军民融合的应急指挥卫星通信网络探析*

刘 鹏,吴 炀,常 青,邵东生,祖家琛,胡谷雨

(中国人民解放军陆军工程大学,江苏 南京 210007)

目前,国家和各级地方政府已经初步建立相对完备的应急通信网络和指挥平台,尽管信息平台整合力度大,而通信系统仍处于“烟囱林立”的粗放式发展阶段。“最后一公里”问题是制约应急通信网络建设的瓶颈,尤其在军队和地方应急力量联动的环境中,军地通信装备不能互联互通的矛盾突出,成为保障现场应急指挥顺畅亟待解决的问题。分析其原因在于:

1)出现重大灾害和社会公共安全事件时,通信基础设施容易受到破坏,移动通信手段失效;

2)中高轨通信卫星的覆盖性好,但是终端昂贵、信道资源匮乏,难以满足战术级指挥用户规模需求;

3)军地各部门单独研发专用通信装备之间通信制式不统一,难以互联互通。

解决好应急通信“最后一公里”问题,势在必行,也最为紧迫。为此,依据“寓军于民、平战兼顾”的原则,建议在国家应急通信服务保障网络的顶层设计和发展规划论证过程中,充分考虑军地联动应急通信,尤其是支撑现场指挥的战术级通信需求,统筹规划卫星通信、移动通信和专网通信的建设目标和标准规范,整合空间和地面应急通信网络技术手段和资源,打造“全域接入、寓军于民、平战兼顾”的军地联动应急通信保障体系。

1 低轨卫星星座发展现状

随着多媒体业务的稳步增加,移动终端用户对便捷接入的需求日益迫切,同步轨道(GEO)卫星在时延以及频谱利用方面已经满足不了所催生的应用需求。在此情况下,非静止轨道(NGEO)卫星,特别是低轨(LEO)卫星通过星间链路构成的星座网络应运而生,具有良好的发展前景。低轨星座网络部署在离地500 km～1500 km高度的低轨道上,具有传播时延小、能耗少、信号衰减少等优点,有利于实时通信和降低移动终端的功率。因此,低轨星座网络在未来的应用将十分广泛。

然而在低轨卫星通信过程中,单条星地链路通信时间仅10分钟左右,移动终端用户为了保持通信,需要与当前卫星断开连接从而与另外一颗卫星建立连接。通信过程中需要不断改变星地连接关系,频繁进行卫星切换。

星座网络切换还有另外两种切换:点波束切换和星间链路切换。点波束切换指当卫星使用多波束时,在多个波束之间进行切换,此类切换解决方法较成熟[1-5]。星间链路切换指在极轨道星座中,当卫星接近极区时候,由于相对速度过快而导致与相邻轨道卫星链路断开,离开极区时星间链路连接过程,此切换与硬件有关。

对于单个移动终端用户和覆盖其所在范围的卫星而言,有着三种卫星切换的基本标准:剩余可见时长、用户相对卫星仰角和卫星可用信道数目。进行卫星切换时,参考标准剩余可见时间能够降低切换次数,参考标准用户相对卫星仰角能够保证良好的通话质量,参考标准卫星的可用信道数目能够均衡星座网络负载。在此三个评估标准上进行自由组合,可以得到其他评估标准,比如容量限制下可见时长切换标准[6]。

Gkizeli等人[7]提出一种硬切换策略来尽可能地延后用户的切换时刻,从而减少卫星切换的频率。在此基础上提出了适应信道特性的卫星多样性切换(CASD)机制[7-9],实现基于信道的软切换。Papapetrou等人[10]提出并测试多种卫星切换策略,以最大服务时长、最大仰角、最多可用信道为标准,使得系统具有较好通信效率,但是没有考虑地球自转。Karapantazis等人[11-12]为了避免过早资源预留而浪费资源,采用动态多普勒优先切换策略,使得切换具有较小阻塞率。Poethi等人[13]选取切换标准为可见时间、容量、用户仰角、卫星重叠时长等,然而这是上述三种基本切换标准的组合。Seyedi等人[14]从概率论角度求出卫星可见时间的分布函数,并且求出了低轨星座中的平均切换下界。Younes等人[15]研究了能够计算用户在街道相对卫星的可见时间的信道模型。Irfan等人[16]根据星座、经纬度、用户位置等参数计算用户相对于卫星的可见时间。Wu等人[17]提出一种SDSN架构,并基于此架构提出一种无缝切换机制,与硬切换、混合切换机制相比在时延、吞吐量方面有较大提高。

