面向月表多設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)的通信塔部署方案

覃 凱, 顧術(shù)實(shí),2,*, 張智凱, 王 玉, 劉 倩, 趙 晨, 張欽宇,2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)電子與信息工程學(xué)院, 廣東 深圳 518055; 2. 廣東省空天通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 深圳 518055; 3. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201109)

0 引 言

月球探測(cè)作為深空探測(cè)的起點(diǎn),是人類探索宇宙未知環(huán)境、研究太陽(yáng)系起源與演化、開(kāi)發(fā)利用空間資源、拓展生存空間的主要手段[1]。隨著世界各國(guó)對(duì)開(kāi)發(fā)利用月球資源乃至建設(shè)永久人類活動(dòng)基地等規(guī)劃的不斷深入開(kāi)展,未來(lái)月球探測(cè)包含的更多的無(wú)人或有人月面巡視設(shè)備將參與到各項(xiàng)科學(xué)研究、勘測(cè)及試驗(yàn)任務(wù)中[2]。

近年來(lái),隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,月球探測(cè)器的自主能力逐步增強(qiáng),認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)和探測(cè)水平穩(wěn)步提升,月表探測(cè)活動(dòng)向著分布式、并行化、分工協(xié)同的模式展開(kāi)[3]。隨著軌道器、著陸器、巡視器等月球探測(cè)設(shè)備的增多,多設(shè)備之間自主化、智能化的協(xié)同工作,使得需要的傳輸數(shù)據(jù)量增加。過(guò)度依賴距離極遠(yuǎn)的地月鏈路對(duì)月表設(shè)備進(jìn)行遙測(cè)、遙控、數(shù)傳,難以滿足高精度、近實(shí)時(shí)的通信需求[4]。利用著陸器、探測(cè)器、巡視器等探測(cè)設(shè)備組成月表多設(shè)施靈活互聯(lián)的局部通信網(wǎng)絡(luò),將探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析后,再將結(jié)果傳回地面,以支持月球科考中探測(cè)器測(cè)控、原位資源開(kāi)采和智能機(jī)器人自主作業(yè)等復(fù)雜探測(cè)任務(wù)。

目前對(duì)月面通信系統(tǒng)建設(shè)的研究包括3個(gè)方面,一是關(guān)注月表環(huán)境、地形變化對(duì)電波傳播和通信鏈路的影響,二是著重設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)部署方案,三是加深研究適用于月面的通信網(wǎng)絡(luò)制式和組織架構(gòu)。在通信鏈路預(yù)測(cè)方面,文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]研究了月面地形對(duì)無(wú)線通信信道的影響,指出月表地形、信號(hào)頻率、天線位置和月表土壤材質(zhì)是決定傳播特性的重要因素,無(wú)線信號(hào)在月表的隕石坑附近會(huì)出現(xiàn)巨大衰減。文獻(xiàn)[7]研究了月表的電波繞射損耗的衰減模型,提出將月表電波傳播分為光滑月球表面、粗糙月球表面、刀刃形障礙物地形和圓柱形障礙物地形等,并提出了繞射損耗的計(jì)算方法。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)月球探測(cè)作用的研究中,文獻(xiàn)[8]針對(duì)月表高真空、強(qiáng)輻射特點(diǎn)設(shè)計(jì)了月面分布式組網(wǎng)及激光回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),擴(kuò)大了月球表面的探測(cè)面積。文獻(xiàn)[9]考慮無(wú)線傳感器的能源消耗和損壞問(wèn)題,對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性、生存能力和整體質(zhì)量進(jìn)行了分析;在組網(wǎng)架構(gòu)和通信制式方面,文獻(xiàn)[10]分析了中心式月面組網(wǎng)的模式,通過(guò)模擬月球巡視器的運(yùn)行情況驗(yàn)證了巡視器和著陸器網(wǎng)絡(luò)的可連通性。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)802.11e的擴(kuò)展,可動(dòng)態(tài)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)參數(shù),以滿足月面通信的性能要求,將擴(kuò)展后的地面網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)用于月面通信。目前,美國(guó)宇航局正式公布了美國(guó)Artemis月球探測(cè)計(jì)劃,將在2025年至2030年間建立環(huán)月軌道空間站和月球表面基地,以實(shí)現(xiàn)月面持續(xù)駐留,并計(jì)劃將4G基站部署至月球表面。中國(guó)的探月工程致力于對(duì)月球的勘測(cè)、建造和開(kāi)發(fā),穩(wěn)步推進(jìn)“探月”、“登月”和“駐月”三步走戰(zhàn)略,著力開(kāi)展建造月球基地,實(shí)現(xiàn)宇航員短期駐留及永久月球基地的研究[12]。

