王力權(quán)，張開禾

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為我國新基站的時(shí)代背景下，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)具有全天時(shí)、全球覆蓋、不受氣候影響的優(yōu)點(diǎn)，利用低軌衛(wèi)星進(jìn)行信號轉(zhuǎn)接可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶間或移動(dòng)用戶與固定用戶間相互通信。低軌星座系統(tǒng)的廣域覆蓋性不僅可以提供全球無縫覆蓋的移動(dòng)通信服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，還可以兼顧窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。采用低軌星座構(gòu)建衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的全球無縫覆蓋，解決高軌衛(wèi)星存在的南山效應(yīng)、地面基站覆蓋盲區(qū)等其他系統(tǒng)問題，而且傳輸時(shí)延低至幾個(gè)毫秒的量級，傳輸損耗小，利于終端設(shè)備的低功耗、小型化[1-2]。因此，為解決物聯(lián)網(wǎng)泛在通信需求，單純依靠地面網(wǎng)絡(luò)和高軌衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展面臨極大困難，利用低軌星座提供低功耗、低成本、全球覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)具有很大的優(yōu)勢[3-5]。從衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)看，目前現(xiàn)有在軌工作的、可以提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的系統(tǒng)大致有國外的Orbcomm星座系統(tǒng)、銥星二代星座系統(tǒng)、國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)，以及國內(nèi)的北斗系統(tǒng)、天通系統(tǒng)和尚處于研發(fā)階段的天地一體化、鴻雁等低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)[3-5]。

基于節(jié)約成本和空間頻軌資源考慮，國內(nèi)低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)基本上都設(shè)計(jì)為多用途共享衛(wèi)星的頻率、功率、波束等信道資源。這樣在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中既要保障基礎(chǔ)移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，又要滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，衛(wèi)星信道資源需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)配置。因此，如何能夠通過動(dòng)態(tài)調(diào)整分配方式提高衛(wèi)星資源利用率成為系統(tǒng)研究重點(diǎn)之一[6-7]。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括空間段、用戶段和地面段，其中，空間段是指提供信息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)的衛(wèi)星星座，用戶段是指各類物聯(lián)網(wǎng)終端，地面段主要是指地面服務(wù)系統(tǒng)，包含衛(wèi)星測控中心、系統(tǒng)控制中心及信關(guān)站等部分。其中，衛(wèi)星測控中心及相應(yīng)的測控網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)保持、監(jiān)視和管理衛(wèi)星的軌道位置姿態(tài)、控制衛(wèi)星的星歷表等；系統(tǒng)控制中心負(fù)責(zé)處理用戶登記、身份確認(rèn)、記費(fèi)以及其他的網(wǎng)絡(luò)管理等功能，可以統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)下各衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的用戶終端數(shù)量；信關(guān)站負(fù)責(zé)呼叫處理、交換及與地面通信網(wǎng)的互聯(lián)互通等功能[8]。

圖1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Satellite internet of things system architecture

空間段衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成用戶尋址、接入控制及調(diào)度等功能，但在實(shí)際系統(tǒng)建設(shè)中存在頻率軌位等空間資源受限、衛(wèi)星平臺能力受限等因素，空間段的信道資源能力決定了系統(tǒng)的用戶容量。因此，根據(jù)衛(wèi)星波束覆蓋特點(diǎn)，研究該系統(tǒng)架構(gòu)下的業(yè)務(wù)模型和信道資源分配策略，優(yōu)化資源分配算法，提高衛(wèi)星資源利用率，對于提升衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能力至關(guān)重要。

