（计算机软件与理论专业论文）多层卫星网络中ip动态路由算法的研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文 摘要 在卫星网络中应用i p 路由技术将能够使卫星网络具有许多i p 技术的优势由 于卫星网络具有拓扑结构动态变化、较大传输时延等与地面网络不同的特点。而 卫星网络中应用的i p 路由算法的优劣将直接影响到整个通信网络的性能以及通 信的质量。由于卫星网络具有区别于地面网络的拓扑结鞫的动态交化等独有的特 点，使得适用于地面网络的路由算法不能用于卫星网络上，因此必须针对卫星网 络的特点设计适合于卫星网络的i p 路由算法。 在对卫星网络上的路由技术介绍后，本文将已经存在的l e o ，m e o 和g e o 三个卫星网络紧密在一起，引入了多层卫星网络的概念，以提高卫星网络的容量 和工作效率，然后在此基础上提出了运行于多层卫星网络上的动态路由算法。本 算法以最短路径路由算法为基础，基于i p 技术实现，充分地利用了多层卫星网 络的特点，减少了卫星网络中各节点在路由中的路由消耗，达到了比单一卫星网 络更好的网络效率。然后本文应用当前流行的网络仿真软件n s 2 对多层卫星网 络和本文提出的路由算法进行了仿真，并对试验结果进行了分析，证实了多层卫 星网络的动态路由算法的有效性和可靠性。 关键词：路由算法；卫星网络；仿真 - 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i p r o u t i n ga i g o d d l r n s w i i l d i r e c t l y i n n u e n c et h e p e r f b n r i a r l c e o faw h o l e c o m m u n i c a t i o nn e t _ i v o r k a 1 1 dt h e q u a l i t y o fc o m m u n i c a t i o n s s o d os a t e l l i t e c o 彻u n i c a t i o nn e 柳o f k s b e c a u s eo f s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s d y n a m i c t o p o l o g ye t c o fs a t e l l i t e n e t w o r k sw h i c ht e i t e s t r i a ln e t w o r k sd on o th a v e ，m u t i n g a l g o r i t h m sw o r k i n g i nt e n - e s f a 1n e m o r k sd on o tf i ts a t e l l i t en e t w o r k sa n dt h e r ee x i s t s n os t a n d a r dm u t i n ga l g o “t h m t h e r e f o r eic ss on e c e s s a r yt od e v e i o pan e wr o u t i n g a l g o r i t h m ，w h i c hi st a i l o r e dj u s tf o rs a t e l l i t en e t w o r k a st oi t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s a n e rg i v i n gat o pv i e wo fs a t e m t cc o m m u n i c a t i o n si n c l u d i n ga h i t u d e so fo r b i t s ， p e r i o d i c a lr u n n i n g ，c o n s t e l l a t i o nm o d e la n dt 叩0 1 0 9 ya n ds oo n am u l t i - 1 a y e r e d s a t e l l i t emn c t w o r ki si n t r o d u c e dt h a tc o n s i s to fl e 0 m e oa n dg e o s a t e l l i t e si nt h i s d i s s e r t a t i o nt oi m p r o v e c a p a b i l i t ya n de 纯c i c yo f t h ew h o l es a t e l l i t en e t w o r k s a n d b a s e do nt h en e ws a t e l l i 钯n e 脚o r ks t n l c “瞪e ，t h ed i s s e n a t i o ni n t r o d u c e sa n d a m i c r o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hi sd e s i g nf 昕t