前向数据接入方式对导航星座网络通信性能的影响分析

王琦，邵丰伟，顾亚楠

1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094

2. 上海微小卫星工程中心，上海 201203

3. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

建设有星间链路支持的导航星座成为全球导航系统的发展趋势。GPS IIR/IIR-M卫星UHF频段星间链路、Galileo GNSS+项目C频段星间链路等均采用时分多址体制轮询测距通信[1]。导航星座星间链路一种可行的实现方案是使用相控阵天线通过指向切换实现空域复用，分时实现与多个目标的测量通信[2]。在满足基于星间测量的自主导航、精密定轨需求的同时，导航星座星间链路基于一定的拓扑路由规划进行组网通信，可有效解决境外卫星与境内地面站间的数据交互问题。

伴随复杂星间链路网络的出现，星地通信模式由星地点对点数据交互逐步向星-星-地联合数据交互过渡。以北斗全球卫星导航系统为代表，星间链路采用时分多址轮询建链体制，星地链路采用连续通信建链体制，星间、星地链路的数据交互机制需要协调和统一。当前对优化导航星座星间链路网络拓扑路由效果的研究成果较为丰富[3-6]，但缺少对星-星-地联合数据交互机制及其优化应用的研究。

本文面向导航星座星间链路网络的地面前向数据接入应用，分析了两种代表性前向数据接入方式对导航星座星间链路网络数据交互机制的作用机理及对星间链路网络通信性能的定性影响，给出了导航星座星间链路网络拓扑路由规划策略的制定规则；经仿真计算，量化分析比较了两种前向数据接入方式下的网络通信性能；通过对性能优势及应用代价的权衡，给出了星间、星地联合数据交互机制的使用建议。研究成果对北斗全球卫星导航系统星间链路网络的应用有明确的指导意义。

1 星-星-地前向数据交互机制分析

在导航星座星间链路时分多址轮询建链体制下，每颗卫星采用时分复用的工作方式，以时隙为基本时间单位与其他卫星分时联通，全星座任意可视卫星之间可分时建立多点对多点的多条链路，完成测量和数据传输。全网星间数据经由境内卫星星地链路实现与地面的交互,即通过境内卫星中转，可以实现境外卫星与境内地面站的前返向数据传输。

星间链路按时隙变换建链对象并调整数据路由，与传统星地链路一对一固定联通的数据交互机制区别明显。本文以地面前向数据注入为例，对地面与星间网络之间数据交互的实现机制进行分析。

1.1 最快路径接入方式下的数据交互机制

在星间链路时分多址轮询建链体制下，星间网络境内卫星与境外卫星通信最为高效的方式是：选择从境内卫星至境外卫星的最快路径，保证境内卫星到境外卫星的时延最小，境内卫星与境外卫星一次转发数据传输优先，称为数据最快路径接入方式。

为高效地实现星间链路网络与地面的联合数据交互，要求调整地面系统传统数据分发及接入模式。以地面前向数据为例，对境外A星的前向数据，需由地面数据中心对境外A星的数据按时隙进行分块，且通过多个不同的地面站，定时送达至各时隙最快路径中相应的境内卫星，才能按照星间链路的拓扑路由规划最快到达境外A星。具体星-星-地数据交互过程参见图1，传输路径如表1所示。

表1 地面至境外卫星数据传输的最快路径

图1 前向数据最快路径接入传输实现示意

前向数据最快路径接入方式下，星间网络通信效率高，网络负载小。但对传统星地点对点通信模式，在可见期间保持地面站与境内卫星一对一连续建链通信方式不变的条件下，要求地面系统针对星间链路多星数据分发传输机制进行调整和升级，能够对境外多星数据按时隙进行分块，且按路由路径向多个地面站点分发并按时送达至多颗境内转发卫星，才能适应星间链路网络多点对多点的最快路径数据路由。

1.2 固定节点接入方式下的数据交互机制

保持星地链路数据分发传输机制不变，经过星地链路联通境内卫星，对该境内卫星可视的境外卫星固定进行一对一的数据注入，称为数据固定节点接入方式。此时，星间最快路径路由将无法保证。

