劉 鵬,吳 煬,常 青,邵東生,祖家琛,胡谷雨

(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué),江蘇 南京 210007)

目前,國家和各級地方政府已經(jīng)初步建立相對完備的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)和指揮平臺,盡管信息平臺整合力度大,而通信系統(tǒng)仍處于“煙囪林立”的粗放式發(fā)展階段?！白詈笠还铩眴栴}是制約應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的瓶頸,尤其在軍隊和地方應(yīng)急力量聯(lián)動的環(huán)境中,軍地通信裝備不能互聯(lián)互通的矛盾突出,成為保障現(xiàn)場應(yīng)急指揮順暢亟待解決的問題。分析其原因在于:

1)出現(xiàn)重大災(zāi)害和社會公共安全事件時,通信基礎(chǔ)設(shè)施容易受到破壞,移動通信手段失效;

2)中高軌通信衛(wèi)星的覆蓋性好,但是終端昂貴、信道資源匱乏,難以滿足戰(zhàn)術(shù)級指揮用戶規(guī)模需求;

3)軍地各部門單獨研發(fā)專用通信裝備之間通信制式不統(tǒng)一,難以互聯(lián)互通。

解決好應(yīng)急通信“最后一公里”問題,勢在必行,也最為緊迫。為此,依據(jù)“寓軍于民、平戰(zhàn)兼顧”的原則,建議在國家應(yīng)急通信服務(wù)保障網(wǎng)絡(luò)的頂層設(shè)計和發(fā)展規(guī)劃論證過程中,充分考慮軍地聯(lián)動應(yīng)急通信,尤其是支撐現(xiàn)場指揮的戰(zhàn)術(shù)級通信需求,統(tǒng)籌規(guī)劃衛(wèi)星通信、移動通信和專網(wǎng)通信的建設(shè)目標和標準規(guī)范,整合空間和地面應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段和資源,打造“全域接入、寓軍于民、平戰(zhàn)兼顧”的軍地聯(lián)動應(yīng)急通信保障體系。

1 低軌衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

隨著多媒體業(yè)務(wù)的穩(wěn)步增加,移動終端用戶對便捷接入的需求日益迫切,同步軌道(GEO)衛(wèi)星在時延以及頻譜利用方面已經(jīng)滿足不了所催生的應(yīng)用需求。在此情況下,非靜止軌道(NGEO)衛(wèi)星,特別是低軌(LEO)衛(wèi)星通過星間鏈路構(gòu)成的星座網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生,具有良好的發(fā)展前景。低軌星座網(wǎng)絡(luò)部署在離地500 km～1500 km高度的低軌道上,具有傳播時延小、能耗少、信號衰減少等優(yōu)點,有利于實時通信和降低移動終端的功率。因此,低軌星座網(wǎng)絡(luò)在未來的應(yīng)用將十分廣泛。

然而在低軌衛(wèi)星通信過程中,單條星地鏈路通信時間僅10分鐘左右,移動終端用戶為了保持通信,需要與當(dāng)前衛(wèi)星斷開連接從而與另外一顆衛(wèi)星建立連接。通信過程中需要不斷改變星地連接關(guān)系,頻繁進行衛(wèi)星切換。

星座網(wǎng)絡(luò)切換還有另外兩種切換:點波束切換和星間鏈路切換。點波束切換指當(dāng)衛(wèi)星使用多波束時,在多個波束之間進行切換,此類切換解決方法較成熟[1-5]。星間鏈路切換指在極軌道星座中,當(dāng)衛(wèi)星接近極區(qū)時候,由于相對速度過快而導(dǎo)致與相鄰軌道衛(wèi)星鏈路斷開,離開極區(qū)時星間鏈路連接過程,此切換與硬件有關(guān)。

對于單個移動終端用戶和覆蓋其所在范圍的衛(wèi)星而言,有著三種衛(wèi)星切換的基本標準:剩余可見時長、用戶相對衛(wèi)星仰角和衛(wèi)星可用信道數(shù)目。進行衛(wèi)星切換時,參考標準剩余可見時間能夠降低切換次數(shù),參考標準用戶相對衛(wèi)星仰角能夠保證良好的通話質(zhì)量,參考標準衛(wèi)星的可用信道數(shù)目能夠均衡星座網(wǎng)絡(luò)負載。在此三個評估標準上進行自由組合,可以得到其他評估標準,比如容量限制下可見時長切換標準[6]。

