多阶段建设的低轨卫星星座网络关键规划技术研究

摘要

卫星通信系统是地面通信系统的延伸和补充，主要为偏远地区人群及有特殊通信需要的人群提供通信服务。其中，该系统中能够实现星间通信和星上处理的低轨卫星星座网络系统，以全球无缝覆盖、传播延时低、低功耗、对地面设施依赖小等优点而成为当前的研究热点。在实际网络系统中从运营商的角度出发，用最少网络资源最大程度地满足用户任务需求是其追求的目标。由于卫星一经发射很难在轨升级，因此，应该合理规划低轨卫星星座网络的拓扑结构及链路带宽，从而实现在保证使用较少的链路带宽前提下，使之能最大程度地满足用户任务的需求，同时又不会造成网络带宽资源的浪费；此外，卫星数目多、投资大、卫星发射周期长导致低轨卫星星座网络建设涉及多个阶段，因此，还应该合理规划低轨卫星星座网络的建设过程，使得用户在建设过程中能体验到延时更低的信息中继服务。然而，低轨卫星高速转动导致星地链路与星间链路频繁切换，为其动态拓扑配置、链路容量优化及建设过程优化带来了严峻的挑战。
　　当前，国内外主要研究机构针对多阶段建设的低轨卫星星座网络进行了大量研究，然而仍存在许多需要解决的问题：1）星载通信终端受限而可视卫星数目有余，需要根据可视卫星动态配置合适的拓扑结构；2）拓扑设计、路由及链路带宽分配三个子问题之间相互耦合，如何协调处理三个耦合的子问题来降低链路带宽需求量；3）在完成拓扑结构及链路容量的规划后，多阶段的低轨卫星星座网络应该如何一步一步建成。因此，针对上述问题和要求，本论文做的主要研究内容包括如下：
　　1、卫星星座网络拓扑结构优化
　　卫星的可视卫星数目通常多于星载通信终端数目，那么如何分配卫星上有限的星载通信终端，选择合适的可视卫星建立星间链路，是研究的一大难点和热点。为此，本论文提出基于完美匹配模型的链路分配方案（Link Assignment Scheme based on Perfect Match Model，LAS-PMM），它把链路分配转换成混合完全二部图的一个完美匹配问题。在该方案中，混合完全二部图的完美匹配可以保证卫星上所有通信终端都能用来建立星间链路。通过对典型的Next-generation LEO System（NeLS）卫星星座网络建立仿真实验，其实验结果表明，相比于规则链路分配方案的网络拓扑，LAS-PMM网络拓扑的平均点到点延时降低了9.25%。
　　2、卫星星座网络链路容量优化
　　每颗卫星需要根据它的可视卫星集合动态的建立和拆除星间链路。不同的链路分配方案会导致不同的网络拓扑，从而产生不同的路由及带宽分配结果，即拓扑设计、路由及链路带宽分配三个子问题之间相互耦合，并且它们影响卫星星座网络的部署成本和运行维护成本。为此，本论文提出的LAS-PMM用于设计合理的网络拓扑，使得用户请求的路由更短，从而相应的减少了链路带宽需求量。通过对NeLS卫星星座网络建立仿真实验，其实验结果相比于规则链路分配方案的网络拓扑，LAS-PMM网络拓扑服务请求的链路带宽需求降低了24.8%。
　　3、卫星星座网络建设过程优化
　　低轨卫星星座网络的建设涉及多个阶段，在其部署过程中，在轨卫星可以通过存储-携带-转发的机制为用户提供中继式的信息服务。卫星一经发射很难在轨升级星上存储，并且这种存储-携带-转发的机制会在卫星星座网络的部署过程中导致较大的端到端延时。为了解决大延时问题，本论文提出了在卫星星座网络建设的每个阶段，基于最小间隙标准差的异轨一箭多星方法，把运载火箭发射的多颗卫星注入到不同轨道平面上的合适位置，从而降低用户的端到端延时，且减小星上存储的需求。此外，本论文进一步分析了异轨一箭多星方法所需要的燃料成本和时间部署成本。通过Globalstar卫星星座网络的实验结果可知，本论文提出的建设方案在建设过程中的平均端到端延时及存储需求比传统的建设方案分别小70.1%和42.8%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 卫星星座网络概述

1.2 规划技术相关研究

1.3 本文的研究内容和创新点

1.4 本文的结构安排

参考文献

第二章 卫星星座网络拓扑优化

2.1 引言

2.2 网络模型

2.3 基于完美匹配模型的链路分配

2.4 仿真与实验分析

2.5 本章小结

参考文献

第三章 卫星星座网络链路带宽优化

3.1 引言

3.2 网络模型

3.3 链路分配与链路带宽规划

3.4 仿真验证

3.5 软件平台展示

3.6 本章小结

参考文献

第四章 卫星星座网络建设过程优化

4.1 引言

4.2 卫星星座网络的部署过程优化问题

4.3 过程化建设方案

4.4 仿真实验验证

4.5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

附录:中英文对照

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与科研项目