以境外A星为例，选择境内1星作为转发节点，在两星可见期间，对境外A星的所有注入数据均由地面发送给境内1星；数据到达境内1星后，由境内1星按照接续时隙的拓扑路由规划参数，在通信能力范围内将数据送达至境外A星。具体星-星-地数据交互过程参见图2, 传输路径如表2所示。

表2 地面至境外卫星数据传输的固定节点路径

图2 前向数据固定节点接入传输实现示意

前向数据固定节点接入方式下，从境内1星某个时隙转发给境外A星的数据，可能在星间链路网络中经过多次转发才能到达境外A星，传输路径跳数和时延均明显增加。多次转发将导致地面接入数据在星间网络中滞留时间较长，网络负载加重，无法保证星间链路网络较高的通信效率；但对于地面数据中心而言，数据调度及分发上注机制与传统星地链路基本一致，实现较为简单可靠。

2 前向数据不同接入方式下的星间网络拓扑路由规划策略分析

导航星座各卫星以时隙为基本时间单位与其他卫星分时联通，在满足测量类用户对星间建链要求的基础上，境内卫星与境外卫星间按照拓扑路由规划进行数据交互。与节点对等、流量均衡的传统通信网络的区别在于，导航星间链路网络拓扑路由规划主要解决的是测量约束条件下的境内卫星与境外卫星间通信性能优化问题。

在测量条件的约束下，基于容量最大化、负载均衡、最短路径、最快到达等目标，通常将星间链路建链和拓扑规划问题建模为一个多目标优化问题；基于拓扑规划结果，进一步进行容量、负载、时延等综合目标优化的路由规划。国内导航星间链路网络拓扑路由规划算法研究主要以网络容量、传输时延为优化目标[3-14]，本文不对具体算法及其优点进行比较，主要制定不同地面数据接入方式下的拓扑路由规划策略和原则，为算法研究提供目标指导。

前向数据最快路径接入方式下，由地面去适应星间链路境内多星对境外多星时分复用轮询建链的数据通信机制，地面与某个境外卫星间通信通过多个境内卫星进行数据分块、分时转发实现。这种接入方式可以快速实现数据在境内星与境外星间的传递，数据在星间网络停留的时间较短，整个网络承载境内外卫星间的数据容量显著提升。通过重点保证境内卫星与境外卫星的建链数量和均匀性，通常网络容量和负载均衡即可有效实现；拓扑路由规划常以最短路径为主要优化方向，较易实现良好的通信时延性能。

前向数据固定节点接入方式下，由星间链路去适应传统星地单点对单点的通信模式，对星间链路网络通信性能有较大影响。受测量类用户对多星交互建链要求的约束，由境内固定接入卫星节点至境外某卫星的数据一次转发到达率通常仅为10%～20%，多次转发成为常态。数据在星间链路网络中停留时间较长，网络容量和传输时延受到显著影响。此时，通信容量和传输时延成为拓扑路由规划算法的主要优化目标。此外，返向数据传输通常具备继续采用最快路径到达策略的条件，前返向数据传输路径的不对称性，在拓扑路由规划时也需要关注。

3 前向数据不同接入方式下的通信性能仿真分析

设定典型导航星座轨道参数和地面站坐标参数，计算星间、星地可见性[15]；在满足测量类用户对单星星间测量建链数量要求的基础上，针对两种不同的星地数据交互机制，分别进行支持境内外卫星数据交互的网络拓扑路由规划。对卫星分别为源节点、中转节点和接收节点的情况，从优先级、卫星数据处理、卫星数据缓存等角度，建立数据发送、数据转发、数据接收模型，按通信协议构建导航星座星间链路网络运行仿真平台。同时，建立不同地面数据接入方式下的用户数据注入模型，基于某一种可行的网络拓扑路由规划结果，进行通信网络性能仿真分析。

3.1 仿真场景设置

仿真场景选取星座构型为Walker 24/3/1、倾角为55°、回归周期为7 d的全球MEO导航星座，以及喀什、渭南、北京3个地面站。通过对星间及星地可见关系的多周期分析，可选取境内外卫星数量比例较为恶劣的典型代表场景(境外18颗星、境内6颗星)，作为通信网络性能的下限情况进行分析。卫星节点星间通信带宽、缓存容量等主要模型参数设置参见表3。

