高低轨通信卫星联合组网和协议设计

冯建元，庞立新，李 杰，闫文凯，周志成

(1.亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司，深圳 518126；2.中国空间技术研究院，北京 100094)

0 引言

通信技术和设施是服务于国家经济发展、国防安全的关键紧要技术和重大基础设施，对于国家、社会和个人都具有极为重要的作用。经过几十年的努力，我国通信技术得到了迅猛发展，特别是陆地蜂窝移动通信技术，实现了2G跟随、3G突破、4G同步以及5G引领的世界先进水平[1]。然而，就卫星通信而言，由于我国通信卫星的研究起步较晚，到目前为止，我国卫星通信技术尚处于追赶国外先进水平的阶段；同时，应用和市场培育还不够充分、成熟。

与陆地蜂窝移动通信不同，卫星通信以其优势[2]，在诸多方面具有不可替代的角色和重要的作用。在海事和航空等无法架设蜂窝基站的地方，卫星通信是最有效、最便捷的通信手段，提供了远洋船舶和航班客舱的宽带互联网接入服务，让用户随时随地保持在线；在陆地灾备保障方面，卫星通信相较陆地蜂窝通信更加可靠，是保障灾后救援与重建的关键；此外，卫星通信还是偏远地区通信的首选方式，能够大大降低蜂窝基站骨干回传的通信成本[3]。

用于通信的卫星称为通信卫星，与导航卫星和遥感卫星共同构成了全部应用卫星。按照轨道高度不同，通信卫星分为地球同步轨道卫星(高轨卫星)和中低轨卫星，高轨卫星位于赤道上方35 800 km的轨道，由于轨道高度高，对地球视场大，故信号覆盖范围大，理论上3颗卫星即可覆盖除两极外的全球区域，如亚太系列卫星、中星系列卫星和Inmarsat等。中低轨道卫星是飞行高度小于1 000 km(低轨道)和介于1 000～20 000 km之间(中轨道)的卫星，由于相对地球处于运动状态，通常需以星座的形式提供通信服务，如铱星星座、OneWeb星座和O3B星座[4]。

当前，高轨卫星仍然是最成熟、最经济的卫星通信方式，广泛服务于海事、航空及广电等用户。然而高轨卫星也有其不足：① 由于地球站天线仰角过低，高轨卫星无法覆盖两极地区的通信，无法满足未来随处接入的通信要求。② 高轨卫星距地面较远，信号传播时延不可忽略，影响用户体验，也无法满足有低时延需求的物联网应用。③ 尽管新一代高通量卫星陆续发射，通信容量增长数十倍，但由于卫星数目少，仍然无法满足越来越多的通信需求。这些不足，可以通过低轨卫星来解决，一方面，低轨卫星绕地运动，可以覆盖两极地区；另一方面，由于轨道高度低，对地传播时延也较小。④ 由于低轨卫星实现全球组网覆盖的自身要求，其卫星数量庞大，多颗卫星也让通信容量有了保障。但由此衍生的缺点是组网周期长、运营成本高和频率轨位资源不足。可以看出，应该发展低轨通信卫星星座作为现有高轨卫星的补充，同时，在低轨卫星星座尚未实现组网前，由高轨卫星保障其覆盖组网。因此，实现高低轨通信卫星联合组网是发展未来卫星通信网络的必由阶段和必经之路[5]。

1 高低轨卫星组网面临的难题

高低轨卫星由于其轨道特性不同，运动状态也不同。高轨卫星位于地球同步轨道，与地面保持相对静止，而低轨卫星轨道高度较低，绕地旋转速度大于地球自转速度，因此，高轨卫星与低轨卫星之间处于相对运动状态，由此引发了高低轨卫星相互通信时，星载天线对准难、对准开销大的问题[6]。一方面，对准难度高，对星载天线提出了很高的要求；另一方面，对准开销大，对携带有限燃料的卫星是一个挑战，严重影响了卫星的寿命。

此外，对于高轨卫星，其视场内有多颗低轨通信卫星，如图1所示。组网时需要一颗高轨卫星对多颗低轨卫星同时进行通信，但因为频率资源有限，每个低轨卫星与高轨卫星通信时不具备使用不同频率进行区隔的条件，因此，如何避免多颗低轨卫星与高轨卫星同时进行通信时的干扰，是另一个需要解决的问题[7]。

图1 高低轨卫星联合组网示意图

最后，当前设计卫星的主要思路和方法仍然是设计安装对应的星载硬件设备来匹配不同的卫星功能，这种设计方法带来了卫星用途僵化的问题，无法根据情况的变化改变使用场景和使用方式，同时也带来载荷设备复杂性，不仅提高了使用卫星的技术门槛，也使卫星系统的不可靠性风险大大增加。在当前通信设备软件定义化的趋势下，高低轨卫星联合组网的解决途径应从可重构的通信协议设计入手解决[8]。

