CN111817774B - 基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星网络星间多址接入方法，主要解决现有帧结构利用率低的问题。其方案是：1)构建整网传播时延的概率分布模型；2)分别在多天线的多射频通道和单射频通道场景下利用概率模型中的极值设计各自的初始帧结构；3)根据传播时延与发送、接收时隙之间的约束，优化单射频通道初始帧结构，得到适应大容量业务的帧结构；4)对多射频通道场景，根据其初始帧结构设计整网统一的帧结构，并根据当前的传播时延对其进行动态调整，得到适应多射频通道下的大吞吐量场景帧结构；5)将对应的接收时隙设计为最短，优化4)的结果，得到适应敏感业务下的帧结构。本发明提高了帧结构的利用率，可用于卫星网络星间链路层的资源分配。

Description

基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一致低轨卫星网络星间多址接入方法，可用于卫星网络星间链路层的资源分配。

背景技术

移动卫星通信系统是完整的“全球通信覆盖率”的最佳解决方案，并且可能是唯一的解决方案。自1950年代以来，它们一直在不断地被研究，如今已在军事应用，减轻灾害的遥感以及在全球范围内提供电视和互联网服务等领域具有广泛用途。由于其覆盖范围广，卫星可以将地面网络扩展到太空领域，使得在大带宽的网络下增加了更大的灵活性。

在过去的几年中，互联网用户的数量激增，在接下来的几年里，他将继续保持不变。除了用户数量方面的增长以外，为了满足人们需求的不断迭代更新，复杂度更大的应用程序也越来越多，所以提高网络带宽势在必行。卫星网络不需要像构建地面网络那样需要大量的规划和资源，它可以快速地提供远距离网络连接。对宽带通信系统的强烈需求将为全球范围内具有连通性和移动性的任何地方提供语音、数据、互联网、视频和其他现有的新兴多媒体服务，刺激了对地面和卫星网络集成的需求，使得卫星网络有望以高数据速率与地面网络连接，并可直接向各种用户提供联网访问，因此卫星通信、空天地一体化将是未来热门的研究方向。

使用星间链路ISL的低轨卫星LEO网络可以为各种未来空间应用提供独特的优势和灵活性，并且卫星间链路将成为减少地面资源短缺的重要解决方案。如何不仅从单个连接上，而且从整个网络的角度看，使星间资源进行充分地利用与调度，该问题是在空间网络资源调度管理领域中迫切需要研究的问题之一。因此对星间链路层控制策略的研究具有重要的意义。

当前卫星网络中采用的多址接入方式主要包括频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA和空分多址SDMA等。

FDMA是在频域将频带进行划分，各频带之间互不交叠并设有一定的保护间隔。卫星的多条星间链路使用不同的频带与邻居卫星进行通信，目的卫星通过频率之间正交性从滤波器中分离出原信号。该方法存在以下缺点：1)卫星链路功率不好控制，过大，邻居卫星会受影响，过小，通信质量会受损。2)频带的保护间隔不好控制，过大，频域资源不能被有效利用，过小，滤波时对硬件设备的精确度要求会很高。3)转发器的工作功率比较大，同时对多个载波进行放大时会产生交调效应。

TDMA是在时间维度上将资源进行划分。该方式虽然组网灵活，可以根据当前网络业务量的大小对时隙进行动态的调整。且由于工作在同一个频点上，所以不需要来回切换频点。电路相对简单，但是对网络同步的要求较高。

CDMA是给卫星发送的每个信号分配一个用于区分用户的地址码。地址码的选取会选择互相关弱自相关强的周期性序列作为地址信息，即首先经过扩频对频谱进行展宽，然后再经过载波调制由发信机进行发送。到达目的卫星后需要先进行解扩使相干的信号被分离，不相干的信号继续被扩展为宽带信号，解扩时用到的伪随机序列与发送端相同，最后再通过解调恢复原来的信号。该技术码间互干扰大，远近效应严重，捕获复杂。

SDMA是根据空间位置的不同来区分不同的用户。此时即使所有卫星都在同一频点和同一时间段也可以进行无干扰地通信，以此增加系统容量。利用该技术的系统复杂，对方向控制要求高。