1.2 通信體制

從物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)來看，主要是數(shù)據(jù)采集和非連續(xù)有限控制，其業(yè)務(wù)特性決定了物聯(lián)網(wǎng)上行數(shù)據(jù)為周期性突發(fā)或隨機(jī)突發(fā)為主，數(shù)據(jù)量較小，但是用戶數(shù)量較大，用戶分布較為隨機(jī)。因此，在接入設(shè)計(jì)上應(yīng)該簡化接入流程，優(yōu)化接入效率，提高用戶容量，以滿足海量物聯(lián)用戶的數(shù)據(jù)回傳應(yīng)用需求[9-10]。低軌星座系統(tǒng)考慮有限的信道資源為話音、數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)用途共享使用，物聯(lián)服務(wù)占用資源應(yīng)該盡量少，所以在通信體制設(shè)計(jì)上通常采用下行時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)和上行時(shí)隙隨機(jī)接入 (Slot ALOHA，S-ALOHA)的工作方式。TDM信道按照時(shí)分復(fù)用先到先發(fā)原則向所有終端廣播上行可用信道、信道狀態(tài)、系統(tǒng)時(shí)間以及反饋應(yīng)答等信息。S-ALOHA信道為競爭接入信道，為盡量減少碰撞，信道設(shè)計(jì)時(shí)物聯(lián)終端需要傳送的信息盡量在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成。本文后面的研究都是針對業(yè)務(wù)僅在一個(gè)突發(fā)時(shí)隙內(nèi)承載的情況，進(jìn)行資源分配策略設(shè)計(jì)和分析。

如圖2所示，系統(tǒng)上行的信道資源是由時(shí)隙和載波頻率二維組成，假設(shè)衛(wèi)星有m個(gè)載波頻率可以用于物聯(lián)網(wǎng)ALOHA，在時(shí)間上每幀由n個(gè)時(shí)隙組成，每個(gè)終端在一幀內(nèi)只允許有一個(gè)突發(fā)，一個(gè)突發(fā)在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成。這樣，系統(tǒng)總的信道資源數(shù)量為n×m個(gè)，終端有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)選擇其中一個(gè)信道資源塊進(jìn)行傳輸。

圖2 上行信道資源示意圖Fig.2 Schematic diagram of uplink channel resource

1.3 波束覆蓋

單星覆蓋特性與軌道高度有關(guān)，并決定星座整體參數(shù)。單星覆蓋幾何關(guān)系如圖3所示。其中S為衛(wèi)星，φ為覆蓋區(qū)域地心半角，β為星上通信設(shè)備的半錐角，ε為地面覆蓋區(qū)域邊緣仰角。

圖3 單星覆蓋幾何關(guān)系Fig.3 Geometric relation of single star coverage

衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域地心半角φ為：

(1)

其中，Re為地球半徑，H為衛(wèi)星高度。對于圓軌道星座，地心半角φ決定同軌道內(nèi)衛(wèi)星顆數(shù)和軌道數(shù)。

不同的軌道高度、不同的衛(wèi)星個(gè)數(shù)所形成星座的覆蓋效率也不同[11]。設(shè)定低軌星座系統(tǒng)的工作軌道850 km高度圓軌道，當(dāng)?shù)孛娓采w區(qū)域邊緣仰角為10°時(shí)，衛(wèi)星對應(yīng)的地心半角φ為19.66°，要完成全球無縫覆蓋，至少需要6個(gè)軌道面，每軌道面需10顆衛(wèi)星，整個(gè)星座系統(tǒng)由60顆衛(wèi)星組成，星座的2D覆蓋情況如圖4所示。

星座對地球表面進(jìn)行覆蓋，若地面用戶在任意時(shí)刻都至少被一顆衛(wèi)星所覆蓋，則稱星座對用戶進(jìn)行了一次覆蓋。同理，若用戶在任意時(shí)刻都至少被N顆衛(wèi)星所覆蓋，則稱星座對用戶進(jìn)行了N重覆蓋。仿真分析軌道高度850 km的低軌衛(wèi)星星座平均覆蓋重?cái)?shù)如圖5所示，全球絕大部分的覆蓋都超過一重，也就是說同樣地區(qū)的終端可以選擇多顆衛(wèi)星通信，當(dāng)衛(wèi)星資源不足時(shí)也可以通過補(bǔ)星實(shí)現(xiàn)能力增強(qiáng)。因此，研究終端選星策略，選擇哪個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行通信，對于低軌星座系統(tǒng)尤為重要，也是提升星座資源效率的重要手段。