h es p e c i a lc h a r a c t e r so fm u l t i 一1 a y e rs a t e l l i t e 1 1 e t w o r k t h ea l g o r i t h mi so nt h eb a s i so fb e l l m a na l g o r i t h m ，r e d u c i n gt h er o u t i n g c o n s u m m j a t j o nb e t w e e na l ls a t e l l i t en o d e s ，u m t e dt h r e e e x i s t i n g s a t e l l i t en e t w o r k t j 曲t l y ，o f 诧rb e t t e rn e t w o r k i n ge m c i e n c yt h a ns i n g l en e t w o r k f i n “1 ya n a l y s i sa n d d e s i g no f a t o m i n ga l g o r i 也ms i m u l a t i o ns y s t e r no n t h en e t w o r ks i m u l a t i o nt 0 0 1n s 2 ， t h em u l t i 一1 a y e rs a t e l l i t en e t w o r ka n dt h ed y n a l t l i ci o u t i n ga l g o r i t h mi ss i m u l a t e do n t h es i m u l a t i o n s y s t e m i t sp t o v e db yt h er e s u ho fs i m u l a t i o nt h a tt h er o u t i n g a l g o r i t h m i se f f e c t i v e k e yw o r d s ：r o u t j n ga l g o r i t h m ；s a t e l l i t en e t w o 矗；s i m u l a t i o n 一5 一 南京邮电学院硕士研究生学位论文 引言 卫星网络以其特有的覆盖面积广、通信费用与距离无关、不受地面自然灾害 的影响、卫星地面站安装简单、快捷而成为国家信息基础设施中一个重要的传输 手段。近几年，包括我国在内的世界各国都大力发展卫星网络系统以满足用户对 高清晰电视、会议电视、高数据传输、可视电话、图像点播和远程教育等各种不 断增加的需求。而随着网络技术的不断发展，未来的网络将是一种以i p 为核心 的宽带的融合网络，这种网络能提供语音、数据、图像、视频等多种业务的支持， 承载i p 数据报，i p 技术成为当今网络发展的方向。在卫星网络中应用i p 路由 技术将能够使卫星网络具有许多i p 技术的优势由于卫星网络具有拓扑结构动态 变化、较大传输时延等与地面网络不同的特点。于卫星网络具有区别于地面网络 的拓扑结构的动态变化等独有的特点，使得适用于地面网络的路由算法不能用于 卫星网络上，因此必须针对卫星网络的特点设计适合于卫星网络的i p 路由算法。 本文首先对卫星组网的历史背景做了介绍，说明了卫星系统从弯管式的中 继转发系统发展到有星间链路的卫星网络系统的过程。对卫星网络的特点做了介 绍，并阐述了当代卫星网络的特征。并且对卫星星座基于地面的组网方式及基于 太空的组网方式两种组网形式分别进行了阐述，并作了比较。然后阐述了卫星通 信网络的组成结构，介绍了卫星所具有的几种不同的轨道类型，其中主要包括地 面静止轨道、低轨、中轨和高椭圆轨等卫星轨道类型。在对卫星的不同轨道类型 进行说明后，本文对卫星网络的两种基本的星座模型进行了说明，比较了星形星 座模型和玫瑰星座模型的异同点。星形星座模型组网方式较简单，且易于控制及 实现星间链路，但玫瑰星座模型却能以较少的卫星数满足全球覆盖的要求，以节 省网络系统构建的费用。随后，本文对路由以及路由算法的概念做了一个概要的 介绍。并且对路由算法设计中需要考虑的因素做了介绍，其中包括设计意图和路 由度量标准。阐述了当前地面网络流行的两种路由算法：距离矢量路由算法和链 路状态路由算法的优点和不足。在对比卫星网络和地面网络做出了相应比较的基 础上，引入了卫星网络的几种路由策略和几种已经应用于卫星网络的路由算法。 其中主要的路由策略有虚拟拓扑策略、虚拟节点策略和拓扑依赖策略，而目前主 要的路由算法有基于i p 的路由算法、分布式的路由算法、快照序列路由算法和 基于a t m 的路由算法。由于本文提出的路由算法是基于i p 的动态路由算法， 所以本文随后对p 路由在卫星网络的应用以及面临的口包的不确定长度、路由 表的管理和路由交换速度等问题进行了阐述并且针对这些问题提出相应的解决 方法。在以上这些对卫星网络和相应路由技术介绍的基础上，本文引入了一种将 已经存在的三个卫星网络结合起来的多层卫星网络结构，以达到提高整个卫星网 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文 络的利用率和传输效率的目的。