前向數(shù)據(jù)接入方式對(duì)導(dǎo)航星座網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響分析

王琦，邵豐偉，顧亞楠

1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094

2. 上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203

3. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

建設(shè)有星間鏈路支持的導(dǎo)航星座成為全球?qū)Ш较到y(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。GPS IIR/IIR-M衛(wèi)星UHF頻段星間鏈路、Galileo GNSS+項(xiàng)目C頻段星間鏈路等均采用時(shí)分多址體制輪詢測(cè)距通信[1]。導(dǎo)航星座星間鏈路一種可行的實(shí)現(xiàn)方案是使用相控陣天線通過指向切換實(shí)現(xiàn)空域復(fù)用，分時(shí)實(shí)現(xiàn)與多個(gè)目標(biāo)的測(cè)量通信[2]。在滿足基于星間測(cè)量的自主導(dǎo)航、精密定軌需求的同時(shí)，導(dǎo)航星座星間鏈路基于一定的拓?fù)渎酚梢?guī)劃進(jìn)行組網(wǎng)通信，可有效解決境外衛(wèi)星與境內(nèi)地面站間的數(shù)據(jù)交互問題。

伴隨復(fù)雜星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，星地通信模式由星地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互逐步向星-星-地聯(lián)合數(shù)據(jù)交互過渡。以北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為代表，星間鏈路采用時(shí)分多址輪詢建鏈體制，星地鏈路采用連續(xù)通信建鏈體制，星間、星地鏈路的數(shù)據(jù)交互機(jī)制需要協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。當(dāng)前對(duì)優(yōu)化導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚尚Ч难芯砍晒^為豐富[3-6]，但缺少對(duì)星-星-地聯(lián)合數(shù)據(jù)交互機(jī)制及其優(yōu)化應(yīng)用的研究。

本文面向?qū)Ш叫亲情g鏈路網(wǎng)絡(luò)的地面前向數(shù)據(jù)接入應(yīng)用，分析了兩種代表性前向數(shù)據(jù)接入方式對(duì)導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互機(jī)制的作用機(jī)理及對(duì)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)通信性能的定性影響，給出了導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃策略的制定規(guī)則；經(jīng)仿真計(jì)算，量化分析比較了兩種前向數(shù)據(jù)接入方式下的網(wǎng)絡(luò)通信性能；通過對(duì)性能優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用代價(jià)的權(quán)衡，給出了星間、星地聯(lián)合數(shù)據(jù)交互機(jī)制的使用建議。研究成果對(duì)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有明確的指導(dǎo)意義。

1 星-星-地前向數(shù)據(jù)交互機(jī)制分析

在導(dǎo)航星座星間鏈路時(shí)分多址輪詢建鏈體制下，每顆衛(wèi)星采用時(shí)分復(fù)用的工作方式，以時(shí)隙為基本時(shí)間單位與其他衛(wèi)星分時(shí)聯(lián)通，全星座任意可視衛(wèi)星之間可分時(shí)建立多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多條鏈路，完成測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。全網(wǎng)星間數(shù)據(jù)經(jīng)由境內(nèi)衛(wèi)星星地鏈路實(shí)現(xiàn)與地面的交互,即通過境內(nèi)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)境外衛(wèi)星與境內(nèi)地面站的前返向數(shù)據(jù)傳輸。

星間鏈路按時(shí)隙變換建鏈對(duì)象并調(diào)整數(shù)據(jù)路由，與傳統(tǒng)星地鏈路一對(duì)一固定聯(lián)通的數(shù)據(jù)交互機(jī)制區(qū)別明顯。本文以地面前向數(shù)據(jù)注入為例，對(duì)地面與星間網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行分析。

1.1 最快路徑接入方式下的數(shù)據(jù)交互機(jī)制

在星間鏈路時(shí)分多址輪詢建鏈體制下，星間網(wǎng)絡(luò)境內(nèi)衛(wèi)星與境外衛(wèi)星通信最為高效的方式是：選擇從境內(nèi)衛(wèi)星至境外衛(wèi)星的最快路徑，保證境內(nèi)衛(wèi)星到境外衛(wèi)星的時(shí)延最小，境內(nèi)衛(wèi)星與境外衛(wèi)星一次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先，稱為數(shù)據(jù)最快路徑接入方式。

為高效地實(shí)現(xiàn)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)與地面的聯(lián)合數(shù)據(jù)交互，要求調(diào)整地面系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)及接入模式。以地面前向數(shù)據(jù)為例，對(duì)境外A星的前向數(shù)據(jù)，需由地面數(shù)據(jù)中心對(duì)境外A星的數(shù)據(jù)按時(shí)隙進(jìn)行分塊，且通過多個(gè)不同的地面站，定時(shí)送達(dá)至各時(shí)隙最快路徑中相應(yīng)的境內(nèi)衛(wèi)星，才能按照星間鏈路的拓?fù)渎酚梢?guī)劃最快到達(dá)境外A星。具體星-星-地?cái)?shù)據(jù)交互過程參見圖1，傳輸路徑如表1所示。

