基于多重区域划分的低时延多层卫星网络*

尹志忠1，，张继光，周贤伟，张 龙

(1．装备指挥技术学院，北京 101400；2．北京科技大学 通信工程系，北京 1000830)

1 引 言

具有路由能力的多层卫星网络是未来卫星通信发展的趋势，然而要想很好地利用多层卫星网络进行通信，首先必须解决时延问题。卫星链路具有较长的传输时延，单程传输时延GEO卫星为250～280 ms，MEO为80～100 ms，LEO为20～25 ms[1]。长期以来，研究人员都将焦点集中在解决长时延对传输效率的影响上，从协议的改进入手提出了许多行之有效的解决方案，如TCP-Peach[2]、TCP-Westwood[3]、TCP-Newjersey[4]等，但是很少有人从网络构建入手来降低卫星网络的传输时延。卫星网络的构建方式多种多样，从大的方面主要分成两类：按地理区域划分，经典的包括虚拟节点(Virtual Node)[5]等；按时间划分，经典的包括FSA(Finite State Automation)[6]等。本文主要是在按不同层卫星对地面进行区域划分的基础上提出多重区域划分(Multi-Area Division,MAD)的思想，依此来降低多层卫星网络的传输时延。

2 覆盖我国的多层卫星网络构建

以实现我国全球通信为例建立多层卫星网络。由于位于回归轨道上的卫星可以在一天内沿同一轨迹环行若干次，对于固定区域通信来说具有明显优势。因此，在MEO层和LEO层的星座设计中，我们将采用回归轨道，并采用Walker-δ星座[7]设计方案。

2.1 GEO层

要求GEO卫星能够以10°最小仰角对我国国土进行覆盖，并且能够实现最小仰角为5°的全球覆盖。我国地处中纬，国土范围处于[N4°,N53°]与[E73°,E135°]之间。设GEO卫星覆盖区所对应的半地心角为θ，最小仰角为α，GEO卫星距地面高度为H(35 786 km)，地球半径为Re(6 378.14 km)。由图1可见，θ、α之间存在以下关系[8]：

(1)

由公式(1)可得θ≈71.43°。因此，使用一颗GEO卫星实现对我国最小仰角为10°的单重覆盖，该GEO卫星应处于[E63.75°，E144.43°]之间的经度范围内，为了简便设计，我们选择东经120°。要实现最小仰角为5°的全球覆盖，最少需要3颗GEO卫星，并且应该分别位于东经0°、东经120°,西经120°,各GEO卫星之间建立星间链路。

图1 卫星最小仰角和半覆盖角的关系Fig.1 The relationship between the smallest elevation and the half-coverage angle

2.2 MEO层

要求MEO星座能够以20°最小仰角覆盖我国国土，并提供最小仰角为10°的全球覆盖。根据文献[9]，我们选择轨道高度为13 892 km的8 h回归轨道,轨道倾角为40.78°；MEO星座由2个轨道面组成,每轨道面4颗卫星,即i:T/P/F为40.78:8/2/1。该星座可以为南北纬60°之间的地区提供最小仰角为20°的覆盖，并能提供最小仰角14°的全球覆盖。各MEO卫星之间建立星间链路。

设该MEO星座中任一轨道面的升节点经度为Ω1，该轨道面第一颗卫星初始纬度幅角为ρ11，则在初始时刻t0，星座中另一个轨道面升节点经度Ω2以及该轨道面第j颗星的纬度幅角ρ2j可由下列方程求得：

(2)

由方程(2)可知，t0=0时，GEO与MEO星座的连接及覆盖情况。

2.3 LEO层

要求LEO星座能够为我国提供最小仰角为10°的覆盖，并且能够提供最小仰角为5°的全球覆盖。LEO卫星同样使用回归轨道，各卫星之间建立星间链路。设地球自转的角速度为ωe，卫星轨道面的角速度为ωs(升节点向东运动时取正直)，卫星轨道半径为Rs，地球赤道半径为Re，则每天运行N圈、轨道倾角为i的圆形回归轨道参数之间存在以下关系[10]：

(3)

表1 N为15、14、13、12的回归轨道参数Table1 The parameters of regress orbitwhen N is 15,14,13,12,respectively

由于范·艾伦带(Van·Allen belts)[12]和大气阻力的影响，LEO卫星轨道应该介于700～1 500 km之间。又考虑到覆盖要求，我们将选用轨道倾角为40°、轨道高度为1 201.25 km的24星6轨道面星座，即i:T/P/F为40:24/6/1。

3 多重区域划分原理

进行多重区域划分的基本原则是：依照各层卫星的地面覆盖范围使数据通过卫星网络所经受的时延最小，具体步骤如下：

(1)以t0时刻为基准，将LEO层各卫星所对应的地面区域进行划分。t0时刻选取的原则是尽可能多地使LEO卫星的星下点与人口密集、通信任务繁重的区域中心重合。划分后，每个区域得到一个固定标号作为运行到该区域LEO卫星的逻辑地址，O为进行划分时覆盖该区域卫星的轨道编号，S为卫星编号。随着时间的推移，原先覆盖该区域的LEO卫星将飞离该区域，由其后的卫星继承该地址接替它进行通信。根据2.3节建立的卫星网络，以LEO为基础的地面区域划分可以得到24个不同区域；

(2)以t1时刻为基准，将MEO层卫星所对应的地面区域进行划分。t1时刻的选取原则与步骤1相同。划分所得区域标号记为，O为MEO卫星的轨道编号，S为其为卫星编号。该标号作为运行到该区域的MEO卫星的逻辑地址，随着MEO卫星的移动，该地址是固定不变的。根据2.2节建立的卫星网络，以MEO为基础的地面区域划分可以得到8个区域；

