（计算机科学与技术专业论文）天基综合信息网络qos路由算法及切换策略研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 全球通信技术的发展及军事应用需求的不断增长推动着卫星通信向着具有星 上计算、星上交换能力的网络化方向发展。卫星星座通过星间链路组网，可以减 小对地面网关的依赖，实现信息的快速传递。以卫星网络为基础的天基综合信息 网络，能综合利用空间信息资源，使不同轨道上多种类型的卫星系统互连互通， 构成一个有机的智能化体系。天基综合信息网在侦察监视、环境与灾害监测、导 航定位、通信广播、空间防御与对抗等方面，具有的特殊功能及作用，是我国急 需发展的一项重大战略性工程。 卫星星座通过星间链路组网还存在一系列关键问题需要深入研究。本文重点 研究了天基信息网的体系结构、卫星网络q o s 路由及卫星切换重路由的相关问题。 针对我国的地理位置特点和未来通信需求，提出了一种以l e o o 双层 w a l k e r 星座为基础的天基信息网体系结构模型，对星座的覆盖性能和星间链路有 关参数的仿真表明这种星座结构满足我国覆盖要求、具有可扩展性。 针对双层w a l k e r 类星座的特点和流量分布特征，提出了一种具有一定流量均 衡能力的结构化混合路由算法t h r a ( t a 伍c a d a p t i v eh y b r i dr o u t 洒ga l g o r i t i l l l l ) 。仿 真分析表明算法能较好地满足业务q o s 需求，并能在一定程度上优化网络资源总 体使用率。 针对多层卫星网络中的两类切换问题提出了一种可充分利用双层星座结构特 征和多重覆盖性能特点，基于候选卫星集的切换重路由策略r s c s s ( r e f o u t i i l g s t r a t e g yb 嬲e do nc a n d i d a t es a t e l l i t e ss e t s ) 。初步仿真结果表明，切换策略有效的。 主题词：天基网络，l e 咖o 星座，q o s 路由，切换重路由 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 a b s t r a c t b o n l 廿l ed e v e l o p m e n to f9 1 0 b a l c 0 伽n u n i c a t i t e c l l i l o l o g ) r 锄dg r o w t l l0 f d e m 柚d si l lm i l i t a d ra r e ad r i v et l l es a t e l l i t cc o m m u i l i c a t i o ns y s t e md e v e l o pi nt l l e d n c t i o no fn e t 、o r k ，i i lw k c hs a t e l l i t c sa r ec 印a b l eo fc o i n p u t i n ga n d 谢t c t l i n g o n b o a r d 1 ks a t e l l i t e sc o i u l e c 血g e 锄o t l l e rn l r - o u 曲i n t e r s a t e l l it e l 词! 【s ( 1 s l ) ，c a n r e d u c et h ed 印e n d e n c eo ne 硼1 一g a t e s t a ：t i o n 锄d 向l f i l 廿1 ef 瓠ti ；b m a t i o nt r a n s i i i l i s s i o n s p a c e - b a s e di n t e g r a t e di n f o n n a t i o nn 咖o r k ( s i i n ) ，w l l i c hb a s e do ns a t e l l i t en e t w o r k s ， c a nu t i l i z es p a c i a li n f o m a t i o nr e s o u r c e sc o i n e h e i l s i v e l y ，锄de n a b l eav a r i e 锣o f s a t e l l i t es y s t e m si nd i 任i e r e mo r b i t st 0i n t c r c o 触e c t 锄dc o n s t i t u _ t ea no r g a l l i ci i l t e l l i g e n t s y s t e m s i i nh a sb e c o m eac r i t i c a ls 缸a t e g ) rp 叫e c td u et oi t ss p e c i a lm n c t i o na n dr o l ei i l s p a c es p y i l l g ， e n v i r