新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面無線自組織網(wǎng)絡融合技術(shù)的探討

楊昕+孫智立+劉華峰+趙康+程子敬+苗曄+Haitham+Cruickshank

摘要：展示并驗證了一種由新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面無線自組織網(wǎng)絡組成的星地一體化網(wǎng)絡。此星地一體化網(wǎng)絡中的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡可以提供大容量、低時延的網(wǎng)絡覆蓋，其“低軌”的特點又可減小地面終端的尺寸，增強地面網(wǎng)絡的移動性。與經(jīng)典的中軌和靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡相比，此種網(wǎng)絡可以提供更高通量、更高移動性的通信支持，大大拓寬通信網(wǎng)絡的應用范圍。對不同的網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)采用相應的軟件仿真工具環(huán)境，為今后進一步深入研究衛(wèi)星網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和自組互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起到了拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星； 無線自組織網(wǎng)絡；一體化通信網(wǎng)絡

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0058-006

在過去的幾十年里，我們見證了通信和網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，同時也見證了航天技術(shù)的發(fā)展。從傳統(tǒng)的電話語音到最新的高清實時流媒體播放等，越來越多的網(wǎng)絡技術(shù)豐富了人們的溝通手段。然而，某種類型的通信網(wǎng)絡在具有自身獨特優(yōu)勢的同時，往往也存在一些不足。比如，固定寬帶網(wǎng)絡可以提供高帶寬、高穩(wěn)定性的服務，但是網(wǎng)絡的覆蓋受地理因素的制約，且可移動性極為有限；Wi-Fi網(wǎng)絡可以保證通信終端的移動性，但是其通信質(zhì)量受環(huán)境嚴重影響；衛(wèi)星通信網(wǎng)絡可以覆蓋海洋、山區(qū)、沙漠等偏遠地區(qū)，但網(wǎng)絡不夠靈活、系統(tǒng)管理也較為復雜。因此，近年來越來越多的研究者把注意力集中到了異種網(wǎng)絡互聯(lián)上，希望可以發(fā)揮不同種網(wǎng)絡的優(yōu)勢、彌補各自的不足。

無線自組織網(wǎng)絡（MANET）是一種不需要集中式管理的自治無線網(wǎng)絡。在無線自組織網(wǎng)絡中，每一個節(jié)點既是發(fā)射接收端，又是路由器。通過運行相應的路由協(xié)議，節(jié)點間可以自發(fā)地進行路由發(fā)現(xiàn)和路由信息交換；距離較近的節(jié)點之間可以直接進行無線通信，距離較遠的節(jié)點間則通過其他節(jié)點的接力傳輸實現(xiàn)通信。定時或不定時的路由表更新可以保證在網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化后，整個網(wǎng)絡仍保持通信能力，從而使得無線自組織網(wǎng)絡擁有較強的移動性和魯棒性。

衛(wèi)星通信研究從19世紀60年代至今一直保持著活力[1]。得益于現(xiàn)如今“任意時間、任意地點”通信[2]的概念，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的地位在未來還將進一步的提升。通常來說，衛(wèi)星的軌道越高其覆蓋面積越大，但是通信的時延也越長。一般說來，衛(wèi)星的運行軌道根據(jù)高度可以分為：

（1）低軌道（LEO）：軌道高度為160～2 000 km；

（2）中軌道（MEO）：軌道高度為2 000～35 786 km；

（3）靜止軌道（GEO）：軌道高度為35 786 km，運行在此軌道上的衛(wèi)星與地球的相對位置不受地球自轉(zhuǎn)的影響。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信應用場景[3]如圖1所示。

受各方面條件的限制，在進行衛(wèi)星網(wǎng)絡相關(guān)研究時很少可以用到真實的衛(wèi)星作為實驗平臺，因此使用相關(guān)軟件進行系統(tǒng)仿真是衛(wèi)星網(wǎng)絡研究的常用手段。常見的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡仿真軟件包括STK及網(wǎng)絡仿真器（NS）等。其中STK 主要用來對衛(wèi)星的軌道、波束覆蓋、環(huán)繞地球周期等物理參數(shù)進行模擬，NS主要用來對網(wǎng)絡的通信性能進行仿真。將STK與NS相結(jié)合使用可全方位地獲得衛(wèi)星網(wǎng)絡的仿真數(shù)據(jù)。

