一種中高軌混合的多層衛星骨干網絡架構設計

李文屏 白鶴峰 趙 毅* 馮旭哲 邵富杰

①(北京跟蹤與通信技術研究所 北京 100094)

②(國防科技大學智能科學學院 長沙 410003)

1 引言

未來天基骨干傳輸網絡，作為天基信息高速公路，通過建立星間、星地骨干鏈路，為陸、海、空基寬帶用戶和天基節點，提供全球骨干傳輸、寬帶接入、全域通聯等服務。未來，天基骨干傳輸系統將向寬帶與中繼融合方向發展，是衛星寬帶通信和數據中繼系統網絡化、綜合化發展的產物。傳統的由單一軌道構成的單層衛星網絡能夠為地球表面的陸上、海上、空中用戶提供全球通信服務，但無法滿足航天器等太空用戶的覆蓋需求，而采用多層軌道的多層衛星骨干網絡能夠提供全域覆蓋，因此面向全域用戶的多層軌道衛星骨干網絡架構具有重要的研究意義，已成為當前的研究熱點和發展方向。

衛星按所處軌道高度可分為低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛星、中軌道(Medium Earth Orbit,MEO)衛星和地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛星[1–3]。多層衛星骨干網絡是指在不同軌道層衛星節點通過星間鏈路構建的多層立體交叉衛星骨干網絡[4]，例如雙層或多層軌道平面內同時部署衛星實現多重覆蓋。層內、層間星間鏈路是多層衛星骨干網絡的核心組成部分，是連接不同層間衛星節點的主要手段。

目前多數多層衛星骨干網絡的研究局限于地面覆蓋分析，對于為空間用戶服務的多層衛星骨干網絡覆蓋性研究甚少。文獻[5–10]對GEO/LEO衛星的雙層衛星組網進行研究，但僅從地面的全覆蓋著手考慮，沒有涉及天域覆蓋。且這些研究為了實現地面的全覆蓋，需要大量的LEO衛星，網絡節點數目過于龐大，相應的路由算法復雜度急劇上升。文獻[11]針對GEO理論上不能實現全球覆蓋的問題，提出了一種傾斜地球同步軌道(Inclined GeoSynchronous Orbit, IGSO)/LEO衛星的雙層衛星組網架構，該架構同樣從地面的全覆蓋著手考慮，沒有涉及天域覆蓋問題。文獻[12]研究了基于全球定位系統(Global Positioning System, GPS)星座的天域覆蓋幾何可見性。文獻[13]歸納了影響全域覆蓋性能主要因素，對全域覆蓋性能計算方法進行了研究。文獻[14]針對GEO/MEO/LEO多層衛星網絡，提出了鏈路中斷時的高效路由策略。上述文獻對多層衛星骨干網絡的性能指標研究不多，在研究多層衛星網絡全域覆蓋性的同時，其網絡性能指標，如：路徑數、最少跳數、最小時延等，對用戶通信質量影響大，值得定量分析研究。

本文針對多層衛星骨干網絡的全域覆蓋需求，提出一種中高軌衛星軌道層的多層衛星骨干網絡架構(3GEO+3IGSO/24MEO)。對從地球表面到高軌層約36000 km高度的全域覆蓋性進行計算分析，結果表明該多層衛星骨干網絡架構能夠實現全域100%的覆蓋。然后進一步對路徑數、最少跳數、最小時延等網絡性能指標進行了分析研究，說明了中軌層與高軌層之間建立層間星間鏈路的必要性。

2 多層衛星骨干網絡架構設計

為陸、海、空、天基各類用戶提供服務的衛星網絡，需要在全域范圍內提供全時間段覆蓋，即在任何時刻都有骨干節點覆蓋全域的任何區域，且是全時間段一直連通的。除了滿足全域覆蓋之外，還需要從通信鏈路穩定性、網絡健壯性、用戶通信時延、網絡復雜度、衛星成本等方面考慮，確定衛星骨干網絡架構。

對于單層衛星骨干網絡，低軌衛星繞地球運動周期短，通過低軌衛星與低軌用戶和地面用戶進行通信時，需要不停地切換通信鏈路，缺乏通信鏈路的穩定性；且需要大量的低軌衛星來組建低軌網絡層，增加了衛星網絡的復雜度和網絡建設的成本。高軌衛星具有低軌衛星無法比擬的覆蓋性能優勢，能用較少的高軌衛星實現全域覆蓋，且能實現較為穩定的通信鏈路。但高軌衛星與地面用戶和低軌用戶通信時延增加，導致需要其他軌道層衛星網絡來彌補這一劣勢。中軌衛星星座的特征介于低軌衛星星座和高軌衛星星座之間，規模適當的中軌衛星可形成全域覆蓋能力。與高軌衛星較大的通信時延(針對低軌用戶和地面用戶而言)相比，中軌衛星在通信時延方面有較大的優勢，正好彌補了高軌衛星網絡這一劣勢。

