空间信息网络通信业务承载能力的衡量方法研究

朱世超, 归 琳, 罗汉文, 田 丰, 张 琦

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

空间信息网络通信业务承载能力的衡量方法研究

朱世超, 归 琳, 罗汉文, 田 丰, 张 琦

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

由于空间信息网络的空间和时间的大尺度特性及其复杂度的大幅提高,已有的信息传输能力衡量方法已无法有效地衡量现有和未来的空间信息网络.本研究首先建立复杂的空间信息网络模型,通过分析空间信息网络的数据接入能力和网内数据传输能力,来衡量整个空间信息网络的通信业务承载能力.最后利用STK和Matlab仿真软件,进行协同仿真,验证了所提出的衡量方法的合理性.

空间信息网络; 数据接入能力; 数据传输能力; STK仿真; Matlab仿真

0 引 言

随着空间信息网络全球化趋势的不断发展,空间资源制高点的争夺战日趋白炽化.因此,国内外相关机构和组织会持续投入大量的人力和物力开展空间信息网络相关技术的研究及相关实验验证.目前,国内外关于空间信息网络的研究,已基本形成“骨干网+接入网”体系架构的共识[1-5].即在原有基于高轨骨干卫星的基础上,增加骨干网的热点补充“区域增强层”[6-7],构架“骨干+区域增强”双层骨干网架构的空间信息网络,来提高空间信息网络的数据传输能力,应对全球范围内的区域性突发业务需求.场景如图1所示.

图1 系统场景示意图

数据传输是空间信息网络骨干网的主要功能,用户将数据传入空间信息网络的骨干网,数据可以通过骨干网卫星节点中继后传输到用户,传输方式可以为一跳或多跳.针对空间信息网络中数据的传输流程,本研究通过计算空间信息网络骨干网的数据接入能力和骨干网的数据传输能力,来衡量空间信息网络的业务承载能力.

目前空间信息网络容量的分析集中于骨干网接入能力的分析.文献[8]研究了空间信息网络的接入能力,文献[9]研究了如何布设地面基站提高空间信息网络的接入能力.但是,这些文献把空间信息网络中的骨干网作为“黑箱”,未考虑其网络内部特征,无法准确反映空间信息网络的业务承载能力,也不适用于我国的地面基站布设位置受限的国情.

本研究基于区域增强层的概念,综合分析低轨卫星(LEO)、中轨卫星(MEO)、地球静止轨道卫星(GEO)的特点,结合卫星之间,以及卫星与地面用户之间的实时相对位置,计算链路特性,主动进行空间信息网络的动态重构,从骨干网接入传输速率和骨干网内部传输速率两方面给出了空间信息网络数据传输能力的计算方法及仿真结果.

1 系统模型

选用了STK软件来进行空间信息网络的场景建模.在场景中,需要考虑到LEO、MEO、GEO.根据STK数据库中的卫星,选用YAOGAN卫星系统中的YAOGAN_1、YAOGAN_2、YAOGAN_3、YAOGAN_4、YAOGAN_5、YAOGAN_6、YAOGAN_7、YAOGAN_8、YAOGAN_9A、YAOGAN_9B、YAOGAN_9C共11颗卫星作为LEO分析对象;选用COSMOS卫星系统中的COSMOS_2413、COSMOS_2418、COSMOS_2425、COSMOS_2426、COSMOS_2431、COSMOS_2432共6颗卫星作为MEO分析对象;选用IS卫星系统中的IS-5、IS-9、IS-11、IS-12共4颗卫星作为GEO分析对象.如此建立模型,可以实现全球业务覆盖以及热点地区区域增强的要求.系统模型如图2所示.

图2 系统模型示意图

在计算骨干网接入能力时分析全球接入能力是无意义的,也是不符合实际的,因为卫星绕地球飞行,全球最大接入能力就是将所有卫星以最大带宽进行接入,此结果为定值,因此,分析的应是某一个地区接入空间信息网络的能力.在实验中,本文作者分析了西班牙马德里地区的用户接入空间信息网络的能力.在STK中,可将该地区的用户抽象为一个位于马德里的地面站.同理,分析骨干网内部传输速率时如果不指定接收区域,空间信息网就会变为一个全局网,每条链路的含义并不明确,这种计算也是无意义的,因此必须指定接收区域.在实验中,作者选择了美国奥兰多地区作为接收用户的分布范围,在STK中抽象为一个位于奥兰多的地面站.因此,在本实验中,作者分析了西班牙马德里地区的用户接入空间信息网络骨干网的能力,以及接入后通过空间信息网向美国奥兰多地区传输数据的能力.