文中，我們主要討論基于新一代低軌衛(wèi)星系統(tǒng)和地面無線自組織網(wǎng)絡的IP網(wǎng)絡融合技術(shù)。將首先介紹幾種傳統(tǒng)的低中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和新一代的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡，以及國際上對于衛(wèi)星-地面融合網(wǎng)絡的相關(guān)研究情況，然后基于軟件仿真數(shù)據(jù)對相關(guān)技術(shù)進行討論，并最終給出對未來相關(guān)研究方向的看法和建議。

1 低軌、中軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡（尤其是低軌和中軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡）技術(shù)近年來發(fā)展迅速。從1990年至今，數(shù)個低軌和中軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡已經(jīng)正式提供商業(yè)服務，其中比較著名的包括低軌的銥星網(wǎng)絡和中軌的O3b網(wǎng)絡。

1.1 銥星網(wǎng)絡

銥星網(wǎng)絡最早由美國摩托羅拉公司建設并于1998年末正式開始提供商業(yè)服務[4]。該系統(tǒng)包含66顆運行在781 km高度的服務衛(wèi)星和多顆運行在666 km高度的備用衛(wèi)星。該網(wǎng)絡可以提供覆蓋全球的語音服務、短信服務和數(shù)據(jù)寬帶業(yè)務。衛(wèi)星間通過10 Mbit/s的Ka波段星間鏈路（ISL）進行數(shù)據(jù)交換。

銥星網(wǎng)絡現(xiàn)在由銥星通訊公司運營。從2015年起，銥星通訊公司開始建設專注于為寬帶業(yè)務提供支持的“下一代銥星”網(wǎng)絡。下一代銥星網(wǎng)絡包含66顆在軌服務衛(wèi)星和多顆在軌備用衛(wèi)星，其可在L波段和Ka波段分別提供1.5 Mbit/s和8 Mbit/s帶寬[5]。

1.2 O3b網(wǎng)絡

O3b網(wǎng)絡由12顆運行在8 062 km高度的中軌衛(wèi)星組成，與地面通過Ka波段進行高速數(shù)據(jù)傳輸；該網(wǎng)絡為南北緯62°以內(nèi)區(qū)域提供網(wǎng)絡覆蓋。O3b網(wǎng)絡服務時延小于150 ms，并且每個波束可提供最大1.6 Gbit/s的帶寬。

O3b網(wǎng)絡提供針對寬帶業(yè)務、移動網(wǎng)絡、遠洋能源企業(yè)、海事和政府的5種不同類型的服務，能夠滿足不同用戶的不同需求，從而極大地擴展了衛(wèi)星網(wǎng)絡的用戶群和業(yè)務潛能。

1.3 OneWeb

由于業(yè)務需求的不斷擴張并得益于低成本小衛(wèi)星、低成本火箭技術(shù)的迅猛發(fā)展，國際上越來越多的大型科技公司將目光轉(zhuǎn)向新一代低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的設計與建設，力圖盡快搶占市場。幾種比較有代表性的新一代低軌星座如表1中所示。

與上面提到的另外兩種低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡相比，OneWeb的發(fā)展最早、最迅速，整個網(wǎng)絡于2014年末提出，計劃從2017年開始組建，并從2020年開始提供服務[6]。

整個OneWeb網(wǎng)絡計劃由多600顆低軌衛(wèi)星組成，運行在1 200 km高度的軌道上。該網(wǎng)絡可為每個地面用戶提供50 Mbit/s的寬帶網(wǎng)絡連接，每顆星可處理6 Gbit/s的網(wǎng)絡吞吐量；衛(wèi)星與地面間將采用Ku頻段。圖2為使用AGI STK模擬出的OneWeb星座圖。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的融合

衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡融合組網(wǎng)時會遇到以下問題。

（1）用戶對網(wǎng)絡容量的需求增長迅速，地面網(wǎng)絡可以相對方便地及時更新網(wǎng)絡設備以滿足用戶需求；通信衛(wèi)星的設計壽命通常在10年左右或更長，在此期間通常不會對正常在軌運行的衛(wèi)星進行更新，從而導致過去發(fā)射的衛(wèi)星處理能力往往與地面網(wǎng)絡的處理要求不匹配。

（2）地面通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡往往執(zhí)行著不同的網(wǎng)絡協(xié)議，在進行互聯(lián)互通的時候需要面臨多次的協(xié)議轉(zhuǎn)換，這就會影響網(wǎng)絡整體的傳輸效果。