表1 地面至境外衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖羁炻窂?/p>

圖1 前向數(shù)據(jù)最快路徑接入傳輸實(shí)現(xiàn)示意

前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式下，星間網(wǎng)絡(luò)通信效率高，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小。但對(duì)傳統(tǒng)星地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，在可見期間保持地面站與境內(nèi)衛(wèi)星一對(duì)一連續(xù)建鏈通信方式不變的條件下，要求地面系統(tǒng)針對(duì)星間鏈路多星數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸機(jī)制進(jìn)行調(diào)整和升級(jí)，能夠?qū)惩舛嘈菙?shù)據(jù)按時(shí)隙進(jìn)行分塊，且按路由路徑向多個(gè)地面站點(diǎn)分發(fā)并按時(shí)送達(dá)至多顆境內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，才能適應(yīng)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的最快路徑數(shù)據(jù)路由。

1.2 固定節(jié)點(diǎn)接入方式下的數(shù)據(jù)交互機(jī)制

保持星地鏈路數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸機(jī)制不變，經(jīng)過星地鏈路聯(lián)通境內(nèi)衛(wèi)星，對(duì)該境內(nèi)衛(wèi)星可視的境外衛(wèi)星固定進(jìn)行一對(duì)一的數(shù)據(jù)注入，稱為數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式。此時(shí)，星間最快路徑路由將無(wú)法保證。

以境外A星為例，選擇境內(nèi)1星作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在兩星可見期間，對(duì)境外A星的所有注入數(shù)據(jù)均由地面發(fā)送給境內(nèi)1星；數(shù)據(jù)到達(dá)境內(nèi)1星后，由境內(nèi)1星按照接續(xù)時(shí)隙的拓?fù)渎酚梢?guī)劃參數(shù)，在通信能力范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)送達(dá)至境外A星。具體星-星-地?cái)?shù)據(jù)交互過程參見圖2, 傳輸路徑如表2所示。

表2 地面至境外衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ü?jié)點(diǎn)路徑

圖2 前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入傳輸實(shí)現(xiàn)示意

前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式下，從境內(nèi)1星某個(gè)時(shí)隙轉(zhuǎn)發(fā)給境外A星的數(shù)據(jù)，可能在星間鏈路網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過多次轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)境外A星，傳輸路徑跳數(shù)和時(shí)延均明顯增加。多次轉(zhuǎn)發(fā)將導(dǎo)致地面接入數(shù)據(jù)在星間網(wǎng)絡(luò)中滯留時(shí)間較長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重，無(wú)法保證星間鏈路網(wǎng)絡(luò)較高的通信效率；但對(duì)于地面數(shù)據(jù)中心而言，數(shù)據(jù)調(diào)度及分發(fā)上注機(jī)制與傳統(tǒng)星地鏈路基本一致，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單可靠。

2 前向數(shù)據(jù)不同接入方式下的星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃策略分析

導(dǎo)航星座各衛(wèi)星以時(shí)隙為基本時(shí)間單位與其他衛(wèi)星分時(shí)聯(lián)通，在滿足測(cè)量類用戶對(duì)星間建鏈要求的基礎(chǔ)上，境內(nèi)衛(wèi)星與境外衛(wèi)星間按照拓?fù)渎酚梢?guī)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。與節(jié)點(diǎn)對(duì)等、流量均衡的傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于，導(dǎo)航星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃主要解決的是測(cè)量約束條件下的境內(nèi)衛(wèi)星與境外衛(wèi)星間通信性能優(yōu)化問題。

在測(cè)量條件的約束下，基于容量最大化、負(fù)載均衡、最短路徑、最快到達(dá)等目標(biāo)，通常將星間鏈路建鏈和拓?fù)湟?guī)劃問題建模為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題；基于拓?fù)湟?guī)劃結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行容量、負(fù)載、時(shí)延等綜合目標(biāo)優(yōu)化的路由規(guī)劃。國(guó)內(nèi)導(dǎo)航星間鏈路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃算法研究主要以網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo)[3-14]，本文不對(duì)具體算法及其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行比較，主要制定不同地面數(shù)據(jù)接入方式下的拓?fù)渎酚梢?guī)劃策略和原則，為算法研究提供目標(biāo)指導(dǎo)。

