CN110493791B - 基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构 - Google Patents

基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，属于无线通信技术领域，包括以下步骤：S1：引入临近空间平台飞行器；S2：制定通信链路频段规划方案；S3：简化协议设计。在进行通信链路选择时，根据进行通信的双方用户的地理位置关系以及业务类型，以最小化传播时延和路由跳数为原则进行。本发明将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量，并且具有极强的鲁棒性，通过设计简化的协议流程，频段规划方案和链路选择方案，能够在重路由率和切换率、系统时延开销以及系统接入容量等方面有显著提升，值得被推广使用。

Description

基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构。
背景技术
相比于传统地面移动通信网络，卫星网络能够实现全球覆盖且具有更强的鲁棒性，对非陆地地区、偏远地区和灾区等提供通信覆盖。然而卫星网络具有功率损耗大、时延大、单波束覆盖范围大容量小等缺点，使得卫星网络的通信服务质量上限较低，因此需要设计将卫星网络和地面网络融合起来的一体化网络。临近空间飞艇和气球等空中基站作为通信节点兼具地面移动通信网络和卫星网络的优点，且部署灵活，可在空天地一体化网络中发挥重要作用。
《国际电子与电气工程师协会网络杂志》(IEEE Network)中提到了一种基于异构星地网络的灵活架构，给出了网络一体化、可扩展路由、移动性支持、高效业务流传输和管理等功能和协议设计。不过他们没能给出与之对应的量化性能增益的分析。
在《国际电子与电气工程师协会通信与网络杂志》(IEEE J.on Communicationsand Networks)中还提到了一种基于软件定义的高能效混合卫星5G网络，并给出了对应的接入策略，覆盖概率以及针对两种类型业务的无线资源管理方法，不过该架构仅仅涉及地面5G系统和同步卫星通信系统，缺少对低轨卫星移动通信系统和空中基站等重要节点的引入，使得网络通信服务质量上限较低，因此，提出基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何更好的融合卫星网络和地面网络以提高非地面网络覆盖区域的通信服务质量，提供了基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构设计方法，该方法将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：引入临近空间平台飞行器
将临近空间平台的飞行器引入卫星网络和地面网络体系架构中，形成空天地一体化网络组网体系架构；
S2：制定通信链路频段规划方案
同步卫星之间的通信链路使用激光进行传输，飞行器之间的通信链路使用EHF频段进行传输，低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段或激光进行传输；
同步卫星与飞行器之间的通信链路使用激光进行传输，同步卫星与低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段进行传输，同步卫星与地面站网关之间的通信链路使用Ka频段进行传输；
低轨卫星与飞行器之间的通信链路使用EHF频段进行传输，低轨卫星与地面站网关之间的通信链路使用Ka频段进行传输；
飞行器与低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段进行传输，根据不同通信节点之间的传输要求采用不同频段进行传输，可以使该网络体系架构具有较大的可用带宽，从而带来较高的链路容量；
S3：简化协议设计
通信链路频段规划完毕后，在协议设计上采用握手原则，将每一跳的处理时延和开销进行等效时延量化，使计算链路的平均等效时延开销得到简化，即可使用该网络体系架构进行通信工作，采用握手原则能够一定程度上也能减少网络体系架构时延。
进一步的，在进行通信链路选择时，根据进行通信的双方用户的地理位置关系以及业务类型，以最小化传播时延和路由跳数为原则进行，从而有效地降低整个网络架构的时延开销。