在分析骨干网接入能力时,假设同一星座中卫星的收发机功率、带宽相同,且轨道越高,功率与带宽也越大.考虑卫星为信号发射端,安装发射机,地面用户为信号接收端,安装接收机.假设LEO卫星发射的信号带宽为100 MHz,MEO为200 MHz,GEO为500 MHz.假设卫星发射机天线对地发射的波束为笔形波束,主瓣增益为30 dB,地面接收机天线为全向天线.主要噪声干扰来自于背景噪声与星间干扰.背景噪声可在STK中选择国际电信联盟的标准进行配置,并考虑下雨、大气层等因素的影响.星间干扰主要来源于接收机可能同时位于多颗同频率的卫星波束覆盖范围之内,当选择一颗接入时,其他卫星的同频信号需要被视作干扰信号.

在分析骨干网内部传输能力时,可以任意指定发送端和接收端,并假设星间通信的最大带宽与接入带宽相同,载波频率位于Ka波段,设为34.5 GHz;背景噪声的选择符合国际电信联盟标准.

2 衡量方法

骨干网向某给定区域用户提供的接入能力,定义为骨干网面向该区域用户的最大数据接入能力;可以通过计算骨干网中所有可见卫星节点的接入能力之和,衡量骨干网的接入能力.骨干网的数据传输能力,定义为骨干网内部最大的数据流通能力;可以通过计算骨干网内部的数据传输速率上限,衡量骨干网的数据传输能力.

关于骨干网接入能力分析.设马德里地区在某一时刻对N个卫星节点可见,卫星节点通过单址天线接入业务.单址天线带宽为W.由于一个用户可能同时在几颗卫星波束的覆盖范围内,所以用户接入时存在相互干扰.在t时刻,Pvi(t)表示卫星vi的发射功率,γvi,uj(t)表示骨干星vi和用户uj之间的路径损耗,给出其信噪比

(1)

其中N0为背景噪声功率,β为信噪比的临界值,G为系统的处理增益.

γv,u(t)理论上满足公式(2):

(2)

网络的接入容量λN为空间信息网络骨干网和所有用户之间数据传输速率之和,

(3)

式中,Lvi,uj(t)∈{0,1}表示在接入控制策略下,骨干星vi和用户uj在t时刻能否建立链接,在本实验中,由于分析最大接入能力,令其恒等于1.Avi,uj(t)表示vi和uj是否可见,满足:

(4)

Rvi,uj(t)表示骨干星vi和用户uj之间数据传输速率,可由香农公式得到:

(5)

关于骨干网的数据传输能力分析.假设马德里与奥兰多上空可见卫星的集合为{N},即共有N个卫星节点,对于马德里或奥兰多可见.卫星节点间通过Ka单址天线通信,且星上只有一副Ka单址天线用于骨干网内部数据传输,即每个节点同一时刻上最多存在一条星间链路.设网络中同时存在的链路数目为L,卫星节点vi和vj间的最大数据传输速率为Evi,vj,则空间信息网络骨干网的数据传输能力上限,即为空间信息网络中能够同时存在的所有通信链路的速率之和.建立最优化问题,如公式(6).

(6)

式中,deg(vi)表示卫星节点vi的维度,由于卫星节点只具有一个Ka单址天线,因此deg(vi)≤1,Uvi表示所有和vi可建链的节点集合.

考虑到上述最优化问题是NP-hard问题,无法在有限时间内求得最优解.为减少算法复杂度,本研究拟采用贪心算法求解骨干网的最大数据传输能力.求解思路如下:

1)设骨干网卫星节点集合为T,对于所有满足vj∈Uvi,vi∈Uvj的卫星节点vi和vj,选取最大权值Evi,vj.

2)将节点vi和vj从集合T中去掉,T=T/{vi,vj},返回步骤1),选取剩余节点的最大权值.直到T为空集或单点集.

3 仿真验证

3.1 骨干网接入能力仿真

在STK中,将实验的始末时间设为2016年11月07日00∶00∶00与2016年11月08日 00∶00∶00(UTC时间),即分析2016年11月7日这一天的状态.

图3是马德里地区在这一天之内对各个卫星可见时间的统计图.

图3 马德里地区卫星可见时间统计图(UTCG,也可写作GregorianUTC或GregUTC,即公历UTC时间)

根据图3可以得出,在一天的时间中,用户上空的可见卫星数量是变化的,除了3颗地球同步卫星始终可见以外,中轨星和低轨星有时可见,有时不可见.可以初步推断,该地区接入空间信息网的能力在一天中也是变化的,当可见星较多时,接入能力也会增强.

