卫星组网构型设计及接入算法技术研究

阎 凯

(中国空间技术研究院通信卫星事业部， 北京 100094)



卫星组网构型设计及接入算法技术研究

阎 凯

(中国空间技术研究院通信卫星事业部， 北京 100094)

为了弥补单层卫星网络的缺点，综合各单层卫星网络的优点，形成优势互补，为用户提供更好的服务质量，混合卫星网络应运而生.针对不同的卫星接入算法对卫星的服务质量的影响各不相同，重点研究设计更好的混合卫星网络和卫星接入算法.在分析GEO、MEO、LEO和HEO卫星网络各自的特点的基础上，综合其性能的好坏和设计实现的难易程度，设计并提出5 GEO+66 LEO的双层卫星网络及多QoS约束的卫星接入算法.最后通过仿真分析，验证该算法的正确性.

双层卫星网络；卫星接入算法；多QoS约束

0 引 言

混合卫星网络是由不同类型、不同轨道层面上的多颗卫星组成的卫星网络，和单层卫星网络相比较，混合卫星网络综合了各个轨道层面上的卫星网络的特点，具有优势互补的优点，能保证更好的通信质量以及全球覆盖能力.

最初的混合卫星网络是由Kimura提出的双层卫星网络(double layer satellite constellation，DLSC)[1]，这个双层卫星网络由中轨卫星轨道(medium earth orbit,MEO)和低轨卫星轨道(low earth orbit,LEO)组成.后来，Ian[2]提出了一个比DLSC更复杂的三层混合卫星网络(multilayered satellite networks,MLSN)星座结构.

混合卫星网络对地面用户存在着大量的多星覆盖情况，因此，对混合卫星网络中的卫星接入算法的研究是十分必要的，接入算法的研究重点是如何按照准则选定要接入的卫星，即根据一定的设计指标，选择性能最优的一颗卫星进行接入.

张华涛等[3]针对此问题，分析给出了适用于双层卫星网络的多星覆盖下的接入选择策略以及相应的仿真分析.同时，为了满足混合卫星网络中快速、高可靠性的接入性能，张贵等[4]提出了一种基于环境感知的优化多目标的卫星接入算法.这些算法多是从卫星对用户的覆盖时间、传输距离以及卫星的负载能力等方面进行设计，但是越来越多的用户使用卫星网络进行通信以及其他的各项业务，能够为用户提供更好的服务质量也是需要考虑的，现有文章从这个角度出发去探讨相关的接入算法，仅仅注重某一个服务质量，并未深入探讨，因此，考虑多个用户关心的服务质量参数，来提高服务质量的整体性能的均衡是更有意义的.

1 5 GEO+66 LEO混合卫星网络星座设计

由不同轨道高度的卫星组合起来能形成不同的混合卫星网络构型，本文设计由对地静止轨道(geostationary earth orbit, GEO)卫星和LEO卫星组成的混合卫星网络是考虑到结合GEO卫星覆盖范围广和LEO卫星延时短的优势，这个混合卫星网络中GEO卫星作为骨干网络层，LEO卫星作为接入层[5].

骨干网络层主要进行数据的处理，同时也是接入层卫星的中继点，帮助完成接入层卫星之间的切换等任务.接入层卫星网络是地面用户接入混合卫星网络时直接面对的卫星网络，完成用户接入，星间切换等具体工作.

考虑到陆地上用户多的情况，在陆地范围内增加GEO卫星的数量，能有效的提高通信的呼叫成功率，降低切换失败的概率，同时也考虑到卫星数量不宜过多，因此本文选取5颗GEO卫星不均匀分布，其轨道参数如表1所示.

表1 GEO卫星轨道参数Tab.1 The orbit parameters of GEO satellites

为了确保能够实现对用户的全球覆盖，在低轨道卫星的设计上，参考了已有的铱星系统[6].使用66颗小卫星均匀且有规律的分布在6个极地圆轨道上来实现，其轨道参数如表2所示.

表2 LEO卫星主要参数Tab.2 The main parameters of LEO satellites

该混合卫星网络示意图如图1所示.

图1 5 GEO+66 LEO双层卫星网络示意图Fig.1 The sketch map of 5 GEO+66 LEO double-layered satellite network

在卫星通信系统星间链路的几何分析中，有3个几何量具有十分重要的意义，它们分别是星间链路指向的方位角变化、星间链路指向的俯仰角变化和卫星之间的空间距离.