Gkizeli等人[7]提出一種硬切換策略來盡可能地延后用戶的切換時刻,從而減少衛(wèi)星切換的頻率。在此基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)信道特性的衛(wèi)星多樣性切換(CASD)機制[7-9],實現(xiàn)基于信道的軟切換。Papapetrou等人[10]提出并測試多種衛(wèi)星切換策略,以最大服務(wù)時長、最大仰角、最多可用信道為標準,使得系統(tǒng)具有較好通信效率,但是沒有考慮地球自轉(zhuǎn)。Karapantazis等人[11-12]為了避免過早資源預(yù)留而浪費資源,采用動態(tài)多普勒優(yōu)先切換策略,使得切換具有較小阻塞率。Poethi等人[13]選取切換標準為可見時間、容量、用戶仰角、衛(wèi)星重疊時長等,然而這是上述三種基本切換標準的組合。Seyedi等人[14]從概率論角度求出衛(wèi)星可見時間的分布函數(shù),并且求出了低軌星座中的平均切換下界。Younes等人[15]研究了能夠計算用戶在街道相對衛(wèi)星的可見時間的信道模型。Irfan等人[16]根據(jù)星座、經(jīng)緯度、用戶位置等參數(shù)計算用戶相對于衛(wèi)星的可見時間。Wu等人[17]提出一種SDSN架構(gòu),并基于此架構(gòu)提出一種無縫切換機制,與硬切換、混合切換機制相比在時延、吞吐量方面有較大提高。

1.1 低軌衛(wèi)星星座的特點

低軌衛(wèi)星星座作為衛(wèi)星通信載體,應(yīng)用前景非常廣闊,其具有以下幾個特點。

1)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化

由于低軌衛(wèi)星在軌道繞地球運動及地球自轉(zhuǎn),衛(wèi)星之間的相對位置以及衛(wèi)星相對用戶的位置都在不斷變化之中。最典型的低軌衛(wèi)星星座星下點運行速度約7 km/s,地面終端進行衛(wèi)星切換的頻率較高,與此同時,星間鏈路在極地區(qū)域會發(fā)生通斷,這都使得星座網(wǎng)絡(luò)拓撲始終處于動態(tài)變化之中[18]。比如,在Iridium系統(tǒng)中,地面任意移動終端相對于衛(wèi)星平均可視時間為9分鐘[19],波束平均切換時間約1～2分鐘[20],而星間鏈路切換時間間隔為162.69 s和111.26 s[21]。

2)拓撲可預(yù)測性,周期性

雖然低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,但是任意時刻任意衛(wèi)星的位置都可以預(yù)測,并且整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有周期性,重復(fù)出現(xiàn)。

3)低軌星座衛(wèi)星數(shù)目一定,具有對稱性

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比地面網(wǎng)絡(luò)小較多,可以采用簡單的路由算法來計算衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中任意兩顆衛(wèi)星之間的最短路徑。常見的低軌衛(wèi)星星座拓撲圖均采用Walker星座,具有對稱性。這個特點使得從一顆衛(wèi)星到其目的地存在多條最短路徑,研究者可利用該特點有效平衡網(wǎng)絡(luò)負載,提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

4)低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)流量具有不均勻性

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只能夠覆蓋地球表面一小塊區(qū)域,如銥星覆蓋區(qū)域直徑約為4500 km。并且由于地面人口分布具有不均勻性,低軌衛(wèi)星接收到數(shù)據(jù)流量也在動態(tài)變化中。在城市區(qū)域,衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)流量有可能過載;在郊區(qū),衛(wèi)星使用率可能較低,流量較少;而沙漠和海洋的數(shù)據(jù)流量幾乎為0。因此,任意時刻星座中的流量負載都具有不均衡的特點。

5)低軌衛(wèi)星星座需要進行衛(wèi)星切換

星間鏈路切換是指在極軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,相鄰軌道衛(wèi)星之間鏈路由于接近或遠離極區(qū)需要周期性斷開與連接;多波束切換是指采用多波束技術(shù)衛(wèi)星,用戶在通信過程中需要不斷在多個波束之間進行切換;衛(wèi)星切換是指當(dāng)衛(wèi)星運行到用戶最小可見仰角之下時,用戶需要斷開當(dāng)前連接,與另外一顆衛(wèi)星連接。切換是低軌星座網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于地面網(wǎng)絡(luò)的一個重要特征。

