朱世超, 歸 琳, 羅漢文, 田 豐, 張 琦

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

空間信息網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)承載能力的衡量方法研究

朱世超, 歸 琳, 羅漢文, 田 豐, 張 琦

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

由于空間信息網(wǎng)絡(luò)的空間和時(shí)間的大尺度特性及其復(fù)雜度的大幅提高,已有的信息傳輸能力衡量方法已無(wú)法有效地衡量現(xiàn)有和未來(lái)的空間信息網(wǎng)絡(luò).本研究首先建立復(fù)雜的空間信息網(wǎng)絡(luò)模型,通過(guò)分析空間信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接入能力和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能力,來(lái)衡量整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)承載能力.最后利用STK和Matlab仿真軟件,進(jìn)行協(xié)同仿真,驗(yàn)證了所提出的衡量方法的合理性.

空間信息網(wǎng)絡(luò); 數(shù)據(jù)接入能力; 數(shù)據(jù)傳輸能力; STK仿真; Matlab仿真

0 引 言

隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)全球化趨勢(shì)的不斷發(fā)展,空間資源制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)日趨白熾化.因此,國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和組織會(huì)持續(xù)投入大量的人力和物力開(kāi)展空間信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究及相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于空間信息網(wǎng)絡(luò)的研究,已基本形成“骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)”體系架構(gòu)的共識(shí)[1-5].即在原有基于高軌骨干衛(wèi)星的基礎(chǔ)上,增加骨干網(wǎng)的熱點(diǎn)補(bǔ)充“區(qū)域增強(qiáng)層”[6-7],構(gòu)架“骨干+區(qū)域增強(qiáng)”雙層骨干網(wǎng)架構(gòu)的空間信息網(wǎng)絡(luò),來(lái)提高空間信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力,應(yīng)對(duì)全球范圍內(nèi)的區(qū)域性突發(fā)業(yè)務(wù)需求.場(chǎng)景如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)場(chǎng)景示意圖

數(shù)據(jù)傳輸是空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的主要功能,用戶(hù)將數(shù)據(jù)傳入空間信息網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng),數(shù)據(jù)可以通過(guò)骨干網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中繼后傳輸?shù)接脩?hù),傳輸方式可以為一跳或多跳.針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸流程,本研究通過(guò)計(jì)算空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入能力和骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力,來(lái)衡量空間信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力.

目前空間信息網(wǎng)絡(luò)容量的分析集中于骨干網(wǎng)接入能力的分析.文獻(xiàn)[8]研究了空間信息網(wǎng)絡(luò)的接入能力,文獻(xiàn)[9]研究了如何布設(shè)地面基站提高空間信息網(wǎng)絡(luò)的接入能力.但是,這些文獻(xiàn)把空間信息網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)作為“黑箱”,未考慮其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部特征,無(wú)法準(zhǔn)確反映空間信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力,也不適用于我國(guó)的地面基站布設(shè)位置受限的國(guó)情.

本研究基于區(qū)域增強(qiáng)層的概念,綜合分析低軌衛(wèi)星(LEO)、中軌衛(wèi)星(MEO)、地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)的特點(diǎn),結(jié)合衛(wèi)星之間,以及衛(wèi)星與地面用戶(hù)之間的實(shí)時(shí)相對(duì)位置,計(jì)算鏈路特性,主動(dòng)進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu),從骨干網(wǎng)接入傳輸速率和骨干網(wǎng)內(nèi)部傳輸速率兩方面給出了空間信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的計(jì)算方法及仿真結(jié)果.

1 系統(tǒng)模型

選用了STK軟件來(lái)進(jìn)行空間信息網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景建模.在場(chǎng)景中,需要考慮到LEO、MEO、GEO.根據(jù)STK數(shù)據(jù)庫(kù)中的衛(wèi)星,選用YAOGAN衛(wèi)星系統(tǒng)中的YAOGAN_1、YAOGAN_2、YAOGAN_3、YAOGAN_4、YAOGAN_5、YAOGAN_6、YAOGAN_7、YAOGAN_8、YAOGAN_9A、YAOGAN_9B、YAOGAN_9C共11顆衛(wèi)星作為L(zhǎng)EO分析對(duì)象;選用COSMOS衛(wèi)星系統(tǒng)中的COSMOS_2413、COSMOS_2418、COSMOS_2425、COSMOS_2426、COSMOS_2431、COSMOS_2432共6顆衛(wèi)星作為MEO分析對(duì)象;選用IS衛(wèi)星系統(tǒng)中的IS-5、IS-9、IS-11、IS-12共4顆衛(wèi)星作為GEO分析對(duì)象.如此建立模型,可以實(shí)現(xiàn)全球業(yè)務(wù)覆蓋以及熱點(diǎn)地區(qū)區(qū)域增強(qiáng)的要求.系統(tǒng)模型如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)模型示意圖

