雙層衛星網星間鏈路混合路由算法設計

王冬霞，趙金賢，胡彩波，辛　潔，湯廷松

(北京衛星導航中心，北京　100094)

雙層衛星網星間鏈路混合路由算法設計

王冬霞，趙金賢，胡彩波，辛潔，湯廷松

(北京衛星導航中心，北京100094)

摘要：針對衛星網星間鏈路所處的環境暴露、覆蓋范圍廣、用戶規模大、極易受干擾的特點，提出了一種具有鏈路穩定性的星間鏈路混合路由算法:首先分析星間鏈路的幾何特性，基于Hill方程推導出星間鏈路距離、俯仰角、方位角；根據衛星之間的相對運動和星座構型，綜合分析了鏈路生存時間、傳輸時延、空間干擾等問題對星間鏈路穩定性的影響；然后，以最短路由算法和K短路由算法為基礎，提出星間鏈路權值和鏈路路由優化準則，進而提出星間鏈路優化切換的混合路由方案；最后，結合具體的GEO/MEO雙層衛星網實例對該方案進行了仿真分析。仿真結果表明混合路由算法的綜合服務指標最優。

關鍵詞：星間鏈路；路由算法；雙層衛星網

0引言

星間鏈路(inter satellite links，ISL)是指衛星之間通過無線電直接傳輸的鏈路，它不僅可以測距和通信實現自主導航，也可以輔助地面站進行聯合定軌增強系統的可靠性。美國全球定位系統(global positioning system，GPS)自1997年發射BLOCK IIR衛星開始，增加了ISL功能，使得GPS系統在沒有地面站支持的情況下，維持自主導航功能180 d以上[1-4]。

近年來，具有ISL的多層衛星網(multilayered satellite networks，MLSN)逐漸成為衛星通信系統的研究熱點[5-6]。不同軌道衛星的優勢得到發揮，使得多層衛星網可以滿足多樣的服務質量(quality of service，QoS)需求。地球靜止軌道(geostationary earth orbit，GEO)和中地球軌道(medium earth orbit，MEO)衛星按照軌道劃分，有各自的特點，其組成的通信系統已在地球周圍運行，如全球極高頻段衛星通信網絡(global EHF satellite network，GESN)、北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)均由數目不同的GEO和MEO衛星構成。ISL的建立使得衛星之間的通信成為現實，構成真正意義上的網絡。

目前往往局限于利用星座鏈路(constellation link)[7]來研究ISL的特性；但是，這種模型對于分布式衛星導航系統并不合適，因為其鏈路距離相對較短。對于任何一個導航系統而言，ISL設計必須著眼于其自身的特性。本文研究并解決導航系統ISL的關鍵技術，在鏈路穩定性的基礎上，考慮時間和切換問題，使得鏈路時延較小、切換較少；并利用ISL權值和路由優化準則，設計出一種混合鏈路路由算法：以期豐富和完善我國衛星導航系統星間鏈路體系。

1星間鏈路模型

本文研究的導航系統由GEO和walker-δ構型MEO衛星構成。對于衛星網絡中ISL，有2個坐標系具有重要意義，如圖1所示：1個是地球慣性坐標系fi(Oixiyizi)，該坐標系固定在慣性空間中，原點Oi為地心，zi軸垂直于赤道平面指向北極，xi和yi軸在赤道平面內，其中xi軸指向春分點，yi軸遵循右手定則；另1個是軌道坐標系fo(Ooxoyozo)，該坐標系為動坐標系，隨著衛星具體位置的變化而變化，原點Oo為衛星質心，xo和zo軸在軌道平面內，其中xo軸指向衛星運動方向，zo軸指向地心，yo與xo、zo構成右手坐標系。

圖1　衛星相對運動坐標系

GEO衛星空間位置相對靜止，星間鏈路的建立與保持比較簡單，而由于walker星座中MEO衛星分布均勻，任意相鄰軌道衛星之間的星間鏈路變化情況相同，由此可以walker星座中任意兩顆衛星為例來分析星間鏈路。兩星之間的相對運動由Hill方程得到[8]：

(1)

(2)

(3)

