星间链路方案的设计与评价方法

赵 岳， 易先清， 侯振伟

(国防科技大学 信息系统工程重点实验室， 湖南 长沙 410073)

星间链路方案的设计与评价方法

赵 岳， 易先清， 侯振伟

(国防科技大学 信息系统工程重点实验室， 湖南 长沙 410073)

星间链路技术降低了卫星通信网络对地面站的依赖，使得基于星间链路的卫星通信与组网具有地面网络难以比拟的优势。传统研究集中于星间链路的可行性分析和构建方法，对星间链路方案设计缺乏评价。从实际应用的系统性和构建流程的完整性出发，提出一种基于星座特性分析的星间链路方案设计方法，并为方案性能检验和选择提出了基于路由性能的评价方法。最后，通过对实际系统星间链路方案的设计和评价，验证了所提方法能够针对任务需求构建可行方案并通过路由性能比较选出最优方案。

星间链路；拓扑结构；方案设计；路由性能；评价方法

卫星通信网络通过地面站和空间星座协作完成信息的发送、传输、处理和接收的任务。传统工作模式将卫星作为传输终端和转发通道，超出传输视距的地面站通过卫星接力转发实现中继通信，星间通信也要通过地面站转发到达目的卫星。因此，卫星通信网络的传统工作模式是基于弯管式结构的中继转发，通过星地链路实现整个网络的联通。弯管式通信需要在全球范围内部署地面站，容易受到地理环境、政治经济因素的影响，难以满足全球通信任务对传输时延，覆盖范围以及鲁棒性的要求。因此，需要通过星间链路，实现通信卫星的全球组网，建设通信时延小，地面依赖低，抗干扰和抗毁能力强，覆盖全球的卫星通信网络。基于星间链路的卫星通信网络，地面可见卫星直接通过星地链路实现通信，超视距地面站通过星间链路的中继转发实现通信。

星间链路是当前卫星通信全球组网的关键技术，近年来取得了一定的研究成果[1]，主要包括：星座特性分析主要根据星座特性，分析星间链路建立的可行性、难易程度以及能否长期保持[2]；构建准则主要探讨了链路选择时，如何综合考虑最近距离、最长连接时间和最多资源等构建策略以建立性能最优的星间链路[3]；拓扑分析主要根据是否存在切换，从静态和动态两方面分析星间链路[4]；传播信号设计针对射频链路和光学链路[5]，研究了发射频段、编码方式以及链路特性；星间链路性能分析主要对星间链路的构建方案、稳定性、测量，以及性能进行仿真验证[6-7]。

通过总结星间链路研究成果，发现目前研究主要通过星座几何特性分析星间链路构建的可行性、策略以及拓扑结构，对整个网络星间链路方案的具体构建方法缺乏系统研究。而对于星间链路方案的性能主要通过方位角、俯仰角和星间距离等参数的变化速率和范围来评价，不能有效评价星间链路方案的传输性能。针对上述问题，本文在星座特性分析的基础上，从链路类型、数量以及拓扑结构三方面阐述了系统星间链路方案的构建方法。鉴于星间链路主要任务是实现卫星网络星间通信，因此，相比直接从星座特性和链路优化指标对星间链路的性能进行评价，本文提出了基于路由性能的星间链路方案评价方法。最后，通过实际系统星间链路方案的设计和评价，验证了所提方法的有效性。

1 星间链路方案设计方法

构建星间链路方案，首先要明确星座特性、资源约束以及任务需求，主要通过星座特性分析计算建链卫星的可见性和几何参数，确定每颗卫星建立星间链路难易程度以及方案组成要素。然后根据星座构型、资源约束和任务需求选择星间链路类型，根据构建规则确定建链数量，设计拓扑结构，最终完成系统的星间链路方案。星间链路方案的构建流程，如图1所示。

图1 星间链路方案构建流程

1) 根据系统的组成和结构，通过星座特性分析系统中卫星所能构建的链路类型，即确定星间能否建立永久性链路，并确定卫星建链数量上限。

2) 根据任务需求和资源约束，分析任务对星座的性能要求，主要包括通信时延、切换次数以及链路负载等方面指标。

3) 判断系统能够构建的链路是否满足任务需求和资源约束，满足继续步骤4)，否则改进系统组成结构，并返回步骤1)。

4) 选择链路类型，根据任务需求和资源约束，在允许构建的链路类型中进行选择。当目标卫星无法保持永久性链路时，选择非永久性链路。永久性链路要求卫星之间始终保持连接，始终占用卫星的天线和信道等软硬件资源，而非永久性链路则较为灵活，对卫星通信资源的占用率低，需要根据资源配置和任务属性需求，综合选择链路类型。