1.2 低軌衛(wèi)星星座的挑戰(zhàn)

在低軌衛(wèi)星星座實際部署與應(yīng)用過程中存在以下挑戰(zhàn)。

1)傳播時延較高

低軌星座的軌道高度約在500 km～2000 km,典型的星間鏈路每跳傳播時延在幾十毫秒左右,而且地面終端之間的傳播時延一般約為100 ms～200 ms。衛(wèi)星之間鏈路傳播時延是用戶端到端總時延的重要組成部分,對系統(tǒng)性能有較大影響。隨著衛(wèi)星海拔高度的增加,傳播時延也隨之增加,影響更加明顯。

2)鏈路類型具有多樣性

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,同層次同軌道的相鄰衛(wèi)星之間存在永久性星間鏈路,同層次不同軌道相鄰衛(wèi)星之間存在非永久性星間鏈路,不同層次相鄰衛(wèi)星之間存在層間鏈路,而用戶同衛(wèi)星之間存在星地鏈路。因此衛(wèi)星鏈路具有多樣性,給整個網(wǎng)絡(luò)路由帶來挑戰(zhàn)。

2 構(gòu)建軍地聯(lián)動應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的可行性

2.1 低軌衛(wèi)星星座通信網(wǎng)絡(luò)實施可行性

本文在NS2中實現(xiàn)了Teledesic星座組網(wǎng),使用STK9仿真工具構(gòu)建一個Teledesic星座仿真場景。Teledesic成立于20世紀90年代初期,其目標是建立寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),真正實現(xiàn)“Internet in the Sky”。Teledesic系統(tǒng)1994年版的規(guī)劃中提出耗資90億美元建設(shè)一個由844顆衛(wèi)星覆蓋全球的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),軌道高度為800 km。1997年,Teledesic將其規(guī)劃修改為通過288顆軌道高度為1 400 km的衛(wèi)星覆蓋全球。Teledesic早期得到了來自包括美國麥考移動通信、比爾蓋茨等投資者的支持。

星座中鏈路帶寬和衛(wèi)星同地面節(jié)點的帶寬均設(shè)置為25 Mbps。數(shù)據(jù)包的平均大小為1 000個字節(jié),鏈路上的隊列長度為100個數(shù)據(jù)包。

使用STK9進行衛(wèi)星星座軌道圖模擬仿真2D、3D場景分別如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出,Teledesic星座能夠無死角覆蓋全球所有區(qū)域,能夠滿足突發(fā)應(yīng)急事件的通信流量需求,并且衛(wèi)星顆數(shù)較多,能夠為應(yīng)急事件預(yù)留足夠資源,滿足其Qos需求。

接著采用直接路由方法進行仿真,利用awk工具對時延、時延抖動、平均流量進行分析,假設(shè)位于南京節(jié)點與位于波士頓節(jié)點進行通信,結(jié)果如下圖3、圖4、圖5所示。

實驗表明,圖3中時延在0.6 s～0.7 s之間,圖4說明時延抖動誤差在0.01 s左右,圖5表明平均流量為0.03 Byte/s,這說明Teledesic星座不僅能夠覆蓋全球,滿足應(yīng)急指揮無死角的需求,還具有較小時延和時延抖動,對應(yīng)急指揮的實時效應(yīng)更加貼合實際。并且,流量可以為應(yīng)急聯(lián)動指揮提供預(yù)留資源,為軍地雙方提供足夠大的通信流量。

2.2 低軌衛(wèi)星星座處理能力的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,低軌衛(wèi)星星座處理能力不斷提高,表1給出了幾種提供全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的參數(shù)。

表1 多種應(yīng)急通信技術(shù)的性能對比

從表1中可以看出,隨著時間的推移,部署低軌衛(wèi)星星座頻率不斷增加,數(shù)據(jù)率增加,時延減少,為了達到全球覆蓋的效果,軌道高度與衛(wèi)星數(shù)量同樣增加,星上處理能力同樣不斷增強。

