【学术论文】宽带LEO星座卫星通信系统业务量仿真分析
由于小卫星技术的快速发展,以及低轨卫星（LEO）相比传统的地球同步轨道卫星（GEO）具有低时延、低损耗等优点，宽带LEO星座卫星通信系统逐渐成为当前卫星通信领域的发展热点之一。目前，世界许多国家和卫星通信公司都在制定宽带LEO星座卫星通信系统方案。针对中国的现实条件，为建造一个合理的宽带LEO星座卫星通信系统，研究一个高效的组网方案，需要分析系统的业务量需求。对此构建了系统的业务模型与一日变化模型，提出了业务量仿真的方法，利用STK和MATLAB仿真软件，模拟了宽带LEO星座卫星通信系统单颗卫星与单个轨道面内的相对业务量，相关对建设我国自主的宽带LEO星座卫星通信系统具有一定的参考与指导意义。
徐军，威，张更新. 宽带LEO星座卫星通信系统业务量仿真分析[J].电子技术应用，2019，45(3)：67-70，75.
0 引言宽带LEO星座卫星通信系统是当前卫星通信领域重要的发展热点之一，由于传统的GEO卫星网络具有时延大、损耗高、星上处理能力弱、网络吞吐量小、通信费用昂贵等特点，主要作为地面通信网的延伸和补充。利用GEO卫星建立一个面向全球的、具有经济竞争力的宽带卫星通信系统，在当前技术条件下显然非常困难[1]。世界许多国家和卫星通信公司都在制定自己的宽带卫星通信系统方案。OneWeb公司已经启动了世界上最大的卫星互联网计划，将发射648颗卫星建立一个覆盖全球的低轨道卫星高速通信网络。SpaceX计划打造由4 000多颗小卫星组成的互联网星座STEAM，在全球范围内提供互联网接入服务。LeoSat计划建造一个由140颗卫星构成的星座，为全球提供宽带数据接入服务。
为适应不断扩大的对外交流，提前占据空间的轨道和频率资源，中国有必要建立一个自己的宽带LEO星座卫星通信系统。目前我国尚未建立面向全球通信的LEO星座卫星通信系统，但已经提出了建造LEO星座卫星通信系统的计划，比如“鸿雁”与“虹云”系统[2-3]。然而基于我国的外交政策，在国外建立大量的信关站是几乎不可能的，需要在国内建站的强约束条件下实现通信，必须要有一个合理的组网方案。
国外的OneWeb系统采用的是全球建立信关站的方式实现全球通信，卫星采用透明转发的工作方式，技术简单，成本较低。但是这种组网方案明显不适合中国使用，中国在国外建立大量信关站是难以实现的[4-5]。而如果卫星采用全处理转发的工作方式，能够实现全球通信，然而系统容量会很低，星间链与馈电链的传输瓶颈会很大程度地系统的传输容量，而且技术复杂，成本较高[6]。卫星可以同时采用透明转发与处理转发两种工作方式，在国内，国外业务较多的部分区域等建立信关站，在业务量较小国外区域采用处理转发的工作方式，依靠星间链实现全球通信。这种组网方式能够在成本与技术复杂度之间取得折衷，这与业务量的分布有很大的关系，因此需要研究系统的业务量特点，结合系统的实际业务量需求研究一个高效组网方案。为此需要对系统在全球的业务量进行分析。
在宽带LEO星座卫星通信系统里，LEO卫星轨道高度低，运动速度快，星下点相对地面高速移动，文献[1]通过链计算分析了宽带LEO星座卫星系统要采用高仰角的星座方案，并仿真了高仰角卫星通信系统OneWeb的传输性能。本文也将继续以OneWeb系统进行仿线颗卫星依照Walker星座进行构建,卫星分布在18个轨道面上，每个轨道面上部署36颗卫星，卫星轨道高度为1 200 km，轨道倾角为87.9，在OneWeb系统采用的星座里，星下点每秒钟可改变约1公里的，卫星在地面的波束覆盖区在不断变化，导致每颗卫星的业务源也随之变化，加之地面与卫星进行通信时通角较高，最低通角50[1]，单颗星的波束覆盖角度较窄，导致卫星在高速移动时每颗卫星的业务源变化更明显。