在地面網(wǎng)絡(luò)基站部署中同樣需要考慮不同設(shè)備之間的資源配置、功率控制、系統(tǒng)能耗問(wèn)題,以及不同地形下信號(hào)傳輸?shù)膿p耗情況。文獻(xiàn)[13]考慮利用一個(gè)發(fā)送端為多個(gè)接收端提供無(wú)線覆蓋的場(chǎng)景,忽略小尺度衰落影響,以最大化接收端的傳輸速率為目標(biāo),證實(shí)了基站位置的優(yōu)化問(wèn)題為非確定多項(xiàng)式(non-deterministic polynomial, NP)難問(wèn)題,并給出了數(shù)值仿真方法。文獻(xiàn)[14]關(guān)注采用中繼基站方式實(shí)現(xiàn)中心基站對(duì)移動(dòng)接收端的覆蓋,通過(guò)區(qū)域劃分、確定明亮區(qū)域、確定候選區(qū)域和確定中繼位置4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)中繼基站部署。文獻(xiàn)[15]在毫米波基站部署中提出了多層毫米波蜂窩結(jié)構(gòu),采用分布式架構(gòu),最大化網(wǎng)絡(luò)的通信速率和覆蓋率。

分析目前地面通信基站的部署方案,其設(shè)計(jì)思路可大致分為3類。一是使用窮舉法搜索,通過(guò)將通信基站的所有選址帶入通信模型進(jìn)行仿真,找到滿足通信需求的最優(yōu)解;二是采用啟發(fā)式算法,如遺傳算法(genetic algorithm, GA)、計(jì)算幾何算法和粒子群算法等,減小算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度,采用較小的代價(jià)得到基站尋址的局部最優(yōu)解;三是學(xué)習(xí)算法,通過(guò)歷史信息學(xué)習(xí)特定的基站部署規(guī)則,對(duì)覆蓋性和通信速率進(jìn)行預(yù)測(cè),決定最優(yōu)的部署位置。然而,地月距離遙遠(yuǎn),著陸器、巡視器與月面科研站之間大量的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)僅依賴于月面通信基站完成,使得通信基站必須具備良好、穩(wěn)定、可持續(xù)工作的多種功能模塊支持。此外,月表環(huán)境復(fù)雜,設(shè)備與設(shè)備之間的通信狀況需要根據(jù)不同的鏈路環(huán)境進(jìn)行分析,充分考慮電波在月球表面?zhèn)鞑r(shí)不同方向、不同范圍的傳播特性。通信鏈路預(yù)算復(fù)雜度增加,基站的覆蓋方式和覆蓋效果難以通過(guò)測(cè)算得知,需結(jié)合多種通信指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

綜合上述分析,本文充分考慮月球科研探測(cè)過(guò)程中對(duì)通信系統(tǒng)的需求和對(duì)通信基站部署位置的約束,設(shè)計(jì)出適配月面多設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)的月面通信塔模型,采用GA并結(jié)合實(shí)測(cè)的月球南極地形數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)出在月球通信塔(lunar communication tower, LCT)[16]的部署方案,進(jìn)一步結(jié)合CCSDS Proximity-1協(xié)議、LTE和Wi-Fi等通信制式下場(chǎng)強(qiáng)覆蓋性與傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以滿足月球科研考察任務(wù)中的各種通信需求,為未來(lái)月球科研站的部署規(guī)劃提供指導(dǎo)和建議。

1 通信塔的設(shè)計(jì)需求與方案

LCT作為月球科研基地必不可少的通信基礎(chǔ)設(shè)施,主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與月表巡視器、智能機(jī)器人和宇航員的數(shù)據(jù)傳輸功能。傳輸數(shù)據(jù)包括遙控指令、遙測(cè)參數(shù)、高清圖像和大量科學(xué)載荷數(shù)據(jù),以此支持月球科研站的自主月球探測(cè)任務(wù)。一方面,LCT將來(lái)自月球的數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)換為寬帶信號(hào),發(fā)送到月球中繼衛(wèi)星或直接傳輸?shù)降厍?另一方面,LCT將作為基站連接多個(gè)月表探測(cè)設(shè)備,從而形成月面局部通信網(wǎng)絡(luò),有利于開(kāi)展復(fù)雜探測(cè)任務(wù)。根據(jù)美國(guó)NASA對(duì)未來(lái)月球科研基地通信能力的調(diào)查研究[16],擬定月球科研站的通信需求如表1所示。由表1可以發(fā)現(xiàn),為實(shí)施復(fù)雜月球探測(cè)任務(wù)和大容量通信業(yè)務(wù),在LCT的覆蓋范圍和傳輸速率方面都需要極大的通信能力支撐。