本发明还提供了基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，使用所述的网络体系架构设计方法设计而得，包括多个通信节点，多个所述通信节点分别为同步卫星、低轨卫星、临近空间平台飞行器、地面站网关、云中心、5G基站；
所述同步卫星，用于作为远程中继和特殊终端的接入节点；
所述低轨卫星，用于作为非地面网络区域接入节点和中近距离中继节点；
所述临近空间平台飞行器，用于作为非地面网络覆盖区域以及应急通信的接入节点；
所述地面站网关，用于链接空天网络与地网网络，并实现不同网络之间的协议转化；
所述云中心，用于实现网络存储、计算、检测和调控功能；
所述5G基站，用于作为地面网络覆盖区域的接入节点；
多个所述通信节点通过各自之间的通信链路连接，在所述网络体系架构中，将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量。
进一步的，所述临近空间平台飞行器为临近空间平台飞艇。
进一步的，所述网络体系架构的切换率的计算公式如下：
RH＝∫ΔSf(x,y)
其中ΔS为单位时间改变的覆盖面积，f(x,y)为用户点的分布。
进一步的，所述低轨卫星覆盖正下方的圆波束在单位时间改变的覆盖面积为：
Figure GDA0003347426170000031
其中R为波束覆盖半径，t为单位时间，Vtrk为低轨卫星下用户点的运动速度。
进一步的，所述低轨卫星下用户点的运动速度计算公式如下：
Figure GDA0003347426170000032
其中VLEO为低轨卫星运动速度，Rearth为地球半径，hLEO为低轨卫星高度。
进一步的，对于所述低轨卫星，星下用户点的相对运动等效于所述低轨卫星的移动，则得到如下关系式：
Figure GDA0003347426170000033
其中r为所述低轨卫星的覆盖半径，Vr为平均相对运动速度。
进一步的，若所述网络体系架构对每个用户服务的概率相等，对目标区域所有用户点进行积分，得到所述网络体系架构的总平均容量如下：
Figure GDA0003347426170000034
其中B为可用带宽，∑P're为总干扰，σ2为噪声功率，Pre为接收功率。
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量，并且具有极强的鲁棒性，通过设计简化的协议流程，频段规划方案和链路选择方案，能够在重路由率和切换率、系统时延开销以及系统接入容量等方面有显著提升，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例一中设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二中网络体系架构的拓扑结构图；
图3为本发明实施例二中网络体系架构的接入场景图；
图4为本发明实施例二中网络体系架构的的频段规划图；
图5为本发明实施例二中网络体系架构和传统低轨卫星网络的切换率对比图；
图6为本发明实施例二中网络体系架构和传统低轨卫星网络的时延开销对比图；
图7为本发明实施例二中网络体系架构和传统低轨卫星网络的接入容量对比图。
图8为本发明实施例三中应用场景的实施方式图；
图9为本发明实施例四中应用场景的实施方式图；
图10为本发明实施例五中应用场景的实施方式图；
图11为本发明实施例六中应用场景的实施方式图；
图12为本发明实施例七中应用场景的实施方式图；
图13为本发明实施例八中应用场景的实施方式图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构设计方法，包括以下步骤：
S1：引入临近空间平台飞行器
将临近空间平台的飞行器引入卫星网络和地面网络体系架构中，形成空天地一体化网络组网体系架构；
S2：制定通信链路频段规划方案
同步卫星之间的通信链路使用激光进行传输，飞行器之间的通信链路使用EHF频段进行传输，低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段或激光进行传输；
同步卫星与飞行器之间的通信链路使用激光进行传输，同步卫星与低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段进行传输，同步卫星与地面站网关之间的通信链路使用Ka频段进行传输；
