动态卫星网络性能评估

第１３卷第７期２０１３年３月　１６７１—１８１５（２０１３）０７—１８０５．０６　科学技术与工程　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．１３　Ｎｏ．７　Ｍａｒ．２０１３　

＠２０１３　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　

动态卫星网络性能评估　刘　凡邢艳玲葛　宁　（清华大学电子工程系，北京１０００８４）　

摘要为评估动态卫星网络性能，对现有卫星星座系统的设计和评估方法进行了研究。提出了使用网络最大流问题对动　态卫星网络流量进行评估的方法。利用ＳＴＫ进行仿真，求得动态卫星网络的系统覆盖率、卫星对地仰角特性、系统间各节点　建链时刻表。使用分段函数将动态卫星网络转化为网络多个状态的组合以求解网络的最大流。结果表明：网络最大流问题　可有效评估动态卫星网络传输性能，动态卫星网络传输性能比单层卫星网络的传输性能高３０倍以上。　关键词动态卫星网络　网络最大流　性能评估　星座　分段函数　中图法分类号ＴＮ９２７．３；　文献标志码Ａ　

卫星通信的发展经历了由初期的单颗卫星，到　结构简单的单层卫星网络，再到业务种类多样、传　输性能可靠的天基综合信息网。多层、动态的综合　卫星网已经成为目前世界各国研究卫星通信的热　点课题。　在卫星网络设计中，通常综合考察时延、吞吐　量、覆盖率等典型指标的仿真结果，直观地判断设　方案的优劣　卫　。然而，这种评估方法受评价者　经验、能力等主观因素影响较大，不能准确反映卫　星网络的实际性能。　为方便研究，现建立了ＬＥＯ／ＭＥＯ双层动态卫　星网络模型。提出了使用网络最大流问题对动态　卫星网络流量进行评估的方法。使用分段函数计　算动态卫星网络的最大流。使用ＳＴＫ＿３　Ｊ、Ｍａｔｌａｂ软　件进行仿真，以验证提出的评估方法。　１系统模型与评价准则　１．１系统模型　在动态卫星网络设计中，通常综合考虑卫星数　量尽可能少、覆盖范围尽可能广、用户仰角尽可能　２０１２年１Ｏ月１０日收到，１Ｏ月３１口修改　国家自然科学基金　（６１１３２００２）资助　第一作者简介：刘凡（１９８１一），男，河北省唐山市人，硕士研究生，　研究方向：空问信息网络性能评估。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｆａｎ０６２７＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。　通信作者简介：葛宁，清华大学电子系教授。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｅｎｉｎｇ＠ｔｓｉｎｇ－　ｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ。　大、信号的传输延时尽可能低、单位时问传输数据　量尽可能多、星际链路干扰可控等因素。　根据上述卫星网络的应用要求，近年来许多学　者提出了很多不同的卫星星座设计方法，比较典型　的星座有：８（Ｗａｌｋｅｒ）星座、Ｒｏｓｅｔｔｅ（玫瑰）星座、ｏｒ　星座以及ｎ星座等。目前已建成并在稳定运行的　卫星通信网大都采用了上述星座设计方案，其中比　较有代表性的主要包括采用了近极轨道星座的Ｉｒｉｄ—　ｉｕｍ系统以及采用了８星座的全球星系统等。　以上都是较为简单的单层布星的星座系统。　随着通信需求的增加，这些单层的星座系统已经逐　渐不能满足应用需要。本文所要研究的ＬＥＯ／ＭＥＯ　双层动态卫星网络　Ｊ，要分别在低轨和中轨两个　不同的轨道高度同时布星，并建立中轨卫星、低轨　卫星问的中继链路，使得地面用户、低轨卫星、中轨　卫星形成三维立体的、动态的卫星通信网。　由于ＬＥＯ卫星按照低轨侦察卫星的一般惯例　采用太阳轨道卫星。参照美国环境气象卫星ＮＯ—　ＡＡ—Ｎ系列太阳轨道卫星参数，建立１８颗低轨侦察　卫星。　ＭＥＯ卫星的设计采用Ｒｏｓｅｔｔｅ（玫瑰）星座方　案。玫瑰星座可由５个主要参数来表征。。Ｊ：　（１）星座卫星总数Ｎ；　（２）轨道面数Ｐ：　（３）相位因子Ｆ；　（４）轨道高度ｈ；　７期　刘凡，等：动态卫星网络性能评估　的，经过这些年的研究塔索，人们积累了大量的经　验，给出了很多求解问题的算法。如Ｆｏｒｄ．Ｆｕｌｋｓｏｎ　增截轨算法、Ｄｉｎｉｃ阻塞流算法、标号法以及Ｅｄ—　ｍｏｎｄｓ．Ｋａｒｐ算法等　。　最大流问题一般有如下要求¨　：　（１）网络中必须有一个源（起点）　和一个汇　（终点）Ｖｒ，应用到网络求解中，一般采用增加虚拟　源和汇的方式使多节点网络满足要求；　（２）网络中的数据流是有向的；　（３）对于网络中的每个节点（除源和汇），最大　流量都是有限制的，且流人和流出的总流量相等。　由此，最大流问题可描述为：　优化目标：ｍａｘｆ　约束条件：　：　Ｊ　ｌ　０　＜６　。　网络最大流问题一般用来解决静态网络的流　量问题。对于卫星动态网络的最大流量问题，可以　将其建模为时间演化图（Ｔｉｍｅ　Ｅｖｏｌｖｉｎｇ　Ｇｒａｐｈ，　ＴＥＧ），将各个演化子图通过叠加的方式生成一个聚　合图。这样动态网络的任意两个点　和　只要在０　～ｔ时隙内有过连接，那么在聚合图中的　就不为　０。通过这种方式可以将求延时容忍的动态卫星网　络的容量可以转化为求聚合图的最大流量　问题　１６，１７］。　图２动态网络时间演化图　如图２所示：（ａ）为各时刻网络节点连接关系，　（ｂ）为聚合后的网络连接状态。　基于卫星网络的特点，为方便求解，我们假设　ＬＥＯ、ＭＥＯ、地面站的传输和接收能力无限，可将模　型简化为所有ＩＭＬｓ、ＭＬＬｓ、ＵＤＬｓ之间可见即可传　输。使用ＳＴＫ软件可计算一天中任意时刻网络所　有节点间的连接关系。对于任意时刻网络所有节　点之问的链接关系即可转化为转化为网络多个状　态的组合使用最大流问题求解。　在实际计算中对任意时刻采样求解的方法过　于繁琐，采样点多，计算复杂。由于星间链路的建　立依据可见即可传输的原则，各类链路的通断时问　是可以精确计算的。现采用分段函数的方法，找出　各类链路的通断时间点，在各类链路联通的时问点　进行采样，可大大提高计算效率。　

