軍民融合的應急指揮衛星通信網絡探析*

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,江蘇 南京 210007)

目前,國家和各級地方政府已經初步建立相對完備的應急通信網絡和指揮平臺,盡管信息平臺整合力度大,而通信系統仍處于“煙囪林立”的粗放式發展階段。“最后一公里”問題是制約應急通信網絡建設的瓶頸,尤其在軍隊和地方應急力量聯動的環境中,軍地通信裝備不能互聯互通的矛盾突出,成為保障現場應急指揮順暢亟待解決的問題。分析其原因在于:

1)出現重大災害和社會公共安全事件時,通信基礎設施容易受到破壞,移動通信手段失效;

2)中高軌通信衛星的覆蓋性好,但是終端昂貴、信道資源匱乏,難以滿足戰術級指揮用戶規模需求;

3)軍地各部門單獨研發專用通信裝備之間通信制式不統一,難以互聯互通。

解決好應急通信“最后一公里”問題,勢在必行,也最為緊迫。為此,依據“寓軍于民、平戰兼顧”的原則,建議在國家應急通信服務保障網絡的頂層設計和發展規劃論證過程中,充分考慮軍地聯動應急通信,尤其是支撐現場指揮的戰術級通信需求,統籌規劃衛星通信、移動通信和專網通信的建設目標和標準規范,整合空間和地面應急通信網絡技術手段和資源,打造“全域接入、寓軍于民、平戰兼顧”的軍地聯動應急通信保障體系。

1 低軌衛星星座發展現狀

隨著多媒體業務的穩步增加,移動終端用戶對便捷接入的需求日益迫切,同步軌道(GEO)衛星在時延以及頻譜利用方面已經滿足不了所催生的應用需求。在此情況下,非靜止軌道(NGEO)衛星,特別是低軌(LEO)衛星通過星間鏈路構成的星座網絡應運而生,具有良好的發展前景。低軌星座網絡部署在離地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,低軌星座網絡在未來的應用將十分廣泛。

然而在低軌衛星通信過程中,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,需要與當前衛星斷開連接從而與另外一顆衛星建立連接。通信過程中需要不斷改變星地連接關系,頻繁進行衛星切換。

星座網絡切換還有另外兩種切換:點波束切換和星間鏈路切換。點波束切換指當衛星使用多波束時,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,當衛星接近極區時候,由于相對速度過快而導致與相鄰軌道衛星鏈路斷開,離開極區時星間鏈路連接過程,此切換與硬件有關。

對于單個移動終端用戶和覆蓋其所在范圍的衛星而言,有著三種衛星切換的基本標準:剩余可見時長、用戶相對衛星仰角和衛星可用信道數目。進行衛星切換時,參考標準剩余可見時間能夠降低切換次數,參考標準用戶相對衛星仰角能夠保證良好的通話質量,參考標準衛星的可用信道數目能夠均衡星座網絡負載。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,從而減少衛星切換的頻率。在此基礎上提出了適應信道特性的衛星多樣性切換(CASD)機制[7-9],實現基于信道的軟切換。Papapetrou等人[10]提出并測試多種衛星切換策略,以最大服務時長、最大仰角、最多可用信道為標準,使得系統具有較好通信效率,但是沒有考慮地球自轉。Karapantazis等人[11-12]為了避免過早資源預留而浪費資源,采用動態多普勒優先切換策略,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星可見時間的分布函數,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星的可見時間的信道模型。Irfan等人[16]根據星座、經緯度、用戶位置等參數計算用戶相對于衛星的可見時間。Wu等人[17]提出一種SDSN架構,并基于此架構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 低軌衛星星座的特點

低軌衛星星座作為衛星通信載體,應用前景非常廣闊,其具有以下幾個特點。

1)拓撲結構動態變化

由于低軌衛星在軌道繞地球運動及地球自轉,衛星之間的相對位置以及衛星相對用戶的位置都在不斷變化之中。最典型的低軌衛星星座星下點運行速度約7 km/s,地面終端進行衛星切換的頻率較高,與此同時,星間鏈路在極地區域會發生通斷,這都使得星座網絡拓撲始終處于動態變化之中[18]。比如,在Iridium系統中,地面任意移動終端相對于衛星平均可視時間為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)拓撲可預測性,周期性

雖然低軌衛星網絡拓撲結構動態變化,但是任意時刻任意衛星的位置都可以預測,并且整個網絡的拓撲結構具有周期性,重復出現。

3)低軌星座衛星數目一定,具有對稱性

低軌衛星網絡的規模比地面網絡小較多,可以采用簡單的路由算法來計算衛星網絡中任意兩顆衛星之間的最短路徑。常見的低軌衛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絡負載,提高網絡利用率。