o n m e n ta i l dd i s a s t c rm o l l i t o r i n g ，n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n g ， c o 删n u i l i c a t i o n s 锄db r o a d c a s t i n g ，s p ed e f e n s ea n dc o n 舶n t a t i o n ，e t c t l l e r es t i l le x s i t san u m b e ro fk e yi s s u e sn e e dh 卜d e p t hm l d y0 i ls a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o ni n t e r c o n n e c t m gt 0f 0 锄an e t v v o r k l r o u 曲i s l s t l l i sp a p e rf u c so n i s s u e sr e l a t e dt 0a r c m t e c 饥鹏o fs i 烈，q o sr o u t i l 唱i l ls a t e l l i t en 咖o d ! 【sa n dr e - r o u t j 崦 a n e rs a t e l l i t eh a n d o v e r a i m i i l ga tt l l ec h a r a c t e r i s t i c so f l eg e o 鲫l l i cl o c a t i o n 觚df b _ t u r ec o m m u l l i c a - t i o n sn e e d s ，as i i ns 仃u c t w em o d e lb a s e do nl e o m e od o u b l e - l a y e r e dw a l k e rs a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o ni s p r o p o s e d s i m u l a t i o n 锄a l y s i s o fs a t e l l i t ec o n s t e l l a t i o n c 0 v e r a g e p e 怕m a l l c e 锄dr e l e v a n tp a r a m e 觚o f 嘶- s a t e l l i t el 址s h o w st l l a t 恤s i i nm o d e l c a ns a t i s 矽吐l ec o u n t r y sc o v e r a g e 锄dc o m m u l l i c a t i o nn e e d s ，锄da l s oh 豁s c a l a _ b i l i t ) ， a i i l l i i 坞a ta r c l l i t e c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l e l a y e r e dw a l k e rs a t e l l i t ec o i i s _ t c l l a - t i o n 趾dt 阳伍cd i s m b u t i n gc h 锄c t e r i s t i c s ，an o v e lt r a m c - a d a p t i v eh y 嘶dr 0 u t 啦 a l g o r i t l l i i l ( t m 渔) i sp r o p o s e d s i i i l u l a t i o n 锄由s i ss h o w s 吐眦a l g o r i 盥c 孤m c c t b u s i n e s sq o sr e q u 硫m e n 留a n do p t j 血z eo v e r a l lm t 、) i ，o r kr e s o u r c e s埘l i z a t i o n e f j e i c i e n c yt oac e r t a i l le x t e n t a i m i n ga tt 、ot y p e so fl l a r l d o v e ri nd o u b l e l a y e r e ds a t e l l i t ci l e t w r o r k s ( d l s n ) ，a r e r o u t i n gs 缸a t e g ) rb a s e do nc a j l d i d a t es a t e l l i t es e t s ( r s c s s ) i sp r o p o s e d ，w l l i c ht a ：k e s f u ua d v a n _ t a g eo fo v e r l a p p e dc o v e r a g ec