0 引言

    寬帶LEO星座衛星通信系統是當前衛星通信領域重要的發展熱點之一，由于傳統的GEO衛星網絡具有傳播時延大、傳播損耗高、星上處理能力弱、網絡吞吐量小、通信費用昂貴等特點，主要作為地面通信網的延伸和補充。利用GEO衛星建立一個面向全球的、具有經濟競爭力的寬帶衛星通信系統，在當前技術條件下顯然非常困難^[1]。世界許多國家和衛星通信公司都在制定自己的寬帶衛星通信系統方案。OneWeb公司已經啟動了世界上最大的衛星互聯網計劃，將發射648顆衛星建立一個覆蓋全球的低軌道衛星高速通信網絡。SpaceX計劃打造由4 000多顆小衛星組成的互聯網星座STEAM，在全球范圍內提供互聯網接入服務。LeoSat計劃建造一個由140顆衛星構成的星座，為全球提供寬帶數據接入服務。

    為適應不斷擴大的對外交流，提前占據空間的軌道和頻率資源，中國有必要建立一個自己的寬帶LEO星座衛星通信系統。目前我國尚未建立面向全球通信的LEO星座衛星通信系統，但已經提出了建造LEO星座衛星通信系統的計劃，比如“鴻雁”與“虹云”系統^[2-3]。然而基于我國的外交政策，在國外建立大量的信關站是幾乎不可能的，需要在國內建站的強約束條件下實現通信，必須要有一個合理的組網方案。

    國外的OneWeb系統采用的是全球建立信關站的方式實現全球通信，衛星采用透明轉發的工作方式，技術簡單，成本較低。但是這種組網方案明顯不適合中國使用，中國在國外建立大量信關站是難以實現的^[4-5]。而如果衛星采用全處理轉發的工作方式，能夠實現全球通信，然而系統容量會很低，星間鏈路與饋電鏈路的傳輸瓶頸會很大程度地限制系統的傳輸容量，而且技術復雜，成本較高^[6]。衛星可以同時采用透明轉發與處理轉發兩種工作方式，在國內，國外業務較多的部分區域等建立信關站，在業務量較小國外區域采用處理轉發的工作方式，依靠星間鏈路實現全球通信。這種組網方式能夠在成本與技術復雜度之間取得折衷，這與業務量的分布有很大的關系，因此需要研究系統的業務量特點，結合系統的實際業務量需求研究一個高效組網方案。為此需要對系統在全球的業務量進行分析。

1 衛星業務量分析

1.1 影響因素

    在寬帶LEO星座衛星通信系統里，LEO衛星軌道高度低，運動速度快，星下點位置相對地面高速移動，文獻[1]通過鏈路計算分析了寬帶LEO星座衛星系統要采用高仰角的星座方案，并仿真了高仰角衛星通信系統OneWeb的傳輸性能。本文也將繼續以OneWeb系統進行仿真分析，星座由648顆衛星依照Walker星座進行構建,衛星分布在18個軌道面上，每個軌道面上部署36顆衛星，衛星軌道高度為1 200 km，軌道傾角為87.9°，在OneWeb系統采用的星座里，星下點每秒鐘可改變約1公里的位置，衛星在地面的波束覆蓋區在不斷變化，導致每顆衛星的業務源也隨之變化，加之地面與衛星進行通信時通信仰角較高，最低通信仰角50°^[1]，單顆星的波束覆蓋角度較窄，導致衛星在高速移動時每顆衛星的業務源變化更明顯。

    當衛星經過人口聚集的陸地區域時，由于不同地區人口數量不同，各大洲的經濟發展程度不同，對業務的需求也不同，衛星的業務源也是不斷變化的；當衛星經過國內區域時，由于國內用戶對業務的需求量更大，衛星的業務量會在短時間內達到一個峰值；當衛星經過海洋地區、沙漠地區、山脈地區或兩極地區時，由于這些地區幾乎沒有用戶，導致衛星的業務源幾乎為零。在衛星繞地球旋轉一周的過程中，衛星的星下點要在海洋與陸地之間數次轉換，導致衛星業務量的變化具有很強的突發性：當經過人口稠密地區和國內區域是時，業務量在短時間內達到很高的峰值；當經過海洋和極區時，業務量又可能長時間處于極低的狀態^[7-8]。