在計(jì)算骨干網(wǎng)接入能力時(shí)分析全球接入能力是無(wú)意義的,也是不符合實(shí)際的,因?yàn)樾l(wèi)星繞地球飛行,全球最大接入能力就是將所有衛(wèi)星以最大帶寬進(jìn)行接入,此結(jié)果為定值,因此,分析的應(yīng)是某一個(gè)地區(qū)接入空間信息網(wǎng)絡(luò)的能力.在實(shí)驗(yàn)中,本文作者分析了西班牙馬德里地區(qū)的用戶(hù)接入空間信息網(wǎng)絡(luò)的能力.在STK中,可將該地區(qū)的用戶(hù)抽象為一個(gè)位于馬德里的地面站.同理,分析骨干網(wǎng)內(nèi)部傳輸速率時(shí)如果不指定接收區(qū)域,空間信息網(wǎng)就會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)全局網(wǎng),每條鏈路的含義并不明確,這種計(jì)算也是無(wú)意義的,因此必須指定接收區(qū)域.在實(shí)驗(yàn)中,作者選擇了美國(guó)奧蘭多地區(qū)作為接收用戶(hù)的分布范圍,在STK中抽象為一個(gè)位于奧蘭多的地面站.因此,在本實(shí)驗(yàn)中,作者分析了西班牙馬德里地區(qū)的用戶(hù)接入空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的能力,以及接入后通過(guò)空間信息網(wǎng)向美國(guó)奧蘭多地區(qū)傳輸數(shù)據(jù)的能力.

在分析骨干網(wǎng)接入能力時(shí),假設(shè)同一星座中衛(wèi)星的收發(fā)機(jī)功率、帶寬相同,且軌道越高,功率與帶寬也越大.考慮衛(wèi)星為信號(hào)發(fā)射端,安裝發(fā)射機(jī),地面用戶(hù)為信號(hào)接收端,安裝接收機(jī).假設(shè)LEO衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)帶寬為100 MHz,MEO為200 MHz,GEO為500 MHz.假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射機(jī)天線(xiàn)對(duì)地發(fā)射的波束為筆形波束,主瓣增益為30 dB,地面接收機(jī)天線(xiàn)為全向天線(xiàn).主要噪聲干擾來(lái)自于背景噪聲與星間干擾.背景噪聲可在STK中選擇國(guó)際電信聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置,并考慮下雨、大氣層等因素的影響.星間干擾主要來(lái)源于接收機(jī)可能同時(shí)位于多顆同頻率的衛(wèi)星波束覆蓋范圍之內(nèi),當(dāng)選擇一顆接入時(shí),其他衛(wèi)星的同頻信號(hào)需要被視作干擾信號(hào).

在分析骨干網(wǎng)內(nèi)部傳輸能力時(shí),可以任意指定發(fā)送端和接收端,并假設(shè)星間通信的最大帶寬與接入帶寬相同,載波頻率位于Ka波段,設(shè)為34.5 GHz;背景噪聲的選擇符合國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn).

2 衡量方法

骨干網(wǎng)向某給定區(qū)域用戶(hù)提供的接入能力,定義為骨干網(wǎng)面向該區(qū)域用戶(hù)的最大數(shù)據(jù)接入能力;可以通過(guò)計(jì)算骨干網(wǎng)中所有可見(jiàn)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的接入能力之和,衡量骨干網(wǎng)的接入能力.骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力,定義為骨干網(wǎng)內(nèi)部最大的數(shù)據(jù)流通能力;可以通過(guò)計(jì)算骨干網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸速率上限,衡量骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力.

關(guān)于骨干網(wǎng)接入能力分析.設(shè)馬德里地區(qū)在某一時(shí)刻對(duì)N個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可見(jiàn),衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)通過(guò)單址天線(xiàn)接入業(yè)務(wù).單址天線(xiàn)帶寬為W.由于一個(gè)用戶(hù)可能同時(shí)在幾顆衛(wèi)星波束的覆蓋范圍內(nèi),所以用戶(hù)接入時(shí)存在相互干擾.在t時(shí)刻,Pvi(t)表示衛(wèi)星vi的發(fā)射功率,γvi,uj(t)表示骨干星vi和用戶(hù)uj之間的路徑損耗,給出其信噪比

(1)

其中N0為背景噪聲功率,β為信噪比的臨界值,G為系統(tǒng)的處理增益.