(3)以t2时刻为基准，将GEO层卫星所对应的地面区域进行划分。划分所得的区域标号记为，O为GEO卫星的轨道编号(常数1)，S为GEO卫星编号。同样用该标号作为覆盖该区域GEO卫星的逻辑地址，且该地址固定不变。根据2.1节建立的卫星网络，以GEO为基础的地面区域划分可以得到3个不同区域；

(4)假设t3时刻，处于不同MEO卫星覆盖下的A、B两地间存在一条包含L颗卫星的LEO链路。数据包在第i个LEO卫星排队所消耗的时间为Tqi；第i个LEO卫星对数据包进行处理的时间为Tdi；数据包从第i-1颗LEO卫星传输到第i颗LEO卫星所消耗的时间为Tti；数据包从用户到卫星和从卫星到用户所消耗的时间为tleo；Tt0=0，则数据在这条LEO卫星链路的耗时为

(4)

显然，在A、B两地间还可以建立一条包含M颗卫星的MEO链路。同样，假设数据包在第j颗MEO卫星排队所消耗的时间为Tqj；第j颗MEO卫星对数据包进行处理所消耗的时间为Tdj；数据包从第j-1颗MEO卫星传输到第j颗MEO卫星所消耗的时间为Ttj；数据包从用户到卫星和从卫星到用户所消耗的时间为tmeo；Tt0=0。则数据在这条MEO卫星链路的耗时为

(5)

将TMEO作为临界点，如果TLEO>TMEO，则以A地为中心，以TMEO为半径进行区域划分。该区域标记为，O为t3时刻距离A地最近的MEO卫星的轨道编号，S为该MEO卫星的编号。

由公式(1)和余弦定理可以计算出在我们所建立的网络中tleo最大约为10.446ms、tmeo最大约为60.861 84 ms，假设所有单位数据包的排队和卫星对数据包的处理时间用因子T表示(T在一定的时期内是定值)。根据公式(4)、(5)和区域划分条件可以得到表2。

表2 不同因子T下的LEO和MEO数量对比Table 2 The numbers comparison of LEO and MEO on different T value

(5)假设t4时刻，处于不同GEO卫星覆盖下的C、D两地间存在一条包含M颗卫星的MEO链路。数据包在第k颗MEO卫星排队所消耗的时间为Tqk；第k颗MEO卫星对数据包进行处理的时间为Tdk；数据包从第k-1颗MEO卫星传输到第k颗MEO卫星所消耗的时间为Ttk；数据包从用户到卫星和从卫星到用户所消耗的时间为tmeo；Tt0=0。则数据在这条MEO卫星链路的总耗时为

(6)

同样，在C、D两地间同样可以建立一条包含G颗卫星的GEO链路。假设数据包在第o颗GEO卫星排队所消耗的时间为Tqo；第o颗GEO卫星对数据包进行处理所消耗的时间为Tdo；数据包从第o-1颗GEO卫星传输到第o颗GEO卫星所消耗的时间为Tto；数据包从用户到卫星和从卫星到用户所消耗的时间为tgeo；Tt0=0，则数据在这条GEO卫星链路的耗时为

(7)

同样，由公式(1)和余弦定理可以计算出在我们所建立的网络中tgeo最大约为135.286 ms。根据公式(6)、(7)和区域划分条件可以得表3。

表3 不同因子T下的MEO和GEO数量对比Table3 The numbers comparison of MEO and GEO on different T value

4 通信过程中卫星的选取原则

(1)位于同一或同一区域的用户之间进行通信一定要采用覆盖该区的LEO卫星或LEO卫星链路；

(2)位于同一区域而不同区域以内的用户之间进行通信只采用多颗LEO卫星构成的卫星链路；

(3)位于同一区域内而位于同一区域以外或位于同一区域内而不同区域的用户之间利用MEO卫星链路进行通信；

(4)位于区域以外的用户利用GEO卫星链路进行通信。

5 仿真及性能分析

利用我们所建立的网络对多重区域划分理论的优越性进行验证。假设从北京(E116.38°，N39.90°)开始，在N39.90°纬线圈附近每隔15°就有一个用户向北京传送数据。根据第2节建立的网络，在上述假设情况下，N39.90°纬线圈附近存在9颗LEO卫星和5颗MEO卫星。假定LEO和MEO星间链路带宽均为100 Mbit/s，每颗卫星的缓冲区容量均为50 packet；TCP数据包的大小为1 024 byte/packet。仿真网络如图2所示。

图2 仿真网络示意图Fig.2 The networks for simulation

根据所建立的仿真网络和多重区域划分理论，利用NS2进行仿真得到的时延性能对比结果如图3所示。

图3 LEO、MEO、MAD网络时延性能对比Fig.3 The performance comparison among LEO,MEO and MAD

由图4可见，MAD的时延性能在绝大部分经度范围内要优于LEO网络和MEO网络。对于我们所要求的特定地点通信而言，单纯的MEO网络的时延性能最差。在仿真过程中，对位于(E26.38°，E101.38°)之间的用户按照时延最小的原则，我们利用了LEO和MEO卫星之间的星间链路来降低时延。

6 结束语

本文在建立满足我国通信需求的GEO/MEO/LEO三层卫星网络的基础上，提出了多重区域划分的理论来降低卫星通信的时延。在区域划分过程中，以传输时延最小为根本出发点，将卫星网络覆盖下的地理区域划分为五重，仿真表明利用该方法进行传输的时延特性优于单纯的LEO网络或MEO网络。

多重区域划分理论虽然可以有效降低多层卫星网络的传输时延，然而各层相邻卫星之间都要建立链路，大大增加了系统的复杂程度，有待于进一步优化改进。

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