尹志忠1，，張繼光，周賢偉，張 龍

(1．裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 101400；2．北京科技大學(xué) 通信工程系，北京 1000830)

1 引 言

具有路由能力的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是未來衛(wèi)星通信發(fā)展的趨勢，然而要想很好地利用多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，首先必須解決時延問題。衛(wèi)星鏈路具有較長的傳輸時延，單程傳輸時延GEO衛(wèi)星為250～280 ms，MEO為80～100 ms，LEO為20～25 ms[1]。長期以來，研究人員都將焦點集中在解決長時延對傳輸效率的影響上，從協(xié)議的改進(jìn)入手提出了許多行之有效的解決方案，如TCP-Peach[2]、TCP-Westwood[3]、TCP-Newjersey[4]等，但是很少有人從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建入手來降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式多種多樣，從大的方面主要分成兩類：按地理區(qū)域劃分，經(jīng)典的包括虛擬節(jié)點(Virtual Node)[5]等；按時間劃分，經(jīng)典的包括FSA(Finite State Automation)[6]等。本文主要是在按不同層衛(wèi)星對地面進(jìn)行區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上提出多重區(qū)域劃分(Multi-Area Division,MAD)的思想，依此來降低多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。

2 覆蓋我國的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

以實現(xiàn)我國全球通信為例建立多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。由于位于回歸軌道上的衛(wèi)星可以在一天內(nèi)沿同一軌跡環(huán)行若干次，對于固定區(qū)域通信來說具有明顯優(yōu)勢。因此，在MEO層和LEO層的星座設(shè)計中，我們將采用回歸軌道，并采用Walker-δ星座[7]設(shè)計方案。

2.1 GEO層

要求GEO衛(wèi)星能夠以10°最小仰角對我國國土進(jìn)行覆蓋，并且能夠?qū)崿F(xiàn)最小仰角為5°的全球覆蓋。我國地處中緯，國土范圍處于[N4°,N53°]與[E73°,E135°]之間。設(shè)GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)所對應(yīng)的半地心角為θ，最小仰角為α，GEO衛(wèi)星距地面高度為H(35 786 km)，地球半徑為Re(6 378.14 km)。由圖1可見，θ、α之間存在以下關(guān)系[8]：

(1)

由公式(1)可得θ≈71.43°。因此，使用一顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)對我國最小仰角為10°的單重覆蓋，該GEO衛(wèi)星應(yīng)處于[E63.75°，E144.43°]之間的經(jīng)度范圍內(nèi)，為了簡便設(shè)計，我們選擇東經(jīng)120°。要實現(xiàn)最小仰角為5°的全球覆蓋，最少需要3顆GEO衛(wèi)星，并且應(yīng)該分別位于東經(jīng)0°、東經(jīng)120°,西經(jīng)120°,各GEO衛(wèi)星之間建立星間鏈路。

圖1 衛(wèi)星最小仰角和半覆蓋角的關(guān)系Fig.1 The relationship between the smallest elevation and the half-coverage angle

2.2 MEO層

要求MEO星座能夠以20°最小仰角覆蓋我國國土，并提供最小仰角為10°的全球覆蓋。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，我們選擇軌道高度為13 892 km的8 h回歸軌道,軌道傾角為40.78°；MEO星座由2個軌道面組成,每軌道面4顆衛(wèi)星,即i:T/P/F為40.78:8/2/1。該星座可以為南北緯60°之間的地區(qū)提供最小仰角為20°的覆蓋，并能提供最小仰角14°的全球覆蓋。各MEO衛(wèi)星之間建立星間鏈路。

設(shè)該MEO星座中任一軌道面的升節(jié)點經(jīng)度為Ω1，該軌道面第一顆衛(wèi)星初始緯度幅角為ρ11，則在初始時刻t0，星座中另一個軌道面升節(jié)點經(jīng)度Ω2以及該軌道面第j顆星的緯度幅角ρ2j可由下列方程求得：

(2)

