低轨星座体系结构设计及资源调度算法研究

刘海蛟，秦 鹏，王妮炜，陆 洲，周 彬

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

低轨卫星具有成本低、重量轻、时延短等优点，通过星座组网可实现全球无缝覆盖。低轨卫星星座近几十年来受到了广泛的关注，在民用、商业领域得到了快速发展和广泛应用[1-3]。随着信息技术的发展，宽带接入、天基物联等应用日益迫切，亟需设计提出新兴的低轨卫星星座，满足不断增长的应用需求。

1 发展现状

低轨卫星星座的发展主要分为三个阶段：第一个阶段为1980年至2000年，代表性系统为Iridium系统[4]和Global Star系统[5]，本阶段低轨星座功能定位为与地面移动通信网络竞争；第二个阶段为2000年至2014年，代表性系统为Iridium Next系统[4]，本阶段低轨星座功能定位为填隙补充，在地面网络覆盖不到的地方进行补盲；第三个阶段为2014年至今，代表性系统为Oneweb系统、O3b系统[6]，本阶段低轨星座功能定位为与地面网络合作，构成卫星互联网，实现全球覆盖。经过三个阶段的发展，涌现出大量的低轨卫星通信系统，其中典型的有Iridium、O3b、Oneweb和SpaceX。

1.1 Iridium系统

Iridium[4]1987年由美国摩托罗拉公司提出，1998年完成一代系统建设，耗资57亿美元。铱星一代系统主要为手持机移动电话用户提供全球无缝个人通信业务，包括72颗通信卫星(66颗组网卫星和6颗在轨备用卫星)，分布在高度780 km的6个轨道面，基本速率为2.4 kbps。经公司重组和商业模式调整，在金融机构和美军的支持下，2007年启动铱星下一代系统(Iridium Next)建设，2016年开始发射卫星，计划2017年完成部署，预计耗资约29亿美元。Iridium NEXT升级改造为宽带信息网络，星上搭载通信、气候变化监视、多光谱对地成像等多种载荷，具备星间链路和星上IP交换功能，L频段下行业务速率可达1.5 Mbps，Ka频段业务速率可达30 Mbps。

1.2 O3b

O3b(Other 3 billion)[5]是一家全球卫星互联网接入服务商，由互联网巨头Google、媒体巨头马隆(John Malone)旗下的海外有线电视运营商Liberty Global，与汇丰银行联合组建，其目标是为全球尚未接入互联网的“另外30亿”人口提供网络服务，主要为电信运营商及互联网服务商提供高速、低资费、低延时的移动互联服务。目前，O3b已部署12颗卫星，采用弯管式透明转发体制，星上不作复杂处理，轨道高度为8062 km，使用Ka频段，单星70个波束，单波束速率为1.6 Gbps，传输时延150 ms，为用户提供与4G相媲美的“最后一公里”解决方案。

1.3 Oneweb

OneWeb[6]是近些年发展起来的一家美国卫星互联网公司，目标是为传统互联网布设成本相对昂贵的地区提供高速宽带接入服务。OneWeb系统计划部署720颗低轨卫星组网，分布于18个轨道面，轨道高度1200 km，采用Ku频段，单星传输能力大于6 Gbps，用户接入速率可达50 Mbps，系统总容量约5 Tbps。单颗卫星重量约为150 kg，采用民用级电子设备和规模化流水线生产，单星成本低于100万美元。OneWeb系统主要提供应急通信、低延时空中宽带接入、车辆网接入、乡村覆盖和家庭、学校、健康中心接入等服务。

1.4 SpaceX

美国SpaceX公司提出了STEAM卫星互联网计划[6]，共需部署不少于4257颗小卫星，运行在43个混合轨道面，采用Ku、Ka频段，主要提供空间宽带WIFI接入服务，计划2017年发射2颗试验星，2020年投入运营。卫星重量约386 kg，工作寿命5～7年。每颗卫星提供的下行通信容量17～23 Gbps，系统可提供最高容量达每用户1Gbps宽带服务。