表3 导航星间网络前向数据接入仿真场景参数设置

3.2 网络通信性能仿真结果

按照仿真参数设置，选取典型场景下1 h的通信数据进行性能仿真分析。此时段星座第一轨道面2、3、4相位及第二轨道面1、2、8相位的卫星为境内星。通过调整对境外星的前向数据注入量，实现典型场景下通信性能边界分析。

(1)前向数据最快路径接入方式

对18颗境外星的前向数据注入量，在每颗卫星9帧/时隙的基础上逐步增加，数据于每秒起始时刻进行注入。境外星前向数据通信性能仿真结果如表4所示。

表4 最快路径接入方式下导航星间网络通信性能仿真结果

当每颗卫星前向数据注入量为15帧/时隙时，数据超出星间链路通信容量，在星内缓存排队，无法按照规划的最快路径传输，随时间累积缓存数据溢出导致丢包。

(2)前向数据固定节点接入方式

对18颗境外星前向数据注入量，在每颗卫星9帧/时隙的基础上逐步增加。境外星前向数据通信性能仿真结果如表5所示。

表5 固定节点接入方式下导航星间网络通信性能仿真结果

当每颗卫星前向数据注入量为12帧/时隙时，数据超出星间链路通信容量，在星内缓存排队，无法按照规划的较优路径传输，随时间累积缓存数据溢出导致丢包。

3.3 仿真结果分析

如图3所示，对前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式下的通信性能仿真结果进行分析及比对，得到以下结论：

图3 前向数据不同接入方式的网络通信性能仿真结果

1)前向数据最快路径接入方式相比于固定节点接入方式在数据容量和传输时延等通信指标上有较明显的优势；以用户可接受的平均时延为30 s为例，最快路径接入方式可支持每颗境外星14帧/时隙的同时上注，而固定节点接入方式仅可支持每颗境外星10帧/时隙的数据注入量。

2)在两种接入方式下，数据拥塞的发生过程分别表现出渐变和突变的特点。前向数据固定节点接入方式下，随着注入数据量的增加，有明显的时延逐步增加过程，当注入数据量增加至每颗境外星14帧/时隙时，网络逐渐发生拥塞；前向数据最快路径接入方式下，未达到数据拥塞前，随着注入数据量的增加，时延缓慢增加，当数据注入量达到拥塞门限值时，时延迅速增加，网络立刻发生拥塞。

3)最快路径接入方式下，注入数据一旦超过门限，数据在缓存中较快发生累积，超过链路通信容量的数据，通常无法按照规划的最快传输路径到达境外目的卫星，传输方式转化成类似固定接入方式下的多跳数据路由；此时，传输时延的显著增加将进一步加剧缓存空间的数据累积；由于此时的数据注入量已大于固定接入算法的拥塞门限值，网络进入拥塞状态的过渡时间极短。

4 结束语

本文针对时分多址轮询建链体制的导航星座星间链路网络，完成了前向数据最快路径接入方式和固定节点接入方式两种代表性星-星-地联合数据交互机制下的网络性能分析。

1)前向数据固定节点接入方式功能实现简单，但没有发挥网络路由的优势，牺牲了星间网络的通信性能；最快路径接入方式可以保证优良的星间网络通信性能，但要求地面数据交互机制进行较为复杂升级，运行的稳定性和可靠性相对不足。

2)根据星间传输时延和通信容量的仿真分析结果，在前向数据注入量较低且通信时延要求不高的应用条件下，可适度采用前向数据固定节点接入方式，以避免复杂的数据调度带来的稳定性和可靠性风险。

3)前向数据固定节点接入方式和最快路径接入方式，是在现有地面与卫星不同数据链路体系下适应星间网络的使用层面的折中方案；应将星地通信体制和数据交互机制向星间统一，采用星-星-地一体网络最优路径接入数据路由，更为高效、可靠地实现星-星-地网络通信。