为了达到提高包处理速度，减小路由表大小和方 便路由信息交换等目的，本文给出了针对多层卫星网络的一些特殊的定义，比如 卫星组和卫星延迟报告。随后介绍了一种专门针对多层卫星网络的路由算法，本 算法以提高卫星网络的利用率和包传输效率为设计目的，以距离矢量路由算法和 最短路径路由算法为基础，基于p 技术实现，能够充分利用构成多层卫星网络 的三个网络的特点。在当前流行的网络仿真工具n s 2 进行了简单的介绍后，本 文对n s 2 进行了扩展，仿真了多层卫星网络的网络结构和相应的多层卫星网络 动态i p 路由算法。同时也对组成多层卫星网络的几个单层卫星网络做了仿真， 然后对得到的仿真结果做出了相应的比较和分析。从仿真的结果来看，多层卫星 网络的网络结构和相应的路由算法能够充分利用卫星网络资源，对网络用户提供 较好的通信质量。 一7 一 南京邮电学院颤士研究生半位论文 第一章概述 一个用于通信的卫星网络通过卫星星际和星地通信链路将不同轨道、种类和 性能的卫星、航天飞行器连接起来，成为一个综合的网络，是一个由一系列不同 轨道上多种类型的卫星，按照空间信息资源的最大有效综合利用原则，互通互连， 有机构成的智能化体系。它以独立于地面网络的天空网络的形式给人们提供通信 业务。构建一个智能化的卫星网络是一个复杂、庞大的系统工程，无论从网络技 术的深度和广度上，还是从网络的规模上来说，都将是前所未有的。本章在对卫 星网络发展的背景作了简介之后，说明了卫星提供的业务类型及卫星组网的实现 方式，最后对本篇论文涉及的问题领域、所作的贡献和内容安排作了说明。 1 1 背景 1 1 1 卫星网络简介 基于卫星的通信网络已经发展有好多年了，并且根据i s o 的o s i 网际互联 的七层参考模型，如图1 1 所示，基于不同参考层的运用于卫星网络的各个不同 的协议栈被陆续提出。 j t 用层 表示尼 台话层 伴输层 徊培层 数饽链畴层 绚厘层 廖用剧 诚- 表赤层* 谖一 台_ 话层f j j j i 4 轴层抖域 - 一凋 旨层蚪蛙 成用层 表示层 告话层 传饷层 罔嫱屡 数据链踌层 绚露层 物理，r 质( 直接链踌载l a n 、m a n 、w a n ) 图1 i i s o 的o s l 分层参考模型 用卫星进行组网是从采用分别独立的地球静止轨道的卫星开始的。在这种情 况下，卫星在通信中的作用犹如一个透明的弯管式( b e n t p i p e ) 的中继站，它把 上行链路的信号进行放大、频移处理后，然后把处理后的信号采用下行链路对地 面上的较大范围进行广播。由于所有的终端共享同一个广播式的物理链路信道， 所以必然需要一种有效的媒质访问协议来控制各个终端的访问。最常用的有分时 阿罗哈( s l o t t e da l o h a ) 协议，以及运用在甚小孔径终端( v s a t ，v e r vs m a l l a p e r t u r et e l i n a l ) 中的分时阿罗哈协议的变体等。 而在近乎于全球的范围内，通过由卫星组成的星座网络来提供无线通信服务 一8 南京邮电学院硕士研究生学位论文 的思想可以追述到m h u rc ，c 1 a r k e 在1 9 4 5 年发表在无线世界上的论文。这篇论 文中提到采用三颗地球静止轨道( g e o ，g e o s t a t i o n a r ye a n ho r b i t ) 卫星或称为 地球同步卫星来提供全球范围内的覆盖，而在十六世纪地球静止轨道就为人们所 熟知。当今的一些国际海事卫星通信系统( i n m a r s a t ) 的g e 0 系统就近似的实现 了c l a r k e 的思想，虽然这些系统的目的和c l a r k e 的初衷不大一致，因为它们大 多的用途是用来实现远程教育的电视转播。 后来，采用比地球同步卫星轨道高度低的低地球轨道( l e 0 ，l o we a r t ho r b i t ) 卫星、中地球轨道( m e 0 ，m e d i u me a n ho r b i t ) 卫星进行卫星星座组网的思想， 以及采用高椭圆轨道( h e o ，h i 曲e 1 l i p t i c a lo r b i t ) 卫星进行星座组网的思想被 陆续提出。对于面向全球覆盖的目标，采用卫星星座组网使得重复利用地面空 间接口的有限的频带成为可能，作为频率复用的结果就是在总体上提高了整个网 络的容量。 相对于地球静止轨道卫星来讲，低轨卫星、中轨卫星和一些高椭圆轨道卫星 能够提供相对较小的时延。但是这些非地球静止轨道卫星星座需要更多的卫星以 提供连续的全球覆盖，而且由于这些轨道卫星相对于地面移动的速度较快，这样 就需要更加频繁的切换( h a n d o v e r ) ，增加了系统的复杂度。 1 1 2 国外情况及发展趋势 国外在卫星网方面的研究比较早，这几年陆续推出了一些具有一定商用和军 用价值的卫星网络系统，如t e l e d e s i c 、s p a c e w a y 、s k y b r i d g e 、i r i d i u m 和g 1 0 b a l s t a r 等。 国外在基于卫星网的路由算法方面取得了一定的研究成果，主要采用的路由 算法和协议有i pr o u t i n g 、a t m - b a s e dr o u t i n g 、d a t a g r a m r o u t i n g 、b g p 和m p l s 等，如h u g h e s s p a c e w a y 和l o c k h e e dm a r t i n sa s t r 0 1 i n k 由g e o 组成，在m a c 层实现了星际链路和星地链路间的a t m 交换和路由；而t e l e d e s i c 主要采用了自 定义的路由算法。这些卫星网络系统主要采用隧道( t u r u l e l i n g ) 技术来支持单 一的点对点通信，在实现m u l t i c a s t 和q o s 方面都存在很大的难度。 1 1 3 国内技术现状 在信息交换方面，由于目前我国的卫星数量种类少，大都作为中继使用，各 个卫星自成体系，这为信息交换带来了很大的困难，对于卫星网中信息交换涉及 的传输协议和算法结构、信息的一致性表示、信息交换安全原理与方法等问题的 研究尚不够深入。目前对地面网络的各种技术，如安全保障、q o s 保障、拥塞控 9 南京邮电学院硕u 上研究生学位论文 制，已经研究得相当深入并有成功的应用。然而，卫星网和地面网有很大不同， 地面网的各种技术并不能简单套用到卫星网中。在卫星网中如何解决这些问题， 恰恰是目前研究的空白。 自“东方红一号”发射上天三十年来，我国航天技术有了长足的发展，但是 与美、俄等航天大国相比仍有较大差距。由于卫星较少，网络技术起步较晚，在 卫星网络方面还未有具体的实用性系统，仅有一些可行性分析和研究。近年来， 针对卫星网络的路由算法和协议的研究也有一些成果，但总体上还处于起步阶 段。有限空阳j 资源分散管理和利用，严重影响效益的发挥。作为一个卫星大国， 从长远打算来看，不管是从军事、民用还是商用的角度来考虑，都有必要把这些 有限的资源整合起来，充分发挥其作用。由于国内卫星、航天器相对较少，如何 有效利用天空资源显得更为重要，因此研究、统筹、规划和构建天基系统尤为迫 切。我们急需集中科研力量对卫星网关键技术进行深入、系统的研究。 1 2 卫星网络的特点 卫星通信网络与其它通信网络相比，由于卫星能够提供较宽范围的无缝连续 覆盖，因此它能为用户的无线连接提供很大的自由度，并能支持用户的移动性。 卫星通信网络具有以下特点： 卫星通信网络的服务范围宽，且不受地理条件的限制。卫星能覆盖的范围由 卫星的高度和允许的最小仰角决定。一颗g e o 卫星能有效地覆盖地球表面约1 3 的地区( 零仰角时能覆盖地区表面的4 2 ) ，因此三颗g e o 卫星即可以组成全 球系统( 南、北两极地区除外) 。一颗低轨卫星的覆盖范围虽然十分有限，但是 特定的低轨卫星星座可以实现全球覆盖。比如，由6 6 颗l e o 卫星组成的“铱” 星系统利用星际链路来扩展每一颗卫星的覆盖范围。位于卫星覆盖范围内的无论 海洋、天空或是地面上任何位置的用户，不论它们是固定的还是移动的，都能通 过卫星建立链路进行通信。 有宽的可利用带宽。卫星通信系统可利用的带宽很宽，从v h f 频段 ( 1 5 0 m h z ) 至目前己实用化的k a 频段( 2 0 3 0 g h z ) ，并在向更高的 4 0 g h z 5 0 g h z 的q 和v 频段拓展。对于c 波段( 4 6 g h z ) 和k u 频段 ( 1 2 1 4 g h z ) ，可利用的频带宽度达1 g h z 。因此，卫星网络的容量较大，如 果采用多波束星载天线等频率再利用技术，可进一步扩大系统的容量。此外，空 间光链路正逐步成为星际通信的主流，同时相应技术的改进和发展，将使星际通 过激光通信成为可能。 卫星通信网络与地面通信基础设施相对独立，网络路由简洁。由于卫星提供 了空间转发器，用户之间的通信将不依赖于地面通信网，这对于那些地面通信基 1 0 南京邮电学院硕j ：研究生学位论文 础设施不足的国家和国家( 如发展中国家) 具有重要意义。同时，对于建立或使 用地面网需要付出高昂代价的稀业务密度地区，卫星通信网能发挥重大作用。此 外，对于跨国或全国性的公司、行业和政府部门，利用卫星通信网络构成专用网， 旁路复杂的地面公用网可以传输和处理内部信息是十分合适的。 网络建设速度快、成本低。卫星通信网与地面光纤和微波中继系统相比，不 需要大量的地面工程的基础设施，建设速度快。同时，网络的运行和维护费用低， 在网络容量范围内，增加一个地球关口站的成本低，特别是对小容量或个人终端 而言，所需投资更低。 统一的业务提供商有助于网络的均匀服务，并有利于新业务的引入。通常， 一个卫星通信网是由统一的业务提供商提供服务，有利于对网络覆盖内各地区提 供一致、均匀的服务，有助于建设跨国公司的远程专用网，对个人用户f d i r e c tp c ) 也较为有利。同时，卫星通信网络对新业务的引入和拓展原有业务也较地面网有 利，如为d i r c c tp c 用户提供i n t e m e t 业务、家庭视频广播( d t h ，d i r e c t t o - h o m e ) 业务，以及提供接入功能的数字用户线( d s l ，d i g i t a ls u b s c r f b e r “n e ) 等，同 时还可以用v a s t 小站( 特别是工作于k u 和k a 波段的小站) 支持多种类型业 务。 归纳起来，面向2 1 世纪的现代卫星通信娃网络需要具备一些下列的基本特 征： 1 具有全球区域覆盖能力，以适应未来个人化业务连接需要。 