針對大量分散分布用戶全域覆蓋、多路徑傳輸等需求，考慮到單層衛星骨干網絡魯棒性不足和服務能力限制，本文采用多層衛星骨干網絡架構。針對用戶“一點接入、全網通達”要求，多層衛星骨干網絡各可視衛星之間建立星間鏈路實現互聯互通。在衛星網絡覆蓋性、用戶通信時延、網絡復雜度等之間作出均衡選擇，采用中高軌混合的多層衛星骨干網絡架構。

本文提出一種中高軌混合的多層衛星骨干網絡架構。為減少多層衛星骨干網絡中衛星數量，本文采用如圖1所示的“衛星骨干網絡/全域用戶接入”模型，即將多層衛星骨干網絡中的衛星節點既作為衛星骨干網絡的服務節點，支持全球高速骨干傳輸；又作為全域用戶接入的網絡服務節點，支持陸海空地面用戶和高中低軌天基用戶接入。

圖1 “衛星骨干網絡/全域用戶接入”模型

多層衛星骨干網絡包括高軌層和中軌層星座(3GEO+3IGSO+24MEO)，如圖2所示，具體為：

圖2 3GEO+3IGSO+24MEO星座構型

高軌層：由3GEO+3IGSO衛星組成。3顆GEO衛星在GEO軌道面均勻分布，主要為全球中低緯度區域上空用戶提供接入；3顆IGSO衛星為65°傾角的同軌道面均勻分布衛星，主要為全球高緯度區域上空用戶提供接入。3顆GEO衛星之間、3顆IGSO衛星之間、可視的GEO與IGSO之間，建立星間鏈路，保證在軌形成一個互聯互通的高軌骨干網絡。

中軌層：由24MEO中軌衛星組成。24顆MEO衛星采用Walker(24/3/1)星座，軌道高度20000 km。同軌道面8顆MEO衛星建立星間鏈路、異軌道面MEO衛星按可見性建立星間鏈路，保證在軌形成一個互聯互通的中軌骨干網絡。中軌層主要為低軌用戶和地面用戶提供接入，對于中軌用戶，則根據實際情況選擇網絡性能更優的高軌層或中軌層星座為其提供接入。

該多層衛星骨干網絡架構已在北斗系統建設上有較為成熟的應用，能滿足對地多重覆蓋的基礎上，形成較穩定的傳輸路徑，避免了采用低軌星座帶來的系統復雜度以及頻繁切換通信鏈路的弊端。與北斗系統星座架構相比，3顆IGSO衛星采用同軌道面部署，在兼顧兩極覆蓋的基礎上可形成更好的全球覆蓋性能，但在全域覆蓋性能和通信網絡性能等方面還有諸多技術細節仍有待研究。比如：該網絡架構是否滿足全域覆蓋和網絡性能的需求？不同軌道層間之間是否需要層間星間鏈路？接下來將進行詳細分析論證。第3節將對該骨干網絡架構的覆蓋率、可見衛星數等全域覆蓋性能進行分析，研究其全域覆蓋性能和全域用戶多重覆蓋能力。第4節將分別對有層間星間鏈路和無層間星間鏈路兩種架構的路徑數、最少跳數、最小時延等網絡性能進行對比分析，來說明層間星間鏈路的存在必要性。

3 全域覆蓋性研究

針對“衛星骨干網絡/全域用戶接入”模型，陸、海、空、天基用戶接入多層衛星骨干網絡的前提是需要實現全域覆蓋。下面從全域覆蓋原理和覆蓋性能兩方面，對該多層衛星骨干網絡的全域覆蓋性進行研究。

3.1 全域覆蓋原理

全域覆蓋能力是衛星骨干網絡將所需衛星通信資源動態分配到所在位置的能力，具有時間和位置的特征。與地面覆蓋性分析不同，全域覆蓋性分析將會增加一個維度，可以將36000 km以下天域分為無數個同心球面，當對所有高度的球面進行覆蓋性分析之后，便可以得到全域覆蓋性。對于衛星網絡球面覆蓋性分析又可以拆分為單個衛星的覆蓋性分析，衛星網絡覆蓋性是由單個衛星的覆蓋性組合而成的。衛星通過搭載的轉發器接收或者發送信號，單個衛星覆蓋區域是指衛星轉發器的覆蓋區域，即衛星搭載的轉發器可以觀測到的區域范圍。單顆衛星轉發器以一定的輻射角向地球發射信號，信號覆蓋區域呈圓錐形。空間用戶在收發衛星信號時，一方面要考慮衛星信號輻射角的限制，另一方面要避免地球的遮擋。

