中高轨天基骨干网络性能研究

李 杰,冯旭哲,代建中

(国防科技大学智能科学学院,湖南 长沙 410073)

1 引言

随着航天技术的不断发展和空间业务不断增多,卫星网络的服务对象不再局限于地面用户,逐渐向空间用户扩展,如飞机、飞艇、空间飞行器、其他卫星用户等均需要通过卫星网络进行通信,面向各种空间用户的多层天基骨干卫星网络得以迅速发展。目前各国学者对多层卫星网络的组网方案进行了大量研究。文献[1-4]中对基于GEO/LEO的双层卫星网络进行了相关设计研究,并对网络路由算法进行了相关研究,但其仍然只针对地面用户。文献[5-10]中分别基于GEO、IGSO、MEO和LEO各轨道层的组合提出了对应的多层卫星网络(例如IGSO/LEO双层卫星网络[5]、LEO/MEO双层卫星网络[6,7]、GEO-IGSO/MEO双层卫星网络[8]、GEO/MEO/LEO多层卫星网络[9]等)。面向空间用户的多层卫星骨干网络空域全覆盖和空间链路性能分析研究极具意义。

多层卫星网络是指在两层或两层以上轨道平面内同时布星,利用层间星际链路建立的立体交叉卫星网络[11]。多层卫星网络具有组网灵活,抗毁性强的优点[12]。不同轨道类型有着各自的优势与不足。低轨卫星具有通信时延短、发射成本低等优点,但是其覆盖面积有限,星座内卫星数量庞大,同时对天文观测等存在不可忽视的影响。中高轨卫星覆盖范围大,仅需少量的卫星即可完成全球乃至全空域覆盖,同时中轨卫星的通信时延与发射成本适中,本文对多层卫星网络的研究是基于中轨和高轨两层轨道平面。中高轨天基骨干网络示意图如图1所示。

图1 中高轨天基骨干网络示意图

目前,天基骨干网络的建设仍处于研究阶段,也缺少对其空域覆盖性的系统研究,且已有文献也未对其用户接入性能进行分析。本文基于中高轨天基骨干网络对空间用户的接入性能进行研究。首先,通过建立模型对天基骨干网络的星间可视性进行详细的分析,推导星间可视条件;构建一个全时段连通的中高轨(3GEO+3IGSO+24MEO)天基骨干网络,对中高轨各轨道层的空域覆盖性能进行仿真研究,各轨道层卫星网络都能满足地面至GEO轨道全空域覆盖的要求。其次,对满足空域全覆盖的骨干节点转发器的配置个数及参数进行研究。最后,从传输时延、转发器和节点复杂度等网络性能参数出发,对此中高轨天基骨干网络构建的四种骨干网架构(架构一:高轨3GEO+3IGSO、架构二:中轨24MEO、架构三:高轨+低轨无层间链路3GEO+3IGSO-24MEO和架构四:高轨+中轨有层间链路3GEO+3IGSO+24MEO)在各种用户接入场景下的性能进行对比分析,以评估各骨干网架构在各场景下性能的优劣,同时结合综合评价函数的权重因子,对天基骨干网络性能的影响因素进行研究与分析。

2 星间可视性分析

卫星之间的可视性要求是卫星之间建立星间链路进行数据通信的前提和基础。星间可视性的影响因素主要包含几何可视约束、天线可视约束和星间距离约束这三个方面。必须同时满足以上三个方面的约束,卫星之间才能进行正常的数据通信。下面分别对其进行具体分析。

1)几何可视约束

几何可视约束是指卫星间通信不受地球及大气层遮挡,即从几何的角度满足星间建链、通信的基本要求。如图2所示,R为地球半径,h为大气层厚度,卫星A和B的轨道高度分别为dA、dB,卫星A、B之间的距离为lAB。卫星B所处位置为几何可视的临界位置,此时正好可见,卫星A和B通信链路连接线与大气层正好相切,卫星A到该切点的距离为LAmax,卫星B到此切点的距离为LBmax[13]。

图2 几何可视约束示意图

由几何关系可得卫星之间的距离lAB应满足如下关系式

(1)