表1 LCT對(duì)不同任務(wù)類型的要求

為滿足我國(guó)月球科研站初步建設(shè)的實(shí)際通信需求,LCT應(yīng)該包含存儲(chǔ)設(shè)備、收發(fā)天線、時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備以及無(wú)線電收發(fā)設(shè)備,其基本功能模塊如圖1所示[17]。其中,Ka和S頻段收發(fā)裝置負(fù)責(zé)LCT與中繼衛(wèi)星之間的通信任務(wù),甚高頻(ultra high frequency,UHF)頻段用于LCT對(duì)月面通信終端的相互通信,而月面數(shù)據(jù)由LCT內(nèi)的路由器與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行交互,固定式的LCT可由光纖連接月面科研站,并將數(shù)據(jù)暫時(shí)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。

圖1 LCT功能模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of fundamental modules of LCT

根據(jù)各模塊功能,LCT包括一個(gè)包含通信和航空電子設(shè)備的托盤,一個(gè)指向深空與中繼衛(wèi)星的Ka/S頻段碟形天線,以及一個(gè)附加的、可展開(kāi)的10 m吊桿,安裝360°高增益全向覆蓋的三拋物面天線。拋物面天線由拋物面反射器和輻射器組成,輻射器裝載于拋物面反射器的焦點(diǎn)或焦軸上,輻射器發(fā)出的電磁波經(jīng)過(guò)拋物面的反射,使得電磁波向一個(gè)特定的方向匯聚形成強(qiáng)方向性波束,提高了特定方向上的發(fā)射增益,增益計(jì)算可由下式確定:

(1)

式中:A是拋物面天線的面積;λ為信號(hào)波長(zhǎng);η為天線效率。

三拋物面天線安裝在天線轉(zhuǎn)臺(tái)上,如圖2所示。天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)由垂直轉(zhuǎn)動(dòng)單元、水平轉(zhuǎn)動(dòng)單元、支撐結(jié)構(gòu)等部分組成[18]。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)單元提供垂直面方向的俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng),水平轉(zhuǎn)動(dòng)單元提供水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)單元之間通過(guò)連接件連接在一起,形成相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2 天線展開(kāi)轉(zhuǎn)臺(tái)模型Fig.2 Model of antenna deployment turntable

因此,根據(jù)天線高度和口徑的設(shè)計(jì)需求,給出LCT的整體設(shè)計(jì)模型,如圖3所示。

圖3 LCT模型Fig.3 Model of LCT

2 基于地理信息的通信塔場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)

2.1 ITU-RP.526模型

ITU-RP.526模型[19]是國(guó)際電聯(lián)提出的描述電磁波繞射過(guò)程中影響場(chǎng)強(qiáng)的預(yù)測(cè)方法模型,該模型全面綜合各種繞射理論,給出了通信視距的判定方法、不同類型障礙物的計(jì)算方法,主要用于視距外電波傳播的傳輸損耗計(jì)算場(chǎng)景。ITU-RP.526模型同樣被用于月表無(wú)線電傳播的鏈路預(yù)算的研究[20-21],通過(guò)結(jié)合不規(guī)則的月表地形集合結(jié)構(gòu)和不同的傳播場(chǎng)景,計(jì)算出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的路徑損耗。ITU-RP.526模型將傳輸路徑上的障礙物繞射場(chǎng)景進(jìn)行了分類,根據(jù)路徑上有無(wú)障礙物分為光滑球面場(chǎng)景和障礙物繞射場(chǎng)景;根據(jù)障礙物形狀不同,分為球形障礙物繞射和刀刃形障礙物繞射;根據(jù)障礙物數(shù)目不同,分為單障礙物繞射和多障礙物繞射。然而,ITU-RP.526模型并未涉及障礙物類型及障礙物數(shù)量的計(jì)算方法,需要根據(jù)月表地形進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