5) 确定链路数量，根据星座规模，任务需求和资源约束，在链路数量范围内进行选择。具体规则为：根据系统的组成以及卫星数量，每颗卫星选择合适的链路数量，既保证星间在有限跳数内的完全覆盖，又控制星间链路的占用资源，提高系统运行效率；根据系统任务对通信时延和中继跳数的要求，考虑建链成本，选择星间链路数量；根据网络分层要求，低轨卫星层内建立较少或不建立星间链路，而高轨和中轨卫星同层之内要建立一定数量的星间链路，同时高轨对中轨，中轨对低轨，分别建立一定数量的层间链路。

6) 设计拓扑结构，根据系统组成，依次设计同轨、异轨和层间链路的拓扑结构。在确定链路类型和数量的基础上，星间链路方案的拓扑结构是星座中各层以及各轨道内外卫星的连接方式，具体到每颗卫星与哪些位置的卫星建立星间链路。系统中的星间链路包括同层链路和星间链路，同层链路又分为同轨链路和异轨链路，不同的链路具有不同的拓扑结构。

7) 根据流程输入，完成星间链路方案的构建。

2 星间链路方案评价方法

2.1 方案评价流程

本文所提建链方法，能够设计出满足任务需求和资源约束的星间链路方案。为检验设计方案的性能并选择性能最优方案，需要研究星间链路方案的评价方法。目前研究主要通过星座几何参数分析，判断星间链路的可行性，不能有效评价星间链路方案的传输性能。由于星间链路方案设计最终目的是实现信息的有效传输，因此，本文提出了基于路由性能的星间链路方案评价方法。

基于路由性能的星间链路方案评价，首先根据待评价的星间链路方案计算系统路由，对于应用星间链路方案的卫星网络，可以认为网络的拓扑结构相对固定，根据星间链路方案获取源卫星与其他卫星的连接关系，计算出所有源节点到达目的节点的最优链路，得到系统的路由方案。然后通过分析系统路由方案的性能指标，评价对应星间链路方案的性能。

基于路由性能的星间链路方案评价流程，如图2所示。

Step 1 针对设计的星间链路方案，计算路由方案。

Step 2 计算路由性能指标。

Step 3 判断各单项指标是否达到阈值，达到则转到Step 4；否则，针对未达标的指标，改进星间链路方案并转回Step 2。

Step 4 计算路由性能的综合评价值，判断是否达到阈值，达到则转到Step 5；否则，针对最贴近阈值的单项指标，改进星间链路方案并转回Step 2。

Step 5 输出星间链路方案和路由方案。

针对星间链路方案路由性能的不足进行改进。如果通信时延和切换次数未达到阈值，则在满足可见性和链路参数的基础上优先选择永久性链路，在满足资源约束条件下每颗卫星构建更多的链路，设计拓扑结构时层内优先选择间隔卫星数量多的方案，并减少层间链路。

如果负载均衡率未达到阈值，则在满足任务需求条件下控制每颗卫星构建的链路数量，设计拓扑结构时层内优先选择间隔卫星数量多的方案。

图2 星间链路方案评价流程

2.2 路由性能指标

针对星间链路方案的特点，选取通信时延、切换次数和链路负载均衡率3个路由性能指标，指标定义和计算公式如下。

1) 通信时延(Communication Time Delay，记为D)。定义卫星对准跟踪时延Da，链路传输时延Dt，星上处理时延Dp，对于星地链路只需1次对准跟踪和星上处理，而星间链路需要2次对准跟踪和星上处理，故定义

式中：s(xij)为链路距离；v为传播速度。则系统周期T内卫星sij的路由方案通信时延

(1)

2) 切换次数(SwitchingFrequency，记为F)。初始状态链路空闲，首次建立链路切换次数增加1次，以后每次通过星地链路通信需要1次切换，而通过星间链路需要2次切换，则系统周期T内卫星sij的路由方案切换次数，通过遍历决策窗口，根据决策变量累加切换次数的方法计算

(2)

3) 链路负载均衡率(ChainLoadingRate，记为R)。链路负载均衡率是指将卫星sij的通信时间负载分配到中继链路上的均衡程度，通过提取每个任务链路的中继时间，以其标准差表征链路负载均衡率。卫星sij在系统周期T内，完成任务的链路分别为c1，c2…cn(n为完成任务所用链路的总数)，定义每个链路的累积任务时间为