1.1 低轨卫星星座的特点

低轨卫星星座作为卫星通信载体,应用前景非常广阔,其具有以下几个特点。

1)拓扑结构动态变化

由于低轨卫星在轨道绕地球运动及地球自转,卫星之间的相对位置以及卫星相对用户的位置都在不断变化之中。最典型的低轨卫星星座星下点运行速度约7 km/s,地面终端进行卫星切换的频率较高,与此同时,星间链路在极地区域会发生通断,这都使得星座网络拓扑始终处于动态变化之中[18]。比如,在Iridium系统中,地面任意移动终端相对于卫星平均可视时间为9分钟[19],波束平均切换时间约1～2分钟[20],而星间链路切换时间间隔为162.69 s和111.26 s[21]。

2)拓扑可预测性,周期性

虽然低轨卫星网络拓扑结构动态变化,但是任意时刻任意卫星的位置都可以预测,并且整个网络的拓扑结构具有周期性,重复出现。

3)低轨星座卫星数目一定,具有对称性

低轨卫星网络的规模比地面网络小较多,可以采用简单的路由算法来计算卫星网络中任意两颗卫星之间的最短路径。常见的低轨卫星星座拓扑图均采用Walker星座,具有对称性。这个特点使得从一颗卫星到其目的地存在多条最短路径,研究者可利用该特点有效平衡网络负载,提高网络利用率。

4)低轨卫星星座网络流量具有不均匀性

低轨卫星网络只能够覆盖地球表面一小块区域,如铱星覆盖区域直径约为4500 km。并且由于地面人口分布具有不均匀性,低轨卫星接收到数据流量也在动态变化中。在城市区域,卫星接收数据流量有可能过载;在郊区,卫星使用率可能较低,流量较少;而沙漠和海洋的数据流量几乎为0。因此,任意时刻星座中的流量负载都具有不均衡的特点。

5)低轨卫星星座需要进行卫星切换

星间链路切换是指在极轨道卫星网络中,相邻轨道卫星之间链路由于接近或远离极区需要周期性断开与连接;多波束切换是指采用多波束技术卫星,用户在通信过程中需要不断在多个波束之间进行切换;卫星切换是指当卫星运行到用户最小可见仰角之下时,用户需要断开当前连接,与另外一颗卫星连接。切换是低轨星座网络区别于地面网络的一个重要特征。

1.2 低轨卫星星座的挑战

在低轨卫星星座实际部署与应用过程中存在以下挑战。

1)传播时延较高

低轨星座的轨道高度约在500 km～2000 km,典型的星间链路每跳传播时延在几十毫秒左右,而且地面终端之间的传播时延一般约为100 ms～200 ms。卫星之间链路传播时延是用户端到端总时延的重要组成部分,对系统性能有较大影响。随着卫星海拔高度的增加,传播时延也随之增加,影响更加明显。

2)链路类型具有多样性

在低轨卫星网络中,同层次同轨道的相邻卫星之间存在永久性星间链路,同层次不同轨道相邻卫星之间存在非永久性星间链路,不同层次相邻卫星之间存在层间链路,而用户同卫星之间存在星地链路。因此卫星链路具有多样性,给整个网络路由带来挑战。

2 构建军地联动应急通信网络的可行性

2.1 低轨卫星星座通信网络实施可行性

本文在NS2中实现了Teledesic星座组网,使用STK9仿真工具构建一个Teledesic星座仿真场景。Teledesic成立于20世纪90年代初期,其目标是建立宽带卫星通信网络,真正实现“Internet in the Sky”。Teledesic系统1994年版的规划中提出耗资90亿美元建设一个由844颗卫星覆盖全球的低轨卫星网络,轨道高度为800 km。1997年,Teledesic将其规划修改为通过288颗轨道高度为1 400 km的卫星覆盖全球。Teledesic早期得到了来自包括美国麦考移动通信、比尔盖茨等投资者的支持。

星座中链路带宽和卫星同地面节点的带宽均设置为25 Mbps。数据包的平均大小为1 000个字节,链路上的队列长度为100个数据包。

使用STK9进行卫星星座轨道图模拟仿真2D、3D场景分别如图1、图2所示。

从图1、图2可以看出,Teledesic星座能够无死角覆盖全球所有区域,能够满足突发应急事件的通信流量需求,并且卫星颗数较多,能够为应急事件预留足够资源,满足其Qos需求。