2.1.1 障礙物類型的判斷

ITU-RP.526模型將孤立的障礙物劃分為刀刃型和圓柱形兩種類型,兩種類型的區(qū)分與障礙物寬度密切相關(guān),障礙物判斷方式如圖4所示。

圖4 障礙物判斷的參數(shù)含義示意圖Fig.4 Schematic diagram of the meaning of parameters for obstacle judgement

其中,h1、h2分表表示收發(fā)天線的高度,d1、d2表示障礙物頂部與路徑兩端之間的距離,r0表示障礙物頂點(diǎn)以下距離為H0=0.577×R1處障礙物的寬度,R1表示第一菲涅爾區(qū)半徑。障礙物類型由地形參數(shù)u來(lái)確定,當(dāng)u<3時(shí),障礙物為圓柱形障礙物;當(dāng)u≥3時(shí),障礙物為刀刃型障礙物。地形參數(shù)的計(jì)算方法如下:

(2)

2.1.2 障礙物數(shù)量計(jì)算

ITU-RP.526模型中孤立障礙物的存在取決于其本身與周圍地形之間有無(wú)相互影響,即路徑衰減是否僅由障礙物導(dǎo)致。因此,孤立障礙物需滿足以下條件:

(1) 發(fā)射機(jī)與障礙物不存在相交的半陰影區(qū);

(2) 障礙物的寬度在第一菲涅爾半徑區(qū),即0.6R1。

根據(jù)以上條件,尋找障礙物數(shù)量以及位置的方法詳見(jiàn)算法1,障礙物搜索過(guò)程中障礙物位置的示意圖如圖5所示。

算法 1 障礙物搜索算法1) 初始化通信路徑剖面的N個(gè)采樣點(diǎn)2) 初始化孤立障礙物集合S和障礙物個(gè)數(shù)k3) 計(jì)算采樣點(diǎn)菲涅爾余隙hn4) While hn≥0且hn不在集合S中5) 尋找最大菲涅爾余隙hmax以及i=argmax hn6) 測(cè)量障礙物頂點(diǎn)以下0.2hmax處障礙物寬度d7) If d≥0.6R18) 將hmax和i±d內(nèi)的采樣點(diǎn)標(biāo)記放入集合S中9) k=k+110) End if11) End while12) Return S

圖5 障礙物搜索示意圖Fig.5 Schematic diagram of obstacle search

圖5中收發(fā)天線的高度分別為h1、h2,障礙物到收發(fā)天線連線T-R的距離稱為菲涅爾余隙hc,連線T-R以上的部分hc大于0,以下的部分hc小于0。在使用障礙物搜索算法的過(guò)程中,首先發(fā)現(xiàn)主峰P,計(jì)算器障礙物寬度dP,滿足寬度條件,則將P記入孤立障礙物集合S,若不滿足條件,則繼續(xù)尋找下一主峰;依次尋找到孤立障礙物Q、J后,得到記錄了所有孤立障礙物高度和位置的集合S。將集合S中的障礙物頂點(diǎn)位置帶入ITU-RP.526模型中,可以計(jì)算出多個(gè)障礙物的聯(lián)合繞射損耗。

2.2 基于電磁波繞射傳播的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)

電磁波在月球表面的傳輸損耗主要包括自由空間損耗、散射損耗、反射損耗、繞射損耗和饋線損耗等[22]。在遠(yuǎn)距離、大尺度的月表電波傳輸損耗中,主要考慮電波繞射損耗對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響。參考COST-231的損耗計(jì)算模型,自由空間損耗為

Lbf=42.6+26lgf+20lgd

(3)

式中:f為信號(hào)頻率,單位為MHz。d為傳輸距離,單位為km。在ITU-RP.526模型中,天線相對(duì)地面的高度會(huì)對(duì)繞射損耗產(chǎn)生影響,其帶來(lái)的增益項(xiàng)G(X)的計(jì)算方法如下:

(4)

式中:K為月球表面導(dǎo)納相關(guān)參數(shù),B為天線極化模式的相關(guān)參數(shù),計(jì)算公式為

(5)

B=βX

(6)

(7)

式中:β表示極化參數(shù),取決于天線極化的方式;f表示信號(hào)頻率,單位為MHz;ae表示月球半徑,單位為km;h表示天線高度,單位為m。忽略反射損耗、散射損耗和其他微小損耗的影響,電磁波在月球表面繞射過(guò)程中的總損耗L的計(jì)算表達(dá)式如下所示:

L=Lbf+Lv-G(X)

(8)

