[科普中国]-全球多卫星网

多卫星网相关多卫星网简介

多卫星网（multi-satellitenetwork）是指由多颗卫星组成的网络。在发送地球站和接收地球站之间的传输经过2个或更多卫星，不经过任何中间地球站。

多层卫星网络典型的代表是二层卫星网络（TLSN），一般由LEO、MEO和GEO卫星层组成，二个卫星层都能够实现全球覆盖，同时，MEO层卫星覆盖LEO层卫星，GEO层卫星覆盖LEO层卫星。卫星网络构成一个独立的空间自治系统（AS）。地面网关与可视的卫星直接相连，负责卫星网络与地面网络间的地址转换和通信。1

常见拓扑结构多层卫星网络是一个时间依赖网络TDN，拓扑结构主要包括两大类：网状型拓扑结构和复合型拓扑结构，前者是一种直接面对网络节点和实际通信链路进行设计的分布式结构，从而，节点的连接关系比较复杂，层次性也不明显，但是，网络的扩展性比较好，且结构特征不会因网络移动而发生明显的变化；而后者则可以描述为由多个具有特殊拓扑形态的子结构组合而成的网络结构，这种结构利用网络的群簇化思想，将每个子网看做是一个虚拟节点，并通过建立各虚拟节点间的虚连接关系，对网络进行分层管理，显然，各层内虚拟节点间的连接关系随着节点数的减少而比较简单，且有利于将后面关于网络稳定性度量函数中的NP-难问题的最优解空间限制在某个较小闭合区间内，但在卫星节点运动过程中，必须保证该复合结构的连续生存性。2

发展背景在未来空天地一体化信息网络融合的发展趋势下，卫星网络作为这一体系的重要组成和衔接部分将逐渐受到重视和青睐，而国内外关于卫星网络的研究还不成熟，很多关键技术和核心问题的解决还处于起步阶段。由最初的同步轨道卫星发展到现在的中低轨单层星座以及多层协作卫星网络，利用卫星实现全球、应急以及军事等特殊环境下的通信优势越来越明显，其中，随着业务类型多样化、卫星网络骨干化以及传输特性高效化等要求，兼顾多层、多类型卫星优势的多层星座逐步成为了大多数卫星网络设计的基本模型，从而，如何实现大规模、多层复杂卫星网络的有效管理和可靠性设计是整个卫星通信系统设计的核心问题。2

提出随着航天技术和计算机网络技术的迅速发展，现代卫星通信系统已不局限于单颗卫星的通信，正在逐渐向网络化方向发展。由多颗卫星按照一定规则构成的卫星网络系统以其良好的覆盖能力、良好的移动性和良好的可扩展性为特点，已经成为一种重要的通信手段。此外，它不受地理环境限制，不受时间限制，能够为任何人在任何地点、任何时间和任何人实现通信，是地面通信网的补充和延伸。

目前对卫星网络的研究大多集中在单层结构，其中以LEO卫星网最具代表性。但是，随着通信技术的迅速发展，新一代的卫星网通常需要支持多媒体信息传输，包括对网络带宽资源占用较多的视频业务等。因此，对卫星网络的性能提出了更高的要求。大多数单层LEO卫星网是通过增加在轨卫星的数量来提高系统性能，当LEO网络规模扩大到一定程度时，单层LEO卫星网的矛盾就暴露出来了，例如网络规模随着节点数的增加过于庞大、链路时延积累值增加迅速且相应的路由算法趋于复杂等情况。

而在多层卫星网络中，MEO卫星和GEO卫星可以成为卫星网络的核心交换节点，为其所覆盖的低层LEO网络和MEO网络提供信息交换服务，此外，每个LEO卫星可以成为具有交换功能的用户接入点，与低速率的地面移动用户和高速率固定用户相连接，并为其覆盖区内的用户终端提供信息交换，且位于不同LEO卫星覆盖区内的用户间和卫星用户和地面网络的用户间信息交换可以通过LEO星间链路、LEO与MEO层间链路、MEO星间链路、MEO与GEO层间链路和GEO星间链路来实现。

优点多层卫星网络相对于单层LEO、MEO或GEO星座来说，存在以下优点：

(1)由于利用了多层卫星星座实现协同通信，在满足多类型或可变业务要求的条件下，网络的适应性较强。

(2)由于多层卫星网络具有天然的物理层次性，不同层星座的拓扑结构和稳定性特征比较明显。

(3)对多层卫星网络进行群簇化设计，可以有效缩短节点路由表长度，降低网络路由控制开销。

(4)群簇化多层卫星网络的路由算法比较简单，且对于长距离传输业务的累积时延可以得到很好的控制。

(5)根据多层卫星网络中上层节点对下层节点的覆盖关系，下层节点或链路的新增或失效不会对网络拓扑结构和路由算法产生很大的影响，从而，网络具有较好的可扩展性。

由上可以看出，未来的卫星网络既要求网络传输的高稳定性，又要求网络覆盖的全球性，而且还要求高质量的接入服务和提供QOS保证等。而仅采用LEO，MEO或GEO单层卫星网络都无法同时满足上述要求，因此，必须采用能够结合各个轨道面优势的多层卫星网络才能有效、可靠地构建未来的卫星通信网。2