由上述几何可见性约束条件可知,卫星B所处位置为几何可视的临界位置,此时正好与卫星A可见,两卫星几何位置关系为lAB=LAmax+LBmax。卫星B在位置B′时与卫星A不可见,两卫星几何位置关系为lAB>LAmax+LBmax。卫星B在位置B″时与卫星A可见,两卫星几何位置关系为lAB

2)天线可视约束

在满足几何可视的约束条件后,两卫星间仍不一定能够进行通信,还需要满足天线可视的约束条件。天线可视约束首先要求两颗卫星分别位于对方天线波束的扫描范围之内;同时还要考虑天线的跟踪、捕获和对准能力等。本文中认为天线的性能能够满足要求,仅仅考虑天线波速的扫射范围[13]。如图3所示,R为地球半径,卫星A和B的轨道高度分别为dA、dB,卫星A、B之间的距离为lAB。卫星A和B天线的半波束角分别为αA和αB。如图3中卫星A和B所示位置为天线可视的临界位置,两颗卫星恰好处于对方的天线波束扫射范围,恰好可见。过地心做卫星A和B通信链路连接线的垂线,卫星A到该垂足的距离为LAmin,卫星B到此垂足的距离为LBmin[13]。

图3 天线可视约束示意图

由几何关系可得卫星之间的距离lAB应满足如下关系式

(2)

由上述天线可见性约束条件可知,卫星A和B所处位置为天线可视的临界位置,此时两颗卫星恰好处于对方的天线波束扫射范围,卫星B正好与卫星A相互可见,此时lAB=LAmin+LBmin。图3中卫星A与卫星B″所处的相对位置为正常相互可见,两颗卫星都处于对方的天线波束扫射范围内,此时lAB>LAmin+LBmin。卫星A与卫星B‴所处的相对位置为卫星A处于卫星B‴的天线波束范围内,而卫星B‴不在卫星A的天线波束范围内,两颗卫星仍然不可见,此时lAB

3)星间距离约束

电磁波在传播过程中存在衰减,在卫星天线发射功率一定的条件下,信号的载噪比随星间距离的增大而减小,一方面增加了信号误码率,通信质量无法保证;另一方面对接收机的跟踪、捕获和对准的性能提出了更高的要求。为简化分析,设满足卫星可视性要求的最大星间距离为Lmax,当超过该距离时,卫星间不可视[13]。即

l

(3)

综上所述,两卫星之间建立通信的前提条件为它们之间的距离lAB应满足如下关系式

(4)

其中

(5)

3 骨干网星间链路及用户链路可视性分析

天基骨干网络通过星间链路保证各骨干网卫星节点相互连通,同时通过独立的用户链路与用户进行通信。本文研究的中高轨天基骨干网络具体参数如下:

1)高轨道层:由3颗GEO卫星(星下点分别为110°、-10°和-130°)和3颗IGSO卫星(处于同一轨道面,轨道倾角55°,平近点角相差120°,升交点赤经都为0°,即升交点经度相差120°)组成,各卫星之间都有链路。

2)中轨道层:由轨道高度为21528km的Walker24/3/1星座组成,轨道倾角55°。

上述中高轨卫星节点仿真场景通过STK软件仿真如图4所示,其中,蓝色表示由GEO、IGSO卫星组成的高轨道层骨干网络,红色、棕色和粉色分别表示由MEO卫星组成三个轨道面Walker24/3/1星座的中轨道层骨干网络。

图4 3GEO+3IGSO+24MEO天基骨干网络仿真场景示意图

为更好的服务于空间用户,首先需确保天基骨干网的空域全覆盖,然后在全覆盖的基础上保证骨干链路以及用户链路的全时段连通。因此,本节先分析上述参数的中高轨天基骨干网的空域覆盖性;然后分别从骨干网层内星间链路和层间星间链路、以及用户链路的转发器配置情况进行研究,以满足天基骨干网络链路的全时段连通可视性要求。

3.1 骨干网空域覆盖性分析

星座覆盖性能分析不能仅仅局限于地面覆盖,需要将关注区域扩展至三维空间,即计算空域覆盖性能。空域覆盖不同于传统的二维地面覆盖,空间覆盖性能的分析将增加一个维度,可以看作连续的不同轨道高度球面覆盖的集合,覆盖性能也不局限于覆盖率。将GEO轨道层高度以下空域分为无数个同心球面,当对所有高度的球面进行覆盖性能分析之后便可以得到整个空域的覆盖性能[13]。