３仿真验证　由于星问可见性指ＬＥＯ对ＭＥＯ，ＭＥＯ之间以　及ＭＥＯ、ＬＥＯ与地面站的可见性，假设ＬＥＯ、ＭＥＯ、　地面站的传输和接收能力无限（可见即可传输）。　３．１系统覆盖率　Ｃｏｖｅｒａｇｅ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　Ｌａｔｉｔｕｄｅ　Ｂｏｕｎｄｓ　Ｃｏｖｅｒａｇｅ　Ｍｉｎ　Ｌａｔｉｔｕｄｅ：一９０　００００（ｄｅｇ、　Ｍａ）（Ｌａｔｉｔｕｄｅ：９０　００００（ｄｅｇ、　Ｇｒｉｄ　Ａｌｔｉｔｕｄｅ：０　００００（ｋｍ）　Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ：６　００００（ｄｅｇ）　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆＰｏｉｎｔｓ：】１４８　Ａｓｓｅｔｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｖａｌｉｄ　ａｃｃｅｓｓ：Ａｔ　Ｌｅａｓｔ　１　Ａｓｓｉｇｎｅｄ　Ａｓｓｅｔｓ：　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ／Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｌ：Ａｃｔｉｖｅ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ／Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ２：Ａｃｔｉｖｅ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ／Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ３：Ａｃｔｉｖｅ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ／Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ４：Ａｃｔｉｖｅ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｉｎｔｅｒｖａｌ：１　Ｊｕｌ　２００７　００：００：００　０００　ｔｏ　２　Ｊｕｌ　２００７　００：００：００　０００　Ｒｅｇｉｏｎａｌ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ：Ｉｋ，ｎｏｒｅｄ　