接着采用直接路由方法进行仿真,利用awk工具对时延、时延抖动、平均流量进行分析,假设位于南京节点与位于波士顿节点进行通信,结果如下图3、图4、图5所示。

实验表明,图3中时延在0.6 s～0.7 s之间,图4说明时延抖动误差在0.01 s左右,图5表明平均流量为0.03 Byte/s,这说明Teledesic星座不仅能够覆盖全球,满足应急指挥无死角的需求,还具有较小时延和时延抖动,对应急指挥的实时效应更加贴合实际。并且,流量可以为应急联动指挥提供预留资源,为军地双方提供足够大的通信流量。

2.2 低轨卫星星座处理能力的发展现状

随着科学技术的发展,低轨卫星星座处理能力不断提高,表1给出了几种提供全球移动数据业务的低轨卫星星座系统的参数。

表1 多种应急通信技术的性能对比

从表1中可以看出,随着时间的推移,部署低轨卫星星座频率不断增加,数据率增加,时延减少,为了达到全球覆盖的效果,轨道高度与卫星数量同样增加,星上处理能力同样不断增强。

星上处理能力发展与进步,可以支持动态资源分配技术,在应急状态下保障通信QOS,为构建军民融合应急指挥卫星通信网络提供可靠技术保证。

3 建设途径

解决应急指挥中互联互通问题,最根本的出路在于统一通信体制。不同应急通信技术手段的对比如表2所示。从适应复杂地形的能力和建设使用成本两个方面考虑,卫星通信是应急通信的必备手段。而卫星通信终端受限于成本和频谱资源,难以大规模配备,可将其作为应急指挥的骨干通信网络。

表2 多种应急通信技术的性能对比

我国卫星通信系统建设正处于高速发展阶段,新卫星通信网系的建成很大程度上满足了我军急需的通信需求。但对于战术级的应急指挥而言,跨系统、跨部门之间的通信需求较大,而现有卫星通信系统普遍是专网专用,存在装备型号多，网系之间互联互通困难等问题。此外,中高轨卫星的轨道和频谱资源都非常稀缺,网络规模扩展受到较大制约。

近年出现构建大规模低轨卫星星座以提供宽带移动接入的趋势为构建新的应急通信网络提供了新的机遇。例如,SpaceX公司的Starlink低轨星座计划发射多达12 000颗卫星,今年2月首颗试验卫星已经发射升空;三星，OneWeb等公司的低轨星座也分别计划发射4 600 颗和2 700颗卫星;我国两大航天集团年内也将分别启动“行云工程”和“鸿雁卫星星座通信系统”建设,计划发射80到300颗不等的低轨卫星。

《国家突发事件应急体系建设“十三五”规划》中专门指出,要基于民用空间基础设施建设,构建公用应急卫星通信系统,统筹使用应急体系所需卫星资源,提升卫星应急通信服务保障能力与集约化水平。同时,利用民用低轨卫星星座构建应急通信系统,还能显著降低系统的使用和维护成本,从而达到更优的建设效益。

采用低轨卫星星座构建军地联动应急通信网络基本架构如图6所示。其主要技术难点在于如何高效调度资源以提供一定程度的服务质量保证。因此,还需着力突破基于民用低轨卫星星座的通信专网动态构建与资源调度、卫星资源综合网管与运控、波形动态重构等关键技术。

此外,还需要加强低轨卫星星座的无线电频率管理,协调多卫星网络之间的频谱使用策略,尤其是空间复用策略,满足应急状态下海量数据、高宽带视频传输和无线应急通信等业务需要。

4 结束语

本文提出以低轨卫星星座为基础构建“全域接入、寓军于民”的应急指挥通信网络,为破解军地联动应急指挥通信的“最后一公里”难题提供了新的技术思路。从技术可行性的角度看,仿真结果表明低轨卫星星座的覆盖性、传输时延和速率能够满足应急通信的要求。此外,星上处理能力的进步使得实时资源调度和波束成形都变得可行。从现实可行性的角度看,低轨卫星星座的建设热潮为构建军民融合的应急通信网络提供了良好的机遇,通过融合建设可以显著降低应急通信的使用成本,扩大终端部署范围,从而实现真正意义上的全域接入、无缝覆盖。