GEO卫星和LEO卫星之间主要考虑卫星间的空间距离.GEO卫星和LEO卫星之间的通信链路随着卫星的移动而发生通断，当LEO卫星运动到地球的另一侧，超过了当前GEO卫星的覆盖范围时，链路发生中断，这时LEO卫星需要切换到其他与其相邻并可见的GEO卫星进行通信.图2显示的是GEO1卫星对LEO1卫星的链路通断情况，从图中可以看出，其链路的通信距离范围为35 000～43 000 km，俯仰角度变化范围为80°～89°.

同时，LEO卫星之间的星间链路的设计主要考虑星间链路指向的方位角和俯仰角这两个几何量.本文设计的LEO卫星系统采用近极轨道类型的星座，因此就会有顺行轨道和逆行轨道两种情况.处于逆行轨道上的卫星相对运动十分剧烈，对星间链路的天线提出了很高的要求.构建这样的星间链路会增加星间链路天线的复杂度，提高系统成本，因此这里只考虑处于顺行轨道之间的星间链路[7].

图2 GEO1到LEO1星际链路分析Fig.2 The analysis of inter-satellite link between GEO1 and LEO1

顺行轨道的两颗LEO卫星相对相位保持不变，可以认为这两颗卫星处于相对静止状态.图3给出了顺行轨道的两颗LEO卫星之间的链路分析，可以看出，顺行轨道上的两颗卫星的通信范围为2 200～4 500 km，俯仰角度变化范围为8°～18°，且卫星处于连续可见状态.

图3 顺行轨道卫星LEO101与LEO201的链路分析Fig.3 The analysis of inter-satellite link between LEO101 to and LEO201

2 多QoS约束的双层卫星网络接入选择算法

传统的卫星接入算法只考虑卫星方面的接入性能的好坏，一般情况下认为时延小、带宽大和移动性高的卫星网络就是好的网络.在考虑较少的用户时这样判定是可以的，但是随着用户数量越来越多，多用户、多业务量的情况也越来越多，应该更多地考虑用户接入过程中的服务质量问题.因此，目前越来越多的卫星接入算法是面向用户、考虑用户服务质量的设计，更关注用户的感受和体验.

在整个接入过程中，作为接入的直接作用者，用户的体验和感受是服务质量好坏的具体体现，也是设计卫星接入算法的重要依据[8-10].本文提出的面向用户的多QoS约束的卫星接入算法重点考虑用户关心的时延、抖动和网络费用三个方面.在此，对网络费用和抖动等级进行相应的设定，根据抖动的定义，为了计算简单，本文进行相应的简化，即将抖动情况分等级进行设置，设定为{1,2,3,4}4个等级，数值越大就表示抖动程度越大.同样的，也对网络费用进行简化，分为类似的4个等级{1,2,3,4}[11].各卫星在仿真中使用的参数如表3所示.

表3 双层卫星网络各项服务参数值Tab.3 The service parameters of double-layered satellite network

在通常所用的标准中，把各项业务对时延的要求作为分类的标准，可以把业务大致分成视频类、会话类、信息交互类等.前两种业务是实时业务的代表，对时延的要求较高；后一种业务是非实时业务的代表，对时延要求不是很高.ITU-G.114中建议在视频、会话类业务中单向传输时延为200～300 ms[12].本文仿真中使用了10种业务，并将业务随机分配给用户，各项业务参数如表4所示.

表4 候选业务参数Tab.4 Parameters in the candidate business

本算法定时采样和收集每一颗卫星为用户提供的各项服务的参数以及用户业务需要得到的服务参数，分别使用Pser和Preq表示.延时、抖动性和误比特率等都是反应卫星服务质量的指标.

(1)

其中，U表示用户体验差异程度(user experience differences)，可以反应卫星网络对用户的服务质量.n是用户衡量服务质量的指标的个数.卫星选择的目标就是在M个候选卫星中为用户选择出用户体验差异程度最小的卫星进行接入，也就是选择出服务质量最好的卫星进行接入.如公式(2)所示:

(2)

根据上述定义，面向用户的多QoS约束的卫星接入算法过程如图4所示，地面用户找到其可接入的候选卫星网络，计算出候选卫星网络中每个卫星的服务参数和地面用户要求的参数，对二者进行比较，选出差距最小的一颗卫星作为地面用户要接入的卫星.

