如圖6 所示。

圖6 STK 三維仿真場(chǎng)景及業(yè)務(wù)設(shè)置示意

4.2 與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行對(duì)比分析

本節(jié)對(duì)比傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行與虛擬衛(wèi)星編隊(duì)對(duì)同一時(shí)敏業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，針對(duì)同一時(shí)敏業(yè)務(wù)（如快速位置報(bào)告）的確定性要求，選擇同一對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)加載時(shí)敏業(yè)務(wù)，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間距離3 000 km，數(shù)據(jù)量大小為500 bit，時(shí)敏業(yè)務(wù)的開始傳輸時(shí)刻由15 s 到300 s 以步長(zhǎng)15 s 不斷增加，測(cè)試其在300 s 內(nèi)的編隊(duì)服務(wù)性能（單顆衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的時(shí)間一般為300～600 s，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行為業(yè)務(wù)提供至少300 s 的服務(wù)），對(duì)比虛擬衛(wèi)星編隊(duì)與傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行的業(yè)務(wù)傳輸性能指標(biāo)。

如圖7(a)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同半球時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的端到端時(shí)延范圍為[16.72,16.81]ms，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的時(shí)延范圍為[16.63,16.82]ms，時(shí)延范圍擴(kuò)大了0.1 ms，在180 s時(shí)由于虛擬衛(wèi)星編隊(duì)（東北方向運(yùn)行）中的業(yè)務(wù)傳輸路徑發(fā)生切換，時(shí)延出現(xiàn)波動(dòng)。如圖7(b)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)跨半球時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的端到端時(shí)延范圍為[22.15,22.21]ms，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的時(shí)延范圍為[21.98,22.28]ms，時(shí)延范圍擴(kuò)大了0.24 ms。由于傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行會(huì)實(shí)時(shí)控制隊(duì)形，在同半球和跨半球的時(shí)延均較穩(wěn)定，而虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的星間距離會(huì)隨時(shí)間變化，對(duì)端到端時(shí)延有一定影響，但均能滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的時(shí)延傳輸要求。

圖7 不同傳輸時(shí)刻下的時(shí)敏業(yè)務(wù)端到端時(shí)延

如圖8(a)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同半球體時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的端到端時(shí)延抖動(dòng)范圍為[3.0,7.4]μs，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的時(shí)延抖動(dòng)范圍為[0.8,9.6]μs，抖動(dòng)范圍擴(kuò)大了4.4 μs，在180 s時(shí)由于虛擬衛(wèi)星編隊(duì)中的業(yè)務(wù)傳輸路徑發(fā)生切換，抖動(dòng)會(huì)出現(xiàn)較大的變化。如圖8(b)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)跨半球時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的端到端時(shí)延抖動(dòng)范圍為[3.0,7.6]μs，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的抖動(dòng)范圍[0.1,9.7]μs，抖動(dòng)范圍擴(kuò)大了5.0 μs。總體來說，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行在同半球和跨半球的端到端時(shí)延抖動(dòng)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，受編隊(duì)的控制精度影響；虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行中，抖動(dòng)受到傳輸路徑的軌間鏈路距離變化率的影響，但均能滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的抖動(dòng)傳輸要求。

圖8 不同傳輸時(shí)刻下的時(shí)敏業(yè)務(wù)端到端時(shí)延抖動(dòng)

如圖9(a)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同半球時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的丟包率范圍為[0.03%,0.043%]，虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的丟包率范圍為[0.03%,0.08%]，在180 s 時(shí)由于虛擬衛(wèi)星編隊(duì)中的業(yè)務(wù)傳輸路徑發(fā)生切換，丟包率會(huì)增加。如圖9(b)所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)跨半球時(shí)，傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)為業(yè)務(wù)提供的丟包率范圍為[0.032%,0.044%]，該虛擬衛(wèi)星編隊(duì)提供的丟包率范圍[0.032%,0.043%]，其始終存在一條路徑滿足要求，丟包率無明顯變化?？傮w來說，隨時(shí)間變化，丟包率保持相對(duì)穩(wěn)定，均能滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的丟包率要求。