由方程(2)可知，t0=0時，GEO與MEO星座的連接及覆蓋情況。

2.3 LEO層

要求LEO星座能夠為我國提供最小仰角為10°的覆蓋，并且能夠提供最小仰角為5°的全球覆蓋。LEO衛(wèi)星同樣使用回歸軌道，各衛(wèi)星之間建立星間鏈路。設(shè)地球自轉(zhuǎn)的角速度為ωe，衛(wèi)星軌道面的角速度為ωs(升節(jié)點向東運動時取正直)，衛(wèi)星軌道半徑為Rs，地球赤道半徑為Re，則每天運行N圈、軌道傾角為i的圓形回歸軌道參數(shù)之間存在以下關(guān)系[10]：

(3)

表1 N為15、14、13、12的回歸軌道參數(shù)Table1 The parameters of regress orbitwhen N is 15,14,13,12,respectively

由于范·艾倫帶(Van·Allen belts)[12]和大氣阻力的影響，LEO衛(wèi)星軌道應(yīng)該介于700～1 500 km之間。又考慮到覆蓋要求，我們將選用軌道傾角為40°、軌道高度為1 201.25 km的24星6軌道面星座，即i:T/P/F為40:24/6/1。

3 多重區(qū)域劃分原理

進(jìn)行多重區(qū)域劃分的基本原則是：依照各層衛(wèi)星的地面覆蓋范圍使數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所經(jīng)受的時延最小，具體步驟如下：

(1)以t0時刻為基準(zhǔn)，將LEO層各衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進(jìn)行劃分。t0時刻選取的原則是盡可能多地使LEO衛(wèi)星的星下點與人口密集、通信任務(wù)繁重的區(qū)域中心重合。劃分后，每個區(qū)域得到一個固定標(biāo)號作為運行到該區(qū)域LEO衛(wèi)星的邏輯地址，O為進(jìn)行劃分時覆蓋該區(qū)域衛(wèi)星的軌道編號，S為衛(wèi)星編號。隨著時間的推移，原先覆蓋該區(qū)域的LEO衛(wèi)星將飛離該區(qū)域，由其后的衛(wèi)星繼承該地址接替它進(jìn)行通信。根據(jù)2.3節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以LEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到24個不同區(qū)域；

(2)以t1時刻為基準(zhǔn)，將MEO層衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進(jìn)行劃分。t1時刻的選取原則與步驟1相同。劃分所得區(qū)域標(biāo)號記為，O為MEO衛(wèi)星的軌道編號，S為其為衛(wèi)星編號。該標(biāo)號作為運行到該區(qū)域的MEO衛(wèi)星的邏輯地址，隨著MEO衛(wèi)星的移動，該地址是固定不變的。根據(jù)2.2節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以MEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到8個區(qū)域；

(3)以t2時刻為基準(zhǔn)，將GEO層衛(wèi)星所對應(yīng)的地面區(qū)域進(jìn)行劃分。劃分所得的區(qū)域標(biāo)號記為，O為GEO衛(wèi)星的軌道編號(常數(shù)1)，S為GEO衛(wèi)星編號。同樣用該標(biāo)號作為覆蓋該區(qū)域GEO衛(wèi)星的邏輯地址，且該地址固定不變。根據(jù)2.1節(jié)建立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以GEO為基礎(chǔ)的地面區(qū)域劃分可以得到3個不同區(qū)域；

(4)假設(shè)t3時刻，處于不同MEO衛(wèi)星覆蓋下的A、B兩地間存在一條包含L顆衛(wèi)星的LEO鏈路。數(shù)據(jù)包在第i個LEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqi；第i個LEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理的時間為Tdi；數(shù)據(jù)包從第i-1顆LEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趇顆LEO衛(wèi)星所消耗的時間為Tti；數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tleo；Tt0=0，則數(shù)據(jù)在這條LEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

(4)

顯然，在A、B兩地間還可以建立一條包含M顆衛(wèi)星的MEO鏈路。同樣，假設(shè)數(shù)據(jù)包在第j顆MEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqj；第j顆MEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理所消耗的時間為Tdj；數(shù)據(jù)包從第j-1顆MEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趈顆MEO衛(wèi)星所消耗的時間為Ttj；數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tmeo；Tt0=0。則數(shù)據(jù)在這條MEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