γv,u(t)理論上滿(mǎn)足公式(2):

(2)

網(wǎng)絡(luò)的接入容量λN為空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)和所有用戶(hù)之間數(shù)據(jù)傳輸速率之和,

(3)

式中,Lvi,uj(t)∈{0,1}表示在接入控制策略下,骨干星vi和用戶(hù)uj在t時(shí)刻能否建立鏈接,在本實(shí)驗(yàn)中,由于分析最大接入能力,令其恒等于1.Avi,uj(t)表示vi和uj是否可見(jiàn),滿(mǎn)足:

(4)

Rvi,uj(t)表示骨干星vi和用戶(hù)uj之間數(shù)據(jù)傳輸速率,可由香農(nóng)公式得到:

(5)

關(guān)于骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力分析.假設(shè)馬德里與奧蘭多上空可見(jiàn)衛(wèi)星的集合為{N},即共有N個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn),對(duì)于馬德里或奧蘭多可見(jiàn).衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間通過(guò)Ka單址天線(xiàn)通信,且星上只有一副Ka單址天線(xiàn)用于骨干網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)同一時(shí)刻上最多存在一條星間鏈路.設(shè)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在的鏈路數(shù)目為L(zhǎng),衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)vi和vj間的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為Evi,vj,則空間信息網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力上限,即為空間信息網(wǎng)絡(luò)中能夠同時(shí)存在的所有通信鏈路的速率之和.建立最優(yōu)化問(wèn)題,如公式(6).

(6)

式中,deg(vi)表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)vi的維度,由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)只具有一個(gè)Ka單址天線(xiàn),因此deg(vi)≤1,Uvi表示所有和vi可建鏈的節(jié)點(diǎn)集合.

考慮到上述最優(yōu)化問(wèn)題是NP-hard問(wèn)題,無(wú)法在有限時(shí)間內(nèi)求得最優(yōu)解.為減少算法復(fù)雜度,本研究擬采用貪心算法求解骨干網(wǎng)的最大數(shù)據(jù)傳輸能力.求解思路如下:

1)設(shè)骨干網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合為T(mén),對(duì)于所有滿(mǎn)足vj∈Uvi,vi∈Uvj的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)vi和vj,選取最大權(quán)值Evi,vj.

2)將節(jié)點(diǎn)vi和vj從集合T中去掉,T=T/{vi,vj},返回步驟1),選取剩余節(jié)點(diǎn)的最大權(quán)值.直到T為空集或單點(diǎn)集.

3 仿真驗(yàn)證

3.1 骨干網(wǎng)接入能力仿真

在STK中,將實(shí)驗(yàn)的始末時(shí)間設(shè)為2016年11月07日00∶00∶00與2016年11月08日 00∶00∶00(UTC時(shí)間),即分析2016年11月7日這一天的狀態(tài).

圖3是馬德里地區(qū)在這一天之內(nèi)對(duì)各個(gè)衛(wèi)星可見(jiàn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)圖.

圖3 馬德里地區(qū)衛(wèi)星可見(jiàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖(UTCG,也可寫(xiě)作GregorianUTC或GregUTC,即公歷UTC時(shí)間)

根據(jù)圖3可以得出,在一天的時(shí)間中,用戶(hù)上空的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量是變化的,除了3顆地球同步衛(wèi)星始終可見(jiàn)以外,中軌星和低軌星有時(shí)可見(jiàn),有時(shí)不可見(jiàn).可以初步推斷,該地區(qū)接入空間信息網(wǎng)的能力在一天中也是變化的,當(dāng)可見(jiàn)星較多時(shí),接入能力也會(huì)增強(qiáng).

通過(guò)設(shè)置接收機(jī)的載波噪聲比約束,即選擇(4)式中合理的β值,得出滿(mǎn)足要求的鏈路.當(dāng)某一時(shí)刻只有一條鏈路存在時(shí),將在STK中讀出的載波噪聲比C/N作為信噪比SINR的值,直接代入公式(5),計(jì)算得到接入數(shù)據(jù)傳輸速率.當(dāng)同一時(shí)刻有多條鏈路存在時(shí),需要考慮不同鏈路之間的干擾,依據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算.為計(jì)算方便,可取L=1,并將公式(1)變形為公式(7):

(7)

以上為根據(jù)STK仿真的鏈路信息得出的最大接入傳輸速率,下面利用(2)式直接計(jì)算出γv,u(t),將此參數(shù)代入公式(1),計(jì)算得出信噪比,并利用該信噪比計(jì)算出空間信息網(wǎng)絡(luò)最大接入傳輸速率,與STK中仿真得到的結(jié)果作比較.

圖4是在Matlab中繪出的2016年11月7日00∶00∶00至2016年11月7日00∶06∶00(UTC時(shí)間)馬德里地區(qū)用戶(hù)接入空間信息網(wǎng)最大速率的效果圖,其中實(shí)線(xiàn)為根據(jù)STK仿真得到的數(shù)據(jù),虛線(xiàn)為根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的數(shù)據(jù).

