一种适用于天地一体化网络的卫星通信港设计

王为众，赵永利，郁小松，杨 柳，张 杰

(北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876)

0 引言

近年来，随着卫星研制、火箭发射、深空通信等各类空间技术不断地进步与运用，空间信息网络迅速发展，由此人类得以将信息通信网络的范围扩展到了地球每一个角落、近地空间乃至深空空间。在此背景下我国为了能够在未来国际空间领域具有制天权和制空权，提出天地一体化网络概念，来支持我国军事通信、遥感导航、商用发展等多方面需求的提升。天地一体化网络的概念是指：具有综合性的星间、星地及地面互联互通的网络系统，凡与航天器有关的数据接收、传输分发、运行控制等资源均应一并予以有机整合，服务不再局限于一种卫星，也不再对应特定用户，而是向多种用户提供多种类型的信息，实现信息共享和统筹建设[1]。

天基骨干网络在天地一体化网络构想中承担信息传输与分发功能，其主要是由数据中继卫星系统、地面测控网、地面数据网和深空网等构成。其中，中继卫星系统作为天基骨干网络的核心，是天地一体化网络构想实现的关键点。地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星通信系统能够为地面网络、低轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星通信系统难以覆盖的区域提供移动通信服务，并且具有视距覆盖范围广、带宽大、组网灵活、控制简单等优点，是组成天基骨干网的重要部分。目前学术界对于GEO卫星系统已经有了不少的研究[2-6]，本文在文献[6]基础上，进一步对卫星通信港的架构和功能进行研究，综合天地一体化网络架构，并基于STK软件对卫星通信港网络进行仿真。

1 天地一体化网络背景介绍

1.1 天地一体化网络架构

天地一体化网络从物理架构层进行划分，可以分为3层，分别是：天基骨干网络、天基接入网络和地基节点网络。3个网络相互协同、融合，采用统一的技术方案和标准规范进行管理，结构示意图如图1所示。

图1 天地一体化网络结构示意图

① 天基骨干网络：由若干个运行在地球同步轨道的高轨卫星组成，卫星采用多波束星下天线与地面站进行通信，可实现中低纬度区域全域覆盖。承担网络中数据转发、路由管理、传输协议、状态监控等重要功能，可实现对于制定区域的全时覆盖。

② 天基接入网络：由若干个处于中轨道或低轨道的卫星星座组成，接入网卫星之间可以有链路也可以没有链路，由天基骨干网络卫星进行统一管理。卫星节点以星座的形式组网，可以全时全域为地面、海洋及高空等多维度用户提供网络接入服务。

③ 地基节点网：由地面网关、地面设施和地面网络组成，主要承担对天基骨干网络和天基接入网络的信息管理、控制管理和数据处理，同时可以对天基骨干网络和天基接入网络的管理模式进行更新，来满足用户对于空间网络的新需求。

天地一体化网络除了以上3个基本组成部分之外，同时包括地面互联网、数据中心、移动通信网络、高空通信设施等地面网络，为移动、互联网用户提供接入卫星网服务的功能。

1.2 天地一体化网络特征

天地一体化网络包括高轨卫星、低轨卫星、远洋轮船、高空无人机编队等多层级、多维度的空间通信设施，可以实现对全球、近地空间甚至深空环境的覆盖，应用前景广阔，具有很强的信息革命性和网络革命性，具体体现在以下几个方面：

① 遍在性：在当前4G普及、5G即将面世的移动通信时代，天地一体化网络的覆盖范围将从传统空天地专用用户终端扩散到物联网中无数的非专用用户终端。卫星通信功能将不再只针对专业级用户，可以为遍及全球的普通用户提供服务。

② 综合性：在大数据时代背景下，用户将会对信息网络提出更高的要求，如提供更加便利的交通联网、为人类对地球未知领域的探索提供信息支撑，天地一体化网络在此过程中承担收集、处理、传输等综合性作用。并且其具备空间和动态的卫星感知、分析能力，可以为国家信息产业发展提供更大的帮助。

③ 网络化：随着物联网以及人工智能技术的发展，互联网技术已经完全融入到用户之间，天地一体化网络作为地球互联网的重要组成部分，将会进一步加快网络化的进程，从专业级应用扩展为大众级应用。

④ 实时性：遵照“一星多用、多星组网、多网融合”的原则，天地一体化网络将全面与地面互联网、移动通信网进行集成，与北斗系统密切协同，实现对地球表面米级空间分辨率、小时级时间分辨率的影像与视频数据采集和优于米级精度的实时导航定位服务，实时地为国民经济各部门、各行业和广大终端用户提供快速、精确、智能化的PNTRC(定位、导航、授时、遥感、通信)服务，构建产业化运营的、军民深度融合的我国天基信息实时服务系统[7-11]。

⑤ 应用型：天地一体化网络是一个面向经济、国防、民生应用需求的网络结构，需要为专业用户或者普通用户提供高速、有效、合理、有序的接入服务，最终实现指定时间、指定地点上为指定设备、指定用户提供指定的服务。