式中:Lbf為自由空間衰減;Lv為繞射損耗衰減;G(X)為天線高度增益項(xiàng)。考慮信號(hào)的發(fā)射功率、收/發(fā)天線增益,LCT有效覆蓋區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)P的計(jì)算表達(dá)式如下:

P=Pt+Gt+Gr-L-Ld

(9)

式中:Pt表示信號(hào)發(fā)射功率;Gt表示發(fā)射天線增益;Gr表示接收天線增益;Ld表示收/發(fā)天線饋線損耗。

2.3 信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)與地理信息模型的結(jié)合

月球表面的地理信息由數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)給出。DEM模型是采用坐標(biāo)(x,y,z)表示地表空間屬性的三維向量有限序列。其中,(x,y)表示位置信息,z表示該位置的高程信息,以離散點(diǎn)描述連續(xù)的地形地貌。本文采用的月球南極“艾肯”盆地區(qū)域的DEM,如圖6所示,地形高度從-2 847 m至1 989 m不等,高度落差巨大且月面凹凸不平,四周存在數(shù)個(gè)大型隕石坑,極大地影響了月面通信終端之間的視線。

圖6 月球南極區(qū)域2D和3D DEM地形圖Fig.6 Terrain diagram DEM of lunar south pole region in 2D and 3D

DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)時(shí),采用雙線性插值方法來(lái)根據(jù)一系列點(diǎn)構(gòu)建出表示地形的平滑連續(xù)函數(shù),將區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)擬合成統(tǒng)一的高程曲面。選取某一位置坐標(biāo)作為信號(hào)發(fā)射的起始位置,對(duì)周圍提取的高程數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算。完成所有高程數(shù)據(jù)坐標(biāo)的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)后,得到結(jié)合地理信息模型的場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域覆蓋圖。因此,基于月表地理信息的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)總流程如圖7所示。

圖7 月表電波場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)流程Fig.7 Workflow of lunar surface radio wave’s field strength predication

3 通信塔位置部署策略

3.1 通信塔主基站(main station, MS)部署需求

月球探測(cè)依賴的主要能源仍然是太陽(yáng)能,而月球南極區(qū)域存在永久光照區(qū),但輻照度不高,永久陰影區(qū)內(nèi)無(wú)法建站,使得月面科研站的選址位置在南極附近[23]。

圖8是通過(guò)遙感實(shí)測(cè)得到的月球南極30×30 km2區(qū)域范圍內(nèi)的光照時(shí)長(zhǎng)圖,藍(lán)色區(qū)域?yàn)橛谰藐幱皡^(qū),紅色區(qū)域?yàn)橛谰霉庹諈^(qū)。根據(jù)LCT需求分析,需實(shí)現(xiàn)半徑為10 km的通信覆蓋。采用MS與副基站(sub station, SS)協(xié)同的方式進(jìn)行基站部署。其中,MS因能源條件需要部署在光照區(qū)內(nèi),且以較大的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋大片區(qū)域,對(duì)MS在區(qū)域內(nèi)的平均場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算:

(10)

式中:(x,y)表示MS的位置坐標(biāo);集合C表示以(x,y)為中心、半徑為10 km范圍內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)集合,Pi(x,y)為i點(diǎn)坐標(biāo)位置的預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)大小;N為C中坐標(biāo)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。計(jì)算永久光照區(qū)內(nèi)平均場(chǎng)強(qiáng)最大的坐標(biāo),就可確定MS的部署位置。

圖8 月表光照時(shí)長(zhǎng)圖Fig.8 Lunar surface light duration

3.2 通信塔SS部署需求

MS位置確定后,SS取址的目的是提高10 km范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋面積。月面多設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)需要保持網(wǎng)絡(luò)功能的獨(dú)立性,減少對(duì)中繼衛(wèi)星的依賴,這里假設(shè)SS可實(shí)現(xiàn)雙向中繼通信[24]以滿足月面通信終端與MS的互聯(lián)需求,如圖9所示。

圖9 SS中繼通信模型Fig.9 Relay communication model of SS

由于在MS 10 km半徑區(qū)域的任意位置均可部署LCT,該問(wèn)題變成了一個(gè)NP難問(wèn)題,無(wú)法直接求解,可采用啟發(fā)式GA[25]獲得最優(yōu)部署位置。