低轨卫星与飞行器之间的通信链路使用EHF频段进行传输，低轨卫星与地面站网关之间的通信链路使用Ka频段进行传输；
飞行器与低轨卫星之间的通信链路使用EHF频段进行传输，根据不同通信节点之间的传输要求采用不同频段进行传输，可以使该网络体系架构具有较大的可用带宽，从而带来较高的链路容量；
S3：简化协议设计
通信链路频段规划完毕后，在协议设计上采用握手原则，将每一跳的处理时延和开销进行等效时延量化，使计算链路的平均等效时延开销得到简化，即可使用该网络体系架构进行通信工作，采用握手原则能够一定程度上也能减少网络体系架构时延。
在进行通信链路选择时，根据进行通信的双方用户的地理位置关系以及业务类型，以最小化传播时延和路由跳数为原则进行，从而有效地降低整个网络架构的时延开销。
本实施例还提供了基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，使用所述的网络体系架构设计方法设计而得，包括多个通信节点，多个所述通信节点分别为同步卫星、低轨卫星、临近空间平台飞行器、地面站网关、云中心、5G基站；
所述同步卫星，用于作为远程中继和特殊终端的接入节点；
所述低轨卫星，用于作为非地面网络区域接入节点和中近距离中继节点；
所述临近空间平台飞行器，用于作为非地面网络覆盖区域以及应急通信的接入节点；
所述地面站网关，用于链接空天网络与地网网络，并实现不同网络之间的协议转化；
所述云中心，用于实现网络存储、计算、检测和调控功能；
所述5G基站，用于作为地面网络覆盖区域的接入节点；
多个所述通信节点通过各自之间的通信链路连接，在所述网络体系架构中，将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量。
所述临近空间平台飞行器为临近空间平台飞艇。
所述网络体系架构的切换率的计算公式如下：
RH＝∫ΔSf(x,y)
其中ΔS为单位时间改变的覆盖面积，f(x,y)为用户点的分布。
所述低轨卫星覆盖正下方的圆波束在单位时间改变的覆盖面积为：
Figure GDA0003347426170000051
其中R为波束覆盖半径，t为单位时间，Vtrk为低轨卫星下用户点的运动速度。
所述低轨卫星下用户点的运动速度计算公式如下：
Figure GDA0003347426170000052
其中VLEO为低轨卫星运动速度，Rearth为地球半径，hLEO为低轨卫星高度。
对于所述低轨卫星，星下用户点的相对运动等效于所述低轨卫星的移动，则得到如下关系式：
Figure GDA0003347426170000061
其中r为所述低轨卫星的覆盖半径，Vr为平均相对运动速度。
若所述网络体系架构对每个用户服务的概率相等，对目标区域所有用户点进行积分，得到所述网络体系架构的总平均容量为：
Figure GDA0003347426170000062
其中B为可用带宽，∑P're为总干扰，σ2为噪声功率，Pre为接收功率。
实施例二
如图2所示，为本实施例中的整体网络体系架构图，根据各类节点的特征差异，本实施例中的通信节点及其功能包括：
同步卫星(3颗)，用于作为远程中继和特殊终端的接入节点，其中特殊终端包括各类卫星终端和航天器等；
低轨卫星(60颗)，用于作为非地面网络区域主要接入节点和中近距离中继节点；
临近空间平台飞艇(5～10个)，用于作为非地面网络覆盖的热点地区以及应急通信的接入节点；
地面站网关(4～8个)，用于链接空天网络与地网网络，并实现不同网络之间的协议转化；
云中心(1～2个)，用于实现网络存储、计算、检测和调控功能；
5G基站(若干)，用于作为地面网络覆盖区域的接入节点。
如图3所示，为本网络体系架构的接入场景图，本网络体系架构可提供服务的用户类型包括手持终端、车辆船舶、航空航天器等。
如图4所示，为本网络体系架构的频段规划图，链路选择方案需要参考通信用户双方的地理位置关系以及业务类型，以最小化传播时延和路由跳数为原则进行。
本网络体系架构通用性和专用性兼备，协议设计简洁多样，且网络鲁棒性极强，且在网络性能方面有较大幅度的提升。
首先是切换率，可以表示为：
RH＝∫ΔSf(x,y)
其中ΔS为单位时间改变的覆盖面积，f(x,y)为用户分布的概率密度函数。
以低轨卫星天线覆盖正下方的圆波束为例，可以看作是两个扇形区域和一个棱形的差值进行计算，则得到下式：
Figure GDA0003347426170000071