全球高通量卫星多媒体化、泛在化、宽带化是信息网络发展的基本趋势。为了适应宽带化发展的时代要求，光纤通信出现了密集波分复用（DWDM）、光传送网络（OTN）、无源光纤网络（PON）技术，地面移动通信出现了3G系统长期演进（LTE）和4G、5G进步，而卫星通信则出现了高通量卫星（HTS）。

全球发展情况开发利用新频率资源、提高频率使用效率是任何通信系统扩展带宽容量的基本方式。与C、Ku频段相比，Ka频段频率资源更加丰富，而多点波束则可以数十倍地提高了频率利用效率，两者结合使得高通量卫星容量得以百倍地增加。基于高通量卫星、新一代甚小孔径终端（VSAT）和IP技术的宽带卫星通信系统传输能力接近4G水平，体系结构方面与地面互联网高度兼容，在宽带接入、基站中继、机载/船载/车载移动通信、企业联网、视频分发与采集等方面得到广泛应用。

目前发展情况主要有如下几个方面趋势：

市场规模显著增长，收入比重并不对称；

网络运营全球覆盖，美欧地区保持领先；

宽带接入地位突出，普遍服务有待扶持；

基站中继举足轻重，亚洲地区潜力较大；

移动通信风生水起，机载宽带商家必争；3

我国应用前景1、卫星宽带接入可助力“宽带中国”计划，但运行模式需要创新。

近年来，我国宽带通信整体进步较快，但是城乡宽带普及率差距仍在继续扩大。2012年底，我国农村宽带人口普及率只有6.3%，仅为城市的1/3。人口分散、环境恶劣等原因，所以普遍存在着光缆设施建设投入大、维护成本高、效益产出少等难题。在贵州、云南等地，为一个住户只有10多家的小山村铺设一根10km光缆，就需要花费1000万元人民币。假如全国有400个类似山村（4000户），就需40亿人民币建设投资。这个数字差不多就是一颗容量100Gbit/s以上、可服务100万家庭用户的高通量卫星建设成本。

高通量卫星虽然在边远地区宽带设施建设方面具有一定优势，高通量卫星在服务性价比方面仍然处于劣势。面对城乡差别巨大的现实国情，我国必须在消除数字鸿沟过程中大力开发利用高通量卫星，实现地面网络与卫星网络的协调发展，积极采用宽带普遍服务补偿机制，对卫星运营商给予适当的扶持，以实现国家、企业、用户利益上的共赢。

2、卫星基站中继不仅商用需求巨大，而且社会效益也非常可观

2014年底，中国移动通信集团公司4G用户已达达到8000万，拥有基站70万个。预计，2015年底前，中国移动通信集团公司将建成100万个4G基站，用户总数将超过1.5亿；中国联合通信有限公司也将在143城市将建5万个基站。在城市4G网络部署完成之后，借助高通量卫星实现边远地区的基站中继将是移动运营商的必然需求。以每个基站中继需要20Mbit/s带宽来保守估计，全国1000个4G基站就需要20Gbit/s的高通量卫星带宽需求。

3、机载卫星移动通信需求最突出，高铁和船舶卫星移动通信也是亮点。

2014年底，我国民用飞机数量为2475架，客运3.92亿人次。到2007年，将增长到3381架，5.38亿人次。假定每架飞机飞行时间为4h，需要30Mbit/s下载带宽，那么届时并飞时的高通量卫星带宽总需求为17Gbit/s。2013年底，我国拥有高铁动车1500辆，2017年将增长到1700辆。假定每动车需要50Mbit/s的下载带宽，同时运行数为1/6，那么，届时需要14Gbit/s的高通量卫星带宽。

与民航、高铁市场相比，船舶航运市场相对分散，包括海上工程船、政府公务船、科考船、航运船、客轮与邮轮、游艇等七大类型。其中，以航运占比最大。目前，我国沿海航运船舶11024艘，远洋2457艘。沿海可以通过地面移动网络实现通信，远洋必须借助卫星网络。假定每艘船需要5Mbit/s，共需要12Gbit/s。3

卫星通信网络的体系结构卫星通信网络的有效性能主要取决于轨道的选择、星群中的卫星数量，以及卫星或航天器技术的先进性。目前，已提出了十多个宇宙空间通信网络项目(例如：铱系统(Iridium)、Odyssey、全球星系统、ElliPo、Cal1ing、INMARSAT等21个项目)。这些项目的多数集中在个人移动通信和/或低速率数据传输业务。

卫星轨道和高度群星轨道的选择主要是在卫星的数量、航天器天线的尺寸、功率、成本和寿命、地面视域及视线仰角、业务覆盖的百分比，范艾伦(VenAllen)带辐射的效应、传播时延、手持机的功率及成本之间的折衷考虑。既这些因素是相关的和相互依存的，所以，它们只能用综合全最优化设计来评价。