3.2.1 GA編碼與解碼規(guī)則

GA的編碼過(guò)程是將待求解問(wèn)題的可行解從解空間中映射到算法的搜索空間[26],因此編碼與解碼的規(guī)則是算法實(shí)現(xiàn)的根本問(wèn)題。在LCT SS部署中,問(wèn)題的解為SS的坐標(biāo)位置(x,y),為滿足SS中繼通信需求,解空間中的坐標(biāo)位置必須位于MS或其他SS的覆蓋區(qū)域。因此,可將位置信息(x,y)采用二進(jìn)制編碼形成個(gè)體中的n位染色體,即

(11)

式中:ai,i∈{1,2,…,n}表示x坐標(biāo)的n位碼字,bi,i∈{1,2,…,n}表示y坐標(biāo)的n位碼字,共同表示一個(gè)基站的位置信息。通過(guò)調(diào)整編碼的長(zhǎng)度n的大小,可以修改搜索區(qū)域的大小,以在不同的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索。

3.2.2 適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算

GA的優(yōu)化目標(biāo)是適應(yīng)度函數(shù),為實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格區(qū)域的覆蓋,通過(guò)鏈路預(yù)算將坐標(biāo)(x,y)下所對(duì)應(yīng)的信號(hào)覆蓋面積作為適應(yīng)度函數(shù)。根據(jù)不同通信制式下信號(hào)接收功率的最低要求,將達(dá)到接收機(jī)靈敏度Sre以上的區(qū)域判定為覆蓋區(qū)域,將適應(yīng)度函數(shù)定義為SS部署在(x,y)處時(shí),10 km半徑二維區(qū)域內(nèi)預(yù)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)大于Sre的坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目,計(jì)算方式如下所示:

(12)

式中:集合Z表示二維地圖上坐標(biāo)位置的可行集,即MS半徑10 km范圍內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)。S(xi,yi,x,y)表示當(dāng)SS部署坐標(biāo)為(x,y)時(shí),坐標(biāo)(xi,yi)覆蓋效果的參量:當(dāng)預(yù)測(cè)點(diǎn)(xi,yi)處的信號(hào)強(qiáng)度大于Sre時(shí),S(xi,yi,x,y)的取值為1;反之,Si(xi,yi,x,y)的取值為0。

3.2.3 選擇算子

選擇算子采用的是輪盤賭轉(zhuǎn)(roulette wheel selection, RWS)法。根據(jù)基站坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度大小計(jì)算出各個(gè)坐標(biāo)位置的累計(jì)概率,計(jì)算方法如下所示:

(13)

式中:i∈{1,2,…,N}。N為種群中坐標(biāo)位置的總數(shù)量。F(xi,yi)代表第i個(gè)坐標(biāo)(xi,yi)所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)。產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)r∈(0,1)來(lái)選擇需要保留的坐標(biāo)位置,若滿足Qi-1≤r

3.2.4 交叉算子

GA交叉算子采用部分映射法來(lái)產(chǎn)生子代的坐標(biāo)位置。具體做法為,隨機(jī)確定待交換的兩個(gè)表示坐標(biāo)位置的編碼中的兩個(gè)位置,將兩個(gè)碼字進(jìn)行調(diào)換得到新的編碼,如圖10所示。

圖10 染色體交叉過(guò)程Fig.10 Process of chromosome crossing

種群中的坐標(biāo)位置以交叉概率Pc進(jìn)行交叉操作,Pc的大小基于染色體的適應(yīng)度值在一定范圍內(nèi)自適應(yīng)變化,由下式確定:

(14)

式中:Pc1和Pc2分別代表交叉概率的上界和下界。Favg和Fmax分別代表所有坐標(biāo)位置所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度的平均值和最大值。式(13)表示對(duì)于種群中適應(yīng)度較小的坐標(biāo)位置以較大的概率進(jìn)行交叉操作,從而增加搜索效率,并加快尋優(yōu)進(jìn)度。

3.2.5 變異算子

GA根據(jù)變異概率Pm確定坐標(biāo)位置編碼是否發(fā)生過(guò)變異,對(duì)于發(fā)生變異的坐標(biāo)編碼,隨機(jī)選取一個(gè)碼字,然后生成該基因取值范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行替代,如圖11所示。