1.5 启示

通过对比典型低轨卫星通信系统可以发现，O3b系统采用中轨星座部署方式，可有效覆盖中低纬地区，Iridium系统、Oneweb系统、SpaceX系统采用近极轨道部署方式，可实现全球覆盖。在上述4个系统中，O3b系统和Oneweb系统无星间链，采用透明转发的工作机制；Iridium系统、SpaceX系统中有星间链路，星上可做数据处理。通过分析可知，O3b系统和Oneweb系统的体系架构采用透明转发机制，其星间没有实现组网，无路由、交换功能，面对高动态业务时其资源使用效率较低；Iridium系统、SpaceX系统的体系架构依靠星间链路实现了星间组网，但是其组网技术较为落后，控制平面和转发平面高度耦合，且作为商用系统，其资源调度机制需要较多人工干预，均降低了其资源的利用效率。为了解决上述问题，需要设计新型的低轨星座体系结构和相应的资源调度算法。

2 体系结构

软件定义网络(SDN，Software Define Network)[7]将控制和传输功能进行解耦，在控制平面对外提供应用接口，可通过软件定义的方式对网络功能进行控制，提高了网络配置的灵活性和资源调度的动态性。基于SDN设计低轨卫星体系架构，具有载荷综合化、功能软件化的特点，有效提升了低轨星座的使用效能，同时降低了低轨星座的部署成本，符合低轨星座商业航天的发展思路。目前SDN主要应用于地面网络，在低轨星座中应用时需要对网络体系架构、网络协议和相关关键技术进行研究和突破，技术风险较大。本文创新性地提出了基于SDN的低轨星座网络架构，将低轨星座的控制平面和转发平面进行分离，控制平面掌握全网的资源信息，在进行资源调度时可以进行全局优化，提升资源的利用效率；转发平面功能单一，结构简单，可以有效降低网络部署成本；此外，通过解耦转发器和控制器，可以提出统一的网络接口和消息流程，有利于提升网络的扩展性。

基于SDN思想设计的低轨星座体系架构如图1所示，在该架构中，低轨星座由若干个轨道面构成，每个轨道面中包含1颗低轨控制卫星和多颗低轨转发卫星且同一轨道面中的相邻卫星之间由星间链进行连接。

图1 低轨星座体系架构

低轨控制卫星是低轨星座控制平面的组成单元，通过多个低轨控制卫星协作可以实现对低轨卫星星座网络的控制，完成资源调度等功能。低轨控制卫星基于业务请求类型、带宽和服务质量，计算可用路径，并通过协作配置低轨转发卫星的传输资源。低轨转发卫星主要用于数据分发与传输，集成了透明转发、分组交换、电路交换等技术体制，可提供移动通信、宽带接入、广域物联等功能，低轨转发卫星将时隙、带宽、信道等不同类型的网络资源进行抽象和虚拟后，向低轨控制卫星提供统一的资源视图。

低轨星座设计中，同一轨道面内有星间链，不同轨道面间无星间链。在同一轨道面内信息可通过低轨星间传送，由于高轨卫星和低轨卫星之间存在星间链，不同轨道面间信息可通过高轨星间链和低轨星间链协作进行传送。通过设计星间链，实现了低轨卫星的空间组网，无需进行全区设站即可实现低轨星座的全球覆盖和全球服务。

本文提出的体系架构中，资源调度工作由低轨卫星构成的控制平面完成，减少了资源调度过程中控制信息传输的环节，提升了资源调度的效率和网络资源的利用率。现有卫星通信系统控制功能依靠地面实现，由于体系结构和控制流程的限制，资源调度过程以人工配置为主，响应速度慢，网络资源利用率低，制约了卫星通信系统的使用效能。

3 资源调度算法

3.1 数学模型

低轨星座轨道高度为800～1200公里，远低于地球同步轨道，因此，低轨星座与地面相对运动。对于用户来说，接入低轨星座网络与接入地面网络存在很大的差异：若用户接入地面网络，其网络拓扑保持不变，业务随时间动态变化；若用户接入低轨星座组成的网络，其拓扑和业务均处于实时变化的情况。低轨星座网络拓扑的动态特性将会影响到业务的服务质量，同时也会影响到网络对业务的接入能力。为了增强低轨星座的业务接入能力，提升网络的吞吐率和资源利用率，需要在拓扑发生变化后针对网络和业务进行优化。

因此，下文将研究低轨星座拓扑动态变化情况下业务接入最大化的网络规划问题，提出整数线性规划(ILP)模型。在该模型中，输入参数为业务矩阵和网络拓扑及资源状态等。业务接入最大化做为优化的首要目标，网络资源占用最少化做为优化的次要目标，数学模型描述如下：

输入参数:k:拓扑无向图,(s1k,s2k)为结点集,L为链路集。T:业务集。DToR,Ag:带宽集。St:业务请求t的源结点。Dt:业务请求t的目的结点。t:多目标优化的权重参数。变量:δtbi,j:布尔型变量,当业务请求t占用了链路n上的带宽b时为1,否则为0。ztb:布尔型变量,当业务请求t使用了带宽b时为1,否则为0。at:布尔型变量,当业务请求t被接纳时为1,否则为0。

目标函数:接入业务尽可能多,同时确保网络资源占用最小。min:η1∑t∈Tat-η2[∑(i,j)∈L∑t∈T∑b∈Bδtbij+δtbji()]/2(1) 约束条件:∑j∈N(δtbij-δtbji)=0,i≠st,ttztb,i=st-ztb,i=ttìîíïïïï∀i∈N,b∈B,t∈T(2)∑b∈Bztb=at∀t∈T(3)∑b∈Bδtbi,j≤1∀i,j()∈L,t∈T(4)∑t∈Tδtbi,j+δt,bj,i()≤1∀i,j()∈L,b∈B(5)

在上面的模型中，式(1)给出了优化目标：首要目标为最大化业务接入数目；次要目标为最小化网络资源使用。式(2)给出了基于流守恒的多旅行商方程，该方程针对某个业务请求，计算其源节点至目的节点间的无分叉路径。式(3)确保每个业务不会重复使用带宽资源。式(4)确保每个业务请求不会重复使用链路资源。式(5)确保任意一个带宽资源只能承载一个业务请求。

3.2 启发式算法

上文推导出的数学模型为ILP模型，其计算复杂度过高，只能用于离线网络规划，若要应用于网络资源动态调度，需基于ILP模型设计启发式算法。下文给出了基于模拟退火的低轨星座动态资源调度算法。

在设计基于模拟退火的动态资源调度算法时，要统筹考虑资源的利用率和负载均衡，即既要让业务选择跳数尽可能少的路径，又要考虑绕开“瓶颈”链路，确保更多业务接入。为解决网络规划过程中何时要将何业务移绕开瓶颈链路，选取更长的路径，基于模拟退火的低轨星座动态资源调度算法中，每个业务可以获得一个大于0的概率被选择更长的路径，这个概率由模拟退火中模拟的温度进行控制。具体每个业务规划操作过程的概率，取决于模拟退火代价函数和下降的温度。基于模拟退火的低轨星座动态资源调度算法可以在较低的计算复杂度下得到接近全局最优解的近似结果。

基于模拟退火的低轨星座动态资源调度算法流程如图2所示：

图2 基于模拟退火的低轨星座动态资源调度算法流程

进行动态拓扑下资源配置时应遵循两个目标：使用的频谱资源尽量集中在一起，避免频谱碎片出现；尽量使用跳数较少的路径。通过设置代价函数达到满足上述两个目标，因此，代价函数的数学表达式可以写为：

fij=α·max{0,Sj-Si}+β·max{0,Rj-Ri}γ

(6)

式(6)中，Sj为原业务的初始频率，Si为规划后业务的初始频率，Rj为原业务的跳数，Ri为规划后业务的跳数，α为频段的代价系数，β为跳数的代价系数，γ为跳数的控制因子。

在进行模拟退火时，温度下降过快会导致系统收敛到局部最优，温度下降过慢会导致较高的计算复杂度。因此要通过设置合理的温度下降因子r来获得优化效果和计算复杂度的折衷。

4 流程设计

当业务请求到达低轨转发卫星时，通过多个低轨控制卫星协作配置链路，连接建立流程如图3所示。

图3 连接建立流程

各流程所代表的含义为：

①业务请求到达低轨转发卫星；

②业务请求发送至同步轨道卫星；

③业务请求由同步轨道卫星发送至低轨控制卫星；

④低轨控制卫星进行路由计算后，将配置信息发送给同步轨道卫星；

⑤同步轨道卫星将配置信息下发至相应低轨控制卫星；

⑥低轨控制卫星将配置信息下发至低轨转发卫星，完成资源配置与连接建立。

5 结 语

基于软件定义思想设计低轨卫星星座体系结构，通过高低轨卫星协作实现低轨星座全球覆盖、随遇接入的目标，面向党政民商各类用户提供移动通信、宽带接入、航空应用、海事应用、广域物联等服务，构建全球覆盖的信息基础设施，将为我国经济社会发展提供有力支撑。