前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式下，由地面去適應(yīng)星間鏈路境內(nèi)多星對(duì)境外多星時(shí)分復(fù)用輪詢建鏈的數(shù)據(jù)通信機(jī)制，地面與某個(gè)境外衛(wèi)星間通信通過多個(gè)境內(nèi)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊、分時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)。這種接入方式可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在境內(nèi)星與境外星間的傳遞，數(shù)據(jù)在星間網(wǎng)絡(luò)停留的時(shí)間較短，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)承載境內(nèi)外衛(wèi)星間的數(shù)據(jù)容量顯著提升。通過重點(diǎn)保證境內(nèi)衛(wèi)星與境外衛(wèi)星的建鏈數(shù)量和均勻性，通常網(wǎng)絡(luò)容量和負(fù)載均衡即可有效實(shí)現(xiàn)；拓?fù)渎酚梢?guī)劃常以最短路徑為主要優(yōu)化方向，較易實(shí)現(xiàn)良好的通信時(shí)延性能。

前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式下，由星間鏈路去適應(yīng)傳統(tǒng)星地單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信模式，對(duì)星間鏈路網(wǎng)絡(luò)通信性能有較大影響。受測(cè)量類用戶對(duì)多星交互建鏈要求的約束，由境內(nèi)固定接入衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)至境外某衛(wèi)星的數(shù)據(jù)一次轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)率通常僅為10%～20%，多次轉(zhuǎn)發(fā)成為常態(tài)。數(shù)據(jù)在星間鏈路網(wǎng)絡(luò)中停留時(shí)間較長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸時(shí)延受到顯著影響。此時(shí)，通信容量和傳輸時(shí)延成為拓?fù)渎酚梢?guī)劃算法的主要優(yōu)化目標(biāo)。此外，返向數(shù)據(jù)傳輸通常具備繼續(xù)采用最快路徑到達(dá)策略的條件，前返向數(shù)據(jù)傳輸路徑的不對(duì)稱性，在拓?fù)渎酚梢?guī)劃時(shí)也需要關(guān)注。

3 前向數(shù)據(jù)不同接入方式下的通信性能仿真分析

設(shè)定典型導(dǎo)航星座軌道參數(shù)和地面站坐標(biāo)參數(shù)，計(jì)算星間、星地可見性[15]；在滿足測(cè)量類用戶對(duì)單星星間測(cè)量建鏈數(shù)量要求的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩種不同的星地?cái)?shù)據(jù)交互機(jī)制，分別進(jìn)行支持境內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃。對(duì)衛(wèi)星分別為源節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的情況，從優(yōu)先級(jí)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)緩存等角度，建立數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)接收模型，按通信協(xié)議構(gòu)建導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行仿真平臺(tái)。同時(shí)，建立不同地面數(shù)據(jù)接入方式下的用戶數(shù)據(jù)注入模型，基于某一種可行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚梢?guī)劃結(jié)果，進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真分析。

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

仿真場(chǎng)景選取星座構(gòu)型為Walker 24/3/1、傾角為55°、回歸周期為7 d的全球MEO導(dǎo)航星座，以及喀什、渭南、北京3個(gè)地面站。通過對(duì)星間及星地可見關(guān)系的多周期分析，可選取境內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)量比例較為惡劣的典型代表場(chǎng)景(境外18顆星、境內(nèi)6顆星)，作為通信網(wǎng)絡(luò)性能的下限情況進(jìn)行分析。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)星間通信帶寬、緩存容量等主要模型參數(shù)設(shè)置參見表3。

表3 導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)前向數(shù)據(jù)接入仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信性能仿真結(jié)果

按照仿真參數(shù)設(shè)置，選取典型場(chǎng)景下1 h的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行性能仿真分析。此時(shí)段星座第一軌道面2、3、4相位及第二軌道面1、2、8相位的衛(wèi)星為境內(nèi)星。通過調(diào)整對(duì)境外星的前向數(shù)據(jù)注入量，實(shí)現(xiàn)典型場(chǎng)景下通信性能邊界分析。

(1)前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式

對(duì)18顆境外星的前向數(shù)據(jù)注入量，在每顆衛(wèi)星9幀/時(shí)隙的基礎(chǔ)上逐步增加，數(shù)據(jù)于每秒起始時(shí)刻進(jìn)行注入。境外星前向數(shù)據(jù)通信性能仿真結(jié)果如表4所示。

表4 最快路徑接入方式下導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)通信性能仿真結(jié)果

當(dāng)每顆衛(wèi)星前向數(shù)據(jù)注入量為15幀/時(shí)隙時(shí)，數(shù)據(jù)超出星間鏈路通信容量，在星內(nèi)緩存排隊(duì)，無(wú)法按照規(guī)劃的最快路徑傳輸，隨時(shí)間累積緩存數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致丟包。