圖11 染色體變異過(guò)程Fig.11 Process of chromosome variation

綜上所述,基于GA的通信塔部署算法的基本流程如圖12所示。

本文采用的LCT布站策略與地面基站的部署算法相比,存在以下優(yōu)勢(shì):首先,窮舉法雖然能夠得到最佳部署位置的精確解,但其相對(duì)較大的計(jì)算量不適用于廣袤的月球表面位置搜索;而粒子群算法與GA同為啟發(fā)式算法,在收斂速度上快于GA,但更適用于處理連續(xù)變量的問(wèn)題求解[27],而GA則在對(duì)月面位置搜索等離散變量問(wèn)題上能得到更接近最優(yōu)值的結(jié)果;最后,機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要先驗(yàn)知識(shí)和數(shù)據(jù)集支持,而月表通信鏈路難以進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,缺少月球通信的原始數(shù)據(jù),無(wú)法完成建模。綜上所述,為實(shí)現(xiàn)月球多通信設(shè)施的初級(jí)互聯(lián)需求,本文考慮采用GA進(jìn)行LCT部署的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證,具有較好的工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值,并能給出相對(duì)合理可行的布站位置。

圖12 GA流程圖Fig.12 Flowchart of GA

4 仿真校驗(yàn)

4.1 仿真參數(shù)設(shè)定

考慮在圖6所示的月球南極區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)及基站覆蓋效果仿真。該區(qū)域靠近隕石深坑,符合月面科考條件;若光照條件充足,可進(jìn)行月面科研站的建設(shè),月球環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 月表環(huán)境參數(shù)

目前,月球探測(cè)器終端通信主要集中在UHF頻段和S頻段[28],兩種頻率電磁波受地形的影響互不相同。其中S頻段頻率更高,波長(zhǎng)更短,電磁波在傳播過(guò)程中受地形的影響更加明顯;UHF頻段頻率高低造成的損耗特性則與S頻段相反。S頻段和UHF頻段兩個(gè)頻段的通信特點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 S頻段與UHF頻段通信特點(diǎn)比較

由兩種頻段的特點(diǎn)可知,不同頻段的覆蓋范圍和通信速率使得LCT的部署方案存在差異。如前所述,采用LCT MS、SS協(xié)同部署的形式,先確定MS的部署位置,再根據(jù)GA對(duì)兩種頻段方案下的LCT做鏈路預(yù)算,對(duì)比不同的SS位置的適應(yīng)度,依次尋找最佳的SS部署位置。MS和SS在執(zhí)行任務(wù)、覆蓋需求和部署開(kāi)銷等方面存在差異,在仿真過(guò)程中采用不同的參數(shù),如表4所示。

表4 MS與SS仿真參數(shù)

4.2 場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)仿真

MS的部署位置以最大化式(10)平均場(chǎng)強(qiáng)Pavg為目標(biāo),其中設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)為N=1 000。根據(jù)第4.1節(jié)的參數(shù)設(shè)置,在MS 10 km半徑范圍內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè),如圖13(a)中有色區(qū)域所示。SS的部署以最大化最低速通信所需的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋面積為優(yōu)化目標(biāo),確定方法采用GA循環(huán)迭代,得到一個(gè)SS的最佳部署位置后再用GA求解下一個(gè)SS的部署位置。取MS和SS中場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的最大值作為覆蓋區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)大小。

圖13 UHF頻段Proximity-1協(xié)議的集中式與分布式LCT 部署的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋性能對(duì)比Fig.13 Coverage comparison for field strength coverage performance between centralized and distributed LCT deployments of Proximity-1 in UHF band

場(chǎng)強(qiáng)仿真對(duì)比了集中式與分布式兩種部署方式。集中式部署來(lái)源于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站,通信終端在各基站覆蓋區(qū)域內(nèi)僅與中心基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;分布式部署采用中繼互聯(lián)方式,各個(gè)通信塔基站可直接或間接通信,使得覆蓋區(qū)域內(nèi)的設(shè)備都可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖13為UHF頻段下不同覆蓋方案的覆蓋效果圖,展示了1 MS、1 MS加2 SS、1 MS加4 SS在集中式和分布式部署方式下的覆蓋效果,根據(jù)鏈路預(yù)測(cè)的結(jié)果采用不同顏色代表達(dá)到不同場(chǎng)強(qiáng)閾值的各個(gè)區(qū)域。UHF頻段的場(chǎng)強(qiáng)閾值(-130～-103 dBm)基于CCSDS Proximity-1協(xié)議制式[29],經(jīng)理論仿真可知,具體參數(shù)設(shè)置(帶寬、調(diào)制方式、天線分集)以及不同場(chǎng)強(qiáng)閾值的覆蓋率、通信速率(1 Mbps、512 kbps、256 kbps、64 kbps多個(gè)檔位)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 UHF頻段Proximity-1協(xié)議部署方案覆蓋效果對(duì)比