h a r a c t i 嘶s t i co fd l s n p r e l i m i i 埘ys i i i l u l a t i o n r e s u l t ss h o wt l l a tr s c s s s 仃a t e g yi se 丘e c t i v e k e yw o r d s ：s p a c e - b a s e dn e t w o r k ，l e o ，m e oc o n s t e a t i o n ，q o sr i ) u t i n g ， h a n d o v e rr e - r o u t i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 卫星轨道要素9 图2 2l e o m e o 双层星座结构的天基综合信息网体系结构1 3 图2 3l e 0 慨伍o 星座覆盖性能1 4 图2 4l e o l l l e 0 2 8 星间链路的长度、俯仰角及方向角1 5 图2 5m e o l l m e 0 2 4 星间链路的长度、俯仰角及方向角1 5 图4 1 自治域划分2 8 图4 2m e o 层路由3 2 图4 3m e o 层卫星网络等效拓扑图3 4 图4 4l e 0 层卫星网络等效拓扑图3 4 图4 5 卫星群组动态维护示意图。3 6 图4 6 时延与通信持续时间关系3 9 图4 7 两种算法时延抖动3 9 图4 8 丢包率与链路负载关系4 0 图4 9 路由维护开销4 0 图4 10 业务平均路由长度4 l 图4 1 1 经过m e o 层的流量比例4 2 图5 1 路径截短与部分路径扩展4 7 图5 2 地o 切换4 8 图5 3 邻居l e o 选择4 8 图5 4 完全重路由信令控制4 9 图5 5 路径截短信令控制流程5 0 图5 6 阻塞率与链路利用关系。5 2 图5 7 平均切换次数与路由优化次数5 3 第页 圈防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表1 1 几种典型的瑾a 懒避o 卫星网络3 表2 。ll e o 讯正o 星座参数。1 3 表2 2 星座覆盖性能统计1 4 表4 1 卫星分组状态表。2 7 表4 2 s r 包格式2 8 表4 3 路由表项2 9 表4 4 采用自治域路由的业务与链路负载关系31 第v 员 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丞基绽佥焦! 暨圉终q q 墨整由簋洼及塑拯筮坠盟窒 学位论文作者签名：j 王耻 日期： 乙。o 了年 l1 月z 7 日 八 一 、 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：主基 作者指导教师签名：猢霆 日期：1 町年1 1 月印日 日期：砌年f 月矽日 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 目前，全球有超过一半地区缺少一个无线网络环境。通过建立移动蜂窝基站 来实现覆盖全球的无线网络代价过高，而且在高山、海洋、沙漠等地区建立基站 不太可行。从全球通信的发展趋向看，下一代通信网络要求能在任何时间任何地 点提供语音、视频等实时业务和宽带网接入服务。以个人通信全球化为特征的卫 星网络具有视距大、覆盖面宽、抗毁性强的特点，能克服因陆基、海基、空基网 络因视距和覆盖区域限制所形成的信息孤岛现象，能够保证高速率传输和较大的 带宽，支持灵活的、大规模的网络结构，正在成为下一代个人全球通信系统的重 要组成部分，是提供全球互联互通的一种理想选择【1 1 【2 】【3 】。 当前国内外正在建设或已投入使用的卫星系统主要基于单层星座，结构功能 单一，造成了重复投入、各自为战的局面。如美国的“i r i d n ”系统由6 6 颗低轨 卫星组成【5 j ，主要功能是提供全球卫星通信：而g p s 系统由2 4 颗中轨卫星组成， 负责提供全球定位导航服务。此外，各国还部署了了大量独立的卫星系统来承担 侦察、测控、数据广播等军事、民用领域的任务。目前只有少数卫星系统实现了 星间链路，可以进行星间交换，大多数卫星通信系统仍然需要通过地面网关站进 行“弯管式“中继，对地面网络的依赖性较强。未来军事斗争需要不问断获取热 点地区的全方位信息，用户可能在同一时间内需要导航、预警、监控等多种信息， 这就要求综合利用空间信息资源，使不同轨道上多种类型的卫星系统互连互通， 构成一个有机的智能化体系，这也是目前卫星网络领域研究的热点之一i 刎f 2 5 1 。 天基综合信息网是以不同轨道、不同类型的卫星网络为核心，将陆基、海基、 空基网络连接起来，构成的一体化信息获取、信息处理、信息传输和信息共享的 综合信息网络，具有自主运行和管理能力以及较强的信息获取、贮存、处理和分 发能力。网内各卫星和星座系统既能独立运行，又能相互沟通。个人用户、亚轨 道飞行器、地面网络等以终端或子网方式接入天基综合信息网络，从而实现全球 通信网络互连互通和信息资源共享。 