图4 多QoS约束的卫星接入算法流程Fig.4 Satellite access algorithm of multiple QoS constraints

通过将本文提出的面向用户的多QoS约束的用户体验算法(user experence algorithm, UE)和已有的算法进行性能比较的方式来给出本文提出的算法的仿真结果，仿真中使用的对比算法包括最长覆盖时间算法(time maximum algorithm, T-max)、最短距离算法(distance minimum algorithm, D-min)和综合加权算法(time and distance comprehensive algorithm, TDC).分别从新呼叫阻塞率的性能、切换失败概率的性能、网络平均负载的性能以及强制中断率的性能4个方面进行对比.图5～8给出了4种算法相应性能的比较结果.

随着会话到达率的增加，网络负载趋于饱和，从而导致该卫星网络的新呼叫阻塞率升高.对于不同的接入算法，新呼叫阻塞率是反应接入性能好坏的首要指标，从图5中可以看出，和其它3个算法相比较，多QoS约束的卫星接入算法(UE)有很低的新呼叫阻塞率.

图5 新呼叫阻塞率性能Fig.5 New call blocking rate

同样当用户即将进入其他卫星的覆盖范围时，需要考虑其切换失败的概率.本文仿真中，定义切换失败次数和切换总次数的比值为切换失败概率.从图6中能看出，随着会话到达率的逐渐增加，使用四种接入算法时，网络的切换失败概率都有所升高.但是相比较后可以看出多QoS约束的卫星接入算法(UE)的切换失败概率最低.

图6 切换失败概率性能Fig.6 Handover failure probability

网络平均负载是指平均每单位时间间隔内在双层卫星网络中所有卫星的负载的平均情况.从图7中可以看出，会话到达率的增加，导致网络中接入用户的数量增加，4种接入算法下双层卫星网络的平均负载都在增加.经分析得到，多QoS约束的卫星接入算法(UE)和综合加权算法(TDC)都有较高的网络平均负载值，这是因为这两种算法有较低的切换失败概率和新呼叫阻塞率，能及时的把用户切换分配到其它卫星中，使整个双层卫星网络的负载平均，有助于更好的利用资源.

图7 平均负载性能Fig.7 Average load of network

仿真中，定义强制中断率=通信中中断的呼叫次数/系统中接入的总呼叫次数.从图8中能够看出，随着会话到达率的不断增加，整个双层卫星网络中能接纳的会话数量也在不断增加，从而会造成双层卫星网络的强制中断率增加.强制中断概率反应的是整个双层卫星网络中正在进行业务通信的用户在通信业务没有完成时，由于不能切换接入到新的卫星下继续进行业务而被强制掉线的情况的概率.这种情况是用户最不希望见到的.从图8中可知本文提出的多QoS约束的用户体验算法(UE)比其他3个算法的强制中断概率都要低，因此其性能比其他3种算法要好.

图8 强制中断率Fig.8 Forced outage probability

3 结 论

本文在介绍和分析了现有的混合卫星网络以及卫星接入算法的研究现状之后，综合各单层卫星网络的优点，设计了5 GEO+66 LEO的双层卫星网络.同时通过对典型卫星网络接入算法的研究提出了从用户角度考虑的多QoS约束的卫星网络接入算法，并使用本文设计的双层卫星网络为模型进行仿真分析和验证.通过结果可以看到，本文提出的多QoS约束的卫星接入算法(UE)比其他算法具有更小的新呼叫阻塞率和切换失败概率，因此能够维持较高的网络平均负载，同时降低了强制中断概率.从而证明了本文算法的正确性和性能的优越性.

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Constellation Design and Access Algorithm of Satellite Networks

YAN Kai

(InstituteofTelecommunicationSatellite，CAST，Beijing100094，China)

In order to compensate for the shortcomings of single-satellite network and combine the advantages of single-satellite network so as to provide users with a better quality of service, hybrid satellite networks are proposed. Every algorithm has different impact on the quality of service; so many current researches focus on how to design better hybrid satellite networks and satellite access method. After analyzing the characteristics of the GEO, MEO, LEO and HEO satellite networks and comparing their performances and complexities, a double 5 GEO +66 LEO satellite network and a satellite selection algorithm with multiple QoS constraints are designed in this paper. Finally, the correctness of this algorithm is verified via simulation.

double-layered satellite network； satellite access algorithm； multiple QoS constraints

V474.2

A

1674-1579(2017)02-0050-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.008

2017-01-15

阎 凯(1988—)，女, 工程师，研究方向为卫星通信及姿轨控制.