    在不同的時間段內，用戶進行通信的使用頻度也是不同的，這取決于衛星覆蓋區內的當地時間，用戶在正常活動的白天與夜間的業務需求會大于休息時凌晨的業務需求。因此，在計算衛星的業務量時，還需考慮星下點的當地時間。

1.2 業務量仿真思路

    影響低軌衛星移動通信系統用戶業務量的主要因素有兩個：

    (1)地形地物因素。地球上的陸地、海洋、山脈和沙漠等分布錯落有致；在陸地區域，各大洲的經濟發展程度不同，對業務的需求也不相同；在國內區域與國外區域，業務量會有明顯的差距。這樣當衛星繞地球作周期性旋轉的時候，衛星就會經過不同的地區，隨著時間的推移，衛星波束掃過不同地區時，其業務源就會有很大的變化，從而導致用戶業務量具有脈沖式的變化規律。

    (2)時區因素。各地區在24小時內的業務量變化不均，并且只取決于當地時間。

    為此，需要針對寬帶LEO星座衛星通信系統的特點，建立相應的仿真模型才能獲得其業務量仿真結果。為完成這樣的仿真，需要確定下列基本信息：

    (1)實時的衛星位置信息，一旦星座方案確定，衛星的位置就可以從STK中獲取；

    (2)一天中，全球不同位置的峰值業務模型(位置業務模型)；

    (3)一日業務變化模型。

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

2 基本業務模型

2.1 位置業務模型

    位置業務模型是根據地球上不同區域對業務量的需求不同而建立的基于經緯度變化的業務量變化模型，考慮到系統在地球南北極業務量極小，而本系統的星座特點在南北極擁有較多的衛星，足以滿足南北極的業務需求，無需分析南北極的業務量，因此將緯度范圍為70°~90°與-90°~-70°的區域業務量置零。只需分析范圍為緯度-70°~70°、經度-180°~180°，則將這塊地區按經度每隔5°、緯度每隔2.5°分為56×72個網格，共有4 032個網格，網格分布如圖1所示。

    每個網格內的業務密度按照本地區的人口數量、經濟發展程度和用戶類型等不同特點置以加權因子計算，不同的大洲每個網格內的業務密度按地區的經濟發展加權因子計算：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業務量小，置以較小的加權因子：遠海地帶業務為0，近海地帶業務為0.1，某些沙漠地帶業務為0；境內業務需求比境外大很多，假設境內與境外業務密度之比為10：1，從而得到系統的位置業務模型如圖2所示。

2.2 一日變化模型

    每個地點在一天內不同時間段的業務量是有明顯變化的，因為用戶在不同的時間段進行通信的使用頻率是不同的，對業務量的需求不同，這與當地時間有關。為了分析時間因素對業務量變化的影響，描述業務量在一天內的相對變化情況，一個數值在0與1之間時間加權因子被提出來，在一天內的24個小時內，依據人們平常的作息習慣，給每一個時段分配一個時間加權因子，這個模型對于全球各地區相同，如圖3所示。地球表面各點的當地時間都是相對GMT(格林尼治標準時間)參考時鐘獲得的。在各衛星獲得與它可見的網格的當地時間后，每個網格內的業務都乘以相應的時間加權因子。

    計算業務量的時間加權因子非常重要，需要獲得衛星星下點的當地時間，由于衛星的高速運轉，衛星星下點的當地時間有著非常大的變化，衛星星下點的當地時間計算方法為：首先從STK仿真軟件中獲取衛星當前星下點的經緯度坐標，然后由GMT時間換算為當地時間，得到衛星星下點的當地時間變化如圖4所示。