2 卫星通信港设计方案

天地一体化网络主要由天基骨干网、天基接入网、地基接入网组成，在建设天基骨干网的过程中，由于地球同步轨道卫星具有很多优势，如开设快速、广域覆盖、广播高效及常态持续等，得到了研究者广泛的关注。基于同步轨道的卫星骨干网，可以采用基于激光的电路交换，从而构建高速、稳定、可靠的天基骨干网，其他用于通信、导航、探测、数据汇聚、处理的各类子网或者高速节点，与骨干网可以采用分组交换策略直接相连或通过接入网络互联[6]。

在实际应用中，地球同步轨道高度为35 786 km，最小覆盖半角76.34°。结合我国实际地理位置(位于东经73°～135°)以及GEO卫星在天基骨干网的核心作用，考虑搭配骨干网的抗毁性能以及可扩展性，本文设计一种运行在同步轨道的卫星通信港星座模型，即由3颗卫星运行在东经105°、轨道仰角为10°的卫星组成，互相连通，并且由于不同卫星位于不同轨道，避免了同轨道间每隔3°设置1颗卫星的限制，具有良好的可扩展性和抗毁性，所以港内卫星能够灵活组网，完成天地一体化网络天基骨干网的功能。

2.1 卫星通信港架构模型

卫星通信港，是指在空间中多颗分布于同一轨道位置或者不同轨道位置上的不同类型的卫星，通过星间高速链路互联，相互协同以实现单颗卫星难以完成的功能，并能在部分卫星失效或者故障时快速自愈的卫星群体集合[6]。在卫星通信港内部链路可以采用激光通信的策略，来实现高速率、高安全性的传输需求；卫星通信港之间可以采用无线微波链路进行通信。通过卫星通信港的可扩展、自愈重构等能力，可以实现通信的快速响应。

基于卫星通信港的天地一体化网络是未来空间通信发展的必然趋势，但是在目前实施部署仍存在很多问题。第一，卫星通信港作为天基骨干网，需要接入天基接入网、地基节点网中各种类型的网络节点，连接用户数量巨大，业务种类繁杂，这些因素会造成卫星通信港的网络机构和管理方案异常复杂；第二，由于卫星网络具有特殊的拓扑结构、时变特性、传输距离长等固有因素，导致传统地面网络协议及路由策略无法适应卫星网络环境。所以本文根据天地一体化网络背景，借鉴SDN集中式管理模型，提出一种适用于天地一体化的卫星通信港设计方案。SDN是一种新型网络架构，它将网络的控制平面与数据平面分离，将网络设备与资源虚拟化，从而实现底层硬件的可编程化，完成对资源的按需调配[13]。基于软件定义的卫星通信港网络架构设计方案如图2所示。

图2 基于软件定义的卫星通信港设计架构

图2中的资源层由天基接入网和地基节点网组成，包括LEO卫星、地面网关、星间链路及地面网络等通信设施，用户通过资源层接入到天地一体化网络之中。

卫星通信港位于架构中的控制层，同虚拟网络管理器进行配合，完成拓扑管理、数据库管理、网络节点信息收集等功能。卫星通信港内部构建一个统一控制中心，对多层卫星网络进行智能管控。

协作层连接控制层和应用层，为SDN应用和商业应用提供基础支持功能，协作控制层提供天地一体化网络天基骨干网的网络配置、信息同步、灾难备份、抗毁性能等功能。

在该网络模型中，卫星通信港承担天地一体化网络中多域控制器的作用，连接多个异构网络，将资源层的设施合理有序地划分成由单域控制器管理的控制域，使网络组网方式更加灵活有效。多域控制器直连各个单域控制器，在每个时间切片内，单域控制器上报路由流表给多域控制器，由多域控制器进行整理、统计、策略选择、下发流表等功能。

2.2 卫星通信港业务建立流程

如图3所示，基于SDN的卫星通信港路由服务处理流程设计为以下几个步骤：

① 用户B发出通信请求至LEOs卫星。

② 控制域1的LEOs卫星通过查询当前更新的服务请求，并同A进行通信。此时用户B所在位置无法与地面网络进行直连，请求信息被发送至控制域1的L拓扑链路链接流表，未发现有任何路由匹配请求，即将转发请求信息发送至空间网络控制器1。

③ 空间网络控制器1将转发请求信息上报至多域控制器，即卫星通信港，由多域控制器进行业务调度。

④ 多域控制器通过对全网的集中式控制，获取当前时间片的全网拓扑。对业务种类、QoS等级、时延等级、拥塞等级进行判断，并对业务传输时长进行预测，当前时间片拓扑是否能够将业务传输完毕。分析完毕，从控制器策略库中选取路由转发策略，并进行路由计算。

