低轨卫星移动性管理仿真平台研究及实现

曹 晖，陈前斌，梁承超，唐 伦

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065； 2.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

0 引 言

随着5G时代的到来，低时延、海量连接以及高可靠通信成为时代主题，人们希望在任何时间、任何地点都能够进行数据和信息的访问和共享。5G技术在高带宽、高速率方面拥有强大的优势，但其过高的传输频率会引发高衰减率，导致单个运行基站的覆盖范围只有几百米，难以实现大面积的覆盖。目前我国地面通信网络只覆盖了约15%的国土面积，而人口稀少的偏远地区，如草原、森林及海岛，因业务量极少，无法消化通信设备巨大的安装和运行成本，未来也依然难以被地面通信网络覆盖[1]。低轨(low earth orbit，LEO)卫星相对于同步轨道卫星拥有更低的时延和更广泛的覆盖范围，因而愈发受到人们的青睐，成为世界各国都争相发展的重点。

近几年来，以OneWeb、SpaceX为代表的多家公司正在大力发展卫星互联网星座，通过打造由LEO卫星组成的卫星星座，为全球提供互联网接入服务[2]。OneWeb计划构建的通信网络是OneWeb星座，预计由数百个1 200 km轨道高度的卫星构成，OneWeb星座将与地面网络集成，并且提供无线局域网服务，允许用户使用各种移动设备接入网络[3]。SpaceX的卫星互联网项目是“星链(Starlink) ”，计划发射4 425颗LEO卫星，为全球提供低成本的互联网连接服务，在2024年之前全面运行[4]。

LEO卫星星座往往规模庞大，有的甚至多达成百上千颗卫星；卫星网络功能多种多样，需要为用户提供各种服务；网络结构复杂，需要卫星节点、地面站、移动用户端高度融合。此外，实际卫星设计、制作周期较长、造价高昂，卫星进入复杂的空间环境后，一旦失控会造成巨大的损失；而在地面搭建出整个星座实验平台也耗资巨大，并且效果有限。因此，星座设计、星间网络的构建往往需要借助于各种仿真软件，仿真软件对于确保星座的顺利运行也同样十分重要[5]。

LEO卫星通信中，移动性管理(mobility management, MM)包括切换管理(handover management, HM)和位置管理(position management, PM)[7]，是对移动终端位置信息、安全性以及业务连续性方面的管理，用于努力使终端与网络的联系状态达到最佳，进而为各种网络服务的应用提供保证。高效的移动性管理技术对于在网络之间提供无缝连接和保持会话连续性至关重要[6]。LEO单颗卫星移动速度快、覆盖面小，要保障地面通信的稳定性，卫星间的切换必不可少。同时，LEO卫星覆盖区域不是固定的，卫星越过地球不同区域时，要在地面站之间进行切换。因此，LEO卫星系统中的移动性管理相比地面网络更具挑战性[8]。

当前，有关低轨卫星的切换研究主要聚焦于目的卫星选择和信道资源预留。文献[9]和文献[10]分别提出了基于服务质量和覆盖时间的卫星切换方案，但这些方案的运算方式过于复杂，在实际情况下难以实现。文献[11]和文献[12]则提出了在考虑分布式卫星之间的相互作用和网络资源开销的情况下的信道预留策略，但这是基于单颗卫星的整体考虑，没有具体细分到每个波束的情况，具有较大的局限性。

本文基于OPNET网络仿真软件设计了一个LEO卫星移动性管理仿真平台，并从工程实现的角度设计了基于信号接收强度的星间切换和波束间切换流程。通过此平台，能够模拟LEO卫星通信系统工作状态，获取相关仿真参数，为系统的调制和测试提供数据支撑。

1 平台设计

1.1 仿真平台架构设计

LEO卫星移动性管理仿真平台不仅需要模拟卫星和地面终端的各种通信场景，还应该支持各种网络协议，并且具有对后续服务提供更新升级的潜力。本文设计的LEO卫星移动性管理仿真平台总体架构如图1。本仿真系统采用模块化设计，分为功能实体模块、卫星通信协议模块、网络管理模块、卫星运行模块和分析模块。

功能实体模块主要用于模拟具体的物理节点，包括用户终端、卫星、信关站和网控中心。通过设置各节点的状态，来仿真在各种场景下的系统运行情况。其中，可以手动或自动设置用户终端的速率和轨迹，以此仿真用户在低速或者高速运动下的通信状态。而卫星的运行轨迹则可以自行编辑或通过外部轨道文件进行导入。

