0 引言

    寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)是當(dāng)前衛(wèi)星通信領(lǐng)域重要的發(fā)展熱點(diǎn)之一,，由于傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳播時(shí)延大,、傳播損耗高、星上處理能力弱,、網(wǎng)絡(luò)吞吐量小,、通信費(fèi)用昂貴等特點(diǎn)，主要作為地面通信網(wǎng)的延伸和補(bǔ)充,。利用GEO衛(wèi)星建立一個(gè)面向全球的,、具有經(jīng)濟(jì)競爭力的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在當(dāng)前技術(shù)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(dòng)了世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，將發(fā)射648顆衛(wèi)星建立一個(gè)覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星高速通信網(wǎng)絡(luò),。SpaceX計(jì)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(wù)。LeoSat計(jì)劃建造一個(gè)由140顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座,，為全球提供寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù),。

    為適應(yīng)不斷擴(kuò)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(gè)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(jì)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(guān)站是幾乎不可能的，需要在國內(nèi)建站的強(qiáng)約束條件下實(shí)現(xiàn)通信,，必須要有一個(gè)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(guān)站的方式實(shí)現(xiàn)全球通信，衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式,，技術(shù)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(guān)站是難以實(shí)現(xiàn)的^[4-5],。而如果衛(wèi)星采用全處理轉(zhuǎn)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(huì)很低,，星間鏈路與饋電鏈路的傳輸瓶頸會(huì)很大程度地限制系統(tǒng)的傳輸容量，而且技術(shù)復(fù)雜,，成本較高^[6],。衛(wèi)星可以同時(shí)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種工作方式，在國內(nèi),，國外業(yè)務(wù)較多的部分區(qū)域等建立信關(guān)站,，在業(yè)務(wù)量較小國外區(qū)域采用處理轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式，依靠星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球通信,。這種組網(wǎng)方式能夠在成本與技術(shù)復(fù)雜度之間取得折衷,，這與業(yè)務(wù)量的分布有很大的關(guān)系，因此需要研究系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量特點(diǎn),，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際業(yè)務(wù)量需求研究一個(gè)高效組網(wǎng)方案,。為此需要對系統(tǒng)在全球的業(yè)務(wù)量進(jìn)行分析。

1 衛(wèi)星業(yè)務(wù)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(yùn)動(dòng)速度快，星下點(diǎn)位置相對地面高速移動(dòng),，文獻(xiàn)[1]通過鏈路計(jì)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O(shè)neWeb系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,，星座由648顆衛(wèi)星依照Walker星座進(jìn)行構(gòu)建,衛(wèi)星分布在18個(gè)軌道面上,，每個(gè)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(diǎn)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(dǎo)致每顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源也隨之變化,，加之地面與衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)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(dǎo)致衛(wèi)星在高速移動(dòng)時(shí)每顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源變化更明顯。

    當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過人口聚集的陸地區(qū)域時(shí),，由于不同地區(qū)人口數(shù)量不同,，各大洲的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，對業(yè)務(wù)的需求也不同,，衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源也是不斷變化的,；當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過國內(nèi)區(qū)域時(shí)，由于國內(nèi)用戶對業(yè)務(wù)的需求量更大,，衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)峰值,；當(dāng)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(shí),，由于這些地區(qū)幾乎沒有用戶,，導(dǎo)致衛(wèi)星的業(yè)務(wù)源幾乎為零,。在衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的過程中，衛(wèi)星的星下點(diǎn)要在海洋與陸地之間數(shù)次轉(zhuǎn)換,，導(dǎo)致衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的變化具有很強(qiáng)的突發(fā)性：當(dāng)經(jīng)過人口稠密地區(qū)和國內(nèi)區(qū)域是時(shí),，業(yè)務(wù)量在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的峰值；當(dāng)經(jīng)過海洋和極區(qū)時(shí),，業(yè)務(wù)量又可能長時(shí)間處于極低的狀態(tài)^[7-8],。

    在不同的時(shí)間段內(nèi)，用戶進(jìn)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(dāng)?shù)貢r(shí)間,，用戶在正常活動(dòng)的白天與夜間的業(yè)務(wù)需求會(huì)大于休息時(shí)凌晨的業(yè)務(wù)需求,。因此,，在計(jì)算衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量時(shí)，還需考慮星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間,。