圖4 星座覆蓋2D圖示Fig.4 2D illustration of constellation coverage

圖5 低軌星座平均覆蓋重?cái)?shù)Fig.5 Average coverage multiplicity of LEO constellation

2 資源分配策略

2.1 業(yè)務(wù)模型

考慮到衛(wèi)星全球覆蓋的特點(diǎn)，其業(yè)務(wù)在從空間分布上，同一波束內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端分布廣泛，數(shù)量極多。從時(shí)間分布上，由于衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)，一個(gè)軌道周期內(nèi)衛(wèi)星波束將掃過地表不同區(qū)域。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量在空間和時(shí)間兩個(gè)維度中都表現(xiàn)出很強(qiáng)的突發(fā)性和時(shí)變性[12]，因此對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征進(jìn)行準(zhǔn)確建模分析，刻畫其在時(shí)間空間維度上的變化趨勢，能夠?yàn)樾l(wèi)星資源分配策略的高效實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。突發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量可以由一個(gè)泊松過程近似表示[13]。假設(shè)總數(shù)為N的物聯(lián)網(wǎng)終端在t=0到t=T之間的某一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)，隨機(jī)接入的概率為p(t)，則第i個(gè)時(shí)隙中被觸發(fā)的終端數(shù)目可以表示為：

(2)

其中，ti表示第i個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙，p(t)=λe-λt。

泊松近似方法仿真業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化的情況如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)量隨時(shí)間發(fā)生劇烈變化，具有顯著的高峰均比特征。

圖6 泊松分布的業(yè)務(wù)量仿真Fig.6 Traffic simulation of poisson distribution

低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋場景將不斷地在海洋與陸地、城市與農(nóng)村、平原與山地等區(qū)域之間轉(zhuǎn)換，終端數(shù)量和覆蓋場景密切相關(guān)，分布符合泊松近似方法。在實(shí)際部署時(shí)系統(tǒng)控制中心可通過終端注冊消息統(tǒng)計(jì)獲取衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的實(shí)際終端總數(shù)量，并通過星間鏈路更新到每個(gè)衛(wèi)星控制器。

2.2 選星策略

終端與衛(wèi)星間的距離不同，距離越近，需要的發(fā)射功率越小，反之越大。仰角用于衡量信道衰落和陰影等情況，使用高仰角工作可以節(jié)省終端發(fā)射功率，保證接入到信號最強(qiáng)的衛(wèi)星。基于減小終端功耗和成本因素考慮，終端選擇衛(wèi)星時(shí)根據(jù)最大仰角準(zhǔn)則，優(yōu)先選擇最大仰角的衛(wèi)星進(jìn)行接入[14-15]。

終端通過接收衛(wèi)星下行廣播信號可以獲得共視區(qū)的所有衛(wèi)星星歷，執(zhí)行接入流程如圖7所示。

圖7 最大仰角選星策略Fig.7 Maximum elevation selection strategy

具體步驟包括：

① 終端出現(xiàn)接入需求時(shí)，遍歷當(dāng)前共視區(qū)的衛(wèi)星星歷，確定衛(wèi)星實(shí)時(shí)星下點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)；

② 計(jì)算各可視衛(wèi)星實(shí)時(shí)星下點(diǎn)和終端位置之間距離；

③ 根據(jù)衛(wèi)星控制器前向廣播的信道參數(shù)情況，判斷是否可以接入；若信道空閑則選擇最大仰角接入最近的衛(wèi)星；

④ 若本衛(wèi)星信道均被占用，則查看相鄰衛(wèi)星信道的使用情況，逐步可視衛(wèi)星列表隨機(jī)選擇部分既定比例的終端接入相鄰衛(wèi)星；

⑤ 完成接入選星后進(jìn)行業(yè)務(wù)通信，等待進(jìn)入下一個(gè)接入時(shí)刻。

按照最大仰角和業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行選星的工作策略是實(shí)現(xiàn)低軌星座系統(tǒng)資源分配的有限途徑。