3 業務仿真

3.1 業務仿真方法

    計算單顆衛星的業務量可以采用如下方法：

    (1)計算星下點位置；

    (2)計算衛星覆蓋范圍內的網格編號；

    (3)對于在衛星覆蓋范圍內的每個網格：①確定當地時間；②確定每個網格內的業務量；③將網格內的業務量乘以相應的時間加權因子。

    (4)把衛星覆蓋范圍內所有網格中的業務量相加，即可得到每顆衛星覆蓋區內的總業務量。

3.2 單星業務量仿真

    OneWeb系統是當下典型的寬帶LEO衛星通信系統，本文仿真的是OneWeb星座，根據業務仿真方法得出一顆衛星在24小時內其覆蓋區內業務量的變化情況。一顆衛星在24小時內其覆蓋區內業務量的變化如圖5所示。3顆衛星在24小時內其覆蓋區內業務量的變化對比如圖6所示。

    從圖5中可以明顯看出，單星的相對業務量具有高速變化性和突發性的特點，圖中相對業務量連續為零的時刻主要是運行到海洋或者南北極上空時，幾處較高的峰值位置是衛星運行到國內區域上空的時候。從圖6中可以看出，同一時刻3顆衛星的相對業務量差異很大，但其峰值的變化趨勢是相似的，主要是因為受到時間因素的影響程度是一樣的。

3.3 軌道面業務量仿真

    在得出單星的相對業務量一日變化模型后，可以對一條軌道面內總的衛星相對業務量進行仿真。一條軌道面在24小時內其覆蓋區內總的業務量的變化如圖7所示。3條軌道面在24小時內覆蓋區業務量對比變化對比如圖8所示。

    從圖7中可以看到，一條軌道面內總的衛星相對業務量隨時間有規律變化，約十幾小時左右軌道面內總的衛星業務量會達到一個峰值，這是由于軌道面運行到國內區域上空所致；但兩個峰值的高度不同，這是由于衛星并非同步軌道衛星，兩次運行到國內上空時當地時間不同，時間因素會對衛星有影響。從圖8中可以看到，3條軌道的相對業務量在同一時刻有很大差異，一條軌道面的業務量在不同時間也有很大差異。

3.4 仿真結果分析

    從仿真結果來看，衛星業務具有很強的突發性、高速變化性與分布不均勻性，針對業務量分布的這種特點，在一天內的大部分時刻衛星相對業務量都是極小甚至為零的，在衛星經過國內上空時其相對業務量會達到峰值，如果衛星采用全處理轉發的工作方式，就會造成很大的資源浪費。為滿足國內用戶的業務量需求，衛星轉發器需要具備很強的星上處理能力，而大部分時刻都是經過海洋以及國外業務量較小的區域，會造成很大的資源浪費，而衛星如果星上處理能力較弱，星間鏈路傳輸國內區域的業務時就會造成網絡的擁堵。而衛星采用全透明轉發的工作方式是不符合我國的國情的。結合衛星的業務量分布特點，衛星可以同時采用透明轉發與處理轉發兩種工作方式，國內建立信關站，衛星在境外業務量較小的區域只開啟處理轉發器工作，透明轉發器處于關閉狀態，運行到國內上空時開啟透明轉發器工作，利用信關站傳輸國內大業務量。在成本與技術復雜度上取得折衷。

4 結論

    本文分析了當前寬帶LEO星座衛星通信系統的發展狀況，結合建設我國寬帶LEO星座衛星通信系統的現實條件，分析了對寬帶LEO星座衛星通信系統進行業務量需求分析的重要性，對影響業務量的主要因素進行分析，針對影響業務量兩個主要因素分別建立了位置業務模型與一日變化模型，提出了對寬帶LEO星座衛星通信系統進行業務量仿真的方法，完成了對單星以及一個軌道面內相對業務量一日變化的仿真。直觀分析出衛星業務量的分布特點，對中國寬帶LEO星座衛星通信系統的組網設計具有重要的指導參考意義。

    需要說明的是，本文對業務量的分析只是定性地分析其相對分布，是為了給衛星的組網提供依據，而衛星業務量的實際值與經濟、地理以及國際形勢等很多因素有關，需要結合很多領域深入的研究做大量工作，這也是本文以后進一步研究的方向。

參考文獻

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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，江蘇 南京210007；2.南京郵電大學，江蘇 南京210003）