4.3 虛擬衛(wèi)星編隊(duì)支持多業(yè)務(wù)靈活部署

本節(jié)驗(yàn)證所提虛擬衛(wèi)星編隊(duì)方案能夠支撐多種時(shí)敏業(yè)務(wù)的傳輸，設(shè)置如表4 所示的業(yè)務(wù)，共4 種類型，測(cè)試其傳輸不同類型業(yè)務(wù)的編隊(duì)性能；此外，隨機(jī)選取多組源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別處于地球上不同位置，測(cè)試其某一個(gè)類型業(yè)務(wù)（快速位置報(bào)告），在多種類型業(yè)務(wù)（每種類型5 個(gè)業(yè)務(wù)，共20 個(gè)業(yè)務(wù)）同時(shí)傳輸下的編隊(duì)性能情況。

如圖10 所示，面向4 種時(shí)敏業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)編隊(duì)飛行構(gòu)建了4 個(gè)不同的編隊(duì)為其服務(wù)，共占用21 顆衛(wèi)星，且在業(yè)務(wù)傳輸中編隊(duì)衛(wèi)星不會(huì)改變；針對(duì)同樣的時(shí)敏業(yè)務(wù)，本文方法選取了16 顆衛(wèi)星構(gòu)建了4 個(gè)虛擬衛(wèi)星編隊(duì)，其中有5 顆衛(wèi)星復(fù)用在不同編隊(duì)中，衛(wèi)星數(shù)量減少了20%以上，當(dāng)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，也可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的靈活調(diào)整。

圖10 4 種編隊(duì)部署情況

如圖11(a)所示，4 種不同類型業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延并沒有隨時(shí)間出現(xiàn)較大的波動(dòng)，這是因?yàn)檫x擇虛擬衛(wèi)星編隊(duì)時(shí)，考慮了生存時(shí)間和距離變化率，使編隊(duì)相對(duì)穩(wěn)定；另外，在同一條件下，快速位置報(bào)告業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延最小，大范圍監(jiān)視業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延最大，且時(shí)延變化相對(duì)更大，這是因?yàn)榭焖傥恢脠?bào)告業(yè)務(wù)單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最少，而大范圍監(jiān)視業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量最多，且源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)距離最遠(yuǎn)，星間距離變化帶來的影響更大。如圖11(b)所示，隨著業(yè)務(wù)數(shù)量增多，所需衛(wèi)星顆數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度逐漸變緩，這是因?yàn)樘摂M衛(wèi)星編隊(duì)在已有的LEO 網(wǎng)絡(luò)中選擇穩(wěn)定的多顆衛(wèi)星，某一編隊(duì)中的成員衛(wèi)星在資源充足的條件下可作為其他編隊(duì)的成員，提高衛(wèi)星的資源利用率。

圖11 傳輸多種類型業(yè)務(wù)的編隊(duì)性能

如圖12 所示，隨著其他時(shí)敏業(yè)務(wù)數(shù)量的增加，當(dāng)前的快速位置報(bào)告業(yè)務(wù)的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著其他業(yè)務(wù)的加入，該快速位置報(bào)告編隊(duì)的成員衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)會(huì)與其他業(yè)務(wù)的編隊(duì)共用衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源，從而會(huì)影響當(dāng)前業(yè)務(wù)的傳輸性能，但其在不同數(shù)量的業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊懴拢瑫r(shí)延、抖動(dòng)、丟包率仍然能夠滿足該時(shí)敏業(yè)務(wù)的需求，并且能夠同時(shí)支撐多業(yè)務(wù)的靈活部署。

圖12 快速位置報(bào)告虛擬衛(wèi)星編隊(duì)在多個(gè)業(yè)務(wù)傳輸下的編隊(duì)性能

5 結(jié)束語

面向確定性傳輸業(yè)務(wù)需求，針對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)飛行需要實(shí)時(shí)隊(duì)形控制導(dǎo)致額外資源開銷，并且面臨多個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)不夠靈活的問題，本文提出了虛擬衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)想來支撐確定性傳輸。首先分析了基于低軌星座的虛擬衛(wèi)星編隊(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和性能指標(biāo)；然后，通過刻畫星間鏈路的生存時(shí)間與距離變化率等屬性，建立了虛擬衛(wèi)星編隊(duì)節(jié)點(diǎn)選擇模型；最后，以該模型為基礎(chǔ)，基于時(shí)敏業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)虛擬衛(wèi)星編隊(duì)飛行選擇算法。仿真結(jié)果表明，所提虛擬衛(wèi)星編隊(duì)方案能夠?yàn)闀r(shí)敏業(yè)務(wù)提供確定性傳輸，還能同時(shí)支撐多種業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸。