趙 岳， 易先清， 侯振偉

(國(guó)防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

星間鏈路方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法

趙 岳， 易先清， 侯振偉

(國(guó)防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

星間鏈路技術(shù)降低了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)地面站的依賴，使得基于星間鏈路的衛(wèi)星通信與組網(wǎng)具有地面網(wǎng)絡(luò)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)研究集中于星間鏈路的可行性分析和構(gòu)建方法，對(duì)星間鏈路方案設(shè)計(jì)缺乏評(píng)價(jià)。從實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)性和構(gòu)建流程的完整性出發(fā)，提出一種基于星座特性分析的星間鏈路方案設(shè)計(jì)方法，并為方案性能檢驗(yàn)和選擇提出了基于路由性能的評(píng)價(jià)方法。最后，通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)星間鏈路方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了所提方法能夠針對(duì)任務(wù)需求構(gòu)建可行方案并通過(guò)路由性能比較選出最優(yōu)方案。

星間鏈路；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案設(shè)計(jì)；路由性能；評(píng)價(jià)方法

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)地面站和空間星座協(xié)作完成信息的發(fā)送、傳輸、處理和接收的任務(wù)。傳統(tǒng)工作模式將衛(wèi)星作為傳輸終端和轉(zhuǎn)發(fā)通道，超出傳輸視距的地面站通過(guò)衛(wèi)星接力轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)中繼通信，星間通信也要通過(guò)地面站轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目的衛(wèi)星。因此，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)工作模式是基于彎管式結(jié)構(gòu)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)星地鏈路實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通。彎管式通信需要在全球范圍內(nèi)部署地面站，容易受到地理環(huán)境、政治經(jīng)濟(jì)因素的影響，難以滿足全球通信任務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延，覆蓋范圍以及魯棒性的要求。因此，需要通過(guò)星間鏈路，實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星的全球組網(wǎng)，建設(shè)通信時(shí)延小，地面依賴低，抗干擾和抗毀能力強(qiáng)，覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)?；谛情g鏈路的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，地面可見衛(wèi)星直接通過(guò)星地鏈路實(shí)現(xiàn)通信，超視距地面站通過(guò)星間鏈路的中繼轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)通信。

星間鏈路是當(dāng)前衛(wèi)星通信全球組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)取得了一定的研究成果[1]，主要包括：星座特性分析主要根據(jù)星座特性，分析星間鏈路建立的可行性、難易程度以及能否長(zhǎng)期保持[2]；構(gòu)建準(zhǔn)則主要探討了鏈路選擇時(shí)，如何綜合考慮最近距離、最長(zhǎng)連接時(shí)間和最多資源等構(gòu)建策略以建立性能最優(yōu)的星間鏈路[3]；拓?fù)浞治鲋饕鶕?jù)是否存在切換，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面分析星間鏈路[4]；傳播信號(hào)設(shè)計(jì)針對(duì)射頻鏈路和光學(xué)鏈路[5]，研究了發(fā)射頻段、編碼方式以及鏈路特性；星間鏈路性能分析主要對(duì)星間鏈路的構(gòu)建方案、穩(wěn)定性、測(cè)量，以及性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證[6-7]。

通過(guò)總結(jié)星間鏈路研究成果，發(fā)現(xiàn)目前研究主要通過(guò)星座幾何特性分析星間鏈路構(gòu)建的可行性、策略以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)星間鏈路方案的具體構(gòu)建方法缺乏系統(tǒng)研究。而對(duì)于星間鏈路方案的性能主要通過(guò)方位角、俯仰角和星間距離等參數(shù)的變化速率和范圍來(lái)評(píng)價(jià)，不能有效評(píng)價(jià)星間鏈路方案的傳輸性能。針對(duì)上述問題，本文在星座特性分析的基礎(chǔ)上，從鏈路類型、數(shù)量以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三方面闡述了系統(tǒng)星間鏈路方案的構(gòu)建方法。鑒于星間鏈路主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間通信，因此，相比直接從星座特性和鏈路優(yōu)化指標(biāo)對(duì)星間鏈路的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文提出了基于路由性能的星間鏈路方案評(píng)價(jià)方法。最后，通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)星間鏈路方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 星間鏈路方案設(shè)計(jì)方法