分别对不同高度的球面在高轨卫星网络和中轨卫星网络下做覆盖性仿真得到结果如图5所示。可以看出3GEO+3IGSO高轨卫星网络下能实现整个空域的全仿真时段的100%覆盖;且单独24MEO中轨卫星网络也能实现整个空域的全仿真时段的100%覆盖。

图5 3GEO+3IGSO和24MEO空域覆盖性

由图5可知,对于3GEO+3IGSO高轨卫星网络实现全空域的第一重覆盖,可以较好的服务高轨用户;24MEO中轨卫星网络实现了全空域第二重覆盖。3GEO+3IGSO高轨卫星星座实现全空域的第一重覆盖,可以较好的服务高轨用户,其中,GEO之间、IGSO之间、GEO和IGSO之间都存在星间链路,保证其连接成为一个互相通达的网络。其次,24MEO中轨卫星星座实现了第二重覆盖,MEO之间存在星间链路,保证24颗MEO卫星之间相互通达,更好地服务于低轨用户和地面用户。因此采用上述中轨和高轨两层骨干网组合成的四种骨干网架构(架构一:高轨3GEO+3IGSO、架构二:中轨24MEO、架构三:高轨+低轨无层间链路3GEO+3IGSO-24MEO和架构四:高轨+中轨有层间链路3GEO+3IGSO+24MEO)都可以较好的满足全空域覆盖的需求。

3.2 骨干链路转发器配置分析

中高轨骨干网络为了实现全空域的全覆盖,需要保证骨干网高轨层、中轨层的层内节点全连通,高轨层和中轨层的层间节点全连通,以及骨干网对全空域内各高度用户的连通。通过搭载特定个数、角度的转发器来实现骨干网络的全时段互连,下面以中轨卫星网络(24MEO)为例对此转发器进行详细分析。

由24颗MEO卫星组成的中轨卫星网络实现全连通,需要各MEO卫星分别搭载4个转发器来构建中轨卫星之间一直连通的星间链路。其中2个转发器的方位角分别为0°和180°,仰角均为45°,半波束角均为45°,用来保证同轨道面卫星的星间链路;另外2个转发器的方位角分别为90°和-90°,仰角均为45°,半波束角均为45°,用来保证异轨道面卫星的星间链路。由于中轨24颗MEO卫星组成的Walker星座是均匀对称分布的,此处仅以MEO11卫星为例来进行研究,MEO11搭载4个转发器保证中轨卫星最大程度的可见性。MEO11和其它中轨卫星之间的可见性关系如图6中所示。

通过统计MEO11卫星与均搭载4个转发器的中轨骨干网的可见关系仿真结果可知:MEO11与按上述参数搭载4个转发器的中轨骨干网的可见关系和24MEO中轨卫星间的最大可见关系相同。因此如表1所示24MEO分别搭载4个转发器能实现骨干网中轨卫星节点间的最大可见链接,且实现了中轨骨干网间的全时段连通。

表1 中轨卫星网络层内链路转发器参数

相同的研究可知高轨网络层内链路实现全时段连通所需搭载转发器的相关参数如下表2所示。

表2 高轨卫星网络层内链路转发器参数

中高轨天基骨干网中涉及的高、中两层卫星网络的多种组合架构,包括高轨(架构一)、中轨(架构二)、高轨+低轨无层间链路(架构三)和高轨+中轨有层间链路(架构四)四种网络架构;建立中轨和高轨层间星间链路所需转发器搭载情况如表3所示。

表3 层间链路转发器参数

3.3 用户链路转发器配置分析

中高轨天基骨干网配置对应上述参数的转发器后,实现了天基骨干网的全时段连通。骨干网节点与用户之间通过用户链路进行通信,各卫星节点需另外搭载一个转发器用于建立用户链路,各节点搭载转发器的参数配置如下表4所示。

表4 用户链路转发器参数

表5 各网络架构传输时延比率和评价函数值对比结果

4 骨干网接入性能分析

从通信实时性的角度来看,传输时延是天基骨干网络的最基本也是最重要指标之一。而骨干网节点和转发器数量一方面会影响天基骨干网的实现成本,另一方面会增加系统管理的复杂度。因此,本文主要从转发器、传输时延和节点复杂度三个方面对骨干网网络性能进行综合评价。采用如下的网络性能评价函数

