文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182625
中文引用格式： 徐軍，路威，張更新. 寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)量仿真分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：67-70，75.
英文引用格式： Xu Jun，Lu Wei，Zhang Gengxin. Traffic simulation of broadband LEO constellation satellite communication system[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：67-70，75.
0 引言
寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當(dāng)前衛(wèi)星通信領(lǐng)域重要的發(fā)展熱點(diǎn)之一，由于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳播時(shí)延大、傳播損耗高、星上處理能力弱、網(wǎng)絡(luò)吞吐量小、通信費(fèi)用昂貴等特點(diǎn)，主要作為地面通信網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充。利用GEO衛(wèi)星建立一個(gè)面向全球的、具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在當(dāng)前技術(shù)條件下顯然非常困難[1]。世界許多國(guó)家和衛(wèi)星通信公司都在制定自己的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。OneWeb公司已經(jīng)啟動(dòng)了世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個(gè)覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星高速通信網(wǎng)絡(luò)。SpaceX計(jì)劃打造由4 000多顆小衛(wèi)星組成的互聯(lián)網(wǎng)星座STEAM，在全球范圍內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。LeoSat計(jì)劃建造一個(gè)由140顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座，為全球提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)。
為適應(yīng)不斷擴(kuò)大的對(duì)外交流，提前占據(jù)空間的軌道和頻率資源，中國(guó)有必要建立一個(gè)自己的寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前我國(guó)尚未建立面向全球通信的LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但已經(jīng)提出了建造LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的計(jì)劃，比如“鴻雁”與“虹云”系統(tǒng)[2-3]。然而基于我國(guó)的外交政策，在國(guó)外建立大量的信關(guān)站是幾乎不可能的，需要在國(guó)內(nèi)建站的強(qiáng)約束條件下實(shí)現(xiàn)通信，必須要有一個(gè)合理的組網(wǎng)方案。
國(guó)外的OneWeb系統(tǒng)采用的是全球建立信關(guān)站的方式實(shí)現(xiàn)全球通信，衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低。但是這種組網(wǎng)方案明顯不適合中國(guó)使用，中國(guó)在國(guó)外建立大量信關(guān)站是難以實(shí)現(xiàn)的[4-5]。而如果衛(wèi)星采用全處理轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信，然而系統(tǒng)容量會(huì)很低，星間鏈路與饋電鏈路的傳輸瓶頸會(huì)很大程度地限制系統(tǒng)的傳輸容量，而且技術(shù)復(fù)雜，成本較高[6]。衛(wèi)星可以同時(shí)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種工作方式，在國(guó)內(nèi)，國(guó)外業(yè)務(wù)較多的部分區(qū)域等建立信關(guān)站，在業(yè)務(wù)量較小國(guó)外區(qū)域采用處理轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，依靠星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球通信。這種組網(wǎng)方式能夠在成本與技術(shù)復(fù)雜度之間取得折衷，這與業(yè)務(wù)量的分布有很大的關(guān)系，因此需要研究系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量特點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際業(yè)務(wù)量需求研究一個(gè)高效組網(wǎng)方案。為此需要對(duì)系統(tǒng)在全球的業(yè)務(wù)量進(jìn)行分析。
1 衛(wèi)星業(yè)務(wù)量分析
1.1 影響因素
在寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)里，LEO衛(wèi)星軌道高度低，運(yùn)動(dòng)速度快，星下點(diǎn)位置相對(duì)地面高速移動(dòng)，文獻(xiàn)[1]通過鏈路計(jì)算分析了寬帶LEO星座衛(wèi)星系統(tǒng)要采用高仰角的星座方案，并仿真了高仰角衛(wèi)星通信系統(tǒng)OneWeb的傳輸性能。本文也將繼續(xù)以O(shè)neWeb系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，星座由648顆衛(wèi)星依照Walker星座進(jìn)行構(gòu)建,衛(wèi)星分布在18個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面上部署36顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度為1 200 km，軌道傾角為87.9°，在OneWeb系統(tǒng)采用的星座里，星下點(diǎn)每秒鐘可改變約1公里的位置，衛(wèi)星在地面的波束覆蓋區(qū)在不斷變化，導(dǎo)致每顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源也隨之變化，加之地面與衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)通信仰角較高，最低通信仰角50°[1]，單顆星的波束覆蓋角度較窄，導(dǎo)致衛(wèi)星在高速移動(dòng)時(shí)每顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源變化更明顯。
當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過人口聚集的陸地區(qū)域時(shí)，由于不同地區(qū)人口數(shù)量不同，各大洲的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，對(duì)業(yè)務(wù)的需求也不同，衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源也是不斷變化的；當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過國(guó)內(nèi)區(qū)域時(shí)，由于國(guó)內(nèi)用戶對(duì)業(yè)務(wù)的需求量更大，衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)峰值；當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過海洋地區(qū)、沙漠地區(qū)、山脈地區(qū)或兩極地區(qū)時(shí)，由于這些地區(qū)幾乎沒有用戶，導(dǎo)致衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源幾乎為零。在衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的過程中，衛(wèi)星的星下點(diǎn)要在海洋與陸地之間數(shù)次轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的變化具有很強(qiáng)的突發(fā)性：當(dāng)經(jīng)過人口稠密地區(qū)和國(guó)內(nèi)區(qū)域是時(shí)，業(yè)務(wù)量在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的峰值；當(dāng)經(jīng)過海洋和極區(qū)時(shí)，業(yè)務(wù)量又可能長(zhǎng)時(shí)間處于極低的狀態(tài)[7-8]。
在不同的時(shí)間段內(nèi)，用戶進(jìn)行通信的使用頻度也是不同的，這取決于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，用戶在正?；顒?dòng)的白天與夜間的業(yè)務(wù)需求會(huì)大于休息時(shí)凌晨的業(yè)務(wù)需求。因此，在計(jì)算衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量時(shí)，還需考慮星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。
1.2 業(yè)務(wù)量仿真思路
影響低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶業(yè)務(wù)量的主要因素有兩個(gè)：
(1)地形地物因素。地球上的陸地、海洋、山脈和沙漠等分布錯(cuò)落有致；在陸地區(qū)域，各大洲的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，對(duì)業(yè)務(wù)的需求也不相同；在國(guó)內(nèi)區(qū)域與國(guó)外區(qū)域，業(yè)務(wù)量會(huì)有明顯的差距。這樣當(dāng)衛(wèi)星繞地球作周期性旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，衛(wèi)星就會(huì)經(jīng)過不同的地區(qū)，隨著時(shí)間的推移，衛(wèi)星波束掃過不同地區(qū)時(shí)，其業(yè)務(wù)源就會(huì)有很大的變化，從而導(dǎo)致用戶業(yè)務(wù)量具有脈沖式的變化規(guī)律。
(2)時(shí)區(qū)因素。各地區(qū)在24小時(shí)內(nèi)的業(yè)務(wù)量變化不均，并且只取決于當(dāng)?shù)貢r(shí)間。
為此，需要針對(duì)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的仿真模型才能獲得其業(yè)務(wù)量仿真結(jié)果。為完成這樣的仿真，需要確定下列基本信息：
(1)實(shí)時(shí)的衛(wèi)星位置信息，一旦星座方案確定，衛(wèi)星的位置就可以從STK中獲??；
(2)一天中，全球不同位置的峰值業(yè)務(wù)模型(位置業(yè)務(wù)模型)；
(3)一日業(yè)務(wù)變化模型。
因此本文將主要針對(duì)這兩個(gè)影響因素，分別建立位置業(yè)模型與一日變化模型進(jìn)行仿真分析。
2 基本業(yè)務(wù)模型
2.1 位置業(yè)務(wù)模型
位置業(yè)務(wù)模型是根據(jù)地球上不同區(qū)域?qū)I(yè)務(wù)量的需求不同而建立的基于經(jīng)緯度變化的業(yè)務(wù)量變化模型，考慮到系統(tǒng)在地球南北極業(yè)務(wù)量極小，而本系統(tǒng)的星座特點(diǎn)在南北極擁有較多的衛(wèi)星，足以滿足南北極的業(yè)務(wù)需求，無需分析南北極的業(yè)務(wù)量，因此將緯度范圍為70°~90°與-90°~-70°的區(qū)域業(yè)務(wù)量置零。只需分析范圍為緯度-70°~70°、經(jīng)度-180°~180°，則將這塊地區(qū)按經(jīng)度每隔5°、緯度每隔2.5°分為56×72個(gè)網(wǎng)格，共有4 032個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格分布如圖1所示。