單顆衛星的覆蓋區域包括衛星轉發器信號輻射錐邊緣與轉發器在地球表面切線之間的輻射區域，和轉發器在地球表面兩切線之間的輻射區域，如圖3所示，S為衛星，Hs為衛星軌道高度。坐標系選擇為地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)坐標系，設衛星S的坐標為(xs,ys,zs)，衛星S轉發器在地球表面的切線SB與衛星和地球球心連線SO的夾角為β，衛星轉發器的半輻射角∠DSO為γ，則與衛星信號輻射范圍相切的球面高度h為

圖3 單顆衛星的覆蓋區域

其中，R為地球半徑，衛星到地心的距離OS=R+HS，且OD=R+h。

相對于地面用戶，空間用戶的觀測范圍有所不同，隨著空間用戶軌道高度的增加，其能夠以一定的負仰角對衛星進行觀測，如圖4所示，箭頭范圍表示空間用戶U的有效觀測范圍。在ECEF坐標系中， (xu,yu,zu)為 空間用戶U的坐標，Hu為其軌道高度，θ為用戶在地球表面的切線與用戶和地球球心連線的夾角，則θ可表示為

圖4 空間用戶的觀測范圍

3.2 全域覆蓋性能

衛星網絡的覆蓋性能由多顆衛星的覆蓋性組合而成，評價衛星網絡的覆蓋性能通常包括覆蓋率、可見衛星數等指標。

覆蓋率是指衛星網絡對給定軌道高度球面所覆蓋的面積與整個軌道球面面積的比值。若衛星網絡在運行周期內，0～36000 km軌道高度球面的覆蓋率均為100%，則認為該衛星網絡具有全域覆蓋能力。

可見衛星數是指覆蓋區域內的采樣點可以觀測到的衛星總數。可見衛星數越多，則表示該采樣點可接入的衛星越多，覆蓋性能越好。

運用式(3)作為衛星可見性的判斷條件，對連續空間和時間進行離散采樣，計算得出衛星網絡的覆蓋率和可見衛星數。本文首先對多層衛星骨干網絡(3GEO+3IGSO/24MEO)的覆蓋率進行計算分析，各軌道星座參數設置如表1所示。

表1 各軌道星座參數

圖5 空間用戶相對衛星的3種位置

設置GEO和IGSO衛星轉發器半輻射角γ= 60?，MEO衛星轉發器半輻射角γ= 45?，針對高軌層(3GEO+3IGSO)和中軌層(24MEO)、多層(3GEO+3IGSO/24MEO)等3種衛星網絡，對0～36000 km整個空域，以1000 km為高度采樣步長劃分軌道球面，以6°為經緯度采樣步長劃分空間用戶的觀測點，以0.5 h為采樣步長劃分觀測時間，計算全天24 h各觀測點的衛星可見性，所有可觀測點圍成的區域為覆蓋區，進而求得各軌道球面的覆蓋率。因數據量大，表2列舉了典型高度和時間的覆蓋率。

表2表明：高軌層、中軌層、多層等3種衛星網絡的全域覆蓋率均為100%。

表2 3種衛星網絡的覆蓋率(%)

用可見衛星數來衡量3種衛星網絡架構的覆蓋性能，以1000 km為高度采樣步長劃分軌道球面，以0.5 h為采樣步長劃分觀測時間，每個球面隨機確定空間用戶的觀測點，分析計算全天24 h不同高度下3種衛星網絡可見衛星數的最大值、平均值和最小值，得到一組仿真數據如圖6所示。

圖6中橫坐標為空間用戶軌道高度Hu，縱坐標為可見衛星數，其中3條曲線分別表示不同軌道高度的用戶對衛星網絡可見衛星數的最大值、平均值和最小值。

由圖6可知：在地球表面到一定高度之間，可見衛星數的最大值、平均值和最小值都隨著空間用戶軌道高度的增加而增加，這是由于隨著軌道高度增加，因地球遮擋的天球錐體部分減小，使得用戶可以以一定的負仰角接收衛星信號，從而使可見衛星數不斷增加。當軌道高度到達一定高度時，平均可見衛星數達到最大，高軌層衛星網絡在30000 km處達到最大，中軌層衛星網絡在16000 km處達到最大，多層衛星骨干網絡在16000 km處達到最大。隨高度再次增加，可見衛星數最大值、平均值和最小值都開始減少，這是由于衛星轉發器對地形成一定的輻射角，用戶以正仰角接收的衛星數不斷減少，從而使可見衛星數不斷減少。