作为未来卫星网络的发展方向，天基综合信息网络强大的功能和实时快速的 信息处理对于对国民经济发展和国防建设都具有重要意义。同时，建立面向用户 全方位信息服务的天基综合信息网络，解决了各种卫星系统各自为战的不利局面， 有利于实现卫星总体资源的合理配置，提高整体效益。天基综合信息网在宽带传 输、因特网接入、通信广播、环境与灾害监测、导航定位等民用领域方面，具有 的特殊功能及广阔的市场发展前景。 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 天基综合信息网在军事领域其应用需求更加迫切、应用前景更为广泛。从信 息互联互通的角度看，天基综合信息网构成了覆盖全球的综合信息传输系统，部 署在地面、海洋、空中的各战斗部队能够通过星地网关和天基网络进行对接，实 现超视距、大跨度的信息交互，实现战场侦察、战场评估等信息的共享。 从信息获取的角度看，在天基网络卫星系统特别是l e o 卫星上部署全球侦察 监视传感网络，消除了传统的陆基、海基和空基信息获取系统对某些区域无力展 开实时侦察的局限。而借助于信息融合技术和地面信息处理系统强大的信息处理 能力，又可以弥补天基网络中星载计算机信息处理能力严重不足的缺陷。 从遂行作战指挥的角度看，天基综合信息网络将陆基、海基和空基武器系统 有机地连接在一起，能极大提高整个作战系统的快速反应、立体作战和机动作战 的能力。美军在第一次海湾战争中，陆军、空军和海军各自独立的网络信息平台 导致了系统之间的“烟囱”效应，空军获取的情报资料需要经过跨平台的信息传 送和人工干预的信息处理，到实施打击行动之间达到了3 天的延迟。2 0 0 3 年美军 对伊战争中启用了新一代天基网络系统，在第一次“斩首行动”中从发现目标到 实施攻击仅用了不到2 小时的时间，而在第二次“斩首行动”中从发现目标、进行三 次交叉确认到实施攻击则仅用了1 2 分钟。 目前我国还没有自主控制的天基网络系统，航空、海事、搜救、应急支援， 甚至导航定位等都在很大程度上依赖于国外，如i 厦a r s a t 的国际卫星通信系 统、美国的g p s 系统等。海湾战争、伊拉克战争等都充分表明，卫星通信网络己 经成为了决定战争胜负的一个重要因素，在军事上有着举足轻重的重要意义。因 此大力发展我国自主控制的卫星综合信息网络有着非常重要的特殊意义。建设天 基综合信息网将能够有效地利用各种卫星资源的综合优势，进一步增强我国的综 合竞争力，在国家安全、经济发展等领域发挥极其重要的作用。 1 2 天基信息网络研究现状 1 - 2 1 国外研究现状 自从1 9 6 1 年提出卫星星座的概念以来，卫星网络得到了快速发展。最初的卫 星网络是由三颗地球同步轨道( g e o ) 卫星构成，所有信息的传送都要经过地面站， 主要的网络处理通过地面有线网络完成。随着卫星载荷技术、传输技术、天线技 术和发射技术的日益发展，卫星已经不仅局限于最初的反射型中继功能，而逐步 形成由多颗非静止轨道卫星构成卫星网络提供对航空、地面移动网络和个人通信 服务的多种业务类型的支持。独立运行和管理的卫星系统已经不能有效的适应信 息社会和军事应用的要求，有些国家已开始实施天基网络的研究与开发并制定出 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 相应的发展规划。美国军方已明确的把天基综合信息系统列为国防重点研究发展 的信息结构。俄罗斯提出建立军民两用的天基综合信息网一多功能卫星通信和远 程地球监视系统( r e s t e l e s a t ) ，该系统由1 15 颗卫星组成。 2 0 0 1 年g e o r g es i l v e 咖觚和k u lb h 勰i n 等人发表了题为“t e c h n o l o g yd r i v e r sf o r 也ef 曲l r eo fs p a c e - b 硒e ds c i 朗c ec o n l i l l u l l i c a t i o n s ”的文章l7 ，文中针对美国n a s a 在2 0 2 0 年前天地一体化网络的远景规划中所描述的目标，给出了相应的研究方法、 研究步骤和研究内容，并对天地一体化网络中的技术需求进行了深入的探讨，其 中有两个基本构想对后来的研究方向起到了很大的影响，其一是描述了g e o 、 m e o 、l e o 多层星座网络体系结构，并提出将l a n 技术应用g e o 卫星组网和路 由的设想，其二是提出了基于i p 协议或i p 兼容协议实现星地网络互连互通的设想。 天基信息网络系统发展的一个主要趋势就是提供移动和宽带通信业务。新应 用的不断涌现促使新一代天基信息网络必须具有向用户提供多媒体服务的能力、 要求有较强的星上处理和星上交换能力，并利用星际链路构成空间交换网络，降 低对地面网络的依赖，使卫星通信网以更为灵活和迅捷的方式为用户提供服务。 