每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)密度按照本地區(qū)的人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和用戶類型等不同特點(diǎn)置以加權(quán)因子計(jì)算，不同的大洲每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)密度按地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展加權(quán)因子計(jì)算：暫定為北美洲為0.8，南美洲0.6，非洲為0.4，亞洲為0.7，歐洲0.8，大洋洲0.5；一些人口分布較少的地區(qū)業(yè)務(wù)量小，置以較小的加權(quán)因子：遠(yuǎn)海地帶業(yè)務(wù)為0，近海地帶業(yè)務(wù)為0.1，某些沙漠地帶業(yè)務(wù)為0；境內(nèi)業(yè)務(wù)需求比境外大很多，假設(shè)境內(nèi)與境外業(yè)務(wù)密度之比為10：1，從而得到系統(tǒng)的位置業(yè)務(wù)模型如圖2所示。
2.2 一日變化模型
每個(gè)地點(diǎn)在一天內(nèi)不同時(shí)間段的業(yè)務(wù)量是有明顯變化的，因?yàn)橛脩粼诓煌臅r(shí)間段進(jìn)行通信的使用頻率是不同的，對(duì)業(yè)務(wù)量的需求不同，這與當(dāng)?shù)貢r(shí)間有關(guān)。為了分析時(shí)間因素對(duì)業(yè)務(wù)量變化的影響，描述業(yè)務(wù)量在一天內(nèi)的相對(duì)變化情況，一個(gè)數(shù)值在0與1之間時(shí)間加權(quán)因子被提出來，在一天內(nèi)的24個(gè)小時(shí)內(nèi)，依據(jù)人們平常的作息習(xí)慣，給每一個(gè)時(shí)段分配一個(gè)時(shí)間加權(quán)因子，這個(gè)模型對(duì)于全球各地區(qū)相同，如圖3所示。地球表面各點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間都是相對(duì)GMT(格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)參考時(shí)鐘獲得的。在各衛(wèi)星獲得與它可見的網(wǎng)格的當(dāng)?shù)貢r(shí)間后，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)都乘以相應(yīng)的時(shí)間加權(quán)因子。
計(jì)算業(yè)務(wù)量的時(shí)間加權(quán)因子非常重要，需要獲得衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間有著非常大的變化，衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間計(jì)算方法為：首先從STK仿真軟件中獲取衛(wèi)星當(dāng)前星下點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后由GMT時(shí)間換算為當(dāng)?shù)貢r(shí)間，得到衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間變化如圖4所示。
3 業(yè)務(wù)仿真
3.1 業(yè)務(wù)仿真方法
計(jì)算單顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量可以采用如下方法：
(1)計(jì)算星下點(diǎn)位置；
(2)計(jì)算衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格編號(hào)；
(3)對(duì)于在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)格：①確定當(dāng)?shù)貢r(shí)間；②確定每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)量；③將網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)量乘以相應(yīng)的時(shí)間加權(quán)因子。
(4)把衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)所有網(wǎng)格中的業(yè)務(wù)量相加，即可得到每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的總業(yè)務(wù)量。
3.2 單星業(yè)務(wù)量仿真
OneWeb系統(tǒng)是當(dāng)下典型的寬帶LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，本文仿真的是OneWeb星座，根據(jù)業(yè)務(wù)仿真方法得出一顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的變化情況。一顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的變化如圖5所示。3顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的變化對(duì)比如圖6所示。
從圖5中可以明顯看出，單星的相對(duì)業(yè)務(wù)量具有高速變化性和突發(fā)性的特點(diǎn)，圖中相對(duì)業(yè)務(wù)量連續(xù)為零的時(shí)刻主要是運(yùn)行到海洋或者南北極上空時(shí)，幾處較高的峰值位置是衛(wèi)星運(yùn)行到國(guó)內(nèi)區(qū)域上空的時(shí)候。從圖6中可以看出，同一時(shí)刻3顆衛(wèi)星的相對(duì)業(yè)務(wù)量差異很大，但其峰值的變化趨勢(shì)是相似的，主要是因?yàn)槭艿綍r(shí)間因素的影響程度是一樣的。
3.3 軌道面業(yè)務(wù)量仿真