如梁荟萃、袁田等人在“电讯技术(2020)”发表“大跨度天基数据链的TDD时隙调度分析与优化”的文章中，将TDMA与SDMA相结合，提出了一种在卫星星间通信时，通过规划发送和接收时隙将半双工工作模式转换成了双工工作模式，并利用发送时隙与传播时延的交叉压缩了信道的空闲时间，该方法虽说可提升信道利用率，提高网络吞吐量。但是该方法由于仅在多天线单射频通道的场景下进行分析，且只利用了整网传播时延的极值设计了帧结构，并没有考虑其他传播时延段的分布情况对帧结构设计的影响，因而导致每帧的接收时隙还有9ms的空闲时间，时频资源没有被充分被利用。

发明内容

本发明的目的在于在针对上述现有技术的不足，提出一种基于传播时延的低轨卫星网络星间多址接入方法，以利用TDMA和SDMA的优点，结合整网传播时延的概率分布模型分别在多天线多射频通道以及多天线单射频通道场景下对帧结构进行设计和优化，提高时频资源利用率。

为实现上述目的，本发明的方案实现包括如下：

1.一种基于传播时延的低轨卫星网络星间帧结构设计方法，其特征在于，包括如下：

(1)获取各个传播时延段使用的概率：

1a)根据卫星星间链路的断链建链规则、卫星工具箱STK导出的卫星经纬度文件以及谷歌地图中已知经纬度的距离公式，在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延T_p；

1b)根据卫星星间的断链建链规则，在每张拓扑快照下得到各卫星之间的连通关系矩阵；

1c)通过OPNET仿真软件，在只与邻居节点发包的情况下，得出各个传播时延段被使用的概率，即整网传播时延的概率分布模型；

(2)规划卫星节点的收发状态：

将发送状态和接收状态分开，使数据包边发送边传播，规划卫星节点的工作状态，即发射状态传播时延不能超过分组在最小星间链路长度上的传播时延，接收状态传播时延不能短于分组在最大星间链路长度上的传播时延，以避免收发冲突；

对于多天线单射频通道场景执行(3)；

对于多天线多射频通道场景执行(5)；

(3)根据整网的传播时延的极值在多天线单射频通道场景下设计初始帧结构：

3a)设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构；

3b)根据3a)设计的初始帧结构，假设业务产生均匀，则每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一；

(4)根据传播时延的概率分布在多天线单射频通道场景下对初始帧结构进行优化，设计适应该场景下的大容量业务帧结构：

对于接收时隙时长的设计，是在全网传播时延最大的星间链路上，要保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特数据能落入到接收时隙；

对于前后队列发送时隙时长的设计，是在同轨星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；

对于左右队列发送时隙时长的设计，是在全网传播时延最小的星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；

(5)根据整网的传播时延的极值在多天线多射频通道场景下设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，每个天线占满发送时隙的整个时长；

(6)对(5)设计的初始帧结构进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的大容量业务帧结构：

6a)根据全网使用频率最大的传播时延段设计整网统一的帧结构，以保证在该传播时延链路上帧结构利用率最大；

6b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大；

(7)对(6)优化后的帧结构再次进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的时延敏感类业务帧结构：

7a)整网统一帧结构的设计，即根据发送时隙长度确定接收时隙长度：

当发送时隙长度t_s≥9ms时，则接收时隙长度为t_r＝t_s+2，以保证各个传播时延段的链路上至少保证有1ms的接收时间；

当发送时隙t_s＜9ms时，即发送时隙为7ms或为8ms时，为保证在大传播传播时延段的星间链路上至少保证有1ms的接收时间，则接收时隙至少应分别设计为12ms和11ms。

7b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

本发明由于利用TDMA和SDMA的优点，并结合星间链路的传播时延设计了可实

现双工的通信的帧结构，因此，在带宽资源受限的卫星系统中节约了频域资源。

本发明由于利用整网的极值设计初始帧结构，可满足通信的最低要求，同时由于利

用整网传播时延的分布特征并考虑每条星间链路的具体传播时延对初始帧结构进行优化，因此，提高了帧结构的利用率，保证了整网的吞吐量性能。

(3)本发明在多天线多射频通道以及多天线单射频通道的不同硬件资源场景下分别设计帧结构，且对不同的业务要求在初始帧结构的基础上进行优化，可适应大容量业务和时延敏感类的业务。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2为用STK仿真软件仿真本发明的卫星网络拓扑图；