構(gòu)建星間鏈路方案，首先要明確星座特性、資源約束以及任務(wù)需求，主要通過(guò)星座特性分析計(jì)算建鏈衛(wèi)星的可見性和幾何參數(shù)，確定每顆衛(wèi)星建立星間鏈路難易程度以及方案組成要素。然后根據(jù)星座構(gòu)型、資源約束和任務(wù)需求選擇星間鏈路類型，根據(jù)構(gòu)建規(guī)則確定建鏈數(shù)量，設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終完成系統(tǒng)的星間鏈路方案。星間鏈路方案的構(gòu)建流程，如圖1所示。

圖1 星間鏈路方案構(gòu)建流程

1) 根據(jù)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)，通過(guò)星座特性分析系統(tǒng)中衛(wèi)星所能構(gòu)建的鏈路類型，即確定星間能否建立永久性鏈路，并確定衛(wèi)星建鏈數(shù)量上限。

2) 根據(jù)任務(wù)需求和資源約束，分析任務(wù)對(duì)星座的性能要求，主要包括通信時(shí)延、切換次數(shù)以及鏈路負(fù)載等方面指標(biāo)。

3) 判斷系統(tǒng)能夠構(gòu)建的鏈路是否滿足任務(wù)需求和資源約束，滿足繼續(xù)步驟4)，否則改進(jìn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并返回步驟1)。

4) 選擇鏈路類型，根據(jù)任務(wù)需求和資源約束，在允許構(gòu)建的鏈路類型中進(jìn)行選擇。當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星無(wú)法保持永久性鏈路時(shí)，選擇非永久性鏈路。永久性鏈路要求衛(wèi)星之間始終保持連接，始終占用衛(wèi)星的天線和信道等軟硬件資源，而非永久性鏈路則較為靈活，對(duì)衛(wèi)星通信資源的占用率低，需要根據(jù)資源配置和任務(wù)屬性需求，綜合選擇鏈路類型。

5) 確定鏈路數(shù)量，根據(jù)星座規(guī)模，任務(wù)需求和資源約束，在鏈路數(shù)量范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。具體規(guī)則為：根據(jù)系統(tǒng)的組成以及衛(wèi)星數(shù)量，每顆衛(wèi)星選擇合適的鏈路數(shù)量，既保證星間在有限跳數(shù)內(nèi)的完全覆蓋，又控制星間鏈路的占用資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)對(duì)通信時(shí)延和中繼跳數(shù)的要求，考慮建鏈成本，選擇星間鏈路數(shù)量；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層要求，低軌衛(wèi)星層內(nèi)建立較少或不建立星間鏈路，而高軌和中軌衛(wèi)星同層之內(nèi)要建立一定數(shù)量的星間鏈路，同時(shí)高軌對(duì)中軌，中軌對(duì)低軌，分別建立一定數(shù)量的層間鏈路。

6) 設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)組成，依次設(shè)計(jì)同軌、異軌和層間鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在確定鏈路類型和數(shù)量的基礎(chǔ)上，星間鏈路方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星座中各層以及各軌道內(nèi)外衛(wèi)星的連接方式，具體到每顆衛(wèi)星與哪些位置的衛(wèi)星建立星間鏈路。系統(tǒng)中的星間鏈路包括同層鏈路和星間鏈路，同層鏈路又分為同軌鏈路和異軌鏈路，不同的鏈路具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

7) 根據(jù)流程輸入，完成星間鏈路方案的構(gòu)建。

2 星間鏈路方案評(píng)價(jià)方法

2.1 方案評(píng)價(jià)流程

本文所提建鏈方法，能夠設(shè)計(jì)出滿足任務(wù)需求和資源約束的星間鏈路方案。為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的性能并選擇性能最優(yōu)方案，需要研究星間鏈路方案的評(píng)價(jià)方法。目前研究主要通過(guò)星座幾何參數(shù)分析，判斷星間鏈路的可行性，不能有效評(píng)價(jià)星間鏈路方案的傳輸性能。由于星間鏈路方案設(shè)計(jì)最終目的是實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸，因此，本文提出了基于路由性能的星間鏈路方案評(píng)價(jià)方法。