1.2 業(yè)務(wù)量仿真思路

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

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

    (2)時(shí)區(qū)因素,。各地區(qū)在24小時(shí)內(nèi)的業(yè)務(wù)量變化不均,，并且只取決于當(dāng)?shù)貢r(shí)間。

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

    (1)實(shí)時(shí)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??；

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

    (3)一日業(yè)務(wù)變化模型,。

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

2 基本業(yè)務(wù)模型

2.1 位置業(yè)務(wù)模型

    位置業(yè)務(wù)模型是根據(jù)地球上不同區(qū)域?qū)I(yè)務(wù)量的需求不同而建立的基于經(jīng)緯度變化的業(yè)務(wù)量變化模型,，考慮到系統(tǒng)在地球南北極業(yè)務(wù)量極小，而本系統(tǒng)的星座特點(diǎn)在南北極擁有較多的衛(wèi)星,，足以滿足南北極的業(yè)務(wù)需求,，無需分析南北極的業(yè)務(wù)量，因此將緯度范圍為70°~90°與-90°~-70°的區(qū)域業(yè)務(wù)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(gè)網(wǎng)格,，共有4 032個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格分布如圖1所示,。

    每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)密度按照本地區(qū)的人口數(shù)量,、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和用戶類型等不同特點(diǎn)置以加權(quán)因子計(jì)算，不同的大洲每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)密度按地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展加權(quán)因子計(jì)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(wù)量小，置以較小的加權(quán)因子：遠(yuǎn)海地帶業(yè)務(wù)為0,，近海地帶業(yè)務(wù)為0.1,，某些沙漠地帶業(yè)務(wù)為0；境內(nèi)業(yè)務(wù)需求比境外大很多,，假設(shè)境內(nèi)與境外業(yè)務(wù)密度之比為10：1,，從而得到系統(tǒng)的位置業(yè)務(wù)模型如圖2所示。

2.2 一日變化模型

    每個(gè)地點(diǎn)在一天內(nèi)不同時(shí)間段的業(yè)務(wù)量是有明顯變化的,，因?yàn)橛脩粼诓煌臅r(shí)間段進(jìn)行通信的使用頻率是不同的,，對業(yè)務(wù)量的需求不同，這與當(dāng)?shù)貢r(shí)間有關(guān),。為了分析時(shí)間因素對業(yè)務(wù)量變化的影響,，描述業(yè)務(wù)量在一天內(nèi)的相對變化情況，一個(gè)數(shù)值在0與1之間時(shí)間加權(quán)因子被提出來,，在一天內(nèi)的24個(gè)小時(shí)內(nèi),，依據(jù)人們平常的作息習(xí)慣，給每一個(gè)時(shí)段分配一個(gè)時(shí)間加權(quán)因子,，這個(gè)模型對于全球各地區(qū)相同,，如圖3所示,。地球表面各點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間都是相對GMT(格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)參考時(shí)鐘獲得的,。在各衛(wèi)星獲得與它可見的網(wǎng)格的當(dāng)?shù)貢r(shí)間后，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)都乘以相應(yīng)的時(shí)間加權(quán)因子,。

    計(jì)算業(yè)務(wù)量的時(shí)間加權(quán)因子非常重要,，需要獲得衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)轉(zhuǎn),，衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間有著非常大的變化,，衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間計(jì)算方法為：首先從STK仿真軟件中獲取衛(wèi)星當(dāng)前星下點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后由GMT時(shí)間換算為當(dāng)?shù)貢r(shí)間,，得到衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)?shù)貢r(shí)間變化如圖4所示,。

3 業(yè)務(wù)仿真

3.1 業(yè)務(wù)仿真方法

    計(jì)算單顆衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量可以采用如下方法：

    (1)計(jì)算星下點(diǎn)位置；

    (2)計(jì)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(gè)網(wǎng)格：①確定當(dāng)?shù)貢r(shí)間,；②確定每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)量；③將網(wǎng)格內(nèi)的業(yè)務(wù)量乘以相應(yīng)的時(shí)間加權(quán)因子,。