通过设置接收机的载波噪声比约束,即选择(4)式中合理的β值,得出满足要求的链路.当某一时刻只有一条链路存在时,将在STK中读出的载波噪声比C/N作为信噪比SINR的值,直接代入公式(5),计算得到接入数据传输速率.当同一时刻有多条链路存在时,需要考虑不同链路之间的干扰,依据公式(1)进行计算.为计算方便,可取L=1,并将公式(1)变形为公式(7):

(7)

以上为根据STK仿真的链路信息得出的最大接入传输速率,下面利用(2)式直接计算出γv,u(t),将此参数代入公式(1),计算得出信噪比,并利用该信噪比计算出空间信息网络最大接入传输速率,与STK中仿真得到的结果作比较.

图4是在Matlab中绘出的2016年11月7日00∶00∶00至2016年11月7日00∶06∶00(UTC时间)马德里地区用户接入空间信息网最大速率的效果图,其中实线为根据STK仿真得到的数据,虚线为根据衡量标准计算得到的数据.

图4 空间信息网络接入速率仿真图

当只通过GEO卫星接入时,由于信噪比十分不理想,传输速率很低,当增加MEO卫星接入时,传输速率有一定的提高,当再增加LEO卫星接入时,传输速率显著提高.因此,构建“区域增强层”是很有必要的.

3.2 骨干网数据传输能力仿真

下面选择一个特定的时刻(15∶20∶00)举例说明骨干网数据传输能力的计算方法.

在15∶20∶00时刻,马德里上空满足要求的卫星有YAOGAN_6、YAOGAN_1、COSMOS_2418、COSMOS_2413、COSMOS_2425、IS-11、IS-5、IS-12;奥兰多上空满足要求的卫星有YAOGAN_8、YAOGAN_9A、YAOGAN_9B、YAOGAN_9C、COSMOS_2418、COSMOS_2413、IS-11、IS-5、IS-9.

现在假设马德里上空的卫星全部有接入数据,并且所有数据都需要发送至奥兰多.可以看出,有些卫星是同时覆盖两个地区的,认为信息可以直接通过这些卫星进行中继,不需要在骨干网内进行数据传输.将这些卫星排除分析之后,根据衡量标准中的贪心算法,同一时刻存在的链路为YAOGAN_6到YAOGAN_9B,YAOGAN_1到COSMOS_2413,COSMOS_2425到COSMOS_2418,IS-12到IS-5.

每一条链路的信息传输速率可按照公式(5)进行计算.计算结果如表1所示.

表1 链路传输速率

将以上链路的信息传输速率求和,解得特定时刻马德里与奥兰多之间的骨干网信息传输速率为2 550 Mb/s.

可以看出,骨干网内部传输速率远大于接入速率.这是因为信号在卫星间传输时距离地面较远,受各种噪声影响较小:例如YAOGAN_6到YAOGAN_9B这条链路,根据STK中仿真得到的数据,在特定时刻的载波噪声比为26.03 dB,而在同一时刻YAOGAN_6对马德里地区的接入载波噪声比仅为3.48 dB.

从另一个角度分析,如果没有中低轨卫星构成的“区域增强层”,只采用GEO轨道的中继卫星进行通信,信息传输速率为709 Mb/s,而采用“区域增强层”后,信息传输速率为2 550 Mbps,提高了约3.6倍.

4 结 论

随着空间平台数量的不断增多,空间信息网络的复杂性在不断增加,本文作者研究了“骨干+区域增强”双层骨干网架构的空间信息网络,在原有文献的基础上,提高了模型的复杂度,提出了空间信息网数据传输能力的衡量方法,并通过STK与Matlab进行了仿真,验证了提出方法的合理性.

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(责任编辑：包震宇,郁 慧)

Research on the method of measuring space informationnetwork capacity in communication service

Zhu Shichao, Gui Lin, Luo Hanwen, Tian Feng, Zhang Qi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Because of the large scale characteristic of space information network in terms of space and time and the increasing of its complexity,existing measuring methods of information transmission capacity have been unable to measure the existing and future space information networkeffectively.In this study,we firstly established a complex model of space information network,and measured the whole space information network capacity by means of analyzing data access capability to the network and data transmission capability within the network.At last,we verified the rationality of the proposed measuring method by using STK and Matlab simulation software for collaborative simulation.

space information network; data access capability; data transmission capability; STK simulation; Matlab simulation

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.015

2016-11-29

国家自然科学基金(61471236,61420106008,61671295)；111计划(B07022)；上海市浦江人才计划(16PJ D029)

朱世超(1993-),男,博士研究生,主要从事无线通信方面的研究．E-mail:zhushichao@sjtu.edu.cn

导师简介: 归 琳(1975-),女,研究员,主要从事宽带无线通信、图像通信、网络技术方面的研究．E-mail:guilin@sjtu.edu.cn (通信联系人)

TN 927

A

1000-5137(2017)01-0086-07