圖14為S頻段LTE通信制式和Wi-Fi通信制式,在1 MS+4 SS下分布式部署和集中式部署的覆蓋效果圖。兩種通信制式采用更高的頻段,能夠支持更高速率的通信業(yè)務(wù),對(duì)未來(lái)月球基地的建設(shè)與大容量業(yè)務(wù)支持具有重要意義。其中,LTE制式下的場(chǎng)強(qiáng)閾值(-103～-84 dBm)由協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[30]仿真得到,覆蓋效果如圖14(a)和圖14(b)所示;Wi-Fi的規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物理層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),接收信號(hào)強(qiáng)度(-89～-75 dBm)可根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[31-32]仿真獲得,覆蓋效果如圖14(c)和圖14(d)所示。在S頻段下,不同場(chǎng)強(qiáng)閾值的覆蓋率、通信速率(LTE為1.5～30 Mbps、Wi-Fi為7～37 Mbps多個(gè)檔位)以及相關(guān)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6所示。

圖14 S頻段LTE與Wi-Fi制式下集中式與分布式 LCT部署的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋性能對(duì)比Fig.14 Coverage comparison of field strength coverage performance between centralized and distributed LCT deployments of LTE and Wi-Fi in S band

表6 S頻段LTE與Wi-Fi協(xié)議部署方案覆蓋效果對(duì)比

從表5中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知,采用較少的基站進(jìn)行部署時(shí),集中式部署的覆蓋效果略優(yōu)于分布式部署;采用較多的基站進(jìn)行部署時(shí),集中式部署的覆蓋效果與分布式部署幾乎相同。1 MS+4 SS的集中式部署能以最低64 kbps的速率實(shí)現(xiàn)約99.01%的區(qū)域覆蓋,以最高1 Mbps的速率實(shí)現(xiàn)約77.79%的區(qū)域覆蓋;分布式部署能以最低64 kbps的速率實(shí)現(xiàn)約99.09%的區(qū)域覆蓋,以最高1 Mbps的速率實(shí)現(xiàn)約78.47%的區(qū)域覆蓋。這說(shuō)明多基站使用能顯著增加信號(hào)強(qiáng)度,提高月表通信覆蓋率,且集中式方案在UHF頻段上能獲得更大的月表覆蓋區(qū)域。

表6中對(duì)比了LTE制式與Wi-Fi制式下的覆蓋效果。相較而言,LTE能夠支持的低速率(1.5 Mbps)通信的場(chǎng)強(qiáng)大小為-103 dBm,比Wi-Fi制式下7 Mbps通信速率的場(chǎng)強(qiáng)閾值-89 dBm更低。因此,LTE在1 MS+4 SS的部署方式下覆蓋率最高可達(dá)約65.26%,遠(yuǎn)高于Wi-Fi制式下的最高覆蓋率31.44%;集中式與分布式部署的對(duì)比結(jié)果與UHF頻段相似,集中式部署比分布式部署的覆蓋率更高,但集中式基站間需要光纜支持連接,在月面的實(shí)現(xiàn)具有較大難度;而分布式部署利用無(wú)線通信互聯(lián)多個(gè)基站,其可操作性更加符合月球探測(cè)任務(wù)的場(chǎng)景限制。LTE和Wi-Fi所采用的2.4 GHz的S頻段頻率更高,在遠(yuǎn)距離上自由空間衰減和繞射損耗更大,覆蓋率要遠(yuǎn)小于UHF頻段,僅適合1～2 km半徑區(qū)域內(nèi)的高速通信業(yè)務(wù)支持。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種面向月表多設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)的基站部署方案,給出了LCT的基本模型和功能模塊組成。通過(guò)對(duì)通信鏈路上障礙物類型的判斷,并結(jié)合ITU-RP.526模型的損耗計(jì)算方法,得到了LCT的場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)模型,采用GA最大信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的覆蓋面積,獲得MS、SS部署位置的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明,在月球南極10 km半徑覆蓋范圍內(nèi),在UHF頻段下采用CCSDS Proximity-1協(xié)議的部署方案可以實(shí)現(xiàn)約99%的區(qū)域面積覆蓋,通信距離較遠(yuǎn),能夠滿足基本的低速通信需求;基于S頻段的LTE和Wi-Fi通信制式,LCT部署方案僅可覆蓋月球科研站附近1～2 km的服務(wù)范圍,但所能支持的通信速率更高,可為月球科研站未來(lái)發(fā)展的高速率、大容量通信業(yè)務(wù)提供有力保障。