图3是本发明中星座在第一分钟的拓扑结构及每条链路的传播时延图；

图4是本发明中卫星节点收发示意图；

图5是在多天线单射频通道场景下本发明中的初始帧结构示意图；

图6是在多天线多射频通道场景下本发明中的初始帧结构示意图；

图7是在多天线多射频通道场景下本发明中的适应大容量业务帧结构的利用率曲线；

图8是在多天线多射频通道场景下本发明中的适应时延敏感业务的帧结构利用率曲线图；

图9为用OPNET仿真软件仿真本发明的卫星节点模型图；

图10在多天线单射频通道场景下本发明中两种帧结构的吞吐量仿真结果对比图；

图11为本发明多天线单射频通道场景下两种帧结构的端到端时延仿真结果对比图；

图12为在多天线多射频通道场景下本发明中三种帧结构的吞吐量仿真结果对比图；

图13为在多天线多射频通道场景下本发明中三种帧结构的端到端时延仿真结果对比图；

图14为本发明中适用多天线多射频通道场景下大容量业务帧结构与适用多天线单射频通道场景下大容量业务帧结构的吞吐量仿真结果对比图；

图15为本发明中适用多天线多射频通道场景下大容量业务帧结构与适用多天线单射频通道场景下大容量业务帧结构的端到端时延仿真结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。

参照图1，本实例的具体实现如下：

步骤1，根据星间断链建链规则以及STK仿真软件导出的卫星经纬度文件，得到每个拓扑快照下的连通关系矩阵。

1.1)在仿真软件STK中搭建卫星拓扑图：

本实例搭建的卫星拓扑图，如图2所示，该网络拓扑下星间链路的具有如下特点

一是同轨链路上的邻居卫星，运动速度相同，相对位置保持不变，天线易追踪，因此，同轨星间链路可以永久存在；

二是异轨链路上的邻居卫星相对位置随卫星运动所在的纬度位置不同而不同，天线难追踪，因此，异轨星间链路会在两极交汇处不断地发生断开或建立，主要原因为：1)两极地区卫星角速度大，天线难以追踪定位，不易建立星间链路；2)两极地区卫星距离较近，覆盖范围重叠较大，加上两极地区业务量较小，所以需要关闭星间链路以节省能源。值得注意的是，在反向缝两边即第一轨道第六轨道之间，卫星运动方向完全相反，相对速度非常大，卫星天线的切换跟不上卫星相对位置的变化，此时星间链路极不稳定，故可认为反向缝之间不存在星间链路；

三是卫星间有特定的建链规则，即当卫星从极地向南北纬66°及以下运动时，该卫星与异轨更高纬度的卫星建立异轨星间链路；当卫星从南北纬66°向两极运动时，该卫星与异轨更高纬度的卫星断开异轨星间链路；

1.2)建立每个拓扑快照下的连通关系矩阵：

通过STK仿真软件得出任意时刻下卫星的经纬度信息，并对该星座下的60颗卫星进行0-59的编号；

结合上述星间建链和断链规则判断出任意时刻下相邻卫星之间是否存在星间链路：

若相邻卫星之间存在星间链路，则用1表示；

若不存在，则用0表示，由此得出该星座60×60的0-1连通关系矩阵。

步骤2，在OPNET仿真软件上，读取连通关系矩阵，构建整网传播时延的概率分布模型。

2.1)通过OPNET仿真软件读取每个时刻下的连通关系矩阵，获取此时星间的连接情况，以方便路由寻路，在路由到下一跳之前计算该星间链路的传播时延，参考谷歌地图中已知经纬度的距离公式，计算两颗通信卫星之间的传播时延T_p：

其中，T_p表示该星间链路上的传播时延，A(WA,JA)和B(WB,JB)分别表示两颗卫星的位置，WA表示A卫星的纬度，JA表示A卫星的经度，WB表示B卫星的纬度，JB表示B卫星的经度，R_p为地球半径，h为轨道高度，c为真空中光速；

以60个卫星构成图2星座的第一张拓扑快照为例，该星座的60个卫星在第一分钟的拓扑结构及每条链路的传播时延如图3示，例如，对于异轨星间链路：3号卫星与13号卫星之间存在异轨星间链路，且星间传播时延为10.805ms；8号卫星和18号卫星之间不存在异轨星间链路；对于同轨星间链路：8号卫星和9号卫星之间存在同轨星间链路，且星间传播时延为15.33ms；