当卫星经过人口聚集的陆地区域时，由于不同地区人口数量不同，各大洲的经济发展程度不同，对业务的需求也不同，卫星的业务源也是不断变化的；当卫星经过国内区域时，由于国内用户对业务的需求量更大，卫星的业务量会在短时间内达到一个峰值；当卫星经过海洋地区、沙漠地区、山脉地区或两极地区时，由于这些地区几乎没有用户，导致卫星的业务源几乎为零。在卫星绕地球旋转一周的过程中，卫星的星下点要在海洋与陆地之间数次转换，导致卫星业务量的变化具有很强的突发性：当经过人口稠密地区和国内区域是时，业务量在短时间内达到很高的峰值；当经过海洋和极区时，业务量又可能长时间处于极低的状态[7-8]。
在不同的时间段内，用户进行通信的使用频度也是不同的，这取决于卫星覆盖区内的当地时间，用户在正常活动的白天与夜间的业务需求会大于休息时凌晨的业务需求。因此，在计算卫星的业务量时，还需考虑星下点的当地时间。
影响低轨卫星移动通信系统用户业务量的主要因素有两个：(1)地形地物因素。地球上的陆地、海洋、山脉和沙漠等分布错落有致；在陆地区域，各大洲的经济发展程度不同，对业务的需求也不相同；在国内区域与国外区域，业务量会有明显的差距。这样当卫星绕地球作周期性旋转的时候，卫星就会经过不同的地区，随着时间的推移，卫星波束扫过不同地区时，其业务源就会有很大的变化，从而导致用户业务量具有脉冲式的变化规律。
为此，需要针对宽带LEO星座卫星通信系统的特点，建立相应的仿真模型才能获得其业务量仿真结果。为完成这样的仿真，需要确定下列基本信息：
业务模型是根据地球上不同区域对业务量的需求不同而建立的基于经纬度变化的业务量变化模型，考虑到系统在地球南北极业务量极小，而本系统的星座特点在南北极拥有较多的卫星，足以满足南北极的业务需求，无需分析南北极的业务量，因此将纬度范围为70~90与-90~-70的区域业务量置零。只需分析范围为纬度-70~金字旁的女孩名字70、经度-180~180，则将这块地区按经度每隔5、纬度每隔2.5分为56×72个网格，共有4 032个网格，网格分布如图1所示。
每个网格内的业务密度按照本地区的人口数量、经济发展程度和用户类型等不同特点置以加权因子计算，不同的大洲每个网格内的业务密度按地区的经济发展加权因子计算：暂定为洲为0.8，南美洲0.6，非洲为0.4，亚洲为0.7，欧洲0.8，大洋洲0.5；一些人口分布较少的地区业务量小，置以较小的加权因子：远海地带业务为0，近海地带业务为0.1，某些沙漠地带业务为0；境内业务需求比境外大很多，假设境内与境外业务密度之比为10：1，从而得到系统的业务模型如图2所示。
每个地点在一天内不同时间段的业务量是有明显变化的，因为用户在不同的时间段进行通信的使用频率是不同的，对业务量的需求不同，这与当地时间有关。为了分析时间因素对业务量变化的影响，描述业务量在一天内的相对变化情况，一个数值在0与1之间时间加权因子被提出来，在一天内的24个小时内，依据人们平常的作息习惯，给每一个时段分配一个时间加权因子，这个模型对于全球各地区相同，如图3所示。地球表面各点的当地时间都是相对GMT(格林尼治标准时间)参考时钟获得的。在各卫星获得与它可见的网格的当地时间后，每个网格内的业务都乘以相应的时间加权因子。