圖2　衛星間星間鏈路關系圖

根據圖2衛星之間的幾何關系可以推得ISL的特性，星間距離ρ、 方位角θ、 俯仰角β分別表示為：

(4)

(5)

(6)

2鏈路穩定性分析

在衛星導航系統中，鏈路穩定性是指ISL保持聯通、提供最佳數據傳輸的能力。本文通過分析鏈路生存時間、鏈路傳輸時延、空間環境干擾等各種因素對ISL的影響，得出鏈路穩定性函數，為設計最佳路由策略提供依據。

定義1(星間可見性)：如果衛星Sj在Si的視距范圍內，即星間連線與地球表面存在交點，則稱它們是可見的；反之，則稱它們是不可見的。因此Sj對Si的可見性VSj→Si定義為

(7)

(8)

式中k=1，2，…，N。 ISL生存時間在1個系統周期內是動態變化的，定義所有ISL生存時間最大值為系統最大生存時間Tmax。

定義3(ISL剩余生存時間)：在t時刻，2衛星ISL剩余生存時間定義為

(9)

定義4(ISL傳輸時延)：在t時刻，2衛星ISL傳輸時延定義為

(10)

定義5(ISL穩定性函數)：在t時刻，2衛星ISL的鏈路穩定性函數定義為

(11)

式中：wt為ISL剩余生存時間加權；wd為ISL傳輸時延加權；ws為空間干擾加權；PSI為復雜空間環境對ISL的干擾程度；且wd+wt+ws=1。

(12)

3星間鏈路路由設計

3.1ISL路由算法

在衛星導航系統中，最短路由算法和K短路由算法是2種典型的路由算法。

3.1.1最短路由算法[10]

(13)

(14)

最短路由算法可以使ISL時延最小，但沒有考慮整個衛星導航系統的穩定性，鏈路切換次數太多。

3.1.2K短路由算法[11]

除了最短路由之外，還需計算衛星之間的次短路由、第三短路由、甚至第K短路由。K短路由算法的思想是在ISL已有最短路由的基礎上刪除某條路由，并搜索下一條可選的最短路由。該算法的實質是在ISL中增加衛星節點和相應鏈路。由K短路由算法計算出2顆衛星之間的多條備用路由，選擇路由的準則為：

1)在該步的多個最佳路由中，優先選擇在上一步曾經出現過的路由；

2)在該步的多個最佳路由中，優先選擇在衛星整個運行周期內維持時間長的路由；

3)在該步的多個最佳路由中，優先選擇在衛星整個運行周期內連續性好的路由。

K短路由算法的實質是通過增加衛星節點，計算出2顆衛星之間的多條備用路由，以避免鏈路擁塞，鏈路切換較少。但該算法有可能使得衛星通信時延變長。

3.2鏈路算法優化3.2.1星間鏈路權值

星座中ISL權值Qt受多種因素影響，本文從簡化設計和仿真的角度出發，分析以下因素：ISL距離、中轉星數目以及鏈路數目。定義為

(15)

3.2.2鏈路路由優化準則

考慮到鏈路切換會引起抖動等不穩定因素，所以應減少鏈路切換。因此，有必要搜索所有最佳路由的集合。對于某一條路由而言，既要考慮其出現在最佳路由集合中的頻率及權值；又要考慮鏈路切換次數。因此，路由優化準則為：在該步的多個最佳路由中，若有上一步曾經出現過的路由，只要其時延和切換在可接受范圍內，則優先選擇該路由；若其時延和切換過大，或該步的多個最佳路由中沒有上一步曾經出現過的路由，則必須進行切換。

定義Qc為某路由在一個軌道周期內的鏈路權值，Qc的具體定義如式(16)～式(18)所示:

(16)

(17)

(18)

式中:pt表示t時刻該路由是否出現在最佳路由集合中，pt=1表示出現，pt=0表示不出現;Wt表示t時刻該路由在最佳路由集合中的出現函數。顯然，pt=1則Ut變小；pt=0則Ut變大。該定義不僅考慮了在路由集合中出現的代價Ut，而且考慮了維持性能Wt。參數Wt初始值為1，若出現在本時刻最佳路由集合中，就相應加1。權值Qc越小，鏈路穩定性越好。