2 ，利用极地轨道或网状覆盖倾斜轨道，一方面可弥补同步轨道资源的不 足，另一方面又可支撑更优良的装备实施与业务性能的需要。 3 通信业务向多样化、综合化方向发展，以期与未来多媒体高速信息传输 相沟通。 4 ， 由于可能与全球个人业务相连接，用户终端可使用类似或兼容于陆地蜂 窝移动系统的蓄电池供电的小型手持机。 5 系统设计及网络结构可提供进入或组合于现有公用通信网及陆地移动 通信网的能力。 6 网络设计、系统构成、星问协调、星星处理等充分利用现代通信智能化、 数字化及多媒体化的最新技术，以技术优势换取市场竞争和价格性能 比上的优势。 7 ，除轨道资源扩充外，对频率资源亦进行积极扩充，包括利用或混合利用 k u 、k a 甚至e h f 等高频段，以及光频段开发，以满足高吞吐量宽带业 务传输及馈线链路和星际链路的构成需要。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 1 3 卫星组网的实现方式 从组网的观点来看，有两种不同的方法来构建一个宽带的卫星星座网络。每 一个卫星星座网络都包括一系列功能相似的卫星，而卫星所起到的功能的作用根 据不同的设计主要有以下的两种方法： 1 基于地面的组网方式，这种实现方法主要是将所用的网络层的功能都放 在与卫星相连的地面网上，而卫星则不具备网络层的功能； 2 基于太空的组网方式，在这种实现方法中，网络的太空段( 即卫星) 具 有处理网络层的功能。 以下的部分将对这两种不同的网络实现方法进行说明。 1 3 1 基于地面的组网方式 在基于地面的组网方式中，每颗卫星都相当于一个在太空中的中继站。它要 么使用“弯管”式的频移放大，要么通过宽带信号的数字信号处理( d s p ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) 进行信号再生，将从处于地面的用户终端接收到的信号转发到地 面的网关上。这时卫星所起的作用犹如是地面网络的一个扩展，它成为了地面网 络的无线接口的最后一跳。从组网的观点来看，这仅仅是将媒体访问控制( m a c ， m e d i u ma c c e s sc o n 廿o i ) 、逻辑链路控制层( l l c ，l o 西c a ll i n kc o n t m l ) 和切 换控制的功能放在了网络的空间段上。采用这种实现方式的商用系统包括 g l o b a l s t a r ，i c og l o b a l 和s k y b r i d g e 等，还有一些传统的地球静止轨道卫星。 1 3 2 基于太空的组网方式 在基于太空的卫星组网方式中，每一颗卫星都是一颗具有机载处理功能 ( o b p ，o n ，b o a r dp r o c e s s i n g ) 的网络交换机或者是路由器，并且相邻的卫星之 间可以通过高频无线电或激光星间链路进行通信。这样一来，处于地面的用户终 端之问，既可以通过地面的关口站也可以直接通过卫星进行通信了。也就是说， 用户终端之间的通信可以完全由整个卫星网来完成而不需要任何地面网络的介 入。 当存在i s l s 的时候，每颗卫星都具有处理网络层的功能，这样就要考虑在 通过卫星间链路组成的网络中进行通信的路由选择问题。实际上，卫星星座就是 一个独立的网络，可以把卫星星座网和与其相连的地面关口站看作一个( a s ， a u t o m o u ss y s t e m ) 。 已经商用和计划中使用i s l s 的系统包括摩托罗拉的低轨i d i u m 星座、已计 1 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文 划的t e l e d e s i c 星座、h u 曲e s 的对地静止轨道的s p a c e w a ”中轨的s p a c e w a y 的 n g s o 计划以及对地静止轨道的a s t r 0 1 i n k 构建计划。 对于圆形轨道，在同一轨道平面中卫星由于相对位置固定，所以能用固定的 前向和后向链路设备进行星间链路的连接。而对于不同轨道平面的卫星，由于卫 星间的相对位置不是固定不变的，它们之间链路的角度和长度都随时间发生着变 化，因此需要是有具有跟踪功能的天线。在不同轨道平面交叉或分离的时候，由 于卫星间具有较高的相对速度、以及明显的多普勒频移，所以对于天线的实现要 求较高，而在实际中采用的方法往往是关闭卫星间的发射接收天线。 1 3 3 组网方式比较 在基于太空的组网方式中，卫星之间能够直接通过星间链路进行通信，从而 减少了通过星地接口传输的流量，有效的利用了有限的频带资源。在这种组网方 式中，使得处于远程的地面通信终端之间，不必经过多个星地之间中继传输就可 以进行通信。而在基于地面的星座组网中，处于不同地方的通信终端之间进行通 信，必须经过多次的星地之间的中继才能完成。 在基于太空的组网方式中，为了在星际链路间支持网络层的功能，卫星应该 具有更加复杂的交换路由的星上处理功能。而在基于地面的组网方式中，卫星 的作用是作为一个太空中的中继站而存在。在基于地面的组网设计中，卫星终端 必须靠近地面关口站以使得它们能共享同一个卫星的波束覆盖，然而，也有一些 优点如系统实现简单、网络提供的应用便于升级等。 