基于路由性能的星間鏈路方案評(píng)價(jià)，首先根據(jù)待評(píng)價(jià)的星間鏈路方案計(jì)算系統(tǒng)路由，對(duì)于應(yīng)用星間鏈路方案的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)固定，根據(jù)星間鏈路方案獲取源衛(wèi)星與其他衛(wèi)星的連接關(guān)系，計(jì)算出所有源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)鏈路，得到系統(tǒng)的路由方案。然后通過(guò)分析系統(tǒng)路由方案的性能指標(biāo)，評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)星間鏈路方案的性能。

基于路由性能的星間鏈路方案評(píng)價(jià)流程，如圖2所示。

Step 1 針對(duì)設(shè)計(jì)的星間鏈路方案，計(jì)算路由方案。

Step 2 計(jì)算路由性能指標(biāo)。

Step 3 判斷各單項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到閾值，達(dá)到則轉(zhuǎn)到Step 4；否則，針對(duì)未達(dá)標(biāo)的指標(biāo)，改進(jìn)星間鏈路方案并轉(zhuǎn)回Step 2。

Step 4 計(jì)算路由性能的綜合評(píng)價(jià)值，判斷是否達(dá)到閾值，達(dá)到則轉(zhuǎn)到Step 5；否則，針對(duì)最貼近閾值的單項(xiàng)指標(biāo)，改進(jìn)星間鏈路方案并轉(zhuǎn)回Step 2。

Step 5 輸出星間鏈路方案和路由方案。

針對(duì)星間鏈路方案路由性能的不足進(jìn)行改進(jìn)。如果通信時(shí)延和切換次數(shù)未達(dá)到閾值，則在滿足可見性和鏈路參數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)先選擇永久性鏈路，在滿足資源約束條件下每顆衛(wèi)星構(gòu)建更多的鏈路，設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)層內(nèi)優(yōu)先選擇間隔衛(wèi)星數(shù)量多的方案，并減少層間鏈路。

如果負(fù)載均衡率未達(dá)到閾值，則在滿足任務(wù)需求條件下控制每顆衛(wèi)星構(gòu)建的鏈路數(shù)量，設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)層內(nèi)優(yōu)先選擇間隔衛(wèi)星數(shù)量多的方案。

圖2 星間鏈路方案評(píng)價(jià)流程

2.2 路由性能指標(biāo)

針對(duì)星間鏈路方案的特點(diǎn)，選取通信時(shí)延、切換次數(shù)和鏈路負(fù)載均衡率3個(gè)路由性能指標(biāo)，指標(biāo)定義和計(jì)算公式如下。

1) 通信時(shí)延(Communication Time Delay，記為D)。定義衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)跟蹤時(shí)延Da，鏈路傳輸時(shí)延Dt，星上處理時(shí)延Dp，對(duì)于星地鏈路只需1次對(duì)準(zhǔn)跟蹤和星上處理，而星間鏈路需要2次對(duì)準(zhǔn)跟蹤和星上處理，故定義

式中：s(xij)為鏈路距離；v為傳播速度。則系統(tǒng)周期T內(nèi)衛(wèi)星sij的路由方案通信時(shí)延

(1)

2) 切換次數(shù)(SwitchingFrequency，記為F)。初始狀態(tài)鏈路空閑，首次建立鏈路切換次數(shù)增加1次，以后每次通過(guò)星地鏈路通信需要1次切換，而通過(guò)星間鏈路需要2次切換，則系統(tǒng)周期T內(nèi)衛(wèi)星sij的路由方案切換次數(shù)，通過(guò)遍歷決策窗口，根據(jù)決策變量累加切換次數(shù)的方法計(jì)算

(2)

3) 鏈路負(fù)載均衡率(ChainLoadingRate，記為R)。鏈路負(fù)載均衡率是指將衛(wèi)星sij的通信時(shí)間負(fù)載分配到中繼鏈路上的均衡程度，通過(guò)提取每個(gè)任務(wù)鏈路的中繼時(shí)間，以其標(biāo)準(zhǔn)差表征鏈路負(fù)載均衡率。衛(wèi)星sij在系統(tǒng)周期T內(nèi)，完成任務(wù)的鏈路分別為c1，c2…cn(n為完成任務(wù)所用鏈路的總數(shù))，定義每個(gè)鏈路的累積任務(wù)時(shí)間為