在得出單星的相對(duì)業(yè)務(wù)量一日變化模型后，可以對(duì)一條軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星相對(duì)業(yè)務(wù)量進(jìn)行仿真。一條軌道面在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)總的業(yè)務(wù)量的變化如圖7所示。3條軌道面在24小時(shí)內(nèi)覆蓋區(qū)業(yè)務(wù)量對(duì)比變化對(duì)比如圖8所示。
從圖7中可以看到，一條軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星相對(duì)業(yè)務(wù)量隨時(shí)間有規(guī)律變化，約十幾小時(shí)左右軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星業(yè)務(wù)量會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值，這是由于軌道面運(yùn)行到國(guó)內(nèi)區(qū)域上空所致；但兩個(gè)峰值的高度不同，這是由于衛(wèi)星并非同步軌道衛(wèi)星，兩次運(yùn)行到國(guó)內(nèi)上空時(shí)當(dāng)?shù)貢r(shí)間不同，時(shí)間因素會(huì)對(duì)衛(wèi)星有影響。從圖8中可以看到，3條軌道的相對(duì)業(yè)務(wù)量在同一時(shí)刻有很大差異，一條軌道面的業(yè)務(wù)量在不同時(shí)間也有很大差異。
3.4 仿真結(jié)果分析
從仿真結(jié)果來看，衛(wèi)星業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)性、高速變化性與分布不均勻性，針對(duì)業(yè)務(wù)量分布的這種特點(diǎn)，在一天內(nèi)的大部分時(shí)刻衛(wèi)星相對(duì)業(yè)務(wù)量都是極小甚至為零的，在衛(wèi)星經(jīng)過國(guó)內(nèi)上空時(shí)其相對(duì)業(yè)務(wù)量會(huì)達(dá)到峰值，如果衛(wèi)星采用全處理轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，就會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)。為滿足國(guó)內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)量需求，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器需要具備很強(qiáng)的星上處理能力，而大部分時(shí)刻都是經(jīng)過海洋以及國(guó)外業(yè)務(wù)量較小的區(qū)域，會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)，而衛(wèi)星如果星上處理能力較弱，星間鏈路傳輸國(guó)內(nèi)區(qū)域的業(yè)務(wù)時(shí)就會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵。而衛(wèi)星采用全透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式是不符合我國(guó)的國(guó)情的。結(jié)合衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量分布特點(diǎn)，衛(wèi)星可以同時(shí)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種工作方式，國(guó)內(nèi)建立信關(guān)站，衛(wèi)星在境外業(yè)務(wù)量較小的區(qū)域只開啟處理轉(zhuǎn)發(fā)器工作，透明轉(zhuǎn)發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)，運(yùn)行到國(guó)內(nèi)上空時(shí)開啟透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作，利用信關(guān)站傳輸國(guó)內(nèi)大業(yè)務(wù)量。在成本與技術(shù)復(fù)雜度上取得折衷。
4 結(jié)論
本文分析了當(dāng)前寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合建設(shè)我國(guó)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)條件，分析了對(duì)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)量需求分析的重要性，對(duì)影響業(yè)務(wù)量的主要因素進(jìn)行分析，針對(duì)影響業(yè)務(wù)量?jī)蓚€(gè)主要因素分別建立了位置業(yè)務(wù)模型與一日變化模型，提出了對(duì)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)量仿真的方法，完成了對(duì)單星以及一個(gè)軌道面內(nèi)相對(duì)業(yè)務(wù)量一日變化的仿真。直觀分析出衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的分布特點(diǎn)，對(duì)中國(guó)寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)參考意義。
需要說明的是，本文對(duì)業(yè)務(wù)量的分析只是定性地分析其相對(duì)分布，是為了給衛(wèi)星的組網(wǎng)提供依據(jù)，而衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的實(shí)際值與經(jīng)濟(jì)、地理以及國(guó)際形勢(shì)等很多因素有關(guān)，需要結(jié)合很多領(lǐng)域深入的研究做大量工作，這也是本文以后進(jìn)一步研究的方向。
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作者信息:
徐 軍1，路 威1，張更新2
（1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京210007；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京210003）