用GEO卫星设计的全球覆盖只需要3～4颗卫星，然而每当使用小型手机时，它们却需要一百多个窄波束、复杂的转发器和大量的功率。但是，因为传播损失和距离的平方有关，所以，现在MEO和LEO卫星更具有诱惑力。由于较低高度卫星的天线可以更小，故传输功率可大大降氐。另外，因为通盲琏略需要较小的功率，所以较低轨道中的卫星能够更小，而且价格会更便宜。由于卫星的小型化，卫星的发射成本也随卫星的高度而降低。尽管如此，假如轨道高度降得很低，卫星的数目仍然能快速地增加。当卫星很接近地球时，传输时的斜距离变成了控制的因素，因此，相对节省由大量卫星需要被减少了。由高700公里、70颗卫星组成的LEO星群只满足移通信的有关业务需要，在连续全球覆盖时就要求有更多的卫星提供综合的固定业务和移动业务。4

频谱和网络特性由于卫星通信系统的实现策略主要针对发展中地区和补充发达国家的农村地区，期望高质量无线业务的大量用户将要求在发送和接收两个方向15O～200MHz量级的带宽。这种类型的带宽目前仅可以在Ka波段的2O～30GtJz的范内得到。在这一频率范围内，大约80dB的雨致衰减，地形阻挡特性以及与地面系统相互的干扰可以通过高掩蔽角和高增益卫星天线的结合使之减至最小。

混合系统通过业务的多样他能够使用户承受得起它的费用，即可在任何地点、任何时间、任何空间，通过一个网络为每一个羽户以低资金成本提供综合的灵活务。然而，为了动态地支持各种电信业务，空问系统必须配置成网状网络，其中簿一个卫星的怍用是一个交换节点，并且与相邻的卫星节点链接起来。这可包含卫星之间链赂(ISL)、屉上处理(OBP)、星上交换(OBS)能力，其结果是增加卫星的复杂性和成本。作为中期的目标，这样的配置：影响低成本的战略；然而，它将有利于业务的多样化和系统管理，因而会降低系统的运营投资。OBP会通过航天器上调解与二次调制改善链路性能；OBS能够充许单个电话电路在航天器上交换，因此，能够使得卫星有效地与数千个直接位于用户住宅内小型地球站或具有先进能力的甚小孔径地面终端(VSAT)进行通信。这种VSAT系统有很广的地理区域覆盖，按需分配接入全网状网络的互连性和可以综合语音、数据和视频图象的业务灵活性，其信息吞吐速率接近2Mb/s，虽然ISL、O13P和OBS在技术上是可行的，而且通过采用并行处理技术可以减少设备的重量，减少计算时间，并降低成本。但是，当近期目标主要是地区性业务时，具有许多优点的转接卫星仍然要适用于初期的空间网络配置。

为了利用基于ATM的组网技术发展的优势，空间网络应当采用快速分组交换技术，并且将网络内的所有信息同样处理为短的、固定长度的分组信息流。快速分组交换综合了电路交换的低时延数字管道和分组交换多速率/突发时延的有效处理的优点。4

多种接入技术由于卫星非常适合于宽区域覆盖，提供比地面通信网络更高质遗连接潜力的直接接入选择，所以卫星通信系统可以通过采用多频时分多址(MF—TDMA)技术，不论在地面终端的体积或价格方面都提供了有吸引力的方法。这种接入方案基本是一种混合的频分多址和时分多址(FDMA/TDMA)方式，当保持每一个地球终端采用单一载波传输的优点时，使用低得多的传输比特速率。在这一接入方式中，转发器的带宽首先被分割成许多频隙，然后每个频隙被地球终端在时间上共享。这种类型的接入方式非常便于网关的应用，或者进行大多数固定业务的专用地球站的应用，因此，每一个网关或地球站在所分配的频道以突发的方式运行，这里以上行线和下行线中相等的频率传输，最后被偏移。持续m毫秒的TDMA帧具有t个发送时隙和r个接收时隙(t1，t2，⋯，tn和r1，r2，⋯，rn)，这些时隙是同步的，从而使得卫星可以在正确的时间接收每个地球站单位传输的信息。例如，同一卫星脚印(卫星天线波束射到地面的覆盖区)下的两个互相通信的终端(如在LAN瓦连或网络控制事件期间)将使用相同的颁率信道或两个其它的频率信道，其链路是通过该卫星建立的单跳构成的。

移动卫星业务(MSS)要求高质量和稳定的信号可用性，它主要取决于信号的传播环境和移动终端的速度。为了得到全球星群的最佳信号，需要综合多个卫星的可用性，或者路径多样性和卫星的仰角统计值。频分扩频方式的码分多址(FD—SS—CDMA)技术可以提供这种综合，该技术是为了减小信号衰落和传输静区扩展了与多于一个卫星之间的多信号路径选择。4