圖4 空間信息網(wǎng)絡(luò)接入速率仿真圖

當(dāng)只通過(guò)GEO衛(wèi)星接入時(shí),由于信噪比十分不理想,傳輸速率很低,當(dāng)增加MEO衛(wèi)星接入時(shí),傳輸速率有一定的提高,當(dāng)再增加LEO衛(wèi)星接入時(shí),傳輸速率顯著提高.因此,構(gòu)建“區(qū)域增強(qiáng)層”是很有必要的.

3.2 骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力仿真

下面選擇一個(gè)特定的時(shí)刻(15∶20∶00)舉例說(shuō)明骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力的計(jì)算方法.

在15∶20∶00時(shí)刻,馬德里上空滿(mǎn)足要求的衛(wèi)星有YAOGAN_6、YAOGAN_1、COSMOS_2418、COSMOS_2413、COSMOS_2425、IS-11、IS-5、IS-12;奧蘭多上空滿(mǎn)足要求的衛(wèi)星有YAOGAN_8、YAOGAN_9A、YAOGAN_9B、YAOGAN_9C、COSMOS_2418、COSMOS_2413、IS-11、IS-5、IS-9.

現(xiàn)在假設(shè)馬德里上空的衛(wèi)星全部有接入數(shù)據(jù),并且所有數(shù)據(jù)都需要發(fā)送至奧蘭多.可以看出,有些衛(wèi)星是同時(shí)覆蓋兩個(gè)地區(qū)的,認(rèn)為信息可以直接通過(guò)這些衛(wèi)星進(jìn)行中繼,不需要在骨干網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.將這些衛(wèi)星排除分析之后,根據(jù)衡量標(biāo)準(zhǔn)中的貪心算法,同一時(shí)刻存在的鏈路為YAOGAN_6到Y(jié)AOGAN_9B,YAOGAN_1到COSMOS_2413,COSMOS_2425到COSMOS_2418,IS-12到IS-5.

每一條鏈路的信息傳輸速率可按照公式(5)進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 鏈路傳輸速率

將以上鏈路的信息傳輸速率求和,解得特定時(shí)刻馬德里與奧蘭多之間的骨干網(wǎng)信息傳輸速率為2 550 Mb/s.

可以看出,骨干網(wǎng)內(nèi)部傳輸速率遠(yuǎn)大于接入速率.這是因?yàn)樾盘?hào)在衛(wèi)星間傳輸時(shí)距離地面較遠(yuǎn),受各種噪聲影響較小:例如YAOGAN_6到Y(jié)AOGAN_9B這條鏈路,根據(jù)STK中仿真得到的數(shù)據(jù),在特定時(shí)刻的載波噪聲比為26.03 dB,而在同一時(shí)刻YAOGAN_6對(duì)馬德里地區(qū)的接入載波噪聲比僅為3.48 dB.

從另一個(gè)角度分析,如果沒(méi)有中低軌衛(wèi)星構(gòu)成的“區(qū)域增強(qiáng)層”,只采用GEO軌道的中繼衛(wèi)星進(jìn)行通信,信息傳輸速率為709 Mb/s,而采用“區(qū)域增強(qiáng)層”后,信息傳輸速率為2 550 Mbps,提高了約3.6倍.

4 結(jié) 論

隨著空間平臺(tái)數(shù)量的不斷增多,空間信息網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性在不斷增加,本文作者研究了“骨干+區(qū)域增強(qiáng)”雙層骨干網(wǎng)架構(gòu)的空間信息網(wǎng)絡(luò),在原有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提高了模型的復(fù)雜度,提出了空間信息網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力的衡量方法,并通過(guò)STK與Matlab進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了提出方法的合理性.

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(責(zé)任編輯：包震宇,郁 慧)

Research on the method of measuring space informationnetwork capacity in communication service

Zhu Shichao, Gui Lin, Luo Hanwen, Tian Feng, Zhang Qi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Because of the large scale characteristic of space information network in terms of space and time and the increasing of its complexity,existing measuring methods of information transmission capacity have been unable to measure the existing and future space information networkeffectively.In this study,we firstly established a complex model of space information network,and measured the whole space information network capacity by means of analyzing data access capability to the network and data transmission capability within the network.At last,we verified the rationality of the proposed measuring method by using STK and Matlab simulation software for collaborative simulation.

space information network; data access capability; data transmission capability; STK simulation; Matlab simulation

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.015

2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471236,61420106008,61671295)；111計(jì)劃(B07022)；上海市浦江人才計(jì)劃(16PJ D029)

朱世超(1993-),男,博士研究生,主要從事無(wú)線(xiàn)通信方面的研究．E-mail:zhushichao@sjtu.edu.cn

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 歸 琳(1975-),女,研究員,主要從事寬帶無(wú)線(xiàn)通信、圖像通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的研究．E-mail:guilin@sjtu.edu.cn (通信聯(lián)系人)

TN 927

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1000-5137(2017)01-0086-07