【正文】 ......... 21 基于 OPNET 結(jié)合 STK 的 LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)仿真場(chǎng)景 .................................... 21 協(xié)議結(jié)構(gòu)及仿真場(chǎng)景 ............................................................................. 21 層次化建模 ............................................................................................. 22 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模型 ......................................................................................... 23 節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景模型 ......................................................................................... 24 進(jìn)程場(chǎng)景模型 ......................................................................................... 25 本章小結(jié) ........................................................................................................... 27 第 4 章 基于分時(shí)模型的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 ............................................. 28 IV 路由算法設(shè)計(jì) ................................................................................................... 28 衛(wèi)星路由算法設(shè)計(jì)原則 ......................................................................... 28 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)考慮因素 ......................................................... 29 基于分時(shí)的無(wú)環(huán)路由算法設(shè)計(jì) ....................................................................... 30 無(wú)環(huán)充分條件 ......................................................................................... 30 算法中的設(shè)計(jì)參數(shù) ................................................................................. 31 基于分時(shí)的無(wú)環(huán)路由算法 ..................................................................... 33 基于分時(shí)的無(wú)環(huán)路由算法仿真驗(yàn)證 ............................................................... 38 本章小結(jié) ........................................................................................................... 41 結(jié) 論 ............................................................................................................................... 42 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 43 致 謝 ......................................................................................................................... 45 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 1 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 第 1 章 緒論 課題來(lái)源及背景 目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入 3G/4G 時(shí)代，在日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，時(shí)刻影響著人們的生活習(xí)慣和交流方式。移動(dòng)通信發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與其它任何人以任意方式進(jìn)行通信。然而，地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)只能滿足部分陸地上的通信，不可能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所具有的全球無(wú)縫覆蓋能力促使其成為了新一代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，越來(lái)越 多 關(guān)于用衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)輔助完成通信任務(wù)的想法被廣泛提出。 如圖 所示為現(xiàn)階段通信系統(tǒng)概況。