表1 1 几种典型的l e 0 慨也o 卫星网络 依星 全球电信网奥德赛全球星海事卫星 i r i d i u mt e l e d i s c o d y s s e y g l o b a l s t 雒i c o 宽带接入、语音、数据、 应用业务语音、数据 语音、数据语音、数据 语音、数据定位 卫星数目 6 62 8 81 24 81 0 轨道数 61 2382 轨道高度 7 8 07 0 01 0 3 5 01 4 1 01 0 3 5 5 ( k m ) 多址方式t d m a f d 【ac d 睑c d m 魄t d m a 传输类型 电路交换分组交换中继器中继器 中继器 星间链路支持支持不支持不支持不支持 在卫星组网方面国外起步较早，近年来推出了一些具有一定商用和军用价值， 以支持多媒体业务为目标、具有宽带传输能力的天基信息网络系统。由于资金、 技术和社会等诸多因素的影响，迄今具有一定星上处理能力的已付诸实施或计划 实施的系统主要有i r i d 唧系统、“全球星、“奥德赛 和i c o 系统【4 l 【5 1 【6 】。各种 系统采用的星载交换方式、轨道高度、服务范围不尽相同。例如，i r i d 啪系统有 四条星间链路，可直接进行星上交换，而“全球星”、“奥德赛 和i c o 系统无 星间链路，需要通过地面网关进行“弯管”式中继，这些系统的有关情况见表1 1 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 除通信业务外，以航天飞行器为载体对目标航天器进行测控是天基信息网的 又一主要功能，其中以跟踪与数据中继卫星系统( ，) r s s ) 为典型代表。t d r s s 的 “天基”设计思想，从根本上解决了测控、通信的高覆盖率问题，同时还解决了 高速数传和多目标测控通信等技术难题，具有很高的经济效益，使航天测控通信 技术发生了革命性的变化。1 9 8 3 年4 月4 日，美国发射了第一颗跟踪与数据中继 卫星( t d r s ) ，直至1 9 9 3 年1 月第6 颗t d i 峪卫星发射后，该系统才具备了在轨运 行和轨道备份能力。1 9 9 5 年7 月1 3 日发射了第7 颗m r s 卫星作为应急备用星， 结束了长达1 0 余年的第一代跟踪与数据中继卫星系统的建设工作。 除了美国外，其它国家也有多个t d r s s 系统。例如，俄罗斯民用的“射线 系统、军用的“急流”系统，欧洲航天航空局的“阿蒂米斯”卫星加上数据中继 卫星所构成的欧洲数据中继系统，日本的数据中继和跟踪卫星( d r t s ) 等。随着空 间活动的国际化，美、日、欧逐渐产生了大联合的思想一国际大联网嗍。 天基卫星网络的应用远远不止于通信和测控。天基卫星导航网络为航天器和 地面目标提供高精度定位、测速和定时，如美国的全球定位系统( g p s ) 以及欧洲的 导航卫星计划( g n s s ) 。卫星遥感网络包括气象卫星系统、雷达成像卫星系统、电 子侦察卫星系统以及海洋目标监视卫星系统等。 尽管各国已经在针对各类应用开发部署了众多的卫星系统，但严格地讲，目 前世界上还没有哪个国家建成了功能完善的天基综合信息网络。真正意义上的天 基卫星网络的应用还远远不止于通信和测控。统一的天基综合信息网络需要将这 些功能有机结合在一个网络之中，减少航天设旌的重复建设和功能分割的局面。 1 2 2 国内研究现状 我国自1 9 7 0 年4 月2 4 日第一颗人造地球卫星发射升空以来，在航天事业上 取得了长足的进展。目前已经成功发射了多颗通信卫星特别是地球同步轨道卫星， 逐步建立了现有的航天测控通信网，超短波近地卫星测控网、c 频段卫星测控网和 s 频段航天测控网。在国民经济、国防和教育等领域发挥着重要的作用，为我国在 卫星通信领域科研、开发、制造、运营等方面培养了一支有相当水平的队伍。但 这仅仅是建立了几个独立的卫星通信子网，没有形成全球无缝覆盖的多功能空间 网络。目前我国的卫星通信仍然主要依靠同步轨道卫星通过地面网关站进行“弯 管式”转发，距天基信息系统的要求还有较大差距。随着小行星技术和我国运载 火箭技术的进一步发展，建设一个由我国自主控制、集通信、测控、遥感、定位 等多种功能于一体的天地一体化的综合信息网络逐渐成为可能。 国内目前关于卫星星座设计与性能分析方面的研究较多，而在卫星通过星间 链路组网方面的研究还刚刚起步，很多研究工作还处于概念模型和研究探索阶段， 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 研究成果主要集中在天基网内部的路由处理，很少涉及到天地一体化网络的路由 算法。研究天基综合信息网对于我国来说既是机遇也是挑战。 袁孝康1 2 6 】等人提出了天基综合信息网络的构想，论述了天基综合信息网络的 定义、分类、特点和总体构想。着重对天基遥感信息网络的网络结构、传输方式、 多址方式、传输链路的建立和保持、信息处理方式、传输协议、系统容量等问题 进行了分析。 吴巍【2 7 j 分析研究了天基信息系统与陆、海、空基信息系统之间互连互通的问 题，提出了互连互通的体系结构模型，对互通功能单元进行了较深入的讨论，并 给出了在网络层实现互通的基本需求。作者主要展示了互连互通的一个概念性模 型，没有对路由技术展开深入的研究。 天基信息网络的后续展开和具体实现是同我国航天领域相关技术的发展和航 天产品的成功研制与应用休戚相关的。