其中R为波束覆盖半径，t为单位时间，Vtrk为低轨卫星下用户点运动速度，可由低轨卫星运动速度VLEO、地球半径Rearth以及卫星高度hLEO得到，则得到下式：
Figure GDA0003347426170000072
对于空中基站(临近空间平台飞艇)，用户运动等效于空中基站在相对移动，因此得到下式：
Figure GDA0003347426170000073
其中r为空中基站覆盖半径，Vr为平均相对运动速度。
如图5所示，为本网络体系架构和传统低轨卫星网络的切换率对比图，假设临近空间平台飞艇接入同步卫星(GEO)和低轨卫星(LEO)的概率相等，移动终端速度为5m/s，低轨卫星高度为780km，R＝200km，r＝20km，得到下图5所示的切换率性能图。
其次是网络体系架构时延开销，包括传播时延、处理时延和排队时延。
本网络体系架构主要是在链路选择上尽量采用总时延较低的链路，即传播距离短、传输跳数少以及链路拥塞状况好的链路。
并且在协议设计上，采用简单有效的握手原则和处理流程，在一定程度上也能减少网络体系架构时延。将每一跳的处理时延和开销进行等效时延量化，即可简化计算链路的平均等效时延开销。
如图6所示，本网络体系架构和传统低轨卫星网络的时延开销对比图，计算可得LEO链路平均时延5毫秒，相邻星间链路平均时延13.5毫秒，GEO星地链路平均时延120毫秒，星间链路时延245毫秒，每跳处理和开销等效时延根据节点处理能力设为80～100毫秒。
对于本网络体系架构的接入容量，由信道容量公式得：
Figure GDA0003347426170000074
其中B为可用带宽，∑P're为总干扰，σ2为噪声功率，Pre为接收功率。
假设网络体系架构对每个用户服务的概率相等，则对目标区域所有用户点积分，可得网络体系架构总平均容量如下：
Figure GDA0003347426170000081
如图7所示，为本网络体系架构和传统低轨卫星网络的接入容量对比图，为方便比较，考虑LEO对地链路和临近空间平台(HAP)对地链路共享一段频谱，采用N＝3色复用或N＝4色复用方案，ω0为LEO服务的用户比例，总带宽为240MHz，LEO和HAP的总功率分别为200Watt和40Watt。
实施例三
本实施例如图8所示，云中心与临近空间飞艇覆盖下的移动终端的通信，对于高速业务，移动终端经过飞艇再传上低轨卫星，通信链路连接依次为：移动终端-飞艇-低轨卫星-地面站网关-云中心；对于低速且时延要求较高的业务，移动终端直接绕过飞艇，接入低轨卫星传输数据，通信链路连接依次为：移动终端-低轨卫星-地面站网关-云中心，其中移动终端和飞艇之间的链路使用Ka波段，移动终端和低轨卫星之间的链路也使用Ka波段，飞艇和低轨卫星之间的链路使用EHF波段，低轨卫星和地面站网关之间的链路使用Ka波段，地面站网关和云中心之间的链路使用核心网光纤传输。
实施例四
本实施例如图9所示，云中心与中短距离处的移动终端通信，移动终端处于低轨卫星覆盖区域，无飞艇覆盖，链路选择上直接使用跳数较少的低轨卫星网络进行传输，避免同步卫星中继的高时延缺点，选择的通信链路连接依次为：移动终端-低轨卫星-低轨卫星-地面站网关-云中心，其中移动终端和低轨卫星之间的链路使用Ka波段，低轨卫星星间链路使用激光传输，低轨卫星和地面站网关之间的链路使用Ka波段，地面站网关和云中心之间的链路使用核心网光纤传输。
实施例五
本实施例如图10所示，云中心与远距离处的移动终端通信，移动终端处于低轨卫星覆盖区域，无飞艇覆盖，有多跳低轨卫星网络和单跳同步卫星中继可供选择，考虑到多跳低轨卫星的处理时延和复杂度较高，故选择单跳同步卫星中继传输，通信链路连接依次为：移动终端-低轨卫星-同步卫星-地面站网关-云中心，其中移动终端和低轨卫星之间的链路使用Ka波段，低轨卫星和同步卫星之间的星间链路使用EHF(极高频)波段，同步卫星和地面站网关之间的链路使用Ka波段，地面站网关和云中心之间的链路使用核心网光纤传输。
实施例六
本实施例如图11所示，两个均处于飞艇覆盖下的移动终端A和移动终端B进行通信，飞艇链路跳数较少，故无论是高速通信还是低速通信，都避免使用时延相对更大的低轨卫星网络，直接选择飞艇网络进行数据传输，通信链路连接依次为：移动终端A-飞艇-飞艇-移动终端B，其中移动终端和飞艇之间的链路使用Ka波段，飞艇之间的艇间链路使用EHF窄波束传输。
实施例七