(5)

將TMEO作為臨界點，如果TLEO>TMEO，則以A地為中心，以TMEO為半徑進(jìn)行區(qū)域劃分。該區(qū)域標(biāo)記為，O為t3時刻距離A地最近的MEO衛(wèi)星的軌道編號，S為該MEO衛(wèi)星的編號。

由公式(1)和余弦定理可以計算出在我們所建立的網(wǎng)絡(luò)中tleo最大約為10.446ms、tmeo最大約為60.861 84 ms，假設(shè)所有單位數(shù)據(jù)包的排隊和衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包的處理時間用因子T表示(T在一定的時期內(nèi)是定值)。根據(jù)公式(4)、(5)和區(qū)域劃分條件可以得到表2。

表2 不同因子T下的LEO和MEO數(shù)量對比Table 2 The numbers comparison of LEO and MEO on different T value

(5)假設(shè)t4時刻，處于不同GEO衛(wèi)星覆蓋下的C、D兩地間存在一條包含M顆衛(wèi)星的MEO鏈路。數(shù)據(jù)包在第k顆MEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqk；第k顆MEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理的時間為Tdk；數(shù)據(jù)包從第k-1顆MEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趉顆MEO衛(wèi)星所消耗的時間為Ttk；數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tmeo；Tt0=0。則數(shù)據(jù)在這條MEO衛(wèi)星鏈路的總耗時為

(6)

同樣，在C、D兩地間同樣可以建立一條包含G顆衛(wèi)星的GEO鏈路。假設(shè)數(shù)據(jù)包在第o顆GEO衛(wèi)星排隊所消耗的時間為Tqo；第o顆GEO衛(wèi)星對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理所消耗的時間為Tdo；數(shù)據(jù)包從第o-1顆GEO衛(wèi)星傳輸?shù)降趏顆GEO衛(wèi)星所消耗的時間為Tto；數(shù)據(jù)包從用戶到衛(wèi)星和從衛(wèi)星到用戶所消耗的時間為tgeo；Tt0=0，則數(shù)據(jù)在這條GEO衛(wèi)星鏈路的耗時為

(7)

同樣，由公式(1)和余弦定理可以計算出在我們所建立的網(wǎng)絡(luò)中tgeo最大約為135.286 ms。根據(jù)公式(6)、(7)和區(qū)域劃分條件可以得表3。

表3 不同因子T下的MEO和GEO數(shù)量對比Table3 The numbers comparison of MEO and GEO on different T value

4 通信過程中衛(wèi)星的選取原則

(1)位于同一或同一區(qū)域的用戶之間進(jìn)行通信一定要采用覆蓋該區(qū)的LEO衛(wèi)星或LEO衛(wèi)星鏈路；

(2)位于同一區(qū)域而不同區(qū)域以內(nèi)的用戶之間進(jìn)行通信只采用多顆LEO衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星鏈路；

(3)位于同一區(qū)域內(nèi)而位于同一區(qū)域以外或位于同一區(qū)域內(nèi)而不同區(qū)域的用戶之間利用MEO衛(wèi)星鏈路進(jìn)行通信；

(4)位于區(qū)域以外的用戶利用GEO衛(wèi)星鏈路進(jìn)行通信。

5 仿真及性能分析

利用我們所建立的網(wǎng)絡(luò)對多重區(qū)域劃分理論的優(yōu)越性進(jìn)行驗證。假設(shè)從北京(E116.38°，N39.90°)開始，在N39.90°緯線圈附近每隔15°就有一個用戶向北京傳送數(shù)據(jù)。根據(jù)第2節(jié)建立的網(wǎng)絡(luò)，在上述假設(shè)情況下，N39.90°緯線圈附近存在9顆LEO衛(wèi)星和5顆MEO衛(wèi)星。假定LEO和MEO星間鏈路帶寬均為100 Mbit/s，每顆衛(wèi)星的緩沖區(qū)容量均為50 packet；TCP數(shù)據(jù)包的大小為1 024 byte/packet。仿真網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 仿真網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 The networks for simulation