（3）地面通信網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的主要應用場景、設計考量不同：地面通信網(wǎng)絡主要滿足客戶對容量、時延等網(wǎng)絡特性的需求；而衛(wèi)星通信網(wǎng)絡更側(cè)重于提供大范圍的網(wǎng)絡覆蓋支持。不同的應用場景導致了網(wǎng)絡特性的不同，這就造成了融合時的困難。

如果能將上述問題解決，那么衛(wèi)星通信網(wǎng)絡就可以和地面通信網(wǎng)絡有機結(jié)合起來，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的全球網(wǎng)絡覆蓋。

將太空中的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與地面的傳統(tǒng)有線或無線網(wǎng)絡相結(jié)合進行信息傳輸?shù)南敕ㄊ加?0世紀80年代[7]。網(wǎng)絡融合研究項目包括歐盟COST 226 空間與地面網(wǎng)絡融合[8]和歐盟COST 227空間與地面移動網(wǎng)絡融合[9]。以COST 227項目為例，來自12個歐洲國家的23支研究團隊與歐洲航天局（ESA）共同合作，任務目標是使融合網(wǎng)絡提供盡可能多的通信服務功能。

由于當時技術(shù)水平限制，上述的早期網(wǎng)絡融合研究存在著以下問題。

（1）20世紀90年代的衛(wèi)星網(wǎng)絡通常被用作傳統(tǒng)語音服務和窄帶信息服務（如文本網(wǎng)頁瀏覽、郵件收發(fā)等）的中繼手段，其無法滿足當今普遍的寬帶多媒體服務需求。

（2）早期的工作主要著力于衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面2G移動網(wǎng)絡的融合；現(xiàn)如今3G、4G網(wǎng)絡已經(jīng)商用化，5G網(wǎng)絡也將推出，除了移動網(wǎng)絡之外許多其他種類的無線網(wǎng)絡也被廣泛應用。衛(wèi)星網(wǎng)絡與不同種類網(wǎng)絡融合可能會面臨不同的問題。

從2000年至今世界上的衛(wèi)星網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡融合的研究項目包括SatNEx[10] 、SATSIX[11] 、WHERE[12] 、MONE[13]和BATS[14]等。表2中展示了這幾個項目的技術(shù)細節(jié)對比。

3 新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的融合

近些年的研究項目已經(jīng)各自證明了衛(wèi)星與地面融合網(wǎng)絡的通信能力與潛力，極大地拓展了通信網(wǎng)絡的應用范圍，其尤其適用于本地通信設施缺乏或受損的場景。在當?shù)赝ㄐ旁O施沒有受到很大損害的時候，傳統(tǒng)的移動手機網(wǎng)絡、寬帶網(wǎng)絡仍然可以提供與外界連接的通信通道；但是當基礎(chǔ)通信設施受到大面積損壞甚至被摧毀時當?shù)氐膫鹘y(tǒng)通信網(wǎng)絡將陷入癱瘓，此時將地面的移動自組網(wǎng)與太空中的衛(wèi)星網(wǎng)絡相結(jié)合提供通信服務將是理想的，有時甚至是唯一的選擇。

我們以OneWeb作為低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡來驗證此種融合網(wǎng)絡的通信性能。此部分的仿真實驗基于AGI STK和NS-3。

3.1 網(wǎng)絡設計

地面的MANET通過衛(wèi)星網(wǎng)絡與遠處的通信中心進行通信交流的場景如圖3所示。

圖3中數(shù)部手持終端相互連接組成地面MANET，其中的一部分手持終端可與衛(wèi)星網(wǎng)絡相連。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從發(fā)送端發(fā)出后經(jīng)過MANET內(nèi)部路由傳輸至與衛(wèi)星網(wǎng)絡相連的終端并進而進入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，一些衛(wèi)星通信網(wǎng)絡應用了星間鏈路技術(shù)使得信息可在衛(wèi)星間進行傳輸，數(shù)據(jù)最終經(jīng)由衛(wèi)星網(wǎng)絡傳輸至遠處的通信中心。如此構(gòu)建出的地面-衛(wèi)星融合網(wǎng)絡可為森林救火、深山營救、海岸線邊防等多種場景提供高移動性的動態(tài)網(wǎng)絡服務支持[13]。

圖3所示的融合網(wǎng)絡的主要技術(shù)難點在于使用MEO和LEO衛(wèi)星時衛(wèi)星的移動、切換與重組，因此在網(wǎng)絡設計過程中需要考慮到地面網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星通信時的切換問題、衛(wèi)星網(wǎng)絡內(nèi)部的拓撲及路由的變化問題。GEO衛(wèi)星與地面的相對位置不變，地面網(wǎng)關(guān)與GEO衛(wèi)星通信時通常不涉及此問題。