2 0 0 3 年中国首次载人航天飞船的准确入轨 和顺利返回，以及2 0 0 7 年“嫦娥一号 探月卫星的顺利发射标志着我国已经进入 了航天大国的行列，也吹响了我国要建立自己的天基信息网络的号角。国家航天 “十一五”规划中明确将加强应用基础与前沿技术研究，突破一些关键技术，如 卫星有效载荷技术、深空探测技术、运载火箭技术、卫星导航定位应用技术；高 速数字数据直播广播传输、网管技术等。同时明确了要建设具有报文通信和一定 抗干扰能力，并能向全球扩展的区域卫星导航系统。这些都为我国天基综合信息 网络的研究和建设提供了有利条件和良好机遇。 1 3 带有星间链路的卫星组网关键技术 近年来，随着基于i n t e m e t 业务和移动通信业务的用户数快速增长和人们对多 媒体业务以及业务q o s 指标的需求不断增加，对下一代全球通信网络提出了更高 的要求。尽管国外已经有一些提供数据通信或测控定位的卫星网络已经投入商业 运行，在采用中低轨星座系统组网技术方面取得了很大的进步，但是作为未来通 信系统的一个重要组成部分，非静止轨道( 中轨、低轨道) 卫星通信系统在通过 星间链路组网方面仍需要解决一系列关键技术。 首先，卫星通信链路的宽带化已经成为目前发展的一个重要趋势，在下一代 的宽带卫星通信系统中，必须具有星上复用、星上交换和星上路由等星上处理能 力。其原因在于，如果星上转发利用弯管式电路交换结构，交换波束只能通过相 应地面关口站进行，卫星网络将过多依靠地面网关站，抗毁性差，时延大，且下 行链路带宽不能被充分利用。 其次，在非静止轨道卫星移动通信系统的通信过程中，由于卫星相对于地面 的高速移动和用户终端的移动性，需要进行频繁的切换。切换已经成为影响系统 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 整体性能的重要关键技术，不同的切换策略将直接影响到路由交换效率、切换延 时、切换频率、频率利用率、q o s 保证、最大瞬时仰角、呼叫阻塞率等。需要采 取有效的切换策略来保障业务的q o s 指标。 此外，由于卫星网络的拓扑频繁变化等固有特征，地面无线网络的和各种网 络层协议不能直接应用到带有星间链路的卫星网络中。要有效地利用卫星网络搭 建天基综合信息网络有很多重要技术需要研究，如：卫星编址问题、在物理层次 上如何建立和保持星间i s l 、链路层中i s l 的调制和纠错问题、网络层i s l 的路由 和切换重路由问题，以及卫星网络作为一个自治域系统，在与地面网络融合时的 边界路由问题等等。 星上路由算法是利用卫星组网的关键问题，也是目前众多学者研究的热点所 在。带有星间链路的卫星网络路由问题的研究不是孤立的，其受卫星网络其它相 关研究方向的影响，如卫星网络的规划问题。网络规划中卫星节点的布置、i s l 流 量设计、拓扑结构规划都对路由优化目标有着重要影响。 1 4 课题研究内容及章节安排 尽管各国已普遍认可建设可全球覆盖、提供宽带多媒体等实时服务的天基信 息网络系统的必要性，但是建立怎样的天基信息网络系统，未来天基系统的发展 模式和发展方向一直是个在不断探讨的问题。 天基信息网络体系结构的研究是复杂的系统工程，我国在这方面的研究还处 于初级的预研阶段。路由交换技术作为卫星网络的一项核心技术，在天基信息网 中起着至关重要的作用。未来全球多媒体通信要求卫星综合信息网络必须有一定 的q o s 保障策略。因此，本文在详细分析了国内外卫星网络研究现状的基础上重 点对天基信息网络体系结构模型设计、q o s 路由实现方法及卫星切换重路由策略 等方面的相关问题进行了研究，以期为我国天基综合信息网的实施奠定一些理论 基础。本文的研究目标是给出下面三类问题的初步解决方案： ( 1 ) 分析不同卫星星座的特点及星座设计相关问题，设计一种能满足我国末 来通信发展需求和覆盖要求、具有一定可扩展性的天基信息网络模型。这种模型 侧重于满足我国目前急需的全球个人通信需要，并可以在此基础上建设集测控、 侦察、定位功能于一体的天基综合信息网络。 ( 2 ) 针对所提出天基网络结构特点，研究一种既能有效保障q o s 指标，又能 有效提高网络资源利用率，维护简单、开销较小的路由算法。 ( 3 ) 针对卫星链路切换后业务q o s 指标的保障问题，研究能有效降低切换阻 塞率、减小切换对q o s 业务影响、开销不大的切换重路由策略。 论文章节安排如下：第二章介绍了天基信息网络的相关概念，并从星座设计 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 角度提出了一种满足我国未来通信需求和覆盖要求的卫星综合信息网络体系结构 模型；第三章对卫星网络q o s 路由算法设计有关问题进行了分析；第四章对卫星 网络q o s 路由算法进行了研究，提出了一种适用于双层星座的结构化混合路由算 法，并通过仿真对算法性能进行了评估；第五章针对卫星切莫换后q o s 业务的重 路由问题提出了一种基于切换候选卫星集合的切换重路由策略，并对切换性能进 行了分析和仿真评估。