4)低軌衛星星座網絡流量具有不均勻性

低軌衛星網絡只能夠覆蓋地球表面一小塊區域,如銥星覆蓋區域直徑約為4500 km。并且由于地面人口分布具有不均勻性,低軌衛星接收到數據流量也在動態變化中。在城市區域,衛星接收數據流量有可能過載;在郊區,衛星使用率可能較低,流量較少;而沙漠和海洋的數據流量幾乎為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)低軌衛星星座需要進行衛星切換

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

1.2 低軌衛星星座的挑戰

在低軌衛星星座實際部署與應用過程中存在以下挑戰。

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,對系統性能有較大影響。隨著衛星海拔高度的增加,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

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

2 構建軍地聯動應急通信網絡的可行性

2.1 低軌衛星星座通信網絡實施可行性

本文在NS2中實現了Teledesic星座組網,使用STK9仿真工具構建一個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星通信網絡,真正實現“Internet in the Sky”。Teledesic系統1994年版的規劃中提出耗資90億美元建設一個由844顆衛星覆蓋全球的低軌衛星網絡,軌道高度為800 km。1997年,Teledesic將其規劃修改為通過288顆軌道高度為1 400 km的衛星覆蓋全球。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星同地面節點的帶寬均設置為25 Mbps。數據包的平均大小為1 000個字節,鏈路上的隊列長度為100個數據包。

使用STK9進行衛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域,能夠滿足突發應急事件的通信流量需求,并且衛星顆數較多,能夠為應急事件預留足夠資源,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,假設位于南京節點與位于波士頓節點進行通信,結果如下圖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,滿足應急指揮無死角的需求,還具有較小時延和時延抖動,對應急指揮的實時效應更加貼合實際。并且,流量可以為應急聯動指揮提供預留資源,為軍地雙方提供足夠大的通信流量。

2.2 低軌衛星星座處理能力的發展現狀

隨著科學技術的發展,低軌衛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據業務的低軌衛星星座系統的參數。

表1 多種應急通信技術的性能對比

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

星上處理能力發展與進步,可以支持動態資源分配技術,在應急狀態下保障通信QOS,為構建軍民融合應急指揮衛星通信網絡提供可靠技術保證。

3 建設途徑

解決應急指揮中互聯互通問題,最根本的出路在于統一通信體制。不同應急通信技術手段的對比如表2所示。從適應復雜地形的能力和建設使用成本兩個方面考慮,衛星通信是應急通信的必備手段。而衛星通信終端受限于成本和頻譜資源,難以大規模配備,可將其作為應急指揮的骨干通信網絡。

表2 多種應急通信技術的性能對比

我國衛星通信系統建設正處于高速發展階段,新衛星通信網系的建成很大程度上滿足了我軍急需的通信需求。但對于戰術級的應急指揮而言,跨系統、跨部門之間的通信需求較大,而現有衛星通信系統普遍是專網專用,存在裝備型號多，網系之間互聯互通困難等問題。此外,中高軌衛星的軌道和頻譜資源都非常稀缺,網絡規模擴展受到較大制約。

近年出現構建大規模低軌衛星星座以提供寬帶移動接入的趨勢為構建新的應急通信網絡提供了新的機遇。例如,SpaceX公司的Starlink低軌星座計劃發射多達12 000顆衛星,今年2月首顆試驗衛星已經發射升空;三星，OneWeb等公司的低軌星座也分別計劃發射4 600 顆和2 700顆衛星;我國兩大航天集團年內也將分別啟動“行云工程”和“鴻雁衛星星座通信系統”建設,計劃發射80到300顆不等的低軌衛星。

《國家突發事件應急體系建設“十三五”規劃》中專門指出,要基于民用空間基礎設施建設,構建公用應急衛星通信系統,統籌使用應急體系所需衛星資源,提升衛星應急通信服務保障能力與集約化水平。同時,利用民用低軌衛星星座構建應急通信系統,還能顯著降低系統的使用和維護成本,從而達到更優的建設效益。

采用低軌衛星星座構建軍地聯動應急通信網絡基本架構如圖6所示。其主要技術難點在于如何高效調度資源以提供一定程度的服務質量保證。因此,還需著力突破基于民用低軌衛星星座的通信專網動態構建與資源調度、衛星資源綜合網管與運控、波形動態重構等關鍵技術。

此外,還需要加強低軌衛星星座的無線電頻率管理,協調多衛星網絡之間的頻譜使用策略,尤其是空間復用策略,滿足應急狀態下海量數據、高寬帶視頻傳輸和無線應急通信等業務需要。

4 結束語

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