0 引言

    寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當前衛(wèi)星通信領域重要的發(fā)展熱點之一，由于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡具有傳播時延大、傳播損耗高、星上處理能力弱、網(wǎng)絡吞吐量小、通信費用昂貴等特點，主要作為地面通信網(wǎng)的延伸和補充。利用GEO衛(wèi)星建立一個面向全球的、具有經(jīng)濟競爭力的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在當前技術條件下顯然非常困難^[1]。世界許多國家和衛(wèi)星通信公司都在制定自己的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。OneWeb公司已經(jīng)啟動了世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星高速通信網(wǎng)絡。SpaceX計劃打造由4 000多顆小衛(wèi)星組成的互聯(lián)網(wǎng)星座STEAM，在全球范圍內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務。LeoSat計劃建造一個由140顆衛(wèi)星構成的星座，為全球提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務。

    為適應不斷擴大的對外交流，提前占據(jù)空間的軌道和頻率資源，中國有必要建立一個自己的寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前我國尚未建立面向全球通信的LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但已經(jīng)提出了建造LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的計劃，比如“鴻雁”與“虹云”系統(tǒng)^[2-3]。然而基于我國的外交政策，在國外建立大量的信關站是幾乎不可能的，需要在國內(nèi)建站的強約束條件下實現(xiàn)通信，必須要有一個合理的組網(wǎng)方案。

    國外的OneWeb系統(tǒng)采用的是全球建立信關站的方式實現(xiàn)全球通信，衛(wèi)星采用透明轉發(fā)的工作方式，技術簡單，成本較低。但是這種組網(wǎng)方案明顯不適合中國使用，中國在國外建立大量信關站是難以實現(xiàn)的^[4-5]。而如果衛(wèi)星采用全處理轉發(fā)的工作方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信，然而系統(tǒng)容量會很低，星間鏈路與饋電鏈路的傳輸瓶頸會很大程度地限制系統(tǒng)的傳輸容量，而且技術復雜，成本較高^[6]。衛(wèi)星可以同時采用透明轉發(fā)與處理轉發(fā)兩種工作方式，在國內(nèi)，國外業(yè)務較多的部分區(qū)域等建立信關站，在業(yè)務量較小國外區(qū)域采用處理轉發(fā)的工作方式，依靠星間鏈路實現(xiàn)全球通信。這種組網(wǎng)方式能夠在成本與技術復雜度之間取得折衷，這與業(yè)務量的分布有很大的關系，因此需要研究系統(tǒng)的業(yè)務量特點，結合系統(tǒng)的實際業(yè)務量需求研究一個高效組網(wǎng)方案。為此需要對系統(tǒng)在全球的業(yè)務量進行分析。

1 衛(wèi)星業(yè)務量分析

1.1 影響因素

    在寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)里，LEO衛(wèi)星軌道高度低，運動速度快，星下點位置相對地面高速移動，文獻[1]通過鏈路計算分析了寬帶LEO星座衛(wèi)星系統(tǒng)要采用高仰角的星座方案，并仿真了高仰角衛(wèi)星通信系統(tǒng)OneWeb的傳輸性能。本文也將繼續(xù)以OneWeb系統(tǒng)進行仿真分析，星座由648顆衛(wèi)星依照Walker星座進行構建,衛(wèi)星分布在18個軌道面上，每個軌道面上部署36顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度為1 200 km，軌道傾角為87.9°，在OneWeb系統(tǒng)采用的星座里，星下點每秒鐘可改變約1公里的位置，衛(wèi)星在地面的波束覆蓋區(qū)在不斷變化，導致每顆衛(wèi)星的業(yè)務源也隨之變化，加之地面與衛(wèi)星進行通信時通信仰角較高，最低通信仰角50°^[1]，單顆星的波束覆蓋角度較窄，導致衛(wèi)星在高速移動時每顆衛(wèi)星的業(yè)務源變化更明顯。

    當衛(wèi)星經(jīng)過人口聚集的陸地區(qū)域時，由于不同地區(qū)人口數(shù)量不同，各大洲的經(jīng)濟發(fā)展程度不同，對業(yè)務的需求也不同，衛(wèi)星的業(yè)務源也是不斷變化的；當衛(wèi)星經(jīng)過國內(nèi)區(qū)域時，由于國內(nèi)用戶對業(yè)務的需求量更大，衛(wèi)星的業(yè)務量會在短時間內(nèi)達到一個峰值；當衛(wèi)星經(jīng)過海洋地區(qū)、沙漠地區(qū)、山脈地區(qū)或兩極地區(qū)時，由于這些地區(qū)幾乎沒有用戶，導致衛(wèi)星的業(yè)務源幾乎為零。在衛(wèi)星繞地球旋轉一周的過程中，衛(wèi)星的星下點要在海洋與陸地之間數(shù)次轉換，導致衛(wèi)星業(yè)務量的變化具有很強的突發(fā)性：當經(jīng)過人口稠密地區(qū)和國內(nèi)區(qū)域是時，業(yè)務量在短時間內(nèi)達到很高的峰值；當經(jīng)過海洋和極區(qū)時，業(yè)務量又可能長時間處于極低的狀態(tài)^[7-8]。