此外，由于經(jīng)濟(jì)因素的制約，地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要應(yīng)用人口密級(jí)的大中城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)現(xiàn)通信任務(wù)，在人口稀疏和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，由于業(yè)務(wù)量不足 、 盈利不多，運(yùn)營(yíng)商一般不愿意在這些地區(qū)建立基站。還有地理?xiàng)l件（如 山區(qū)、沙漠、湖泊、海洋、天空等地理環(huán)境）對(duì)地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍的限制：在這些特殊的地理環(huán)境中，考慮到通信系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性等各方面的原因，僅依靠地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋。這也加速肯定了衛(wèi)星移動(dòng)通信的可行性和重要性。 衛(wèi)星移動(dòng)通信是衛(wèi)星固定通信與地面移動(dòng)通信結(jié)合的產(chǎn)物，是指利用衛(wèi)星代替地面基站作為中繼站進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)固定用戶與移動(dòng)用戶之間以及移動(dòng)用戶之間通信的一種通信方式 [1]。它 具有傳輸容量大，通信頻帶寬，覆蓋范圍廣，通通信終端體積小的優(yōu)點(diǎn)，且組網(wǎng)靈活，可滿足多種業(yè)務(wù)傳輸?shù)膫鬏斠?，建站成本和通信成本與距離無(wú)關(guān)，可以在大地域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)手持、車載、機(jī)載平臺(tái)移動(dòng)通信。衛(wèi)星移動(dòng)通信從軍事行動(dòng)到民生（自然災(zāi)害、急救搶險(xiǎn)）都有著不可取代的重要作用 。 衛(wèi)星分類有不同的依據(jù)。如果從軌道的形狀上劃分 ： 衛(wèi)星可分為圓形軌道衛(wèi)星和橢圓形軌道衛(wèi)星 ； 如果從軌道面傾角的度數(shù)劃分，衛(wèi)星可以分為赤道軌道衛(wèi)星、極地軌道衛(wèi)星以及傾斜軌道衛(wèi)星 ； 如果從軌道的高度來(lái)劃分，衛(wèi)星可以分為低軌道 (LEO: Low Earth Orbit) 衛(wèi)星、中軌道 (MEO: Middle Earth Orbit)衛(wèi)星 、地球同步軌道 (GEO: Geostationary Orbit) 衛(wèi)星和高橢圓軌道 (HEO: High Elliptical Orbit)衛(wèi)星 [2]。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 2 圖 通信系統(tǒng)概況 在衛(wèi)星軌道的各類參數(shù)中，衛(wèi)星軌道高度是研究中關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)，主要是由于其影響星座中衛(wèi)星的總數(shù)目和星座特征。低軌道意味著衛(wèi)星與地球之間的距離短，進(jìn)而 時(shí)延 小，但同時(shí)單顆衛(wèi)星下的覆蓋面積也相對(duì)小，如果使用低軌道衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，則就意味著必須使用大量數(shù)目的 LEO 衛(wèi)星來(lái)滿足全球覆蓋的條件，但這種全覆蓋可以是真正意義上的無(wú)縫隙全覆蓋。如下針對(duì)不同軌道高度的衛(wèi)星分析各類型衛(wèi)星的特點(diǎn)，各類軌道衛(wèi)星如圖 所示。 GEO 衛(wèi)星 GEO 衛(wèi)星坐落于地球赤道表面上空高為 35786 公里的軌道上，與地面相對(duì)靜止（即與地球有相同的旋轉(zhuǎn)角速度）。單顆 GEO 衛(wèi)星覆蓋面積大（約占地球總面積的 1/3）。盡管使用少量 GEO（ 3~5 顆）就可以基本實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，但是由 于 GEO衛(wèi)星不能覆蓋 兩極區(qū)域附近，因此單純依賴 GEO 衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋。 GEO 的軌道高度較高，距離較遠(yuǎn)，因此 時(shí)延 相對(duì)較長(zhǎng)，地面終端通過(guò) GEO 衛(wèi)星中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的傳播時(shí)延一般在 125~250ms 左右 [3][4]，再加上其它的鏈的鏈路損耗大等不足， GEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不能滿足實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的業(yè)務(wù)的要求。甚小口徑終端 (VSAT: Very Small Aperture Terminal) 網(wǎng)絡(luò)、 Spaceway、 Astrolink、Euroskyway、 Kastar、 Inmarsat 等是使用 GEO 衛(wèi)星進(jìn)行通信的典型民用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在軍事通信中 ， GEO 衛(wèi)星一般作為中繼星使用，如 FLTSATCOM、 DSCS、 UFO、Milstar 等。我國(guó)于 2020 年發(fā)射的 “ 天鏈一號(hào) ” 數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星就是一顆 GEO 衛(wèi)星，可以為中、低軌道衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，節(jié)省衛(wèi)星資源，為航天器發(fā)射提供測(cè)P S TNM S CM S C信 關(guān) 站M S C基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 3 控支持。 MEO 衛(wèi)星 MEO 衛(wèi)星的高度通常為 10000～ 20200km 之間，軌道為圓形軌道。使用 一定數(shù)量的 MEO 衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋持續(xù)通信。