前向數據接入方式對導航星座網絡通信性能的影響分析

王琦，邵豐偉，顧亞楠

1. 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094

2. 上海微小衛星工程中心，上海 201203

3. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094

建設有星間鏈路支持的導航星座成為全球導航系統的發展趨勢。GPS IIR/IIR-M衛星UHF頻段星間鏈路、Galileo GNSS+項目C頻段星間鏈路等均采用時分多址體制輪詢測距通信[1]。導航星座星間鏈路一種可行的實現方案是使用相控陣天線通過指向切換實現空域復用，分時實現與多個目標的測量通信[2]。在滿足基于星間測量的自主導航、精密定軌需求的同時，導航星座星間鏈路基于一定的拓撲路由規劃進行組網通信，可有效解決境外衛星與境內地面站間的數據交互問題。

伴隨復雜星間鏈路網絡的出現，星地通信模式由星地點對點數據交互逐步向星-星-地聯合數據交互過渡。以北斗全球衛星導航系統為代表，星間鏈路采用時分多址輪詢建鏈體制，星地鏈路采用連續通信建鏈體制，星間、星地鏈路的數據交互機制需要協調和統一。當前對優化導航星座星間鏈路網絡拓撲路由效果的研究成果較為豐富[3-6]，但缺少對星-星-地聯合數據交互機制及其優化應用的研究。

本文面向導航星座星間鏈路網絡的地面前向數據接入應用，分析了兩種代表性前向數據接入方式對導航星座星間鏈路網絡數據交互機制的作用機理及對星間鏈路網絡通信性能的定性影響，給出了導航星座星間鏈路網絡拓撲路由規劃策略的制定規則；經仿真計算，量化分析比較了兩種前向數據接入方式下的網絡通信性能；通過對性能優勢及應用代價的權衡，給出了星間、星地聯合數據交互機制的使用建議。研究成果對北斗全球衛星導航系統星間鏈路網絡的應用有明確的指導意義。

1 星-星-地前向數據交互機制分析

在導航星座星間鏈路時分多址輪詢建鏈體制下，每顆衛星采用時分復用的工作方式，以時隙為基本時間單位與其他衛星分時聯通，全星座任意可視衛星之間可分時建立多點對多點的多條鏈路，完成測量和數據傳輸。全網星間數據經由境內衛星星地鏈路實現與地面的交互,即通過境內衛星中轉，可以實現境外衛星與境內地面站的前返向數據傳輸。

星間鏈路按時隙變換建鏈對象并調整數據路由，與傳統星地鏈路一對一固定聯通的數據交互機制區別明顯。本文以地面前向數據注入為例，對地面與星間網絡之間數據交互的實現機制進行分析。

1.1 最快路徑接入方式下的數據交互機制

在星間鏈路時分多址輪詢建鏈體制下，星間網絡境內衛星與境外衛星通信最為高效的方式是：選擇從境內衛星至境外衛星的最快路徑，保證境內衛星到境外衛星的時延最小，境內衛星與境外衛星一次轉發數據傳輸優先，稱為數據最快路徑接入方式。

為高效地實現星間鏈路網絡與地面的聯合數據交互，要求調整地面系統傳統數據分發及接入模式。以地面前向數據為例，對境外A星的前向數據，需由地面數據中心對境外A星的數據按時隙進行分塊，且通過多個不同的地面站，定時送達至各時隙最快路徑中相應的境內衛星，才能按照星間鏈路的拓撲路由規劃最快到達境外A星。具體星-星-地數據交互過程參見圖1，傳輸路徑如表1所示。

表1 地面至境外衛星數據傳輸的最快路徑

圖1 前向數據最快路徑接入傳輸實現示意

前向數據最快路徑接入方式下，星間網絡通信效率高，網絡負載小。但對傳統星地點對點通信模式，在可見期間保持地面站與境內衛星一對一連續建鏈通信方式不變的條件下，要求地面系統針對星間鏈路多星數據分發傳輸機制進行調整和升級，能夠對境外多星數據按時隙進行分塊，且按路由路徑向多個地面站點分發并按時送達至多顆境內轉發衛星，才能適應星間鏈路網絡多點對多點的最快路徑數據路由。

1.2 固定節點接入方式下的數據交互機制

保持星地鏈路數據分發傳輸機制不變，經過星地鏈路聯通境內衛星，對該境內衛星可視的境外衛星固定進行一對一的數據注入，稱為數據固定節點接入方式。此時，星間最快路徑路由將無法保證。