    在不同的時間段內(nèi)，用戶進行通信的使用頻度也是不同的，這取決于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的當?shù)貢r間，用戶在正常活動的白天與夜間的業(yè)務需求會大于休息時凌晨的業(yè)務需求。因此，在計算衛(wèi)星的業(yè)務量時，還需考慮星下點的當?shù)貢r間。

1.2 業(yè)務量仿真思路

    影響低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用戶業(yè)務量的主要因素有兩個：

    (1)地形地物因素。地球上的陸地、海洋、山脈和沙漠等分布錯落有致；在陸地區(qū)域，各大洲的經(jīng)濟發(fā)展程度不同，對業(yè)務的需求也不相同；在國內(nèi)區(qū)域與國外區(qū)域，業(yè)務量會有明顯的差距。這樣當衛(wèi)星繞地球作周期性旋轉的時候，衛(wèi)星就會經(jīng)過不同的地區(qū)，隨著時間的推移，衛(wèi)星波束掃過不同地區(qū)時，其業(yè)務源就會有很大的變化，從而導致用戶業(yè)務量具有脈沖式的變化規(guī)律。

    (2)時區(qū)因素。各地區(qū)在24小時內(nèi)的業(yè)務量變化不均，并且只取決于當?shù)貢r間。

    為此，需要針對寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點，建立相應的仿真模型才能獲得其業(yè)務量仿真結果。為完成這樣的仿真，需要確定下列基本信息：

    (1)實時的衛(wèi)星位置信息，一旦星座方案確定，衛(wèi)星的位置就可以從STK中獲取；

    (2)一天中，全球不同位置的峰值業(yè)務模型(位置業(yè)務模型)；

    (3)一日業(yè)務變化模型。

    因此本文將主要針對這兩個影響因素，分別建立位置業(yè)模型與一日變化模型進行仿真分析。

2 基本業(yè)務模型

2.1 位置業(yè)務模型

    位置業(yè)務模型是根據(jù)地球上不同區(qū)域?qū)I(yè)務量的需求不同而建立的基于經(jīng)緯度變化的業(yè)務量變化模型，考慮到系統(tǒng)在地球南北極業(yè)務量極小，而本系統(tǒng)的星座特點在南北極擁有較多的衛(wèi)星，足以滿足南北極的業(yè)務需求，無需分析南北極的業(yè)務量，因此將緯度范圍為70°~90°與-90°~-70°的區(qū)域業(yè)務量置零。只需分析范圍為緯度-70°~70°、經(jīng)度-180°~180°，則將這塊地區(qū)按經(jīng)度每隔5°、緯度每隔2.5°分為56×72個網(wǎng)格，共有4 032個網(wǎng)格，網(wǎng)格分布如圖1所示。

    每個網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務密度按照本地區(qū)的人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展程度和用戶類型等不同特點置以加權因子計算，不同的大洲每個網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務密度按地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展加權因子計算：暫定為北美洲為0.8，南美洲0.6，非洲為0.4，亞洲為0.7，歐洲0.8，大洋洲0.5；一些人口分布較少的地區(qū)業(yè)務量小，置以較小的加權因子：遠海地帶業(yè)務為0，近海地帶業(yè)務為0.1，某些沙漠地帶業(yè)務為0；境內(nèi)業(yè)務需求比境外大很多，假設境內(nèi)與境外業(yè)務密度之比為10：1，從而得到系統(tǒng)的位置業(yè)務模型如圖2所示。

2.2 一日變化模型

    每個地點在一天內(nèi)不同時間段的業(yè)務量是有明顯變化的，因為用戶在不同的時間段進行通信的使用頻率是不同的，對業(yè)務量的需求不同，這與當?shù)貢r間有關。為了分析時間因素對業(yè)務量變化的影響，描述業(yè)務量在一天內(nèi)的相對變化情況，一個數(shù)值在0與1之間時間加權因子被提出來，在一天內(nèi)的24個小時內(nèi)，依據(jù)人們平常的作息習慣，給每一個時段分配一個時間加權因子，這個模型對于全球各地區(qū)相同，如圖3所示。地球表面各點的當?shù)貢r間都是相對GMT(格林尼治標準時間)參考時鐘獲得的。在各衛(wèi)星獲得與它可見的網(wǎng)格的當?shù)貢r間后，每個網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務都乘以相應的時間加權因子。

    計算業(yè)務量的時間加權因子非常重要，需要獲得衛(wèi)星星下點的當?shù)貢r間，由于衛(wèi)星的高速運轉，衛(wèi)星星下點的當?shù)貢r間有著非常大的變化，衛(wèi)星星下點的當?shù)貢r間計算方法為：首先從STK仿真軟件中獲取衛(wèi)星當前星下點的經(jīng)緯度坐標，然后由GMT時間換算為當?shù)貢r間，得到衛(wèi)星星下點的當?shù)貢r間變化如圖4所示。