计算业务量的时间加权因子非常重要，需要获得卫星星下点的当地时间，由于卫星的高速运转，卫星星下点的当地时间有着非常大的变化，卫星星下点的当地时间计算方法为：首先从STK仿真软件中获取卫星当前星下点的经纬度坐标，然后由GMT时间换算为当地时间，得到卫星星下点的当地时间变化如图4所示。
OneWeb系统是当下典型的宽带LEO卫星通信系统，本文仿真的是OneWeb星座，根据业务仿线小时内其覆盖区内业务量的变化情况。一颗卫星在24小时内其覆盖区内业务量的变化如图5所示。3颗卫星在24小时内其覆盖区内业务量的变化对比如图6所示。
从图5中可以明显看出，单星的相对业务量具有高速变化性和突发性的特点，图中相对业务量连续为零的时刻主要是运行到海洋或者南北极上空时，几处较高的峰值是卫星运行到国内区域上空的时候。从图6中可以看出，同一时刻3颗卫星的相对业务量差异很大，但其峰值的变化趋势是相似的，主要是因为受到时间因素的影响程度是一样的。
在得出单星的相对业务量一日变化模型后，可以对一条轨道面内总的卫星相对业务量进行仿线小时内其覆盖区内总的业务量的变化如图7所示。3条轨道面在24小时内覆盖区业务量对比变化对比如图8所示。
从图7中可以看到，一条轨道面内总的卫星相对业务量随时间有规律变化，约十几小时左右轨道面内总的卫星业务量会达到一个峰值，这是由于轨道面运行到国内区域上空所致；但两个峰值的高度不同，这是由于卫星并非同步轨道卫星，两次运行到国内上空时当地时间不同，时间因素会对卫星有影响。从图8中可以看到，3条轨道的相对业务量在同一时刻有很大差异，一条轨道面的业务量在不同时间也有很大差异。
从仿真结果来看，卫星业务具有很强的突发性、高速变化性与分布不均匀性，针对业务量分布的这种特点，在一天内的大部分时刻卫星相对业务量都是极小甚至为零的，在卫星经过国内上空时其相对业务量会达到峰值，如果卫星采用全处理转发的工作方式，就会造成很大的资源浪费。为满足国内用户的业务量需求，卫星转发器需要具备很强的星上处理能力，而大部分时刻都是经过海洋以及国外业务量较小的区域，会造成很大的资源浪费，而卫星如果星上处理能力较弱，星间链传输国内区域的业务时就会造成网络的拥堵。而卫星采用全透明转发的工作方式是不符合我国的国情的。结合卫星的业务量分布特点，卫星可以同时采用透明转发与处理转发两种工作方式，国内建立信关站，卫星在境外业务量较小的区域只处理转发器工作，透明转发器处于关闭状态，运行到国内上空时透明转发器工作，利用信关站传输国内大业务量。在成本与技术复杂度上取得折衷。
本文分析了当前宽带LEO星座卫星通信系统的发展状况，结合建设我国宽带LEO星座卫星通信系统的现实条件，分析了对宽带LEO星座卫星通信系统进行业务量需求分析的重要性，对影响业务量的主要因素进行分析，针对影响业务量两个主要因素分别建立了业务模型与一日变化模型，提出了对宽带LEO星座卫星通信系统进行业务量仿真的方法，完成了对单星以及一个轨道面内相对业务量一日变化的仿真。直观分析出卫星业务量的分布特点，对中国宽带LEO星座卫星通信系统的组网设计具有重要的指导参考意义。
[4] 汪宏武，张更新，余金培.低轨卫星星座通信系统的分析与发展[J].卫星应用，2015(7)：38-42.
[5] 孙晨华，肖永伟，赵伟松，等.天地一体化信息网络低轨移动及宽带通信星座发展设想[J].电信科学，2017，33(12)：43-52.
（1.中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京210007；2.南京邮电大学，江苏 南京210003）