圖6 用戶軌道高度與可見衛星數的關系

由上述的分析可知，3種衛星網絡都能實現全域100%覆蓋，但是多層衛星骨干網絡可見衛星數的最大值、平均值和最小值優于高軌層和中軌層。多層衛星骨干網絡可由高軌層實現全域1層覆蓋，再由中軌層實現全域2層覆蓋，因此具有更多的可見衛星數，可為用戶提供更多的接入路徑選擇，從而增強網絡服務能力、避免網絡擁塞，提高衛星網絡的魯棒性和可用度。

4 網絡性能分析對比

4.1 網絡性能指標

下面從路徑數、最少跳數、最小時延等指標對多層衛星骨干網絡性能進行分析比較。

路徑數是源節點到目的節點所有可選路徑的總量。路徑數是評價網絡健壯性的指標，路徑數越多，網絡健壯性越好。

最少跳數是源節點到目的節點所有路徑中所含鏈路的最小值。跳數是評價路徑選擇的指標，一般最優路徑的跳數最少。

最小時延是源節點到目的節點傳輸時延的最小值。最小時延是評價網絡性能的指標，時延越小，網絡性能越好。

4.2 網絡性能比較

星間鏈路是實現衛星骨干網絡內部互聯互通、為用戶提供“1點接入、全網通達”的基礎。本文將中高軌多層衛星骨干網絡分為無層間星間鏈路網絡架構(簡稱架構1，3GEO+3IGSO-24MEO)和有層間星間鏈路網絡架構(簡稱架構2，3GEO+3IGSO+24MEO)，通過對路徑數、最少跳數、最小時延的比較，從網絡性能的角度分析層間星間鏈路的必要性。

對高軌、中軌、低軌和地面4類用戶，存在10種典型應用場景，如表3所示。

表3 典型應用場景

針對每個典型應用場景指定的特定用戶對，比較分析路徑數和最小時延等指標。具體方法：首先根據3.1節中用戶對單顆衛星的可見性判斷條件公式，分別計算出各時間段的所有骨干衛星節點以及用戶節點之間的可見關系，根據可見即可達的原則，遍歷出各時間段內所有的源節點到目的節點的可達傳輸路徑，即可得到各種典型場景下的傳輸路徑數。再根據式(4)、式(5)得出每條傳輸路徑的傳輸時延，取最小值即為最小時延。

由于在兩跳情況下兩個用戶節點僅僅通過1顆骨干衛星節點連接，無需采用星間鏈路，故此時架構1和架構2傳輸路徑一致。為了說明層間星間鏈路存在的必要性，至少需要2顆骨干衛星節點才能進行對比分析，故最少跳數為3跳和4跳的情況下，分別計算10種場景在架構1和架構2的路徑數與最小時延。

由圖7可知：對于10種場景，架構2的3跳和4跳路徑數均多于架構1，中軌與高軌之間的層間星間鏈路將顯著增強網絡的健壯性。

圖7 2種架構的路徑數

由圖8可知：在前4種場景中，架構2的3跳和4跳最小時延小于架構1，這是因為有層間星間鏈路可以減少高軌用戶到高軌用戶、中軌用戶、低軌用戶、地面用戶的傳輸路徑距離。對于其他場景，由于不含高軌用戶，最小時延傳輸路徑均在中軌層，故兩種架構的最小時延相同。

圖8 2種架構的3跳和4跳最小時延

從路徑數、最少跳數、最小時延等分析結果，可得中軌層(24MEO)和高軌層(3GEO+3IGSO)之間建立層間星間鏈路的必要性，特別是高軌用戶接入骨干網時，有層間星間鏈路的架構性能較優。但對于多層衛星骨干網絡，層間星間鏈路也將增加系統的運行復雜度和工程實現代價。

5 結束語

本文針對陸、海、空、天基全域用戶通信需求，提出一種中高軌混合(3GEO+3IGSO/24MEO)的多層衛星骨干網絡架構。通過對多層衛星骨干網絡的全域覆蓋性進行研究分析，可得出本架構在從地表到約36000 km地球同步軌道高度的全域可實現100%覆蓋，且能提供多重衛星覆蓋；并且進一步從路徑數、最少跳數、最小時延等方面，分析了無層間星間鏈路和有層間星間鏈路兩種骨干網架構的網絡性能，仿真分析結果表明多層衛星骨干網絡架構存在層間星間鏈路的必要性，層間星間鏈路能夠提高多層衛星骨干網絡的健壯性，并且能降低用戶傳輸時延，但層間星間鏈路將增加衛星載荷重量和管理復雜度。