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章天基综合信息网络体系结构 2 1 引言 目前，以同步卫星建立全球卫星通信系统己经成为建立卫星通信系统的传统 模式。但同步卫星系统传输延时较长，严重制约卫星通信在某些领域的应用，特 别是在卫星移动通信和适时业务传输方面的应用。而且，同步卫星轨道资源比较 有限，不可能提供对高纬度地区的有效覆盖。相比之下，通过一定数量的中轨道 卫星或低轨道卫星组成的卫星网络达到对全球无缝多重覆盖，能克服这些不足。 采用一定的方式实现卫星网络与地基网络的互连互通，对于提高现有地面网 络的抗毁性有着至关重要的作用。面对日益丰富和复杂的用户需求，采用什么样 的网络结构显得尤为重要。从网络的角度来看，不同轨道参数的卫星网络的的覆 盖区域，网络的时延大小和时延分布等性能各不相同，因此卫星星座的建立是探 讨天基综合信息网络的前提和基础。 2 2 适用于我国的卫星星座分析 在卫星星座设计中，需要考虑卫星轨道参数的选择，包括轨道类型、轨道高 度、运行周期、轨道的相位关系、覆盖率等。适合我国的星座应该能对我国大陆 提供无缝覆盖，同时能为全球绝大部分地区有效提供服务。 2 - 2 1 卫星轨道要素 采用地心赤道坐标系：坐标原点取在地心；坐标轴x 在赤道面内，指向春分 点；z 轴垂直于赤道面，与地球自转方向一致；y 轴与x 轴、z 轴垂直，构成右手 系。卫星轨道平面如图2 1 所示，轨道与赤道平面相交于两点，其中卫星向z + 半 球方向运动的点称为上升点( a s c e n d i n gn o d e ) ，另外一个点称为下降点( d e s c e n d 证g n o d e ) 。上升点与x 轴之间的角度称为右升交点赤经，记做q 。上升点与近地点之 间角度称为近地点幅角( 心g u m e n to fp 丽g e e ) ，记做( ) 。卫星与近地点之间的角度 。称为平近点角，表示卫星在轨道上位置。其它相关轨道要素定义如下： a ：长半轴( s e m im a j o ra x i s ) ，是指轨道上距离最长的两点连线的一半； b ：短半轴( s e i i l im i n o ra 商s ) ，是指轨道上距离最短的两点连线的一半； e ：离心率( 】巳c c e n t r i c i 啪，等于( a - b ) a ； i ：轨道倾角( o r b i ti n c l i i l a t i o n ) ，指轨道平面与赤道平面的交角。 由此，六个参数( a ，e ，i ，q ，( i ) ，o ) 完整地描述了一个卫星轨道。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 2 - 2 2 卫星轨道类型 图2 1 卫星轨道要素 卫星轨道类型可分为两类：圆轨道和椭圆轨道，其中圆轨道按轨道倾角又可 分为极轨道和倾斜轨道。不同轨道类型的倾角限制和覆盖性能各不相同。 椭圆轨道卫星的运行速度和轨道高度时刻变化，覆盖面积不均匀。卫星在接 近地球的时候工作，在远离地球的时候关闭链路，因此通常用于提供特供特定区 域特定时段内的覆盖，且轨道倾斜角必须为6 3 4 0 。这样卫星在轨道远地点时相对 于地球表面来看是静止的，这对中低纬度地区的覆盖十分不利。 圆轨道卫星以恒定的速度环绕地球，与地球保持恒定的距离，星地链路可以 一直工作，因此更加容易提供全球覆盖，被大部分的通信卫星所采用。圆形轨道 根据轨道倾角可以分为极轨道( p o l a r0 r b i t ) 和倾斜轨道( i n c l i n e do r b i t ) 。极轨道是指 倾角等于或者接近9 0 0 的轨道。i r i d i u m 系统和t e l e d e s i c 系统采用的都是极轨道。 倾斜轨道是指倾角小于9 0 0 的轨道，g l o b a l s t a r 系统采用了倾斜轨道。倾斜轨道能 够提供更加均匀的全球覆盖。圆轨道的倾斜角可在0 0 到9 0 0 之间任意选择。我国 的纬度范围在北纬4 0 至5 4 0 之间，因而更适宜采用圆轨道卫星星座。 2 2 3 卫星轨道高度 通信卫星根据轨道高度可分为三类：地球同步卫星( m o ( g e o s y n c h r o n o u se a m l o r b i t ) 、中轨卫星m e o ( m e d i 姗e a r t l lo r b i t ) 和低轨卫星l e o ( l o wf a i 也o r b i t ) ，这 三类卫星都采用圆形轨道。 g e o 卫星轨道只有一条，位于地球赤道上空，高度约为3 6 0 0 0 公里，传输时 延和信号衰减都比较大，要求地面卫星通信终端的有较高的发射功率，不利于与 地面个人终端通信。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 m e o 卫星轨道高度比地球同步卫星要低，在5 0 0 0 2 0 0 0 0 公里之间。由于轨 道半径更短，中轨卫星的轨道周期比地球同步卫星小，相对于地球是运动的。