⑤ 多域控制器将流表发送至各个空间、地面单域控制器。

⑥ 地面网络转发流表通过OpenFlow控制通道分别下发到该路径上相应的各个转发节点上，进行建路准备。

⑦ 数据开始传输，最终到达节点A。

图3 卫星通信港业务建立流程示意图

3 卫星通信港网络性能分析

本文使用STK仿真软件实现上述提出的适用于天地一体化网络的卫星通信港设计方案，卫星软件工具包(Satellite Tool Kit，STK)，是由美国AGI公司开发的一款在航天工业领域应用的商业化分析软件，能够提供图标以及文本形式的结果分析[14]。方案通过STK对卫星通信港的覆盖特性、链路特性进行了仿真与性能分析，仿真时间设置为1 May 2017 4:00至7 May 2017 4:00。

3.1 卫星通信港覆盖特性仿真

本节分别对卫星通信港、Walker星座、天地一体化网络的覆盖性能进行了仿真。

3.1.1 卫星通信港对地覆盖特性

本文在地面网关仿真中设计了5个在我国具有代表性的地面站设施，分别位于北京(Beijing)、甘肃(Gansu)、贵州(Guizhou)、海南(Hainan)、新疆(Xinjiang)。考虑到卫星通信港更多的是为我国提供通信服务，并且由于地球静止卫星轨道有限，必须遵守国际规则和卫星通信港可扩展性的原则，本文设计由1颗主星、2颗辅星组成的卫星通信港，将Subsatellite point属性设置为105°，Inclination属性设置为10°，港内3颗卫星的True Anomaly分别为：0°、5°、10°。图4为2017年5月1日的通信港覆盖情况，卫星通信港可以实现在我国北纬60°以南实现24 h无间断覆盖。图4说明了通信港主星距离北京地面站的链路接入AER，由图可知在通信港距离地面站的距离在23:00左右达到峰值，此时不适合和通信港主星进行通信。

图4 卫星通信港对地面站覆盖情况

3.1.2 卫星通信港对Walker星座的覆盖特性

由图5可以看出，卫星通信港对LEO层Walker星座每颗卫星都具有良好的覆盖性能，一天超过90%的时间可以保持连通状态，这为业务的多路径选择和网络负载均衡策略设计提供了基础支持。

图5 卫星通信港与Walker星座的覆盖情况

3.2 卫星通信港链路特性分析

方位角、俯仰角和链路长度是判断链路质量的重要指标，以下对卫星通信港的链路特性进行仿真与性能分析。

3.2.1 卫星通信港港内链路仿真与分析

本文设计卫星通信港港内卫星并不在同一轨道中，这样的好处是能够极大限度地提升通信港的可扩展性和安全性，但同时会产生卫星姿态的调整，卫星信号发射器需要周期性转动，来完成港内卫星的互联。

通过仿真结果可以看出星间链路距离Distance成周期性变化，峰值为640 km，港内卫星可以全时保持连通状态，这样的链路特点对于港内卫星协同工作、灾难备份起到非常关键性的作用，同时提供了新增辅星、主辅切换的可能性。在受到物理攻击或者被动窃听的情况下，能及时进行防御和数据热更新，保证了通信港的安全性。

3.2.2 卫星通信港港内通信链路仿真

通过STK的communicate模块对卫星通信港港内通信状况进行模拟仿真，每个港内卫星放置接收器和发射器。其中接收机增益/系统噪声温度设置6 dB/K，发射机频率为5 GHz，EIRP为35 dBW，传输速率为1 Mbps，调制类型为QPSK。

仿真结果显示，在4:00～16:00的时间段内，误码率一直保持在一个很低的范围之内，符合我国天地一体化组网通信需求。

3.2.3 卫星通信港与地面站链路仿真与分析

卫星通信港运行在地球同步轨道，对地面站具有无间断覆盖特性，但是在一天之中，由于卫星的移动，星地通信链路状况随着时间在发生改变，卫星通信港与传统高轨卫星有着不同的性能表现，本文通过对卫星通信港和地球静止轨道、较高轨道倾角同步轨道卫星进行链路性能对比，对卫星通信港性能进行说明。

如图6所示，不同参数的卫星在不同时段具有不同的误码率，高轨道倾角同步卫星和卫星通信港在4:00～16:00时段有着几乎完全相同的误码率，但是在17:00之后有着明显的增高，无法适应持续性的通信服务需求。地球静止轨道卫星具有稳定的误码率，并且在某些时段误码率表现更优，但是由于静止轨道卫星数量有限，可扩展性差，并且在白天误码率表现不如卫星通信港，故卫星通信港相比两者具有更好的通信性能。

图6 卫星通信港与高轨卫星对Beijing地面站通信链路仿真

4 结束语

天地一体化网络是未来信息网络发展的必然趋势，本文针对天地一体化网络中的卫星骨干网设计卫星通信港架构，提出基于SDN的集中式管理模式，提高了天地一体化骨干网络的组网灵活性、结构可扩展性。通过STK对卫星通信港架构进行仿真，对其覆盖特性、星间/星地链路状况进行模拟，结果表明该架构能够满足我国对于天地一体化卫星骨干网络的要求，为下一步研究工作提供理论依据与参考。

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