根據(jù)所建立的仿真網(wǎng)絡(luò)和多重區(qū)域劃分理論，利用NS2進(jìn)行仿真得到的時延性能對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 LEO、MEO、MAD網(wǎng)絡(luò)時延性能對比Fig.3 The performance comparison among LEO,MEO and MAD

由圖4可見，MAD的時延性能在絕大部分經(jīng)度范圍內(nèi)要優(yōu)于LEO網(wǎng)絡(luò)和MEO網(wǎng)絡(luò)。對于我們所要求的特定地點通信而言，單純的MEO網(wǎng)絡(luò)的時延性能最差。在仿真過程中，對位于(E26.38°，E101.38°)之間的用戶按照時延最小的原則，我們利用了LEO和MEO衛(wèi)星之間的星間鏈路來降低時延。

6 結(jié)束語

本文在建立滿足我國通信需求的GEO/MEO/LEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了多重區(qū)域劃分的理論來降低衛(wèi)星通信的時延。在區(qū)域劃分過程中，以傳輸時延最小為根本出發(fā)點，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的地理區(qū)域劃分為五重，仿真表明利用該方法進(jìn)行傳輸?shù)臅r延特性優(yōu)于單純的LEO網(wǎng)絡(luò)或MEO網(wǎng)絡(luò)。

多重區(qū)域劃分理論雖然可以有效降低多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延，然而各層相鄰衛(wèi)星之間都要建立鏈路，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，有待于進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[2] IAN F,AKYILDIZ, GIACOMO MORABITO,et al. TCP-Peach: A New Congestion Control Scheme for Satellite IP Networks[J]. IEEE/ACM transactions on networking,2001,9(3):307-320.

[3] GERLA M,SANADIDI M Y,WANG Ren,et al.TCP Westwood: congestion window control using bandwidth estimation[C]//Proceedings of GLOBECOM.San Antonio:IEEE,2001:1698-1702.

[4] XU Kai, Tian Ye,ANSARI N.TCP-Jersey for wireless IP communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2004,22(4):749-750.

[5] MAUGER R，ROSEBERG C.QoS guarantees for multimedia services on a TDMA- based satellite network[J]. IEEE Communications,1997,7(35):56-65.

[6] CHANG H S,KIM B W.Topological design and routing for low-earth orbit satellite networks[C]//Proceedings of IEEE GLOBECOM′95.Singapore：IEEE,1995:529-535.

[7] WALKER J G. Satellite Patterns for Continuous Multiple Whole-Earth Coverage[C]//Proceedings of International Conference on Maritime and Aeronautical Satellite Communication and Navigation.London,England：Institution of Electrical Engineers,1978:116-150.

[8] 陳振國,楊鴻文,郭文彬.衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2003:35-64.

CHEN Zhen-guo,YANG Hong-wen,GUO Wen-bin. The system and technology of satellite communication[M].Beijing:The Publishing House of Beijing University of Posts and Telecommunications,2003:35-64.(in Chinese)

[9] 王振永.多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007:113-115.

WANG Zhen-yong.Architecture design and analysis of multi-layer satellite networks[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007:113-115.(in Chinese)

[10] 白鶴峰,任萱,郗曉寧.近地軌道衛(wèi)星星座設(shè)計時的軌道模型[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,1999,21(2):1-5.

BAI He-feng,REN Xuan，XI Xiao-ning.The orbit models for designing LEO satellite constellations[J].Journal of National University of Defense Technology，1999，21(2)：1-5.(in Chinese)

[11] LUDERS R. The Satellite Trace Repetition Parameter Q[Z].[S.l.]:Aerospace Corp.,1966.

[12] AKASOFU, ICHI S, SYDNEY C. The Ring Current, Geomagnetic Disturbance, and the Van Allen Radiation Belts[J]. Journal of Geophysical Research, 1961,66(5):1321-1350.