一 般需要十几颗中轨卫星提供全球覆盖，每颗卫星对于地面的可见时间是l 2 小时。 l e o 卫星的高度在7 0 0 2 0 0 0 公里之间。低轨卫星到地球的往返延迟较小，通 常为2 0 2 5 毫秒。此外，低轨卫星对地面接收装置的功率要求也较低。低轨卫星 的这些良好的特性使得它更适合作为宽带通信网络。由于单个l e o 卫星的覆盖面 积不大，因此需要较多的低轨卫星来提供全球覆盖，通常为几十颗甚至上百颗。 低轨卫星系统的星地链路切换也很频繁，通常1 0 分钟左右就会有一次，因此需要 有效的切换管理。 卫星轨道高度越低，传输时延和信号衰减越小，对地面终端的要求就越低， 但单颗卫星的覆盖范围相应较小，达到无缝覆盖所要求的卫星数目也越多。同时， 相对地面的运动速度就越大，因而切换的频率就越大。另外，低轨卫星能有效地 增加频带利用率和系统容量，但相应的维护和管理开销也较大。此外，在轨道高 度选择上还需考虑下面三个因素： ( 1 ) 地球大气层的影响。若轨道高度选择较低，大气层直接影响到卫星的寿命。 同时还存在严重的大气扰动。 ( 2 ) 周期因素。为了便于对卫星在运行中进行定位控制，以及星座的覆盖统计 的简化，卫星周期应该和恒星日成比例关系。因为卫星运行周期是轨道高度的函 数，所以在高度选择时必须考虑周期的因素。若要满足定位控制条件，则t 。厂r e - l 妇， n ，k 为整数，t e 为恒星日，t e = 8 6 1 6 4 s 。 ( 3 ) 范爱伦带的影响。范爱伦带是绕地球存在的辐射带，表现为强电磁辐射， 高度分别从1 5 0 0 k m 到5 0 0 0k m 和从1 3 0 0 0k m 到2 0 0 0 0k m 。卫星轨道高度应尽量 避免选在该辐射带中，以免电磁辐射对卫星造成影响。 2 2 4 星座类型 当轨道高度、轨道类型确定以后，如何安排卫星的相对位置，以使星座的整 体效率最佳，这是一个多条件优化的问题。目前已经投入使用和正在研究的卫星 星座类型主要有星形星座和w a l k e r 星座两类。 星形星座是研究最早的一种星座，所有轨道具有一对公共节点，相邻轨道轨 道之间夹角相等，通常其轨道倾角为9 0 度。但是其覆盖性能较差。卫星分布密度 在赤道地区较小，在两极较大，且首尾两根轨道之间运动方向相反，不利于建立 星间链路【9 j 。目前i r i d i l l i i l 系统采用这种星座。 w “( e r d e h a 星座的各个轨道平面具有相等的倾角，每个轨道包含相同数目的 卫星，轨道内的卫星之间按升交点等间隔均匀分布。并且该类型星座能够保持在 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 运行过程中卫星之间的相对位置关系稳定不变，各节点顶点对称。不同轨道平面 的卫星相对位置保持一定关系，使相邻轨道面的卫星通过其升交点的间隔相同。 一般可用卫星卫星总数t 、轨道数p 和相位参数f 来描述，标记为t p f 。由于该 星座在相邻轨道的卫星之间不会出现运动方向相反的情况，每颗卫星所受轨道摄 动基本相同，星间链路容易保持，仅仅链路距离周期性改变p 引。此外，w a l k * d e h a 星座的覆盖性能较好，用较少的卫星就能实现全球无缝覆盖。因而成为目前被国 际上广泛采用的星座。 2 - 2 5 星际链路 传统的卫星通信采用单颗静止轨道卫星与地面网关连接以“弯管 方式进行， 卫星仅起到中继站作用。在未来天基网络中，星座内所有卫星通过星际链路连成 网络，路由交换可以在卫星网络内部进行，从而降低对地面网关站的依靠。在天 基信息网中主要存在三种类型的链路： ( 1 ) 星间链路i s l s ( i l l t e r - s a t e l l i t el 湖( s ) ：同层内的卫星通信通过星间链路 实现。星间链路包括两种类型；轨内星间链路( i r l t e r - p l a l l ei s l s ) 和轨间星问链路 ( i n 讹p l n a ei s l s ) 。轨内星间链路能够永久保持，而轨间星间链路由于受不同轨道 卫星相互运动，卫星间距离和视角的变化影响，有时会临时关闭。 ( 2 ) 层间链路i o l s ( in t i e r o r b i t a ll i l l l 【s ) ：不同轨道层的卫星通过层间链路进 行通信，多颗低层卫星可以与同一高层卫星建立链路。层间链路会因为不同层次 卫星运行周期不同而周期性切换。 ( 3 ) 用户数据链路u d l s s e rd a t al i l l l 【s ) ：地面通信终端和网关站与覆盖它 的l e o 或m e o 卫星之间通过用户数据链路连接，u d l 链路会因卫星高速掠地运 动而频繁切换。 星际链路一般采用激光或微波无线链路，由于星问链路的建立对天线要示比 较高，实现比较复杂，受卫星载荷和星载电源的影响，需要合理选择不同卫星层 间的连接度。 2 3l e o ，m e o 双层星座天基信息网模型 2 3 1 采用l e o ，m e o 双层星座的理由 天基综合信息网络骨干网是卫星网络，要求其有大容量、高可靠性、可用性 以及全球覆