Ｍａｘｉｍｔｕｎ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　Ｔｉｍｅ　Ｓｔｅｐ：３６０　０００　ｓｅｅｓ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　Ｔｉｍｅ　Ｓｔｅｐ：０　０１０　ｓｅｅｓ　Ｔｉｍｅ　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ：５　０００ｅ－００３　ｓｅｃｓ　Ｖａｌｕｅ　Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ　１　０００ｅ一００８一Ａｂｓｏｌｕｔｅ】０００ｅ－０１４　

图３　ＭＥＯ卫星对地覆盖率　图３为ＭＥＯ卫星对地覆盖特性，由图可知，本　文选取的ＭＥＯ星座可覆盖纬度位于一９０。到９０。之　间的任何区域。［Ｌａｔｉｔｕｄｅ　Ｂｏｕｎｄｓ　Ｃｏｖｅｒａｇｅ　Ｍｉｎ．Ｌａｔｉｔｕｄｅ：一９０．０００　０（ｄｅｇ），Ｍａｘ．Ｌａｔｉｔｕｄｅ：　９０．０００　０（ｄｅｇ）］　图４为ＬＥＯ卫星对地覆盖特性，由图可知，选　取的ＬＥＯ星座星座可覆盖纬度为一９０。到９０。　之间的任何区域，其中：对两极地区的覆盖可达到　１８１０　科学技术与工程　１３卷　如图１０表示ＵＤＬｓ建链时刻表，表示中继卫星　和侦查卫星直接对地面站的连接关系。由上述方　法求得ＵＤＬｓ网络最大流：ｗ　＝１。１５６　０。　计算结果表明，ＬＥＯ／ＭＥＯ双层动态卫星网络　的网络传输性能比单层ＬＥＯ网络的网络传输性能　高３０倍以上，可大大提高网络传输效率；延迟容忍　网络传输性能比零容忍网络传输性能略好。　

４小结　本文使用网络最大流问题对建立的ＬＥＯ／ＭＥＯ　双层动态卫星网络流量进行评估，并将分析的结果　与采用ＳＴＫ进行仿真验证的结果进行比较，可以看　出，在ＬＥＯ／ＭＥＯ双层网络中使用ＭＥＯ作为中继　卫星可大大提高ＬＥＯ卫星的传输效率，提高整个系　统的性能。　

参考文献　１　Ｖａｔａｌａｒｏ　Ｆ．Ｅｍａｎｕｅｌｅ　Ｇ　Ｃｏｒａｚｚａ，Ｃａｉｎｉ　Ｃ．ｅｔ　ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＬＥＯ．　ＭＥＯ，ａｎｄ　ＧＥＯ　ｇｌｏｂａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎ—　ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｆａｄｉｎｇ．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｎ　Ｓｅｌｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａｓ　Ｉｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ．　ｔｉｏｎｓ，１９９５；１３（２）：２９１—３００　２胡剑浩，吴诗其，李乐民．具有星际链路的ＬＥＯ／ＭＥＯ卫星移动　通信网络性能分析．电子学报，１９９９；２７（１１）：６５—６８　３　Ｎｉｃｏｌａｉ　Ｖ，Ｌｕｅｅｎｔｅ　Ｍ，Ｐｉａｎｔｉｅｆｉ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｍｕｌｔｉ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ　ＣＯＩｌ—　ｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ　ｐｒｏｐａｇａｔｏｒ　ｔｏｏｌｋｉｔ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００７　ＩＥＥＥ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｅｅ．Ｍｏｎｔａｎａ：ＩＥＥＥ，２００７：１—＿９　４　Ｈｅ　Ｊｕｎ，Ｙｉ　Ｘｉａｎｑｉｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＥＯ／ＬＥＯ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｅ　Ｃｏｎｔｍ１．２００９：３４（３）：４７Ｉ５０　５　杜耀珂．基于ＳＴＫ的卫星实时视景仿真系统设计．空间控制与　