則鏈路負(fù)載均衡率

(3)

3 MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)星間鏈路方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

3.1 實(shí)例系統(tǒng)

以MEO(MediumEarthOrbit)系統(tǒng)為實(shí)例進(jìn)行星間鏈路方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，空間星座采用Walker24/3/1構(gòu)型，地面部分包括北京、喀什和三亞站，具體參數(shù)如表1所示。

衛(wèi)星總數(shù)為24顆，每顆衛(wèi)星構(gòu)建相同數(shù)量的星間鏈路，衛(wèi)星編號(hào)Mij(i=1,2,3，表示衛(wèi)星所處軌道;j=1,2,…,8，表示衛(wèi)星在該軌道上的位置)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是鏈路幾何特征變化，節(jié)點(diǎn)和鏈路數(shù)量不變。對(duì)于實(shí)例系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)對(duì)地面站的全球通信任務(wù)，要求每顆衛(wèi)星最多經(jīng)過(guò)一次中繼完成與地面站的通信，對(duì)通信時(shí)延和中繼跳數(shù)提出了較高的要求。

表1 MEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

3.2 方案設(shè)計(jì)

_3.2.1 星座特性分析

對(duì)于實(shí)例系統(tǒng)，首先進(jìn)行星座特性分析，通過(guò)構(gòu)建衛(wèi)星仿真工具包 (Satellite Tool Kit， STK)場(chǎng)景分析各衛(wèi)星的可見性和幾何參數(shù)，分析每顆衛(wèi)星建立星間鏈路的難易程度以及方案組成要素。由于系統(tǒng)規(guī)模較大，以M11為例進(jìn)行分析。

1) 可見性分析。衛(wèi)星M11與同軌衛(wèi)星和異軌衛(wèi)星的可見性分別如圖3和圖4所示?？梢钥吹?同軌上由于地球遮擋，M11與M15完全不可見，而與其他衛(wèi)星在系統(tǒng)周期內(nèi)完全可見;對(duì)于異軌鏈路，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，M11與第二軌道和第三軌道有4顆衛(wèi)星間斷性可見，與其他衛(wèi)星完全可見。

圖3 M11與同軌衛(wèi)星的可見性

圖4 M11與異軌衛(wèi)星的可見性

2) 幾何參數(shù)分析。通過(guò)分析衛(wèi)星M11與同軌衛(wèi)星和異軌衛(wèi)星的幾何參數(shù)(包括方位角、俯仰角和距離)，發(fā)現(xiàn)同軌衛(wèi)星位置相對(duì)固定，M11與除M15以外的其他衛(wèi)星在系統(tǒng)周期內(nèi)的方位角，俯仰角和星間距離保持不變。異軌鏈路存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，M11與異軌衛(wèi)星的方位角、俯仰角和星間距離變化范圍較大，但變化速度相對(duì)平穩(wěn)。系統(tǒng)采用Walker星座構(gòu)型，3個(gè)軌道具有均勻?qū)ΨQ的特點(diǎn)，與M11一致；系統(tǒng)3個(gè)軌道的同軌鏈路在周期內(nèi)具有完全可見性，并且?guī)缀螀?shù)保持不變，因此，同軌鏈路可以建立永久性鏈路。異軌鏈路除部分鏈路間斷性可見，大部分鏈路完全可見，并且?guī)缀螀?shù)變化速度較小，因此，可以選擇部分異軌衛(wèi)星建立永久性鏈路。

_3.2.2 星間鏈路方案

實(shí)例系統(tǒng)對(duì)地全球通信任務(wù)，要求每顆衛(wèi)星最多一次中繼完成對(duì)地通信，對(duì)時(shí)延和跳數(shù)提出較高要求，故鏈路類型選擇永久性鏈路。通過(guò)系統(tǒng)星座特性分析，系統(tǒng)中同軌可見衛(wèi)星都可以建立永久性鏈路，異軌部分衛(wèi)星可以建立永久性鏈路。系統(tǒng)星座規(guī)模較大，受資源約束，每顆衛(wèi)星選擇較少的星間鏈路，故方案中每顆衛(wèi)星選擇構(gòu)建2條同軌鏈路和2條異軌鏈路。針對(duì)MEO星座均勻?qū)ΨQ的特點(diǎn)，按照構(gòu)建規(guī)則，分別設(shè)計(jì)了2組同軌和異軌鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，同軌鏈路分別采用星形和環(huán)形連接結(jié)構(gòu)，如圖5所示；異軌鏈路分別采用相鄰和交叉連接結(jié)構(gòu)，如圖6所示。相比其他結(jié)構(gòu)，這4種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能少的中繼完成全球通信任務(wù)，滿足一跳直接與地面站建立鏈路的約束。