则链路负载均衡率

(3)

3 MEO卫星通信系统星间链路方案设计与评价

3.1 实例系统

以MEO(MediumEarthOrbit)系统为实例进行星间链路方案的设计和评价，空间星座采用Walker24/3/1构型，地面部分包括北京、喀什和三亚站，具体参数如表1所示。

卫星总数为24颗，每颗卫星构建相同数量的星间链路，卫星编号Mij(i=1,2,3，表示卫星所处轨道;j=1,2,…,8，表示卫星在该轨道上的位置)，网络拓扑结构只是链路几何特征变化，节点和链路数量不变。对于实例系统，考虑系统对地面站的全球通信任务，要求每颗卫星最多经过一次中继完成与地面站的通信，对通信时延和中继跳数提出了较高的要求。

表1 MEO卫星通信网络参数

3.2 方案设计

_3.2.1 星座特性分析

对于实例系统，首先进行星座特性分析，通过构建卫星仿真工具包 (Satellite Tool Kit， STK)场景分析各卫星的可见性和几何参数，分析每颗卫星建立星间链路的难易程度以及方案组成要素。由于系统规模较大，以M11为例进行分析。

1) 可见性分析。卫星M11与同轨卫星和异轨卫星的可见性分别如图3和图4所示。可以看到:同轨上由于地球遮挡，M11与M15完全不可见，而与其他卫星在系统周期内完全可见;对于异轨链路，由于相对运动，M11与第二轨道和第三轨道有4颗卫星间断性可见，与其他卫星完全可见。

图3 M11与同轨卫星的可见性

图4 M11与异轨卫星的可见性

2) 几何参数分析。通过分析卫星M11与同轨卫星和异轨卫星的几何参数(包括方位角、俯仰角和距离)，发现同轨卫星位置相对固定，M11与除M15以外的其他卫星在系统周期内的方位角，俯仰角和星间距离保持不变。异轨链路存在相对运动，M11与异轨卫星的方位角、俯仰角和星间距离变化范围较大，但变化速度相对平稳。系统采用Walker星座构型，3个轨道具有均匀对称的特点，与M11一致；系统3个轨道的同轨链路在周期内具有完全可见性，并且几何参数保持不变，因此，同轨链路可以建立永久性链路。异轨链路除部分链路间断性可见，大部分链路完全可见，并且几何参数变化速度较小，因此，可以选择部分异轨卫星建立永久性链路。

_3.2.2 星间链路方案

实例系统对地全球通信任务，要求每颗卫星最多一次中继完成对地通信，对时延和跳数提出较高要求，故链路类型选择永久性链路。通过系统星座特性分析，系统中同轨可见卫星都可以建立永久性链路，异轨部分卫星可以建立永久性链路。系统星座规模较大，受资源约束，每颗卫星选择较少的星间链路，故方案中每颗卫星选择构建2条同轨链路和2条异轨链路。针对MEO星座均匀对称的特点，按照构建规则，分别设计了2组同轨和异轨链路的拓扑结构。其中，同轨链路分别采用星形和环形连接结构，如图5所示；异轨链路分别采用相邻和交叉连接结构，如图6所示。相比其他结构，这4种结构能够实现尽可能少的中继完成全球通信任务，满足一跳直接与地面站建立链路的约束。

a) 星形同轨链路 b) 环形同轨链路图5 同轨链路拓扑结构

通过同轨和异轨链路结构组合得到4组星间链路方案，如表2所示。上述流程设计的星间方案具有固定链路拓扑模式，由一定数量建链关系固定的基本配对组成。系统中以4条星间链路构成一个基本配对，每个基本配对包含2条同轨和2条异轨链路，所有链路持续可见。固定拓扑模式满足系统全球通信任务需求，并具有鲁棒性强和拓扑结构简单的优点。为验证所设计方案的性能并选出路由性能最优方案，根据所提方法对4组星间链路方案进行评价。

表2 星间链路方案

3.3 方案的评价及分析

_3.3.1 路由方案计算

图6 异轨链路拓扑结构

为验证设计方案性能并选出路由性能最优方案，应用STK场景分析获取系统星间可见性，提取星间距离数据，并通过 Matlab实现4组星间链路方案的路由计算。对于本文研究的MEO系统，卫星sij在系统周期T内间断性与地面站可见，将系统周期划分为一系列的时间段，即为决策窗口。按照系统运行周期遍历决策窗口，在决策窗口内选择和组合星地、星间链路完成通信任务，所有决策窗口选择的链路序列即为卫星sij的对地通信路由方案。通过依次计算每颗卫星的路由方案，从而获得系统在整个周期内的路由方案。