在已提出的宽带数据卫星星座的实现中，t e l e d e s i c 和s p a c e w a yn g s o 是使 用基于太空的实现方法而具有星间链路的实现例子，s k y b r i d g e 则是采用基于地 面组网方式而没有星问链路的星座网。从组网的观点来看两种不同实现方法的协 议栈模型，如图1 3 、1 4 所示。在基于太空的组网的方式中，卫星的星座作为一 个自治系统来看，网络的空间段部分也将作为网络层的一部分。 地面终端 地面蜷端 图1 2 “弯管”中继卫星网络的实现 一1 3 南京邮电学院硕士研究生学位论文 地面终端 地面巷端 1 4 小结 图1 3 基于星间链路的卫星网络的实现 本章主要对卫星组网的历史背景做了介绍，说明了卫星系统从弯管式的中继 转发系统发展到有星间链路的卫星网络系统的过程。然后对卫星网络的特点做了 介绍，并阐述了当代卫星网络的特征。最后对卫星星座基于地面的组网方式及基 于太空的组网方式两种组网形式分别进行了阐述，并作了比较。 一1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章卫星网络结构 卫星网络的基本网络节点是卫星，而卫星在特定的轨道上运转的规律主要是 由开普勒定律给出。对于设计基于卫星网络的路由算法，以及对卫星网络进行仿 真都必须对卫星网的物理特征进行了解。本章先对卫星通信网络的组成进行了介 绍，然后对卫星的轨道高度特性进行了说明，同时对卫星组网的几何特性以及卫 星网络的星座拓扑结构进行了说明，并对于卫星网络的这些特点对基于卫星的通 信、基于卫星网络的路由算法的影响做了分析说明。 2 1 卫星网络的组成 卫星通信网络通过卫星星际和星地通信链路将不同轨道、种类和性能的卫 星、航天飞行器和其它空间实体以及地面设施连接起来，成为一个综合通信网络， 是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合利用原 则，互通互联，有机构成的智能化体系。图2 1 就是卫星通信网络的物理结构图。 1 5 南京邮电学院硕j ：研究生学位论文 2 3 图2 1 卫星通信系统构成 可见一个卫星通信网络主要由以下几个部分组成； 卫星星座：一个卫星通信网络的所有按一定规则分布的卫星构成该系统的卫 星星座，不同的卫星通信网络所需要的卫星在数量、轨道性能等方面存在很 大的差异。但是它们的基本作用相同，即提供地面段各种接收设备收发信号 之间的转接和交换处理。 地面关口站：地面关口站的主要作用如下： ( 1 )提供卫星通信网络和地面固定专用公用网、地面移动通信网的接口， 实现互连。 ( 2 ) 控制卫星移动终端接入卫星通信网络，并保障移动终端在通信的过程 中通信信号不中断。 卫星移动终端：卫星移动终端是移动用户通过卫星通信网络进行移动通信的 直接使用终端。同过这个终端，移动用户可以在移动环境中，如空中、海上、 路上获得语音或数据等各种服务业务。 2 2 卫星的轨道 卫星的运动轨道或轨迹，也就是卫星在空间运行的路径。卫星星历表描述的就 是卫星的位置随时间变化的关系。我们研究卫星的轨道就要导出用卫星位置和速 度计算轨道参数所必需的方程，并且根据轨道参数预估出卫星将来的位置和速 度。 2 2 1 开普勒定律 卫星之所以能够沿一定的轨道绕着地球运转是因为有万有引力的作用，而卫 星的运动规律应该服从开普勒的三大定律 4 】： 1 各个行星一( 卫星) 的轨道都是椭圆，太阳( 地球) 则位于这个椭圆的一 个焦点上： 2 从太阳到行星( 地球到卫星) 的矢径在相等的时间内扫过相等的面积； 3 行星绕太阳( 卫星绕地球) 运动的周期的平方和它的轨道长半轴的立方 成f 比，即r 2 知3 = c 0 c o n 是一个恒量，这个恒量对各个行星( 卫星) 都是相同的。 当卫星轨道椭圆的两个焦点重合时，则此时的椭圆轨道退化成一个圆形。为 了覆盖的均匀及较好的控制，在通常情况下，卫星轨道都被设计成圆形的。但也 1 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文 有一些例外，如用于某些区域覆盖的高椭圆轨卫星等。 本章以下的部分先根据卫星轨道高度的不同对地面静止轨道、低轨、中轨、 高椭圆轨卫星分别进行了分析比较，然后对卫星组网的星座模型、拓扑结构作了 说明。 2 2 2 地面静止轨道卫星 当卫星的轨道高度在赤道平面上空3 5 ，7 8 6 公里时，卫星运动的角速度和地 球自转的角速度相同，这是对于地面的观察者来看，就好像卫星是静止的一样， 所以称为地球静止轨道卫星。采用这种轨道类型的卫星，只需要使用三颗卫星就 可以达到覆盖除两极一些地区以外的大部分区域的覆盖要求，这也是最早被提出 来的星座组网方案。 在地面站和卫星之间的传输时延随着地面站的位置( 所处的经度和纬度) 不 同而有所差异，不过一般都在1 2 5 m s ( 毫秒) 左右，这样在两个地面站之间就有 2 5 0 m s 的时延，这也正是通过地面静止卫星进行通信的两个地面站之间半秒的来 回响应时间产生的原因。 2 2 3 低轨道卫星 当卫星的轨道高度在5 0 0 k m 和2 0 0 0 k m 之间时，也即是处在空气层的上面和 内范阿伦( v a n a l l e n b e l t ) 带之间，这种卫星称为低轨卫星。