a) 星形同軌鏈路 b) 環(huán)形同軌鏈路圖5 同軌鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)同軌和異軌鏈路結(jié)構(gòu)組合得到4組星間鏈路方案，如表2所示。上述流程設(shè)計(jì)的星間方案具有固定鏈路拓?fù)淠Ｊ?，由一定?shù)量建鏈關(guān)系固定的基本配對(duì)組成。系統(tǒng)中以4條星間鏈路構(gòu)成一個(gè)基本配對(duì)，每個(gè)基本配對(duì)包含2條同軌和2條異軌鏈路，所有鏈路持續(xù)可見。固定拓?fù)淠Ｊ綕M足系統(tǒng)全球通信任務(wù)需求，并具有魯棒性強(qiáng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方案的性能并選出路由性能最優(yōu)方案，根據(jù)所提方法對(duì)4組星間鏈路方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 星間鏈路方案

3.3 方案的評(píng)價(jià)及分析

_3.3.1 路由方案計(jì)算

圖6 異軌鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案性能并選出路由性能最優(yōu)方案，應(yīng)用STK場(chǎng)景分析獲取系統(tǒng)星間可見性，提取星間距離數(shù)據(jù)，并通過(guò) Matlab實(shí)現(xiàn)4組星間鏈路方案的路由計(jì)算。對(duì)于本文研究的MEO系統(tǒng)，衛(wèi)星sij在系統(tǒng)周期T內(nèi)間斷性與地面站可見，將系統(tǒng)周期劃分為一系列的時(shí)間段，即為決策窗口。按照系統(tǒng)運(yùn)行周期遍歷決策窗口，在決策窗口內(nèi)選擇和組合星地、星間鏈路完成通信任務(wù)，所有決策窗口選擇的鏈路序列即為衛(wèi)星sij的對(duì)地通信路由方案。通過(guò)依次計(jì)算每顆衛(wèi)星的路由方案，從而獲得系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)的路由方案。

_3.3.2 路由性能指標(biāo)比較

針對(duì)4組路由方案，計(jì)算并比較各路由性能指標(biāo)，從而分析星間鏈路方案的性能。

1) 通信時(shí)延。4組星間鏈路方案的通信時(shí)延，如圖7所示，方案1、3的通信時(shí)延明顯優(yōu)于方案2、4，同時(shí)方案1的通信時(shí)延整體小于方案3，方案2的通信時(shí)延整體小于方案4。另一方面，方案2、4中各衛(wèi)星的通信時(shí)延變化范圍較大。

圖7 4組星間鏈路方案的通信時(shí)延

2) 切換次數(shù)。4組星間鏈路方案的切換次數(shù)，如圖8所示，方案1、3的切換次數(shù)明顯優(yōu)于方案2、4，同時(shí)方案1的切換次數(shù)與方案3相近，方案4的切換次數(shù)整體小于方案2。

3) 鏈路負(fù)載均衡率。4組星間鏈路方案的鏈路負(fù)載均衡率，如圖9所示，方案2、4的鏈路負(fù)載均衡率明顯優(yōu)于方案1、3，同時(shí)方案4的鏈路負(fù)載均衡率整體優(yōu)于方案2，方案1的鏈路負(fù)載均衡率與方案3相近。