应用，２００９；３５（２）：６０—６４　６　Ｗｅｍｅｒ　Ｍ，Ｄｅｌｕｃｃｈｉ　Ｃ，Ｖｏｇｅｌ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．ＡＴＭ—ｂａｓｅｄ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｉｎ　ＬＥＯ／　ＭＥＯ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｌｉｎｋｓ．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｎ　Ｓｅ—　ｌｅｃｔｅｄ　Ａｒｅａｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９７；１５（１）：６９—８２　７　Ｈｏｒｓｔｅｉｎ　Ｍ．Ｏｄｙｓｓｅｙ　ａ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ—ｂａｓｅｄ　ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ．Ｔｈｅ　２ｎｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕ．　ｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｇａｔｅｗａｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　２１　ｓｔ　Ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｏｔｔａ－　ｗａ：ＩＥＥＥ，１９９３；１：２９１—＿２９８　８刘刚．非静止轨道卫星通信系统组网关键技术研究［博Ｉ：学　位论文］．成都：电子科技大学，２００３年１２月　９　Ｂａｌｌａｒｄ　Ａ　Ｈ．Ｒｏｓｅｔｔｅ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｅａｒｔｈ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ．　ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９８０；１６（５）：６５６—６７３　１０　Ｗａｌｋｅｒ　Ｊ　Ｇ．Ｃｏｍｍｅｎｔｓ　ｏｎ　Ｒｏｓｅｔｔｅ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｅａｒｔｈ　ｓａｔｅｌ—　ｌｉｔｅｓ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｎｏ—　ｖｅｍｂｅｒ，１９８２；１８（４）：７２３—７２４　１１高Ｉ阏龙．美国的Ｎ０ＡＡ—Ｍ极轨业务环境　Ｉ　星．红外，２００３；３：　３４～３６　１２　ＢｅｓｔｅＥＳＴＥ　Ｄ　Ｃ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｃｏｎｔｉｎｕ－　ＯＵＳ　ｃｏｖｅｒａｇｅ．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｙｓ—　ｔｅｍｓ．１９７８：３：４６６—１４７３　１　３　Ｗｕ　Ｔｉｎｇｙｏｎｇ，Ｗｕ　Ｓｈｉｑｉ，Ｚｈｕ　Ｌｉｄｏｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎ　ｔｒａｃｋ　ｓａｔ—　ｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｃｏｖｅｒａｇｅ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　ＩＴＳ　Ｔｅｌ　ＩＥＥＥ．２００６：ｌ２５３一ｌ２５５　１４　Ｇｏｌｄｂｅｒｇ　Ａ　Ｖ，Ｒ　Ｓ．Ｂｅｙｏｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｂａｒｒｉｅｒ．Ｊ　Ａｓｓｏｃ　Ｃｏｍｐｕｔｅ　Ｍａｅｈ，１９９８；４５（５）：７８３—＿７９７　１５　Ａｈｕｊａ　Ｒ　Ｋ，Ｍａｇｎａｎｔｉ　Ｔ　Ｌ，Ｏｒｌｉｎ　Ｊ　Ｂ．Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｌｏｗｓ：ｔｈｅｏｒｙ，ａｌｇｏ—　ｒｉｔｈｍｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌ１．２０００：１３４一ｌ５１　１６　Ｘｕａｎ　Ｂ　Ｂ，Ｆｅｎ＇ｅｉｒａ　Ａ，Ｊａｒｒｙ　Ａ，Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｓｈｏｒｔｅｓｔ，ｆａｓｔｅｓｔ，ａｎｄ　ｆｏｒｅｍｏｓｔ　ｏｕｍｅｙｓ　ｉｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎｔ’ｌＪ．ｏｆ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３；１４（２）：２６７—２８５　１７　Ｍｅｒｕｇｎ　Ｓ，Ａｍｍａｒ　Ｍ，Ｚｅｇｎｒａ　Ｅ．Ｒｏｕｔｉｎｇ　ｉｎ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｉｎ　ｎｅｔ—　ｗｏｒｋｓ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｄｉｃｔａｂｌｅ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ．Ｇｅｏｒｇｉａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＣ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ．ＧＩＴ—ＣＣ－０４－０７，２００４