多階段建設(shè)的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵規(guī)劃技術(shù)研究.pdf

1、衛(wèi)星通信系統(tǒng)是地面通信系統(tǒng)的延伸和補(bǔ)充，主要為偏遠(yuǎn)地區(qū)人群及有特殊通信需要的人群提供通信服務(wù)。其中，該系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)星間通信和星上處理的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以全球無縫覆蓋、傳播延時(shí)低、低功耗、對(duì)地面設(shè)施依賴小等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中從運(yùn)營(yíng)商的角度出發(fā)，用最少網(wǎng)絡(luò)資源最大程度地滿足用戶任務(wù)需求是其追求的目標(biāo)。由于衛(wèi)星一經(jīng)發(fā)射很難在軌升級(jí)，因此，應(yīng)該合理規(guī)劃低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及鏈路帶寬，從而實(shí)現(xiàn)在保證使用較少的

2、鏈路帶寬前提下，使之能最大程度地滿足用戶任務(wù)的需求，同時(shí)又不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的浪費(fèi)；此外，衛(wèi)星數(shù)目多、投資大、衛(wèi)星發(fā)射周期長(zhǎng)導(dǎo)致低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建設(shè)涉及多個(gè)階段，因此，還應(yīng)該合理規(guī)劃低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程，使得用戶在建設(shè)過程中能體驗(yàn)到延時(shí)更低的信息中繼服務(wù)。然而，低軌衛(wèi)星高速轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致星地鏈路與星間鏈路頻繁切換，為其動(dòng)態(tài)拓?fù)渑渲?、鏈路容量?jī)?yōu)化及建設(shè)過程優(yōu)化帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)針對(duì)多階段建設(shè)的低軌衛(wèi)星

3、星座網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量研究，然而仍存在許多需要解決的問題：1）星載通信終端受限而可視衛(wèi)星數(shù)目有余，需要根據(jù)可視衛(wèi)星動(dòng)態(tài)配置合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2）拓?fù)湓O(shè)計(jì)、路由及鏈路帶寬分配三個(gè)子問題之間相互耦合，如何協(xié)調(diào)處理三個(gè)耦合的子問題來降低鏈路帶寬需求量；3）在完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及鏈路容量的規(guī)劃后，多階段的低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該如何一步一步建成。因此，針對(duì)上述問題和要求，本論文做的主要研究?jī)?nèi)容包括如下：
　　1、衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化
　　衛(wèi)星的

4、可視衛(wèi)星數(shù)目通常多于星載通信終端數(shù)目，那么如何分配衛(wèi)星上有限的星載通信終端，選擇合適的可視衛(wèi)星建立星間鏈路，是研究的一大難點(diǎn)和熱點(diǎn)。為此，本論文提出基于完美匹配模型的鏈路分配方案（Link Assignment Scheme based on Perfect Match Model，LAS-PMM），它把鏈路分配轉(zhuǎn)換成混合完全二部圖的一個(gè)完美匹配問題。在該方案中，混合完全二部圖的完美匹配可以保證衛(wèi)星上所有通信終端都能用來建立星間鏈路。通

5、過對(duì)典型的Next-generation LEO System（NeLS）衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建立仿真實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于規(guī)則鏈路分配方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，LAS-PMM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞钠骄c(diǎn)到點(diǎn)延時(shí)降低了9.25%。
　　2、衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)鏈路容量?jī)?yōu)化
　　每顆衛(wèi)星需要根據(jù)它的可視衛(wèi)星集合動(dòng)態(tài)的建立和拆除星間鏈路。不同的鏈路分配方案會(huì)導(dǎo)致不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩a(chǎn)生不同的路由及帶寬分配結(jié)果，即拓?fù)湓O(shè)計(jì)、路由及鏈路帶寬分配三個(gè)子問題之間相互耦

6、合，并且它們影響衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的部署成本和運(yùn)行維護(hù)成本。為此，本論文提出的LAS-PMM用于設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，使得用戶?qǐng)求的路由更短，從而相應(yīng)的減少了鏈路帶寬需求量。通過對(duì)NeLS衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建立仿真實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比于規(guī)則鏈路分配方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，LAS-PMM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞?wù)請(qǐng)求的鏈路帶寬需求降低了24.8%。
　　3、衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程優(yōu)化
　　低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)涉及多個(gè)階段，在其部署過程中，在軌衛(wèi)星可以通過存儲(chǔ)-攜

7、帶-轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制為用戶提供中繼式的信息服務(wù)。衛(wèi)星一經(jīng)發(fā)射很難在軌升級(jí)星上存儲(chǔ)，并且這種存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制會(huì)在衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的部署過程中導(dǎo)致較大的端到端延時(shí)。為了解決大延時(shí)問題，本論文提出了在衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的每個(gè)階段，基于最小間隙標(biāo)準(zhǔn)差的異軌一箭多星方法，把運(yùn)載火箭發(fā)射的多顆衛(wèi)星注入到不同軌道平面上的合適位置，從而降低用戶的端到端延時(shí)，且減小星上存儲(chǔ)的需求。此外，本論文進(jìn)一步分析了異軌一箭多星方法所需要的燃料成本和時(shí)間部署成本。通過Gl