3.2.3混合路由算法

由以上路由優化準則分析可知，路由權值Qc越小越好。修改K短路由第三個準則為：在該步的多個具有相同維持時間的最佳路由中，優先選擇鏈路距離最短的那條路由；其余2個準則不變。此時，中轉星選擇了在整個運行軌道內可見時間最長、時延之和較小、使星座流量平衡的衛星。

因此，本文的混合路由算法有以下特點：首先，盡量選擇鏈路時延較短，即保證通信及時；其次，避免過多路由同時選擇一顆或幾顆中轉星，即保證通信質量；最后，盡量減少鏈路數目和切換次數，從而降低鏈路開銷，即保證系統性能。

4數據仿真

本文研究的星座由3顆GEO和12顆MEO衛星構成，其中GEO衛星平均分布于赤道面上，相互間夾角120°；MEO衛星軌道高度10 355 km，構型為12/3/1的walker星座。用STK10對本文星座進行仿真，建立星座三維視圖和二維視圖分別如圖3～圖4所示。

圖3　星座的3維視圖

圖4　星座的2維視圖

顯然，本文研究的星座中包括3種鏈路：軌內星間鏈路(位于同一軌道面內衛星間的鏈路)、軌間星間鏈路(位于不同軌道面衛星間的鏈路)和層間星間鏈路(位于不同軌道高度衛星間的鏈路，ex：GEO和MEO)。

4.1星間鏈路特性

對于層間鏈路，每顆MEO衛星同時可見多顆GEO衛星;但為了簡化結構和實際通信需求，每顆MEO衛星只能同一顆GEO建立鏈路。GEO衛星需要同多顆MEO衛星建立ISL，且由于衛星數目眾多，層間鏈路數目繁雜。

按照前文的ISL幾何公式，選擇MEO11作為研究對象，分析了其與GEO衛星1、MEO衛星12、14、23、32的ISL特性，如圖5～圖7所示，分別表示ISL距離、方位角、俯仰角的曲線變化圖。

圖5　星間鏈路距離

圖6　星間鏈路方位角

圖7　星間鏈路俯仰角

假設ISL天線是全向天線，天線旋轉角度和角速度均能跟蹤鏈路指向變化，且衛星相對運動速度范圍足夠大。分析與MEO11衛星具有ISL的衛星的星間可見性，如圖8所示。

圖8　星間可見性

通過分析圖5～圖8后發現:軌內鏈路(MEO和同軌道衛星，ex：11與12、14)建立的是永久星間鏈路，2條同軌道ISL的方位角、俯仰角和ISL距離不變，0°(180°)、-45°和14 960 km;軌間鏈路(MEO與異軌道面，ex：11與23、32)建立的是周期性星間鏈路，隨時間不同而改變。由于MEO衛星網絡為對稱網絡，其他衛星的同層ISL情況同MEO11相似，初始相位有差異。

還可以看出，MEO和GEO衛星不是持續可見的，其ISL方位角的變化范圍從20°到360°，最大星間距離幾乎達50 000 km。這些不利因素使得層間鏈路(GEO和MEO衛星)不是永久性ISL。因此，為了有效利用GEO衛星ISL生存時間，GEO與MEO衛星間ISL應該在限制最大星間距離的條件下建立，具體原則為：GEO衛星向地球發射信號，在最大ISL距離前提下，與可見的MEO衛星建立ISL。所有GEO與MEO衛星間的ISL均是臨時鏈路，存在建立—斷開—重建過程。

4.2鏈路算法

表1列出了用最短路由、K短路由以及混合路由算法仿真衛星M11與M34間在某個時間點上的鏈路變化情況。

表1　衛星M11至衛星M34的路由變化

從表1中可以看出：最短路由算法切換3次，K短路由算法和混合路由算法切換2次，僅從切換次數來看，混合路由算法達到星座穩定的基本要求。而從時延的角度來看，K短路由算法時延較長。顯然，混合路由算法的鏈路權值最小，鏈路穩定性最好。