以境外A星為例，選擇境內1星作為轉發節點，在兩星可見期間，對境外A星的所有注入數據均由地面發送給境內1星；數據到達境內1星后，由境內1星按照接續時隙的拓撲路由規劃參數，在通信能力范圍內將數據送達至境外A星。具體星-星-地數據交互過程參見圖2, 傳輸路徑如表2所示。

表2 地面至境外衛星數據傳輸的固定節點路徑

圖2 前向數據固定節點接入傳輸實現示意

前向數據固定節點接入方式下，從境內1星某個時隙轉發給境外A星的數據，可能在星間鏈路網絡中經過多次轉發才能到達境外A星，傳輸路徑跳數和時延均明顯增加。多次轉發將導致地面接入數據在星間網絡中滯留時間較長，網絡負載加重，無法保證星間鏈路網絡較高的通信效率；但對于地面數據中心而言，數據調度及分發上注機制與傳統星地鏈路基本一致，實現較為簡單可靠。

2 前向數據不同接入方式下的星間網絡拓撲路由規劃策略分析

導航星座各衛星以時隙為基本時間單位與其他衛星分時聯通，在滿足測量類用戶對星間建鏈要求的基礎上，境內衛星與境外衛星間按照拓撲路由規劃進行數據交互。與節點對等、流量均衡的傳統通信網絡的區別在于，導航星間鏈路網絡拓撲路由規劃主要解決的是測量約束條件下的境內衛星與境外衛星間通信性能優化問題。

在測量條件的約束下，基于容量最大化、負載均衡、最短路徑、最快到達等目標，通常將星間鏈路建鏈和拓撲規劃問題建模為一個多目標優化問題；基于拓撲規劃結果，進一步進行容量、負載、時延等綜合目標優化的路由規劃。國內導航星間鏈路網絡拓撲路由規劃算法研究主要以網絡容量、傳輸時延為優化目標[3-14]，本文不對具體算法及其優點進行比較，主要制定不同地面數據接入方式下的拓撲路由規劃策略和原則，為算法研究提供目標指導。

前向數據最快路徑接入方式下，由地面去適應星間鏈路境內多星對境外多星時分復用輪詢建鏈的數據通信機制，地面與某個境外衛星間通信通過多個境內衛星進行數據分塊、分時轉發實現。這種接入方式可以快速實現數據在境內星與境外星間的傳遞，數據在星間網絡停留的時間較短，整個網絡承載境內外衛星間的數據容量顯著提升。通過重點保證境內衛星與境外衛星的建鏈數量和均勻性，通常網絡容量和負載均衡即可有效實現；拓撲路由規劃常以最短路徑為主要優化方向，較易實現良好的通信時延性能。

前向數據固定節點接入方式下，由星間鏈路去適應傳統星地單點對單點的通信模式，對星間鏈路網絡通信性能有較大影響。受測量類用戶對多星交互建鏈要求的約束，由境內固定接入衛星節點至境外某衛星的數據一次轉發到達率通常僅為10%～20%，多次轉發成為常態。數據在星間鏈路網絡中停留時間較長，網絡容量和傳輸時延受到顯著影響。此時，通信容量和傳輸時延成為拓撲路由規劃算法的主要優化目標。此外，返向數據傳輸通常具備繼續采用最快路徑到達策略的條件，前返向數據傳輸路徑的不對稱性，在拓撲路由規劃時也需要關注。

3 前向數據不同接入方式下的通信性能仿真分析

設定典型導航星座軌道參數和地面站坐標參數，計算星間、星地可見性[15]；在滿足測量類用戶對單星星間測量建鏈數量要求的基礎上，針對兩種不同的星地數據交互機制，分別進行支持境內外衛星數據交互的網絡拓撲路由規劃。對衛星分別為源節點、中轉節點和接收節點的情況，從優先級、衛星數據處理、衛星數據緩存等角度，建立數據發送、數據轉發、數據接收模型，按通信協議構建導航星座星間鏈路網絡運行仿真平臺。同時，建立不同地面數據接入方式下的用戶數據注入模型，基于某一種可行的網絡拓撲路由規劃結果，進行通信網絡性能仿真分析。