如果要采用低轨卫 星来进行全球覆盖的话，将会需要数目较多的卫星来实现，而具体需要多少颗卫 星则依赖于对覆盖率的要求和通信的最小仰角的设定。由于采用较多的卫星，而 且它们的轨道高度较低，所以每颗卫星的覆盖区域以及它的每个波束覆盖区都较 小，这也带来好处就是可以大量的采用频率复用，使得整个系统的容量增大。 由于低轨卫星相对于地球的表面和与其通信的终端之间的相列速度较快，卫 星的速度大概是2 5 ，o o o 公里，j 、时，所以在一个卫星和另一颗卫星发生切换之间 仅仅只有几分钟。在卫星和地面终端之间的传输时延通常在1 5 毫秒以下，而且 会随着卫星在地面终端上的移动而迅速改变。 2 2 4 中轨道卫星 当卫星的轨道高度在9 ，o o o k m 和1 i ，0 0 0 k m 之间时，也即是处内、外两个范 阿伦带之间，这种卫星称为中轨道卫星。从采用这种轨道进行全球覆盖，允许采 用数目更少、体积稍大一些的卫星来实现。由于卫星的轨道高度较高，所以每个 1 7 一 南京邮电学院硕士研究生学位论文 卫星的覆盖范围也相应的增大，但也增加了通信的传输时延。中轨卫星相对于地 面的运动速度较慢，在可视的范围内两个卫星之间的切换需要几十分钟的时间。 在地面站和卫星之间的上行或下行链路的传输延时一般在4 0 毫秒左右。 2 2 5 高椭圆轨道卫星 采用高椭圆轨道的卫星与采用连续覆盖的圆形轨道的卫星不同，高椭圆轨的 卫星通常只在卫星对地相对速度较慢的远地点才提供通信服务，而当卫星在轨道 的近地点时通常将通信收发器关闭。在卫星通过范阿伦带时，为了保护卫星上的 电子电路不受损害，通常也将卫星上的通信收发器关闭。 一般椭圆轨道采用与赤道平面成6 3 4 度的夹角，因为这样卫星在轨道的远 地点运动时相对于地球表面来看是静止的，较大的轨道倾角和高度使得能够覆盖 纬度较高的一些区域。前苏联采用m o h y a ( 或m o l n i y a ) 和t u n d r a 椭圆轨道卫 星，对其纬度较高的一些地区提供了很好的卫星电视业务。一些已经计划的椭圆 轨道卫星星座包括用于提供语音业务的复合e l l i p s o 星座，以及用于提供宽带数 据业务的p e n t a d 和v i n u a lg e o 星座。v i r t u a lg e o 星座计划还将在卫星处于运行 轨道的远地点时，在不同轨道间的卫星中建立起星间链路以提供卫星间的直接通 信。 2 2 6 不同轨道卫星的比较 卫星轨道的分布位置如图2 2 所示。 1 8 南京邮电学院硕二i ：研究生学位论文 图2 2 卫星高度的分布 按照卫星的轨道高度，可以将卫星分为低轨卫星、中轨卫星、地球静止轨道 卫星和高轨椭圆卫星等四大类，它们的轨道高度依次增加。卫星的轨道高度是决 定进行全球覆盖所需要的卫星数的重要因素。如果选择较低的卫星轨道，则会减 少无线电波的空间损耗和传输时延，但单颗卫星的有效覆盖区域减少，使得要采 用较多的卫星才能进行全球覆盖。另一方面，采用轨道较低的卫星网可以有效的 增加频带的利用率和整个系统的容量，但却增加了系统的建造和维护的费用。高 度较低的卫星必须以相对于地面较快的运动速度才能保持在其所处的轨道平面 上，这使得不同通信的频带切换变得更加平凡，而且会在卫星和地面终端之间产 生较大的多普勒效应。在同一个圆形轨道上的一系列的卫星可以提供连续的街区 式的覆盖，这样由于卫星经过某一区域的时间是固定的，而且每颗卫星在处于轨 道的任何一点都能提供通信服务，所以一般卫星的轨道设计成圆形的。但也有些 系统采用多个椭圆轨道的卫星进行区域性的覆盖，在这些系统中，一般卫星只在 速度较慢的轨道远地点处提供通信服务，而在其它速度较快的轨道区域则不提供 通信服务。由于椭圆轨道卫星旨在提供某特定区域范围内的通信服务，而并非 是面向全球覆盖的目标，所以本文以下部分主要讨论的是基于圆形轨道的星座模 型以及在其上的路由。 2 2 星际链路 星际链路( i n t e 卜s a t e i l i t el i i l k ，i s l ) 是指，卫星间为了进行通信而建立起 来的通信链路。它与一般的上下行链路地不同点在于链路的两端都是卫星，因 此可以被看成是卫星通信链路中的一种特殊形式。对于没有星际链路的卫星通信 网络，当不同卫星覆盖范围内的用户之间需要通信时，必须通过各卫星覆盖区内 的地面关口站或地面公用网( p s t n 和地面长途通信线路) 。为此，一个没有星 际链路的全球l e o 网络需要在各地建立上百个地面关口站。根据两端卫星所处 轨道类型的不同，星际链路有分成下面两大类： 1 轨道内星间链路( i i l t r a - p l a l l ei s l ) ，由处于同一轨道平面内的卫星之间 建立起来的通信链路，通常是紧接着的两颗卫星之间建立起的链路。 2 轨道阃星间链路( m t e 卜p l a n e i s l ) ，出处于不同轨道平面间的卫星之蚓 建立起来的通信链路，通常是相邻轨道平面的卫星之间建立起来的链 路。 由于星际链路的收发双方都是高速运动着的卫星，在星际链路的通信过程 中，收发双方的相对位置不断变化，不仅造成网络拓扑结构的时变性，而且需要 不断地重复寻找卫星、建立链路、维持链路和拆除链路的过程。因此，星间通信 1 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 具有一定的特殊性，这要靠星际链路天线指向控制和特殊的通信协议来解决。