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

3.2 單星業(yè)務(wù)量仿真

    OneWeb系統(tǒng)是當(dāng)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(wù)仿真方法得出一顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的變化情況,。一顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量的變化如圖5所示。3顆衛(wèi)星在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)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(wù)量具有高速變化性和突發(fā)性的特點(diǎn)，圖中相對業(yè)務(wù)量連續(xù)為零的時(shí)刻主要是運(yùn)行到海洋或者南北極上空時(shí),，幾處較高的峰值位置是衛(wèi)星運(yùn)行到國內(nèi)區(qū)域上空的時(shí)候,。從圖6中可以看出，同一時(shí)刻3顆衛(wèi)星的相對業(yè)務(wù)量差異很大,，但其峰值的變化趨勢是相似的,，主要是因?yàn)槭艿綍r(shí)間因素的影響程度是一樣的。

3.3 軌道面業(yè)務(wù)量仿真

    在得出單星的相對業(yè)務(wù)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(wù)量進(jìn)行仿真,。一條軌道面在24小時(shí)內(nèi)其覆蓋區(qū)內(nèi)總的業(yè)務(wù)量的變化如圖7所示。3條軌道面在24小時(shí)內(nèi)覆蓋區(qū)業(yè)務(wù)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(wù)量隨時(shí)間有規(guī)律變化，約十幾小時(shí)左右軌道面內(nèi)總的衛(wèi)星業(yè)務(wù)量會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值,，這是由于軌道面運(yùn)行到國內(nèi)區(qū)域上空所致,；但兩個(gè)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(yùn)行到國內(nèi)上空時(shí)當(dāng)?shù)貢r(shí)間不同,，時(shí)間因素會(huì)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(wù)量在同一時(shí)刻有很大差異,，一條軌道面的業(yè)務(wù)量在不同時(shí)間也有很大差異。

3.4 仿真結(jié)果分析

    從仿真結(jié)果來看,，衛(wèi)星業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)性,、高速變化性與分布不均勻性，針對業(yè)務(wù)量分布的這種特點(diǎn),，在一天內(nèi)的大部分時(shí)刻衛(wèi)星相對業(yè)務(wù)量都是極小甚至為零的,，在衛(wèi)星經(jīng)過國內(nèi)上空時(shí)其相對業(yè)務(wù)量會(huì)達(dá)到峰值，如果衛(wèi)星采用全處理轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式,，就會(huì)造成很大的資源浪費(fèi),。為滿足國內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)量需求，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器需要具備很強(qiáng)的星上處理能力,，而大部分時(shí)刻都是經(jīng)過海洋以及國外業(yè)務(wù)量較小的區(qū)域,，會(huì)造成很大的資源浪費(fèi),，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(wù)時(shí)就會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁堵,。而衛(wèi)星采用全透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式是不符合我國的國情的,。結(jié)合衛(wèi)星的業(yè)務(wù)量分布特點(diǎn)，衛(wèi)星可以同時(shí)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種工作方式,，國內(nèi)建立信關(guān)站,，衛(wèi)星在境外業(yè)務(wù)量較小的區(qū)域只開啟處理轉(zhuǎn)發(fā)器工作，透明轉(zhuǎn)發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài),，運(yùn)行到國內(nèi)上空時(shí)開啟透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作,，利用信關(guān)站傳輸國內(nèi)大業(yè)務(wù)量。在成本與技術(shù)復(fù)雜度上取得折衷,。

4 結(jié)論

    本文分析了當(dāng)前寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r,，結(jié)合建設(shè)我國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)條件，分析了對寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)量需求分析的重要性,，對影響業(yè)務(wù)量的主要因素進(jìn)行分析,，針對影響業(yè)務(wù)量兩個(gè)主要因素分別建立了位置業(yè)務(wù)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(jìn)行業(yè)務(wù)量仿真的方法,，完成了對單星以及一個(gè)軌道面內(nèi)相對業(yè)務(wù)量一日變化的仿真,。直觀分析出衛(wèi)星業(yè)務(wù)量的分布特點(diǎn)，對中國寬帶LEO星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)參考意義,。

    需要說明的是,，本文對業(yè)務(wù)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(wù)量的實(shí)際值與經(jīng)濟(jì),、地理以及國際形勢等很多因素有關(guān)，需要結(jié)合很多領(lǐng)域深入的研究做大量工作,，這也是本文以后進(jìn)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(xué),，江蘇 南京210007,；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京210003）