_3.3.2 路由性能指标比较

针对4组路由方案，计算并比较各路由性能指标，从而分析星间链路方案的性能。

1) 通信时延。4组星间链路方案的通信时延，如图7所示，方案1、3的通信时延明显优于方案2、4，同时方案1的通信时延整体小于方案3，方案2的通信时延整体小于方案4。另一方面，方案2、4中各卫星的通信时延变化范围较大。

图7 4组星间链路方案的通信时延

2) 切换次数。4组星间链路方案的切换次数，如图8所示，方案1、3的切换次数明显优于方案2、4，同时方案1的切换次数与方案3相近，方案4的切换次数整体小于方案2。

3) 链路负载均衡率。4组星间链路方案的链路负载均衡率，如图9所示，方案2、4的链路负载均衡率明显优于方案1、3，同时方案4的链路负载均衡率整体优于方案2，方案1的链路负载均衡率与方案3相近。

图9 4组星间链路方案的链路负载均衡率

通过单项路由指标的比较，得到如下结论：同轨链路采用星形结构的方案，在通信时延和切换次数方面优于采用环形结构的方案；同轨链路采用星形结构的方案，在链路负载均衡率方面低于采用环形结构的方案；异轨链路采用相邻结构的方案，在通信时延和切换次数方面优于采用交叉结构的方案；异轨链路采用相邻结构的方案，在链路负载均衡率方面低于采用环形结构的方案。

_3.3.3 路由方案选择

为全面有效评价星间链路方案的路由性能，提出了通信时延、切换次数和链路负载均衡率3项指标。对于不同的方案，其3项指标往往各具优劣。因此，应用多属性评价方法，通过比较可行方案的综合评价值，选出路由性能最优的方案。在表3中，分别计算4组方案的路由性能指标(方案中各卫星路由性能指标的评价值)，并判断是否单项指标满足阈值要求。单项指标阈值需要根据系统的通信任务和资源约束综合设定，由于本文重点从实际应用的系统性和构建流程的完整性考虑星间链路方案的设计和评价方法，实例主要验证方法流程可行性，对于指标阈值确定主要通过对不同星间链路方案的可行路由的计算和分析获得。根据单项指标阈值，计算出的综合评价值即为综合评价阈值。然后应用TOPSIS法[8]计算各方案的综合评价值(综合评价值越大，方案路由综合性能越优)，并判断4组方案的综合评价值是否满足阈值要求。因此，选择路由性能最优的方案1作为系统完成全球通信任务的星间链路方案，其他方案按照优劣顺序作为备选方案。

表3 各方案路由性能及综合排序

4 结 束 语

针对星间链路的整体方案设计和传输性能评价，提出了星间链路方案构建流程和基于路由性能的评价方法。通过实例系统星间链路方案的设计和评价，验证星间链路方案设计和评价方法的有效性。本文研究集中于星间链路方案的整体设计，通过星座特性分析能够确定系统可以构建的链路类型和数量范围，对于方案组成要素的确定规则需要进一步研究，从而设计出有效满足系统任务需求和资源约束的方案。对于星间链路方案的评价方法，需要对路由性能指标和综合评价方法进行深入研究，从而更加全面有效地评价和选择星间链路方案。

)

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(编辑：李江涛)

Design and Evaluation Method for Inter-satellite Link Scheme

ZHAO Yue， YI Xianqing， HOU Zhenwei

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

The inter-satellite link (ISL)technology reduces the dependence of satellite communication network on the ground station so that ISL-based satellite communication and networking show incomparable advantages over territorial network. Conventional studies focus on the feasibility analysis and construction method of the ISL in absence of design evaluation. Based on the systematic application of the system and the integrity of the process, this paper proposes an ISL design method based on the constellation analysis and presents a routing performance evaluation method for performance evaluation and selection of the schedule. In the end, through ISL plan design and evaluation, the paper draws a conclusion that the proposed method can be used to make a feasible scheme meeting task demand and select an optimal plan by routing performance comparison.

inter-satellite link (ISL); topology; scheme design; routing performance; evaluation method

2016-10-07

中国空间技术研究院(CAST)创新基金资助项目

赵 岳(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为空间信息系统体系结构及关键技术。

TN927

2095-3828(2017)01-0074-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.015