卫星属性模块用于设置协议以支持模拟卫星和卫星之间、卫星和地面之间的通信。通过将不同通信模块作为不同网络接口的方式，实现不同节点间的相互通信，并避免冲突。此模块还可以编辑卫星信道模型，用于模拟各种复杂自然环境。同时，单独将其列为一个模块也具有很强的灵活性，能够很容易地修改现有模块或者添加新模块以拓展仿真平台功能。

网络管理模块用于构建整个LEO通信系统的网络拓扑。通过此模块，能够模拟出包括星间链路和星地链路在内的网络架构，以评估网络性能。通过修改该模块，可以修改或添加新的链路通道，从而更新整个网络状态。

图1 仿真平台总体架构Fig.1 Simulation platform architecture

卫星运行模块用于模拟卫星自身的运行状态，通过获取卫星运行轨道文件，实时更新卫星在虚拟网络中的位置。同时，本模块也负责管理卫星中波束的运行状态，包括设置卫星波束的信道数、频率等参数。

分析模块负责对整个LEO卫星通信系统的运行情况进行统计和分析。通过对设定参数下的计算，分析系统在不同参数条件下的表现。此模块具有极大的灵活性和可拓展性，仿真者可根据自身的需求添加和删减统计量，以此达到各种仿真需求。

1.2 网络拓扑设计

本文中的LEO卫星通信系统由空间部分和地面部分组成。空间部分由围绕地球旋转的低轨卫星星座组成，地面部分则由负责提供控制和处理信息的移动交换中心(mobile switch center, MSC)和网络控制中心(network control center, NCC)以及使用LEO卫星通信服务的用户终端(user equipment, UE)组成[13]，如图2。

本文网络拓扑参考了铱星(Iridium)星座系统[14]，此星座由66颗卫星组成，分布在6个轨道面上，每个轨道面均匀分布11颗卫星。其中，每颗卫星轨道高度781 km，轨道倾角86.4°，相邻轨道面间隔为30°，相邻轨道面间卫星的相位差为16.36°。同时，每颗卫星拥有4条星间链路，分别与同轨道面前后两颗卫星和相邻轨道面左右相邻卫星间有星间链路连接。反向缝两侧轨道面上的卫星只有3条星间链路，分别与同轨道面前后两颗卫星和非反向缝一侧相邻轨道面卫星间有星间链路连接。

图2 仿真平台网络拓扑Fig.2 Simulation platform network topology

1.3 网络场景设计

在LEO卫星移动性管理仿真平台的设计中，本文采取STK软件搭配OPNET Modeler仿真平台的设计方式。STK是由美国Analytical Graphics公司研发的一种商用航天、卫星仿真设计工具，它是目前国内卫星星座仿真主流软件，在航天领域处于领先地位，支持用户进行二次开发，在程序中调用STK界面或者是将STK引擎嵌入程序[15]。OPNET Modeler是美国OPNET公司出品的一个商业化的通信网络仿真平台，采用层次化、模块化面向对象的建模机制，有图形化用户界面。OPNET Modeler以事件调度为基础，能够通过进程形式把活动、事件按时间的先后顺序组合，使得建模方式灵活而又直观[16]。同时，OPNET Modeler对卫星网络的支持也很完善，提供卫星节点、无线链路、天线和卫星轨道等的设置功能[17]。本平台STK软件版本为11.0，负责生成所需的低轨卫星星座，并导出为轨道文件；OPNET Modeler软件版本为14.5，负责将生成的轨道文件导入仿真平台，并构建网络拓扑中的其他节点，其生成结果如图3。

图3 仿真平台场景Fig.3 Simulation platform scenario

仿真场景中，除了66颗LEO卫星之外，还包括了2个MSC、1个NCC以及若干UE。在本仿真平台中，UE与卫星，MSC与卫星之间为无线连接；MSC之间以及MSC与NCC间为有线连接。卫星向MSC进行注册，而每个MSC站通过其注册过的卫星透明转发，分别管理多个向它注册的UE。