5結束語

本文分析了星間鏈路特性，提出星間鏈路權值及鏈路路由優化準則，并提出了一種具有鏈路穩定性的混合路由算法。從仿真結果可以看出，Walker delta星座構成的MLSN的特性如下：軌內衛星建立永久性ISL，鏈路距離、方位角、俯仰角不變；軌間衛星建立周期性ISL，鏈路距離、方位角、俯仰角隨時間周期性變化；層間衛星建立復雜的ISL，鏈路時變且簡短，不能保證時時有鏈路。仿真結果驗證了本文提出的考慮時延、切換、權值等優化策略的混合路由方案最優。

參考文獻

[1]HOLMES J K，RAGHAVAN S.A summary of the new GPS IIR-M and IIF modernization signals[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE).Proceedings of the Vehicular Technology Conference (VTC 2004-fall).Los Angeles：IEEE，2004：4116-4126.

[2]KAPLAN E D，HEGARTY C J.GPS原理與應用[M].寇艷紅，譯.2版.北京：電子工業出版社，2005：2-5.

[3]RAJAN J A.Highlights of GPS II-R autonomous navigation[C]//The Institute of Navigation.Proceedings of the ION 58th Annual Meeting of the Institute of Navigation and CIGTF 21stGuidance Test Symposium.Albuquerque，NM：The Institute of Navigation，Inc.，2002：354-363.

[4]LUBA O，BOYD L，GOWER A，et al.GPSIII system operations concepts[J].Position Location and Navigation Symposium，2004，20(1)：380-388.

[5]AKYILDIZ I F，EKICI E，BENDER M D.MLSR：A novel routing algorithm for multilayered satellite IP networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2002，10(3)：411-424.

[6]LONG Fei，XIONG Naixue，VASILAKOS A V，et al.A sustainable heuristic QoS routing algorithm for pervasive multi-layered satellite wireless networks[J].Wireless Networks，August 2010，16(6)：1657-1673.

[7]KELLER H，SALZWEDEL H，SCHORCHT G.Examination of special phased circular polar orbit constellations for the use of inter-satellite links[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE).Proceedings of the 1997 IEEE International Conference Personal Wireless Communications (ICPWC).Bombay，India：IEEE ICPWC，1997：283-288.

[8]CLOHESSY W H，WILTSHIRE R S.Terminal guidance system for satellite rendezvous[J].Journal of the Aerospace Sciences，1960，27(9)：653-658.

[9]胡劍浩，吳詩其，李樂民.衛星移動通信系統中星際鏈路背景干擾分析模型[J].通信學報，1999，20(2)：58-63.

[10]張濤，劉重堪，張軍.衛星時變網絡拓撲最短路徑算法研究[J].計算機學報，2006，29(3)：371-377.

[11]王亮，張乃通，寧錄游.低軌衛星星座星際鏈路后向切換的時延指標[J].系統工程與電子技術，2002，24(12)：6-12.

ISL routing strategy of two layer satellite network

WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，XIN Jie，TANG Tingsong

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

Abstract：Against Inter-Satellite Links (ISL) easily interfered for situating in a highly exposed environment，covering a wide range and large-scale users，this article proposd a stability routing strategy.Firstly，the geometric characteristic of ISL was analyzed，with deducing the ISL distance，elevation，azimuth by Hill equation.According to the relative motion between satellites and the constellation configuration，a synthetic routing strategy was put forward to analyze the ISL stability performance by the link survival time，transmission delay and spatial interference.In addition，the ISL power weight and link path optimization criterion was obtained based on the shortest path algorithm and the K-path algorithm.Then，a stability synthetic routing strategy with best switching scheme was proposed.Finally，simulation for specific GEO/MEO satellite network was carried out.The results showed that the synthetic routing strategy would have the optimal hybrid service indicator.

Keywords：inter-satellite link；routing strategy；two layer satellite network

收稿日期：2015-08-10

第一作者簡介：王冬霞(1985—)，女，河南新鄉人，博士，工程師，研究方向為衛星導航和星間鏈路總體設計。

中圖分類號：TN927

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0029-07

引文格式：王冬霞，趙金賢，胡彩波，等.雙層衛星網星間鏈路混合路由算法設計[J].導航定位學報，2016，4(2)：29-35.(WANG Dongxia，ZHAO Jinxian，HU Caibo，et al.ISL routing strategy of two layer satellite network[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：29-35.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160207.