但 是使用星际链路有以下优点： 1 当不在同一颗卫星覆盖区域内的用户之_ 、白j 需要通信时，采用星际链路可 以消除卫星双跳，缩小了传播时延。 2 省掉了专门用于中继处于不同卫星覆盖区内用户之间信号的中继地面 关口站。 3 当系统是由许多颗卫星组成的一个星座( 如l e o 、m e o 和h e o 卫星星 座) 时，采用星际链路把所有卫星构成一个完全网格形通信网络，不仅 可独立于地面，并且可以大大提高系统的抗干扰和抗摧毁能力。 4 可以用来扩大系统的覆盖范围。通过星际链路把多颗卫星联系在一起， 任一颗卫星覆盖区内的用户可与其它卫星覆盖区内的用户直接通过星 际链路通信。 5 便于网络管理和组成一个全球无缝的网络。对于一些低轨道卫星来说， 由于其覆盖范围很小，在某些情况下可能根本没有地面关口站可用，这 时采用星际链路来实现地面对卫星的控制及移动用户通过星际链路接 入地面通信网络几乎是一种唯一的解决办法。 2 。3 卫星星座 卫星的星座被定义为：为了同一用途，在楣同的控制下，由具有相似互补轨 道的一系列具有相似类型和功能的卫星组成的网络。在星座设计中，其覆盖要求 是系统设计的根本出发点，覆盖要求不同，星座形式及卫星数目将会显著不同， 一般来说，覆盖要求可以分为以下几种： 1 持续性全球覆盖； 2 持续性地带覆盖；这里又包含两种情况，虽然他们都属于地带性覆盖范 畴，但由于其特殊性及其星座设计方法的不同，所以有必要列出：持续 性极冠( 从某一纬度至南极或北极地带) 覆盖和持续性赤道地带覆盖； 3 持续性区域覆盖或间断性区域覆盖。 对于中低轨道持续性全球覆盖星座及持续性地带覆盖星座，到目前已经有公 认最优的设计方法，而中低轨道区域性覆盖星座设计目前还没有一个很好的方 法。在这种情况下，对于区域性覆盖卫星移动通信人们目前设计的主要是采用 g e o 系统，如荚加合作的m a s t 系统，澳大利亚的m o b i l s a t 系统，日本的n s t a r 系统我国与新加坡合作的a p m t 系统等，然而g e 0 系统与手持终端通信有很 大的难度，因为g e o 卫星轨道高度较高，路径损耗较大，而手持终端多为功率 一2 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 小、天线为非定向发射，因此要保持高质量通信，就要求卫星安装较大的可展开 式的天线，要有很强的发射功率，加上信号延迟大等缺陷，限制了g e o 系统在 全球个人通信中的发展，这使得我们寻求一种轨道高度较低的星座方案来提供区 域性卫星移动通信服务。从我国发展卫星网络的背景和总体目标来看，采用持续 性全球覆盖将是所需的。 如何进行卫星的分布及轨道的设计，对于一个卫星网络能够有效地进行地 面覆盖将是一个重要的决定因素。对于具有固定覆盖范围大小的圆形轨道的卫星 组成的卫星网络，其主要的星座模型有星形模型和玫瑰模型两种类型。 2 3 1 星形星座模型 星形星座模型是由一系列与赤道平面垂直的卫星轨道平面组成，也即是每个 轨道平面的倾角为9 0 度或接近9 0 度，从极地区的俯视图看犹如一个星形如图 2 3 所示，所以称为星形星座模型，也称为极地或近极地星形模型。 喜l l 道的反自镊 图2 3 星形星座的极地俯视图 星形星座模型也称为n 型星座，这是因为一系列的卫星轨道平面被赤道平面 截得的辐射角，也即各个卫星轨道平面间的夹角等间隔的分布在18 0 度的赤道平 面上。由于卫星运行轨道的这种分布，在这种星座模型中，所有的卫星按运行的 方向可分为两部分：有一半( 半个球面) 的卫星运行的方向是沿轨道向上，而另 一半( 半个球面) 的卫星由于是前半个平面的卫星穿过极地后形成的，所以其运 行方向是沿轨道向下的。在这两个同向运转卫星平面之间，即卫星运行方向相反 的两个卫星轨道之间，称为反向缝( c r o s s s e a m ) 。像m d i u m ，t e l e d e s i c 都是属 于星形星座，i r i d i u m 的星座如图2 4 所示。 一2 1 南京邮电学院硕士 ! j f 究生学位论义 图2 - 4 铱星系统的星座模型 在星形星座模型中，。因为同一轨道内的前后两颗卫星之间的相对位置是固 定的，对通信设备的跟踪能力要求也降低了，所以轨道内的星间链路可以始终保 持不变。对于轨道间的星间链路，由于反向缝、极地区的存在而造成的一些影响， 所以轨道间的星间链路不能一直保持。如果在反向缝间存在通信链路的话，这些 链路称为反向缝间链路( c r o s s s e 锄i s l s ) 。由于在反向缝间的两个轨道的卫星 的运行方向是相反的，它们之间存在较高的相对速度，因此会有较大的多普勒频 移现象，使得对链路之间的通信设备的要求较高，增加了实现的难度。由于这些 原因，一些星形的星座模型中没有反向缝间链路。在星形星座模型中，纬度越高 卫星的覆盖也就越密集。在地球两极的上空，由于卫星都将经过交错轨道穿越极 地区域，各卫星间的相对速度很大，而且为了避免信号间的互相干扰，轨道间的 星间链路都将暂时关闭，等卫星通过极地区域后再重新建立起轨道间的星间链 路。 2 3 2 玫瑰星座模型 玫瑰星座模型是由于其轨道的分布而得名的，由于在极地上空看星座轨道组 成的图形犹如一朵玫瑰，所以这种星座模型被称为玫瑰星座。玫瑰