2 星间共享信道协议设计

2.1 设计思想

高低轨卫星联合组网的通信协议着重解决一星对多星的通信干扰问题，同时尽量降低高低轨卫星天线对准复杂度。根据这个设计要求，高低轨卫星星间通信信道应采用共享信道的设计模式，保证多颗低轨卫星有序共享信道资源，同时，星间通信天线应采用方向性要求低的天线。

针对共享信道协议，有基于竞争和非竞争的信道协议模式，竞争信道是让共享用户随机竞争信道，依靠协议的概率模型设计，在统计学上保证多用户有序接入信道；非竞争信道协议则是依靠系统控制器进行调度，使多用户有序接入信道。由于非竞争信道的中心控制使高低轨卫星联合组网复杂度大大增加，因此，信道通信协议宜采用基于竞争的多用户共享信道接入模式[9-11]。

针对星载天线，为了降低星间相对运动时天线对准的难度和对准过程的开销，天线可使用主瓣方向角大、对方向性要求不高的天线，这将大大提高天线对准的几率，提高传输连接成功率。天线方向性不强的副作用是对其他卫星的通信干扰大，这点可以通过基于竞争的信道接入协议避免干扰。

2.2 协议内容

为降低卫星天线波束对准的复杂度，高低轨卫星间通信采用波束宽度较宽的天线[12]，高轨卫星天线对下发射信号，低轨卫星天线对上发射信号。高低轨卫星间天线发射和接收信号的波束角度范围很宽，这样的设计可以让高低轨卫星在相对运动且天线没有精确对准的情况下也能完成通信，提高了通信成功的概率。

由于收发天线波束角较宽，高轨卫星可以同时收到视场内多颗低轨卫星的信号，而无线电频谱资源有限，无法通过设置不同的频段给各卫星链路加以区分通信信号。为了避免多颗低轨卫星的信号互相干扰，本方案将星间通信链路协议设计为分时隙的应答确认与退避机制[9,13]。

该机制具体为：高轨卫星与低轨卫星的星间链路收发信机接受授时同步，授时方法可以是北斗授时，也可以是地面信号授时或者其他授时方法(如内置原子钟，或星间时钟信号同步)。各卫星时间的长度(如1 ms,1 μs)，实际系统中可根据应用需求设定，一般来说，时隙短的系统设计可以提高频谱利用率，但会增加系统开销，时隙结构如图2所示。以低轨卫星向高轨卫星传输的链路为例(反向亦然)，在时隙开始，低轨卫星检查是否有待传数据，如发送缓存器中有数据且是未尝试传输过的数据，则在避让计数集中随机选取一个数值a。该避让计数集有如下特点：它是一个自然数的集合，里面所有两两数字的和都不等于集合中的另一个数字，尽量选取较小的数字组成集合，并且计数集中的数字数目尽可能多，具体数目可根据系统可靠性需求设计，可靠性越高的系统，计数集的规模越大。同步后，将时间分成长度为t的时隙，t可以是任意值。

图2 卫星共享通信链路时隙结构图

前述选取计数集数值a后，低轨卫星将倒数计数器设为a，每过一个时隙t，则计数器减1，计数器为0时，低轨卫星星间发信机将向高轨卫星发送待传数据。

当数据发送后，低轨卫星的收信机开始接收来自高轨卫星的确认数据成功接收的信号(ACK)[14-15]，如图2所示的时隙结构中ACK/NACK的信号传输时间，高轨卫星在成功收到低轨卫星发来的数据后，会向低轨卫星返回ACK信号。如发生其他低轨卫星同时发来信号，信号间产生冲突干扰，高轨卫星接收失败，高轨卫星向低轨卫星发送传输不成功信号(NACK)。低轨卫星收到NACK信号后，从避让计数集随机选取另一个数值b，并将计数器设为b，每过一个时隙t，则计数器减1，计数器为0时，低轨卫星星间发信机将向高轨卫星再次尝试发送数据，如高轨卫星接收成功，则向低轨卫星返回ACK信号;否则，低轨卫星收到高轨卫星反馈的NACK信号并重复该过程。当重复该过程n次后仍然没有成功传输，待传数据包则被丢掉，n可由系统使用者根据实际操作时系统性能需求设定数值。当对系统可靠性要求高时，可以适当增加n值，此时系统的丢包率较低，保证了数据的准确性；当系统对实时性要求较高时，可以适当减小n值，此时系统的时延较小，保证通信实施的有效性。