圖9 4組星間鏈路方案的鏈路負(fù)載均衡率

通過(guò)單項(xiàng)路由指標(biāo)的比較，得到如下結(jié)論：同軌鏈路采用星形結(jié)構(gòu)的方案，在通信時(shí)延和切換次數(shù)方面優(yōu)于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的方案；同軌鏈路采用星形結(jié)構(gòu)的方案，在鏈路負(fù)載均衡率方面低于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的方案；異軌鏈路采用相鄰結(jié)構(gòu)的方案，在通信時(shí)延和切換次數(shù)方面優(yōu)于采用交叉結(jié)構(gòu)的方案；異軌鏈路采用相鄰結(jié)構(gòu)的方案，在鏈路負(fù)載均衡率方面低于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的方案。

_3.3.3 路由方案選擇

為全面有效評(píng)價(jià)星間鏈路方案的路由性能，提出了通信時(shí)延、切換次數(shù)和鏈路負(fù)載均衡率3項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于不同的方案，其3項(xiàng)指標(biāo)往往各具優(yōu)劣。因此，應(yīng)用多屬性評(píng)價(jià)方法，通過(guò)比較可行方案的綜合評(píng)價(jià)值，選出路由性能最優(yōu)的方案。在表3中，分別計(jì)算4組方案的路由性能指標(biāo)(方案中各衛(wèi)星路由性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)值)，并判斷是否單項(xiàng)指標(biāo)滿足閾值要求。單項(xiàng)指標(biāo)閾值需要根據(jù)系統(tǒng)的通信任務(wù)和資源約束綜合設(shè)定，由于本文重點(diǎn)從實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)性和構(gòu)建流程的完整性考慮星間鏈路方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法，實(shí)例主要驗(yàn)證方法流程可行性，對(duì)于指標(biāo)閾值確定主要通過(guò)對(duì)不同星間鏈路方案的可行路由的計(jì)算和分析獲得。根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)閾值，計(jì)算出的綜合評(píng)價(jià)值即為綜合評(píng)價(jià)閾值。然后應(yīng)用TOPSIS法[8]計(jì)算各方案的綜合評(píng)價(jià)值(綜合評(píng)價(jià)值越大，方案路由綜合性能越優(yōu))，并判斷4組方案的綜合評(píng)價(jià)值是否滿足閾值要求。因此，選擇路由性能最優(yōu)的方案1作為系統(tǒng)完成全球通信任務(wù)的星間鏈路方案，其他方案按照優(yōu)劣順序作為備選方案。

表3 各方案路由性能及綜合排序

4 結(jié) 束 語(yǔ)

針對(duì)星間鏈路的整體方案設(shè)計(jì)和傳輸性能評(píng)價(jià)，提出了星間鏈路方案構(gòu)建流程和基于路由性能的評(píng)價(jià)方法。通過(guò)實(shí)例系統(tǒng)星間鏈路方案的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，驗(yàn)證星間鏈路方案設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法的有效性。本文研究集中于星間鏈路方案的整體設(shè)計(jì)，通過(guò)星座特性分析能夠確定系統(tǒng)可以構(gòu)建的鏈路類型和數(shù)量范圍，對(duì)于方案組成要素的確定規(guī)則需要進(jìn)一步研究，從而設(shè)計(jì)出有效滿足系統(tǒng)任務(wù)需求和資源約束的方案。對(duì)于星間鏈路方案的評(píng)價(jià)方法，需要對(duì)路由性能指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行深入研究，從而更加全面有效地評(píng)價(jià)和選擇星間鏈路方案。

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(編輯：李江濤)

Design and Evaluation Method for Inter-satellite Link Scheme

ZHAO Yue， YI Xianqing， HOU Zhenwei

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

The inter-satellite link (ISL)technology reduces the dependence of satellite communication network on the ground station so that ISL-based satellite communication and networking show incomparable advantages over territorial network. Conventional studies focus on the feasibility analysis and construction method of the ISL in absence of design evaluation. Based on the systematic application of the system and the integrity of the process, this paper proposes an ISL design method based on the constellation analysis and presents a routing performance evaluation method for performance evaluation and selection of the schedule. In the end, through ISL plan design and evaluation, the paper draws a conclusion that the proposed method can be used to make a feasible scheme meeting task demand and select an optimal plan by routing performance comparison.

inter-satellite link (ISL); topology; scheme design; routing performance; evaluation method

2016-10-07

中國(guó)空間技術(shù)研究院(CAST)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目

趙 岳(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。

TN927

2095-3828(2017)01-0074-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.015