星上處理能力發(fā)展與進步,可以支持動態(tài)資源分配技術(shù),在應(yīng)急狀態(tài)下保障通信QOS,為構(gòu)建軍民融合應(yīng)急指揮衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)提供可靠技術(shù)保證。

3 建設(shè)途徑

解決應(yīng)急指揮中互聯(lián)互通問題,最根本的出路在于統(tǒng)一通信體制。不同應(yīng)急通信技術(shù)手段的對比如表2所示。從適應(yīng)復(fù)雜地形的能力和建設(shè)使用成本兩個方面考慮,衛(wèi)星通信是應(yīng)急通信的必備手段。而衛(wèi)星通信終端受限于成本和頻譜資源,難以大規(guī)模配備,可將其作為應(yīng)急指揮的骨干通信網(wǎng)絡(luò)。

表2 多種應(yīng)急通信技術(shù)的性能對比

我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)正處于高速發(fā)展階段,新衛(wèi)星通信網(wǎng)系的建成很大程度上滿足了我軍急需的通信需求。但對于戰(zhàn)術(shù)級的應(yīng)急指揮而言,跨系統(tǒng)、跨部門之間的通信需求較大,而現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)普遍是專網(wǎng)專用,存在裝備型號多，網(wǎng)系之間互聯(lián)互通困難等問題。此外,中高軌衛(wèi)星的軌道和頻譜資源都非常稀缺,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展受到較大制約。

近年出現(xiàn)構(gòu)建大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座以提供寬帶移動接入的趨勢為構(gòu)建新的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)提供了新的機遇。例如,SpaceX公司的Starlink低軌星座計劃發(fā)射多達12 000顆衛(wèi)星,今年2月首顆試驗衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射升空;三星，OneWeb等公司的低軌星座也分別計劃發(fā)射4 600 顆和2 700顆衛(wèi)星;我國兩大航天集團年內(nèi)也將分別啟動“行云工程”和“鴻雁衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)”建設(shè),計劃發(fā)射80到300顆不等的低軌衛(wèi)星。

《國家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中專門指出,要基于民用空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),構(gòu)建公用應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng),統(tǒng)籌使用應(yīng)急體系所需衛(wèi)星資源,提升衛(wèi)星應(yīng)急通信服務(wù)保障能力與集約化水平。同時,利用民用低軌衛(wèi)星星座構(gòu)建應(yīng)急通信系統(tǒng),還能顯著降低系統(tǒng)的使用和維護成本,從而達到更優(yōu)的建設(shè)效益。

采用低軌衛(wèi)星星座構(gòu)建軍地聯(lián)動應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)如圖6所示。其主要技術(shù)難點在于如何高效調(diào)度資源以提供一定程度的服務(wù)質(zhì)量保證。因此,還需著力突破基于民用低軌衛(wèi)星星座的通信專網(wǎng)動態(tài)構(gòu)建與資源調(diào)度、衛(wèi)星資源綜合網(wǎng)管與運控、波形動態(tài)重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。

此外,還需要加強低軌衛(wèi)星星座的無線電頻率管理,協(xié)調(diào)多衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的頻譜使用策略,尤其是空間復(fù)用策略,滿足應(yīng)急狀態(tài)下海量數(shù)據(jù)、高寬帶視頻傳輸和無線應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)需要。

4 結(jié)束語

本文提出以低軌衛(wèi)星星座為基礎(chǔ)構(gòu)建“全域接入、寓軍于民”的應(yīng)急指揮通信網(wǎng)絡(luò),為破解軍地聯(lián)動應(yīng)急指揮通信的“最后一公里”難題提供了新的技術(shù)思路。從技術(shù)可行性的角度看,仿真結(jié)果表明低軌衛(wèi)星星座的覆蓋性、傳輸時延和速率能夠滿足應(yīng)急通信的要求。此外,星上處理能力的進步使得實時資源調(diào)度和波束成形都變得可行。從現(xiàn)實可行性的角度看,低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)熱潮為構(gòu)建軍民融合的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)提供了良好的機遇,通過融合建設(shè)可以顯著降低應(yīng)急通信的使用成本,擴大終端部署范圍,從而實現(xiàn)真正意義上的全域接入、無縫覆蓋。