3.2仿真參數(shù)及配置

仿真場景中，MANET部分由5個通信節(jié)點組成，其中一個節(jié)點同時作為衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)。我們通過仿真分別分析比較了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡與MEO、GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡在這種融合網(wǎng)絡中的表現(xiàn)，如表3所示。在仿真計算過程中，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡相關(guān)參數(shù)取自OneWeb、O3b和Inmarsat的真實數(shù)據(jù)，不考慮星上處理時間。

由STK軟件生成的仿真場景示意如圖4所示。圖中不同的彩色圓點代表不同衛(wèi)星的位置，其中距離地面最近的圓點代表OneWeb衛(wèi)星，稍遠的圓點代表O3b衛(wèi)星；Inmarsat衛(wèi)星由于軌道位置過高而未被包含在圖4中。

3.3 仿真計算與結(jié)果

利用Wireshark對NS-3運行時生成的紀錄文件進行分析，得到MANET的網(wǎng)絡仿真情況，然后使用仿真軟件SaVi[15]觀察衛(wèi)星在某時經(jīng)過某地上空的情形。例如，用其觀察某時刻北京上空OneWeb衛(wèi)星位置的情況如圖5所示。

與MEO、GEO衛(wèi)星相比，LEO最大的特點為低軌道高度，低軌道高度通常意味著更短的通信距離和更低的通信時延，因此我們著重討論不同衛(wèi)星系統(tǒng)在通信時延方面的表現(xiàn)。

對于同軌道和相鄰軌道上的兩個相鄰衛(wèi)星，其間距離分別為：

其中為兩相鄰衛(wèi)星間夾角，為兩相鄰軌道夾角，為衛(wèi)星軌道高度與地球半徑之和。

在獲知不同節(jié)點間的位置關(guān)系后，信息在傳輸路徑中經(jīng)歷的時延可使用如公式（4）來計算：

其中，為時延，為距離，為光速。

最終的仿真結(jié)果如表4所示，其中地面部分時延為NS-3的仿真結(jié)果，衛(wèi)星部分時延為根據(jù)仿真軟件給出的衛(wèi)星與地面相對位置而得出的計算結(jié)果；時延為端到端時延。

從表4中我們不難看出相比于經(jīng)典的MEO、GEO網(wǎng)絡，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡可以顯著降低網(wǎng)絡整體的傳輸時延，而較低的網(wǎng)絡延遲是提供實時語音、視頻傳輸?shù)葘ρ舆t敏感服務的關(guān)鍵，而這些服務在當今的通信服務中占有著重要的位置。國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（ITU-T）對于IP網(wǎng)絡服務的質(zhì)量等級定義如表5所示[16]，從中可見傳輸時延指標對通信網(wǎng)絡服務質(zhì)量的重要性。

除了低延遲外，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡的低軌道減少了信息在傳輸過程中的損耗，從而可以降低誤碼率，也可以減少地面通信終端的尺寸；Ka波段高帶寬低軌衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展也將顯著提高LEO衛(wèi)星的信息處理能力和服務質(zhì)量。針對LEO衛(wèi)星的其他優(yōu)勢可以進行更多細致化的研究，在此暫不做細節(jié)討論。

4 結(jié)束語

過去的幾十年間人類從未停止過探索新的網(wǎng)絡技術(shù)的腳步。隨著衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本的降低，低軌小衛(wèi)星組網(wǎng)的可行性大大增加，相關(guān)技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，并受到世界各地科研人員的矚目。文中，我們比較了幾種不同衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在衛(wèi)星-地面融合網(wǎng)絡中表現(xiàn)，從仿真結(jié)果來看新一代的低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡較傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡而言，更適合與地面其他種類網(wǎng)路混合組網(wǎng)以提供高質(zhì)量、低時延的通信支持。

除了星座設計、路由算法等研究內(nèi)容以外，在未來的研究中科研人員還可以將研究重心放在融合網(wǎng)絡的信息安全、服務質(zhì)量以及針對不同場景的特點提供新的網(wǎng)絡應用等方向上去。相信經(jīng)過更加深入的研究，新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其特有的優(yōu)勢，實現(xiàn)在任意時間為任意地點提供可靠的網(wǎng)絡覆蓋。

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