2.3 資源分配策略

在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著用戶日趨增加，要解決所有用戶的接入，尤其是保障重要用戶/高價(jià)值用戶接入，依靠提高衛(wèi)星覆蓋能力的擴(kuò)容是無法實(shí)現(xiàn)的。一般通過用戶分級，優(yōu)先接入的方法實(shí)現(xiàn)重要客戶和高價(jià)值用戶隨遇接入。目前主流采用的方法主要有兩種：一種是無線資源預(yù)留方式；另一種是在無線資源擁塞情況下，高優(yōu)先級用戶爭搶優(yōu)先。為了更高效利用有限的衛(wèi)星資源，本文采用高優(yōu)先級用戶優(yōu)先的接入方式接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以提升高優(yōu)先級衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端的接入成功率。

將物聯(lián)網(wǎng)終端業(yè)務(wù)按優(yōu)先級劃分為高、中、低3個(gè)級別，設(shè)定3個(gè)級別的接入成功率閥值，系統(tǒng)控制中心可以統(tǒng)計(jì)出高、中、低3個(gè)級別的注冊用戶終端數(shù)量。假設(shè)為高、中、低所需信道數(shù)量分別為A、B、C(通過下節(jié)仿真可以確定所需信道數(shù)量)，單星可用于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的最大信道數(shù)量為D，信道分配策略如下：

① 如果D>A+B+C時(shí)，表明衛(wèi)星的信道資源足夠保障各類優(yōu)先級的終端接入成功率需求，終端按照最大仰角準(zhǔn)則選擇最近的衛(wèi)星信道接入即可。

② 如果DA+B時(shí)，表明單顆衛(wèi)星的信道資源只能保障高、中優(yōu)先級的終端接入需求，低優(yōu)先級終端根據(jù)第2.2節(jié)選星策略按既定比例的終端接入相鄰衛(wèi)星。

③ 如果DA時(shí)，表明單顆衛(wèi)星的信道資源只能保障高優(yōu)先級的終端接入需求，中、低優(yōu)先級終端根據(jù)自主選星策略按既定比例的終端接入相鄰衛(wèi)星。

④ 如果D

3 仿真分析

為了確定上節(jié)資源分配策略中滿足各種業(yè)務(wù)優(yōu)先級終端應(yīng)用系統(tǒng)所需各類信道資源的數(shù)量，對接入成功率、終端數(shù)、信道數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行仿真。設(shè)定系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式符合前文描述的泊松分布規(guī)律，突發(fā)時(shí)隙長度為100 ms，幀長為1 s，終端分別每10 min、30 min和60 min隨機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，仿真接入成功率P與終端數(shù)量K/載波數(shù)量N的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖8所示。

(a) 一次成功率的仿真曲線

(b) 3次重發(fā)時(shí)的成功率曲線

通過圖8的分析，系統(tǒng)控制中心可以根據(jù)終端位置統(tǒng)計(jì)每顆衛(wèi)星在其軌道周期內(nèi)各覆蓋區(qū)域中不同優(yōu)先級用戶數(shù)量，確定每顆衛(wèi)星在不同時(shí)段需要的信道數(shù)量。通過系統(tǒng)控制和信道分配策略，當(dāng)本星資源不足時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)按優(yōu)先級從低到高的順序遷移到相對空閑的臨星，以達(dá)到系統(tǒng)資源利用率的最大化。

4 結(jié)論

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的信道資源是由波束、頻率、功率、時(shí)隙等多維信道資源構(gòu)成，信道分配策略較為復(fù)雜，本文研究了根據(jù)終端位置及業(yè)務(wù)優(yōu)先級相結(jié)合的信道分配策略，通過仿真分析確定了接入成功率與信道資源配比的關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中可以根據(jù)各區(qū)域的業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)和成功率門閥設(shè)置動(dòng)態(tài)調(diào)整低軌衛(wèi)星系統(tǒng)用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的信道數(shù)量。本文研究結(jié)果可用于指導(dǎo)低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營中衛(wèi)星信道資源的配置需求。