3 業(yè)務仿真

3.1 業(yè)務仿真方法

    計算單顆衛(wèi)星的業(yè)務量可以采用如下方法：

    (1)計算星下點位置；

    (2)計算衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格編號；

    (3)對于在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的每個網(wǎng)格：①確定當?shù)貢r間；②確定每個網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務量；③將網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務量乘以相應的時間加權因子。

    (4)把衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)所有網(wǎng)格中的業(yè)務量相加，即可得到每顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的總業(yè)務量。

3.2 單星業(yè)務量仿真

    OneWeb系統(tǒng)是當下典型的寬帶LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，本文仿真的是OneWeb星座，根據(jù)業(yè)務仿真方法得出一顆衛(wèi)星在24小時內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務量的變化情況。一顆衛(wèi)星在24小時內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務量的變化如圖5所示。3顆衛(wèi)星在24小時內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務量的變化對比如圖6所示。

    從圖5中可以明顯看出，單星的相對業(yè)務量具有高速變化性和突發(fā)性的特點，圖中相對業(yè)務量連續(xù)為零的時刻主要是運行到海洋或者南北極上空時，幾處較高的峰值位置是衛(wèi)星運行到國內(nèi)區(qū)域上空的時候。從圖6中可以看出，同一時刻3顆衛(wèi)星的相對業(yè)務量差異很大，但其峰值的變化趨勢是相似的，主要是因為受到時間因素的影響程度是一樣的。

3.3 軌道面業(yè)務量仿真

    在得出單星的相對業(yè)務量一日變化模型后，可以對一條軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星相對業(yè)務量進行仿真。一條軌道面在24小時內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)總的業(yè)務量的變化如圖7所示。3條軌道面在24小時內(nèi)覆蓋區(qū)業(yè)務量對比變化對比如圖8所示。

    從圖7中可以看到，一條軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星相對業(yè)務量隨時間有規(guī)律變化，約十幾小時左右軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星業(yè)務量會達到一個峰值，這是由于軌道面運行到國內(nèi)區(qū)域上空所致；但兩個峰值的高度不同，這是由于衛(wèi)星并非同步軌道衛(wèi)星，兩次運行到國內(nèi)上空時當?shù)貢r間不同，時間因素會對衛(wèi)星有影響。從圖8中可以看到，3條軌道的相對業(yè)務量在同一時刻有很大差異，一條軌道面的業(yè)務量在不同時間也有很大差異。

3.4 仿真結果分析

    從仿真結果來看，衛(wèi)星業(yè)務具有很強的突發(fā)性、高速變化性與分布不均勻性，針對業(yè)務量分布的這種特點，在一天內(nèi)的大部分時刻衛(wèi)星相對業(yè)務量都是極小甚至為零的，在衛(wèi)星經(jīng)過國內(nèi)上空時其相對業(yè)務量會達到峰值，如果衛(wèi)星采用全處理轉發(fā)的工作方式，就會造成很大的資源浪費。為滿足國內(nèi)用戶的業(yè)務量需求，衛(wèi)星轉發(fā)器需要具備很強的星上處理能力，而大部分時刻都是經(jīng)過海洋以及國外業(yè)務量較小的區(qū)域，會造成很大的資源浪費，而衛(wèi)星如果星上處理能力較弱，星間鏈路傳輸國內(nèi)區(qū)域的業(yè)務時就會造成網(wǎng)絡的擁堵。而衛(wèi)星采用全透明轉發(fā)的工作方式是不符合我國的國情的。結合衛(wèi)星的業(yè)務量分布特點，衛(wèi)星可以同時采用透明轉發(fā)與處理轉發(fā)兩種工作方式，國內(nèi)建立信關站，衛(wèi)星在境外業(yè)務量較小的區(qū)域只開啟處理轉發(fā)器工作，透明轉發(fā)器處于關閉狀態(tài)，運行到國內(nèi)上空時開啟透明轉發(fā)器工作，利用信關站傳輸國內(nèi)大業(yè)務量。在成本與技術復雜度上取得折衷。

4 結論

    本文分析了當前寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展狀況，結合建設我國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)實條件，分析了對寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行業(yè)務量需求分析的重要性，對影響業(yè)務量的主要因素進行分析，針對影響業(yè)務量兩個主要因素分別建立了位置業(yè)務模型與一日變化模型，提出了對寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行業(yè)務量仿真的方法，完成了對單星以及一個軌道面內(nèi)相對業(yè)務量一日變化的仿真。直觀分析出衛(wèi)星業(yè)務量的分布特點，對中國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設計具有重要的指導參考意義。

    需要說明的是，本文對業(yè)務量的分析只是定性地分析其相對分布，是為了給衛(wèi)星的組網(wǎng)提供依據(jù)，而衛(wèi)星業(yè)務量的實際值與經(jīng)濟、地理以及國際形勢等很多因素有關，需要結合很多領域深入的研究做大量工作，這也是本文以后進一步研究的方向。

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作者信息:

徐  軍1，路  威1，張更新2

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京210007；2.南京郵電大學，江蘇 南京210003）