與 GEO 衛(wèi)星相比，因?yàn)槠渚哂休^低的軌道高度從而飛行周期相較于同步衛(wèi)星較短， MEO 衛(wèi)星圍繞地球高速飛行。 MEO 衛(wèi)星的星地往返時(shí)延一般在 120ms 左右 [5]。典型的 MEO 衛(wèi)星星星座包括中圓軌道 (ICO: Intermediate Circular Orbit)系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng) (GPS: Global Positioning System)[6]等。我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也屬 于 MEO 衛(wèi)星系統(tǒng) [7]。 LEO 衛(wèi)星 LEO 衛(wèi)星一般高度在 500~2020km 之間，同樣軌道為圓形軌道。由于軌道高度低，比 MEO 還低 ， LEO 衛(wèi)星必須以極快的速度繞地球飛行，才能保持運(yùn)行軌道不變。同時(shí) ， 為了實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋持續(xù)通信，需要大量的 LEO 衛(wèi)星組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信 [8]–[11]。與 GEO 衛(wèi)星和 MEO 衛(wèi)星相比 ， 由于低軌道，短距離，有較低的星地星地往返時(shí)延（平均往返時(shí)延在 30ms 以下 [11]）使 LEO 衛(wèi)星非常適用于實(shí)時(shí)多媒體通信業(yè)務(wù)，同時(shí)地面用戶使用手持終端設(shè)備就可以接入 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) [10]。典型的 LEO 衛(wèi)星星座：銥星系統(tǒng)、 Globalstar 系統(tǒng) Celestri 系統(tǒng)、和 Teledesic 系統(tǒng)等[12]。 HEO 衛(wèi)星 HEO 衛(wèi)星對(duì)覆蓋某些特定區(qū)域（例如高緯度）十分有利，其軌道面的傾角為176。 或者 176。 ，主要使用于針對(duì)指定地區(qū)（高緯度地區(qū)）進(jìn)行覆蓋的星座 [13]，如俄羅斯 的 Molniya 系統(tǒng)和 Tundra 系統(tǒng)等。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 4 圖 不同軌道衛(wèi)星示意圖 根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行的軌道不同，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)還可以分為靜止軌道 (GEO: Geostationary Earth Orbit)衛(wèi)星系統(tǒng)和非靜止軌道 (NGSO: Nongeostationary Orbit)衛(wèi)星系統(tǒng)兩大類 [14]。 靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（一般 3 顆可覆蓋全球），盡管其能以少量的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋， 而且有星 間切換次 數(shù)少的優(yōu) 點(diǎn)，但是目 前 來(lái)看 GEO衛(wèi)星 無(wú)法為高 緯度地區(qū)， 特別是兩 極地區(qū)提 供服務(wù)，再 加上衛(wèi)星GEO通信 中的鏈路損耗大和通信 時(shí)延 長(zhǎng)等不足，對(duì)用戶終端的有效全向輻射功率 (EIRP)和 G/T的要求比較高。 L E OM E OL E OG E OG E OG E OH E OM E O地 球基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無(wú)環(huán)路由算法 5 中、低軌道衛(wèi)星是非同步衛(wèi)星，作為地面移動(dòng)通信的補(bǔ)充和擴(kuò)展，可以與地面公眾網(wǎng)有機(jī)結(jié)合 ， 實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信。中軌衛(wèi)星 (MEO)、低軌衛(wèi)星 (LEO)系統(tǒng)相對(duì)同步靜止軌道 (GEO)衛(wèi)星，至少有以下幾個(gè)好處： （ 1） 由于非同步衛(wèi)星軌道高度較低，信號(hào)需要傳輸?shù)穆窂骄捅容^短，從而傳播損耗和延遲就比較小，這樣不僅能大大減小衛(wèi)星和地球站天 線的尺寸和發(fā)射功 率，還能更好的解決傳輸實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)時(shí)的時(shí)延問(wèn)題等； （ 2） 多顆中、低軌衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)比對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)能更好的進(jìn)行頻率復(fù)用，這樣也能同時(shí)緩解靜止軌道衛(wèi)星 上業(yè)務(wù)量過(guò)分擁擠 情況 的發(fā)生 ； （ 3） 對(duì)于全球個(gè)人通信，由于想使用對(duì)地靜止衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)高緯度地區(qū)的通信是比較困難的。相比于靜止衛(wèi)星，非靜止衛(wèi)星中的中、低軌衛(wèi)星容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋、間斷覆蓋，以及包括兩極區(qū)域在內(nèi)的真正意義上的全球覆蓋。 由于中、低軌衛(wèi)星提供了更短的傳輸時(shí)延，以及更小的路徑損耗。作為個(gè)人通信的重要補(bǔ)充方式，中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，以 其低時(shí)延和地面移動(dòng)終端低消耗的特點(diǎn)，正成為未來(lái)移動(dòng)通信的一個(gè)重要發(fā)展方向。 衛(wèi)星系統(tǒng)按星座中的衛(wèi)星是否具有星際鏈路（即衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信鏈路ISL）可分為有星際鏈路衛(wèi)星星座（ Iridium 系統(tǒng)、類 Courier 系統(tǒng)）和無(wú)星際鏈路衛(wèi)星星座