1.4 卫星节点模型设计

在仿真平台中，地面网络的MSC、NCC及UE与传统地面移动通信系统相差不大，本文主要介绍仿真平台中的LEO卫星节点。

LEO卫星节点模型如图4，本卫星节点主要由5个模型组成，分别为48组用户链路模型，1组星间路由模型，1组馈电链路模型，1个天线管理模型和1个中央处理器模型。

用户链路模型用于卫星与用户终端进行交互，包括发送导频信号与传输业务数据等。星间路由模型采用了铱星系统的路由模式，用于卫星间的相互通信和数据转发。馈电链路模型用于与地面站进行通信，接收来自地面控制中心的各类信号。天线管理模型用于管理每个用户链路模型组中天线的指向位置，通过此模型，能够保证每个波束覆盖范围都相对卫星保持一致。中央处理器模型负责整个卫星节点的控制交互，将来自不同部分的数据进行分类处理。

2 用户切换方案设计

由于低轨卫星围绕地球高速运动的特性，用户接入一颗卫星的时间相当有限，为了保证用户能够获得连续稳定的服务，对LEO卫星通信网络进行移动性管理就显得尤为重要。移动性管理为网络提供移动性支持并满足相关的服务质量(quality of service, QoS)指标，例如切换时延、丢包率、阻塞率、信令开销等。在移动性管理中，切换管理与位置管理一般独立进行研究，本文主要研究切换管理。

切换包括软切换(soft handover, SH)和硬切换(hard handover, HH)。在软切换中，如果移动终端配备了多个网络接口，它可以使用其中一个接口在切换期间通过新的网络访问点获得连接，同时仍然继续使用旧的接口[18]。而在硬切换中，则是先中断旧的通信链路，再建立新的连接，在整个切换过程中移动台只能使用一个无线信道。

在LEO卫星通信系统中，切换管理分为波束切换和星间切换，波束切换又称为蜂窝切换或者星内切换，是指同一颗卫星覆盖区域内,链路在相邻波束间的切换；而星间切换又称为卫星切换,是指一个链路在相邻卫星间的切换[19]。

图4 LEO卫星节点模型Fig.4 LEO satellite node model

LEO卫星通信系统中的信道资源紧张，不适宜采用需要UE同时占用多个信道的软切换策略，故本文中UE的切换流程设计采用硬切换策略。该策略大致分为4个阶段：切换测量阶段、切换决策阶段、切换准备阶段以及切换执行阶段。当切换测量的结果满足切换决策条件时，就会触发切换准备然后执行切换，最终使UE转移连接到新的波束或者卫星下。在本仿真平台中，用户默认采用参考信号接收功率(reference signal receiving power, RSRP)的判决方式进行切换。

为了防止因信道不稳定产生信号强度误差而导致乒乓切换，通常会采用迟滞算法，即只有信号强度差值超过了一定滞后参数(hysteresis, Hys)，UE才会决定进行切换。LEO卫星通信系统采取了类似做法，即要求只有外部波束的RSRP值大于接入波束的RSRP值与Hys值之和时，方可执行切换，如图5。在LTE网络中的切换还会采用增加时间触发器(time to trig, TTT)和偏置值(A3偏置)的方式来减少乒乓切换的产生，本平台中也采用了此方式。

图5 切换触发条件Fig.5 Handover trigger condition

在本文仿真场景中，当UE接入波束信号强度小于其他波束时，UE向当前接入卫星发送请求切换的消息包。当前接入卫星通过消息包中目的波束的消息判断目的波束是否属于本卫星，如属于本卫星，则进行波束间切换，否则进行星间切换。星间切换流程如图6。

图6 星间切换流程Fig.6 Inter-satellite handover process

星间切换的具体步骤如下。

1)卫星A和卫星B周期性地向UE发送导频信息，在导频信息中写入发出本导频的波束号和卫星号。UE通过测量此导频信号的RSRP值对卫星A和卫星B的信号强度大小进行比较；

2)当UE检测到卫星B的导频信号RSRP值大于当前接入卫星A时，向卫星A发出测量报告，报告中含有UE的ID号和卫星B的卫星号；

3)卫星A生成切换需求报告并向NCC发送，报告中包含UE的ID及卫星B的卫星号；

4)NCC收到卫星A的报告后，生成切换请求报告并向卫星B发送，报告中含有UE的ID，要求卫星B进行信道资源预留；

5)卫星B收到NCC发来的消息后，检测当前波束是否存在空闲信道，如果存在，则将此信道用UE的ID号进行锁定，同时获取此信道的发射频率和接收频率，并写入到切换请求回复报告中，向NCC进行发送；