本实施例如图12所示，飞艇覆盖下的移动终端A与低轨卫星覆盖下的中近距离处的移动终端B进行通信，对于高速业务，采用先经过飞艇再连入低轨卫星网络的链路，避免使用高时延的同步卫星，通信链路连接依次为：移动终端A-飞艇-低轨卫星-低轨卫星-移动终端B，对于低速业务，移动终端A可绕过飞艇，直接接入低轨卫星网络，通信链路连接依次为：移动终端A-低轨卫星-低轨卫星-移动终端B，其中移动终端和飞艇之间的链路使用Ka波段，飞艇和低轨卫星之间的链路使用EHF波段，低轨卫星星间链路使用激光传输，低轨卫星和移动终端之间的链路使用Ka波段传输。
实施例八
本实施例如图13所示，飞艇覆盖下的移动终端A与低轨卫星覆盖下的远距离处的移动终端B进行通信，若采用低轨卫星网络，需要数目较多的跳数，带来较高的路由负荷和处理时延，故选择经过飞艇连入同步卫星网络，通信链路连接依次为：移动终端A-飞艇-同步卫星---同步卫星---低轨卫星-移动终端B，其中移动终端A和飞艇之间的链路使用Ka波段，飞艇和同步卫星之间的链路可使用激光传输，同步卫星星间链路使用激光传输，同步卫星和低轨卫星之间的星间链路使用EHF波段传输，低轨卫星和移动终端B之间的链路使用Ka波段传输。
综上所述，上述各组实施例中的基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，将临近空间平台飞行器引入网络体系架构，以融合卫星网络和地面网络，在实现全球覆盖的同时，有效地提高了非地面网络覆盖区域的通信服务质量，并且具有极强的鲁棒性，通过设计简化的协议流程，频段规划方案和链路选择方案，能够在重路由率和切换率、系统时延开销以及系统接入容量等方面有显著提升，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，其特征在于：包括多个通信节点，多个所述通信节点分别为同步卫星、低轨卫星、临近空间平台飞行器、地面站网关、云中心、5G基站；
所述同步卫星，用于作为远程中继和特殊终端的接入节点；
所述低轨卫星，用于作为非地面网络区域接入节点和中近距离中继节点；
所述临近空间平台飞行器，用于作为非地面网络覆盖区域以及应急通信的接入节点；
所述地面站网关，用于链接空天网络与地网网络，并实现不同网络之间的协议转化；
所述云中心，用于实现网络存储、计算、检测和调控功能；
所述5G基站，用于作为地面网络覆盖区域的接入节点；
多个所述通信节点通过各自之间的通信链路连接；
所述网络体系架构的切换率的计算公式如下：
RH＝∫ΔSf(x,y)
其中ΔS为单位时间改变的覆盖面积，f(x,y)为用户点的分布；
所述低轨卫星覆盖正下方的圆波束在单位时间改变的覆盖面积为：
Figure FDA0003537120860000011
其中R为波束覆盖半径，t为单位时间，Vtrk为低轨卫星下用户点的运动速度。
2.根据权利要求1所述的基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，其特征在于：所述临近空间平台飞行器为临近空间平台飞艇。
3.根据权利要求2所述的基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，其特征在于：所述低轨卫星下用户点的运动速度计算公式如下：
Figure FDA0003537120860000012
其中VLEO为低轨卫星运动速度，Rearth为地球半径，hLEO为低轨卫星高度。
4.根据权利要求3所述的基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，其特征在于：对于所述低轨卫星，星下用户点的相对运动等效于所述低轨卫星的移动，则得到如下关系式：
Figure FDA0003537120860000021
其中r为所述低轨卫星的覆盖半径，Vr为平均相对运动速度。
5.根据权利要求4所述的基于临近空间平台的空天地一体网络体系架构，其特征在于：若所述网络体系架构对每个用户服务的概率相等，对目标区域所有用户点进行积分，得到所述网络体系架构的总平均容量如下：
Figure FDA0003537120860000022
其中B为可用带宽，∑P're为总干扰，σ2为噪声功率，Pre为接收功率。
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