3.1 仿真場景設置

仿真場景選取星座構型為Walker 24/3/1、傾角為55°、回歸周期為7 d的全球MEO導航星座，以及喀什、渭南、北京3個地面站。通過對星間及星地可見關系的多周期分析，可選取境內外衛星數量比例較為惡劣的典型代表場景(境外18顆星、境內6顆星)，作為通信網絡性能的下限情況進行分析。衛星節點星間通信帶寬、緩存容量等主要模型參數設置參見表3。

表3 導航星間網絡前向數據接入仿真場景參數設置

3.2 網絡通信性能仿真結果

按照仿真參數設置，選取典型場景下1 h的通信數據進行性能仿真分析。此時段星座第一軌道面2、3、4相位及第二軌道面1、2、8相位的衛星為境內星。通過調整對境外星的前向數據注入量，實現典型場景下通信性能邊界分析。

(1)前向數據最快路徑接入方式

對18顆境外星的前向數據注入量，在每顆衛星9幀/時隙的基礎上逐步增加，數據于每秒起始時刻進行注入。境外星前向數據通信性能仿真結果如表4所示。

表4 最快路徑接入方式下導航星間網絡通信性能仿真結果

當每顆衛星前向數據注入量為15幀/時隙時，數據超出星間鏈路通信容量，在星內緩存排隊，無法按照規劃的最快路徑傳輸，隨時間累積緩存數據溢出導致丟包。

(2)前向數據固定節點接入方式

對18顆境外星前向數據注入量，在每顆衛星9幀/時隙的基礎上逐步增加。境外星前向數據通信性能仿真結果如表5所示。

表5 固定節點接入方式下導航星間網絡通信性能仿真結果

當每顆衛星前向數據注入量為12幀/時隙時，數據超出星間鏈路通信容量，在星內緩存排隊，無法按照規劃的較優路徑傳輸，隨時間累積緩存數據溢出導致丟包。

3.3 仿真結果分析

如圖3所示，對前向數據最快路徑接入方式和固定節點接入方式下的通信性能仿真結果進行分析及比對，得到以下結論：

圖3 前向數據不同接入方式的網絡通信性能仿真結果

1)前向數據最快路徑接入方式相比于固定節點接入方式在數據容量和傳輸時延等通信指標上有較明顯的優勢；以用戶可接受的平均時延為30 s為例，最快路徑接入方式可支持每顆境外星14幀/時隙的同時上注，而固定節點接入方式僅可支持每顆境外星10幀/時隙的數據注入量。

2)在兩種接入方式下，數據擁塞的發生過程分別表現出漸變和突變的特點。前向數據固定節點接入方式下，隨著注入數據量的增加，有明顯的時延逐步增加過程，當注入數據量增加至每顆境外星14幀/時隙時，網絡逐漸發生擁塞；前向數據最快路徑接入方式下，未達到數據擁塞前，隨著注入數據量的增加，時延緩慢增加，當數據注入量達到擁塞門限值時，時延迅速增加，網絡立刻發生擁塞。

3)最快路徑接入方式下，注入數據一旦超過門限，數據在緩存中較快發生累積，超過鏈路通信容量的數據，通常無法按照規劃的最快傳輸路徑到達境外目的衛星，傳輸方式轉化成類似固定接入方式下的多跳數據路由；此時，傳輸時延的顯著增加將進一步加劇緩存空間的數據累積；由于此時的數據注入量已大于固定接入算法的擁塞門限值，網絡進入擁塞狀態的過渡時間極短。

4 結束語

本文針對時分多址輪詢建鏈體制的導航星座星間鏈路網絡，完成了前向數據最快路徑接入方式和固定節點接入方式兩種代表性星-星-地聯合數據交互機制下的網絡性能分析。

1)前向數據固定節點接入方式功能實現簡單，但沒有發揮網絡路由的優勢，犧牲了星間網絡的通信性能；最快路徑接入方式可以保證優良的星間網絡通信性能，但要求地面數據交互機制進行較為復雜升級，運行的穩定性和可靠性相對不足。

2)根據星間傳輸時延和通信容量的仿真分析結果，在前向數據注入量較低且通信時延要求不高的應用條件下，可適度采用前向數據固定節點接入方式，以避免復雜的數據調度帶來的穩定性和可靠性風險。

3)前向數據固定節點接入方式和最快路徑接入方式，是在現有地面與衛星不同數據鏈路體系下適應星間網絡的使用層面的折中方案；應將星地通信體制和數據交互機制向星間統一，采用星-星-地一體網絡最優路徑接入數據路由，更為高效、可靠地實現星-星-地網絡通信。