6)NCC获取到卫星B的回复后，生成切换命令报告，在报告中写入卫星B波束的信道的发射频率和接收频率，并向卫星A发送；

7)卫星A收到报告后，将此报告通过UE当前接入的波束转发给UE；

8)UE收到该报告后，将自身的发射频率和接收频率分别改为报告中信道的接收频率和发射频率，并向卫星B发送切换确认报告，在报告中写入自身的ID号；

9)卫星B收到报告后，如果确认报告中UE与预留信道中UE的ID一致，则允许UE进行接入，并向NCC发送切换通知报告；

10) NCC接到卫星B发来的通知报告后，向卫 星A发送资源释放报告，在报告中写入UE的ID，要求卫星A释放UE所占的资源。

波束间切换流程与星间切换流程大体相同，但由于不涉及跨卫星，因此，不需要通过NCC进行报告转发，其切换流程如图7。

图7 波束间切换流程Fig.7 Inter-beam handover process

3 仿真平台验证

3.1 仿真场景及参数设置

在仿真平台性能评测中，以LTE相关标准[20]和文献[21]作为参照设定仿真参数。表1为仿真时设定的各项参数，包括仿真场景配置、卫星属性配置和用户-卫星通信的相关参数。

3.2 仿真指标

为了验证仿真平台的准确性及测试不同参数对仿真结果的影响，本文从以下几个方面对仿真平台的性能进行评估。

1)切换成功率。定义为所有用户截至当前时刻已经切换成功的次数除以已经发生切换的总次数，即表示为

(1)

(1)式中：Hosrate为切换成功率；Hos为切换成功次数；Hof为切换失败次数。

表1 系统参数

2)切换总次数，定义为所有用户截至当前时刻已经发生的星间切换次数与波束间切换次数之和。

3)平均业务中断时间，定义为所有用户截至当前时刻因切换导致业务包中断发送的总时间与总次数的比值。

3.3 仿真结果

不同条件下切换成功率比较如图8。从图8可以看出，随机接入阶段由于无法使用共享信道，用户数较多时会产生资源不足，数据包发生碰撞，带来信令包丢失，导致切换失败。因此，在TTT和A3偏置相同时，用户数越多，其切换的成功率越低；TTT设置较长可以在一定程度上减轻乒乓切换问题，但由于触发测量报告的时间过长，测量上报不及时从而切换不及时，又会带来切换过程中的链路失败，降低切换成功率；A3偏置设置过大，也能一定程度上减轻乒乓切换问题，但增加了A3事件的进入难度和保持难度，使切换发生更加困难，从而带来切换不及时使得切换过程容易发生链路失败，降低切换成功率。从图8中可以看出，以用户数60为例，在没有TTT和A3偏置时，切换成功率能够达到99.5%左右，而加入后则会降至97%～97.5%附近，此结果与LTE系统中的结果相似，该测量结果较为可靠。

图8 不同条件下切换成功率比较Fig.8 Comparison of handover success rate under different conditions

不同条件下切换总次数比较如图9。从图9显示的仿真结果来看，在TTT和A3偏置保持不变的情况下，用户数从30至60增加一倍，但切换总次数并没有随之增加一倍，这是由于终端争夺通信资源而导致有些终端无法获取信道资源进行切换。在用户数同为60时，没有设置TTT与A3偏置的切换总次数相比有设置时多出了30%，这是因为此情况下出现了大量的乒乓切换，导致切换总次数增多。此仿真结果与理论实际相符合，说明仿真结果比较可靠。

图9 不同条件下切换总次数比较Fig.9 Comparison of total handover times under different conditions

图10为不同条件下的业务中断时间对比。不同参数配置下，对中断时间影响较大的为传输时延和排队时延。传输时延主要取决于包大小和链路速率，而信令包大小相同，相同物理信道链路速率恒定，故传输时延恒定，因此时延变化来自排队时延。当用户数增多时，更多用户使用处理器核心，导致排队时延增加；当A3偏置和TTT设置过小或者没有设置时存在乒乓切换，信令负荷加大，排队时延也会增加。因此，在同等条件下，用户数越多，中断时延越大。此结果与理论相符。

图10 不同条件下平均中断时间比较Fig.10 Comparison of average interruption time under different conditions

4 结束语

本文基于OPNET网络仿真软件，通过导入STK卫星轨道软件，搭建了LEO卫星移动性管理仿真平台。此外，本文提出了一种基于信号强度检测的硬切换管理方案，包括星间切换和波束间切换。仿真结果表明，此仿真平台能够较为准确地模拟LEO卫星通信系统工作状态，并表示出卫星与用户间的整个切换过程，能够为低轨卫星移动性管理的进一步研究提供依据和参考。