(2)前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式

對(duì)18顆境外星前向數(shù)據(jù)注入量，在每顆衛(wèi)星9幀/時(shí)隙的基礎(chǔ)上逐步增加。境外星前向數(shù)據(jù)通信性能仿真結(jié)果如表5所示。

表5 固定節(jié)點(diǎn)接入方式下導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)通信性能仿真結(jié)果

當(dāng)每顆衛(wèi)星前向數(shù)據(jù)注入量為12幀/時(shí)隙時(shí)，數(shù)據(jù)超出星間鏈路通信容量，在星內(nèi)緩存排隊(duì)，無(wú)法按照規(guī)劃的較優(yōu)路徑傳輸，隨時(shí)間累積緩存數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致丟包。

3.3 仿真結(jié)果分析

如圖3所示，對(duì)前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式和固定節(jié)點(diǎn)接入方式下的通信性能仿真結(jié)果進(jìn)行分析及比對(duì)，得到以下結(jié)論：

圖3 前向數(shù)據(jù)不同接入方式的網(wǎng)絡(luò)通信性能仿真結(jié)果

1)前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式相比于固定節(jié)點(diǎn)接入方式在數(shù)據(jù)容量和傳輸時(shí)延等通信指標(biāo)上有較明顯的優(yōu)勢(shì)；以用戶可接受的平均時(shí)延為30 s為例，最快路徑接入方式可支持每顆境外星14幀/時(shí)隙的同時(shí)上注，而固定節(jié)點(diǎn)接入方式僅可支持每顆境外星10幀/時(shí)隙的數(shù)據(jù)注入量。

2)在兩種接入方式下，數(shù)據(jù)擁塞的發(fā)生過程分別表現(xiàn)出漸變和突變的特點(diǎn)。前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式下，隨著注入數(shù)據(jù)量的增加，有明顯的時(shí)延逐步增加過程，當(dāng)注入數(shù)據(jù)量增加至每顆境外星14幀/時(shí)隙時(shí)，網(wǎng)絡(luò)逐漸發(fā)生擁塞；前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式下，未達(dá)到數(shù)據(jù)擁塞前，隨著注入數(shù)據(jù)量的增加，時(shí)延緩慢增加，當(dāng)數(shù)據(jù)注入量達(dá)到擁塞門限值時(shí)，時(shí)延迅速增加，網(wǎng)絡(luò)立刻發(fā)生擁塞。

3)最快路徑接入方式下，注入數(shù)據(jù)一旦超過門限，數(shù)據(jù)在緩存中較快發(fā)生累積，超過鏈路通信容量的數(shù)據(jù)，通常無(wú)法按照規(guī)劃的最快傳輸路徑到達(dá)境外目的衛(wèi)星，傳輸方式轉(zhuǎn)化成類似固定接入方式下的多跳數(shù)據(jù)路由；此時(shí)，傳輸時(shí)延的顯著增加將進(jìn)一步加劇緩存空間的數(shù)據(jù)累積；由于此時(shí)的數(shù)據(jù)注入量已大于固定接入算法的擁塞門限值，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞狀態(tài)的過渡時(shí)間極短。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)時(shí)分多址輪詢建鏈體制的導(dǎo)航星座星間鏈路網(wǎng)絡(luò)，完成了前向數(shù)據(jù)最快路徑接入方式和固定節(jié)點(diǎn)接入方式兩種代表性星-星-地聯(lián)合數(shù)據(jù)交互機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)性能分析。

1)前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但沒有發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)路由的優(yōu)勢(shì)，犧牲了星間網(wǎng)絡(luò)的通信性能；最快路徑接入方式可以保證優(yōu)良的星間網(wǎng)絡(luò)通信性能，但要求地面數(shù)據(jù)交互機(jī)制進(jìn)行較為復(fù)雜升級(jí)，運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性相對(duì)不足。

2)根據(jù)星間傳輸時(shí)延和通信容量的仿真分析結(jié)果，在前向數(shù)據(jù)注入量較低且通信時(shí)延要求不高的應(yīng)用條件下，可適度采用前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式，以避免復(fù)雜的數(shù)據(jù)調(diào)度帶來(lái)的穩(wěn)定性和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

3)前向數(shù)據(jù)固定節(jié)點(diǎn)接入方式和最快路徑接入方式，是在現(xiàn)有地面與衛(wèi)星不同數(shù)據(jù)鏈路體系下適應(yīng)星間網(wǎng)絡(luò)的使用層面的折中方案；應(yīng)將星地通信體制和數(shù)據(jù)交互機(jī)制向星間統(tǒng)一，采用星-星-地一體網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑接入數(shù)據(jù)路由，更為高效、可靠地實(shí)現(xiàn)星-星-地網(wǎng)絡(luò)通信。