协议执行的流程图如图3所示，系统初始化程序包括：系统授时、各计数器归零及设定时隙长度为t等。

在讲解第五章生态系统时，可以补充自清洁鱼缸的图片和视频。自清洁鱼缸是一个微型的生态系统，由透明的玻璃球体组成。装有LED灯，白天呈现白光，夜晚呈现蓝光。内有细菌、藻类、小虾、小鱼和经过滤的海水等，只需要补充水，自清洁鱼缸可以维持正常的生态循环。学生被这个奇妙的“微型世界”吸引，体会到生态系统需要恰当的生产者、消费者和分解者的数量配比才能维持生态平衡，认识到维持生态平衡对生物圈的重要性。

图3 星间通信信道协议流程图

协议设计中有2个事项需注意：

① 通信链路时隙分为数据包传输时间和ACK/NACK信号传输时间，这2部分占信道时隙的比例要根据系统情况设定。数据包传输时间在整个信道时隙中占比越大，则信道利用效率越高，同资源强度条件下星间通信速率越快，但由于接收ACK/NACK信号的时间变短，漏收ACK/NACK信号的概率会增加，从而导致系统不稳定或者漏检、虚警率提高；相反，增加ACK/NACK信号传输时间，可以让系统有足够的冗余度保证数据传输的可靠和系统的稳定，但以牺牲部分频谱利用效率为代价。因此，实际系统应用中，应根据不同客户和不同业务的传输需求，相应设置时隙。

② 计数集的生成。计数集的作用是让系统在遇到多颗卫星同时传输数据和信号发生碰撞时能够随机避让一段时间，择机选择不与其他卫星传输冲突的时间重新尝试发送数据。因此，系统在计数集中选取数值a和数值b时，选取算法应设置为非重复的随机选取，即如果有卫星选取了某一数值，则其他卫星在此时隙中不会再次选取该数字。同时，计数集较大的数据规模也保证了选取的随机性。

3 传输效果仿真分析

如果不采用本文多卫星共享信道的通信协议，则卫星间数据传输遇到其他卫星传输信号碰撞和干扰时，丢包率和传输失败率都很高；采用本文卫星共享信道的通信协议后，能够大大降低丢包率、提高传输成功率。低轨卫星个数与数据传输成功率关系如图4所示。

图4 低轨卫星个数与数据传输成功率关系

为便于分析，假设每颗低轨卫星的数据到达率相同，随着低轨卫星数量的增加观察星间数据传输成功率。由图4可以看出，使用本文通信协议后，星间数据传输成功率相较于未使用协议时大大增加，尤其是在低轨卫星数据较多，卫星间信息传输冲突、碰撞概率较大的情况下，可以有效协调各卫星间的数据传输秩序，提高共享信道的数据传输成功率。

低轨卫星数据到达率与信道利用效率关系如图5所示。

图5 低轨卫星数据到达率与信道利用效率关系

为便于分析，仿真中2个对比实验均假设6颗低轨卫星共享信道传输的情形。由图可以看出，使用本文信道通信协议后，相较于未使用协议的情况，能够有效增加星间通信信道的利用率。文中信道利用率随低轨卫星数据到达率升高而先增加后减少，原因是在较空闲的网络，网络资源利用不充分，适当增加到达数据量可以更多利用信道资源，但当到达数据量过于庞大，信道中卫星传输数据的竞争和碰撞加剧，则会导致信息重传甚至丢包，导致信道利用率反而下降。

由上述2个实验可以看出，采用本文星间信道通信协议后，能够有效避免星间信道中卫星间相互干扰，提高信息传输成功率与信道利用效率，提升多轨道联合组网的系统性能。

4 结束语

介绍了高低轨通信卫星联合组网情况下共享信道的通信协议设计方案，该设计方案有如下优点：① 允许卫星天线可以形成较宽波束，解决了高低轨卫星天线对准技术难、开销大的问题；② 允许多颗卫星对一颗卫星的通信场景，解决了卫星间共享通信信道时的干扰问题；③ 实现通信协议的各模块技术实施难度低，大大降低了系统复杂度和系统开销，系统具有很高的可靠性，降低研发、采购和维护的成本；④ 通信协议具有可定制性，方案中的各参数可以根据系统要求和用户需要相应调整，并且适用于各种载波频率下传输条件，不同基带系统的通信卫星系统。

通过分析和仿真验证，采用本文设计的协议后，能够有效避免星间信道中卫星间相互干扰，提高信息传输成功率与信道利用效率，提升多轨道联合组网的系统性能。