J(θ1,θ2,θ3)=h1θ1+h2θ2+h3θ3

(6)

(7)

(8)

(9)

其中,θ1表示搭载转发器效率,θ2表示传输时延比率,θ3表示节点管理复杂度。h1,h2,h3分别表示上述参数的不同权值,在实际应用下,根据实际工程所关注情况分别取对应的权重值。

式(7)中,n为子星座数量,si为子星座卫星数量,ci为卫星搭载的转发器数量,Cmax为待评价星座中单颗卫星搭载转发器的最大数量,此项参数主要体现卫星星座实现的工程代价。

式(8)中,t为星座传输时延,tmax为待评价星座的最大传输时延。传输时延综合考虑了转发节点的处理时延和距离传输时延。距离传输时延即为电磁波以光速通过源节点到目的节点之间的传输路径所消耗的时间;节点转发时延即为骨干网节点完成数据包的转发处理所消耗的时间。本文仿真中转发节点的处理时延取为100ms。

式(9)中,n为子星座数量,si为子星座卫星数量,smax为待评价星座的最大卫星数量,根据分析计算,“高轨+中轨”网络架构下卫星数量达到最大,其值为30。由卫星数量带来的链路切换代价、管理成本代价均在这项参数中体现。

通过各用户场景仿真分析得到各骨干网网络架构性能结果如下表所示。

由表6可知,在考虑工程实现代价、管理复杂程度、数据传输延迟的综合影响下,对权重分别取h1=0.3,h2=0.4,h3=0.3,四种架构的网络性能排序如下:

表6 各网络架构性能对比结果

架构一>架构二>架构三>架构四。

显然,上述的分析受转发时延和权重因子取值的影响,当取值发生变化时,各个架构的性能也会产生差异。为分析转发时延影响,取固定权重因子hi(i=1,2,3)取值为0.3、0.4和0.3,按照性能评价函数计算四种架构在不同转发时延下评价函数的结果如图7可知:当固定权重因子为H1=0.3,H2=0.4,H3=0.3时,改变转发器的转发时延对评价函数影响不大。

图7 转发时延对各个架构综合性能的影响

固定转发时延为100ms,对权重因子的影响进行分析,获取四种架构在不同权重因子下的评价结果均值如表7所示。

表7 各架构在不同权重因子下评价函数值统计情况

根据表7可知,权重因子取值不同,四种架构的性能评价函数数值也会有所不同。权重因子的具体取值则依据各个指标的重要程度。对转发器效率要求较高的应用场景,主要考虑转发器效率影响,即上表的第一种情况,此时性能优劣关系为:架构一>架构三>架构二>架构四。对传输时延比率要求较高的应用场景,即仅考虑传输时延比率指标的影响,此时四种架构的性能优劣关系为:架构三=架构四>架构二>架构一。而对主要考虑节点管理复杂度的应用场景,四种架构的性能优劣关系为:架构一>架构二>架构三=架构四。权重设置不同,会导致四种架构性能优劣的差异。

5 结束语

本文围绕中轨和高轨天基骨干网络模型与架构进行了分析,对空间用户的接入性能进行研究。首先对骨干网星间可视条件进行了具体分析;并对中高轨天基骨干网的空域覆盖性进行仿真研究,其高轨卫星层(3GEO+3IGSO卫星)和中轨卫星层(24MEO卫星)组合的四种骨干网络架构都能实现全空域的完全覆盖。其次对满足空域全覆盖的骨干节点转发器的配置个数及参数进行研究;并构建了全时段连通的骨干网架构。最后基于传输时延、转发器和节点复杂度三项指标的综合评价函数,对天基骨干网络的综合性能进行研究。为进一步分析各个指标对天基骨干网络用户接入性能的影响,本文提出了一种基于主要性能指标的综合评价函数,并在此基础上对四种天基骨干网络架构在10种用户场景下的性能进行了对比分析。结果表明,权重因子取值的不同会导致四种架构性能优劣变化。权重因子设置具有较大的主观性,而实际权重因子的取值应根据当前工程实现实际水平和关注点而选取。本文可为多层骨干网络设计提供借鉴。