2.2)设置仿真参数：设星间信道速率为100Mbps，每颗卫星产生的数据包符合泊松分布，泊松分布的参数为0.1，设仿真时长为1min，目的地址随机设计为邻居卫星；

2.3)统计在各个传播时延段的星间链路被使用的频数，得到该星座下传播时延的概率分布模型：

其中，

为传播时延的概率分布模型，p₁为8ms-9ms时延段出现的概率，p₂为9ms-10ms时延段出现的概率，p₃为10ms-11ms时延段出现的概率，p₄为11ms-12ms时延段出现的概率，p₅为12ms-13ms时延段出现的概率，p₆为13ms-14ms时延段出现的概率，p₇为14ms-15ms时延段出现的概率，p₈为15ms-16ms时延段出现的概率。

步骤3，规划卫星的节点的收发状态。

根据卫星传播时延大的特点将发送状态和接收状态分开，使数据包边发送边传播，规划卫星节点的工作状态为：发射状态不能超过分组在最小星间链路长度上的传播时延，接收状态不能短于分组在最大星间链路长度上的传播时延，以避免收发冲突，如图4所示；

图4中A卫星与B卫星为正在通信的两颗邻居卫星，被发送的数据包经过AB间的星间链路的传播时延后到达目的卫星，从图4可看出，A卫星发出的第一个比特的数据被传输时，可继续发送后面比特的数据，因此数据包的传播时延与帧中的接收时隙发生交叠，从而压缩了信道空闲时间。

步骤4，根据卫星射频通道的个数，确定不同的执行内容。

本发明分别在多天线单射频通道和多天线多射频通道场景下设计适应不同业务的帧结构：对于多天线单射频通道场景其帧结构的设计执行步骤5；

对于多天线多射频通道场景其帧结构的设计执行步骤7。

步骤5，在多天线单射频通道场景下，利用整网传播时延的极值设计初始帧结构。

5.1)发送时隙总长和接收时隙总长的设计，为保证收发不冲突，其设计规则如下：

数据包在帧中的总发送时长不能超过整网最小的传播时延8ms，以保证在最小星间链路上传输的数据包在被传输到目的卫星之前即可被发送完成，但每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一；

数据包在帧中的接收时长不能短于整网最大的传播时延16ms，以在最大星间链路上传输的数据包可在本帧内接收完整；

5.2)接收时隙的设计：由于在多天线单射频通道场景下四个天线轮询共享发送时隙，为保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特的数据可在整网最大传播时延的星间链路上被接收，接收时隙至少应该设计为16ms，考虑1ms的处理时延和1ms的保护间隔，将接收时隙设计为18ms；

5.3)各方向发送时隙的设计：每个方向的发射时长不能超过在整网最小的传播时延8ms，且四个方向的发送时间总和也不能超过8ms，以此保证第一个被轮询的队列中已发送数据的第一比特在最小传播时延的链路上可以落入到接收时隙，即保证正常接收，本实例考虑1ms的保护间隔，将总发送时长设计为7ms，假设业均匀产生，因此，每个方向的发送时长为1.75ms。本步骤所设计的初始帧结构，如图5所示。

步骤6，在多天线单射频通道场景下，根据接收时隙和和四个队列发送时隙的约束设计适应大业务量场景的优化帧结构。

由图5可以看出，接收时隙内除了用于接收来自四个星间链路数据包的7ms以及2ms的处理时延和保护间隔外，还有9ms处于空闲状态，这对于高业务量的场景来说，数据包很容易在队列中产生积压无法及时发送，为了避免这种情况的发生，需要提高帧结构的利用率，以提高整网的吞吐量，其设计如下：

6.1)为设计适应大容量业务的帧结构，假设帧结构发送时隙长度为t_s，接收时隙长度为t_r，前队列发包时间长度为t₁，后队列发包时间长度t₂，左队列发包时间长度t₃，右队列发包时间长度t₄；

6.2)接收时隙设计：在全网传播时延最大的星间链路上，要保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特数据能落入到接收时隙，即16≤t_r-2，则将在单射频通道场景下，接收时隙至少要设计为18ms，此时接收时隙可以保证接收到来自任何队列以及任何时延段的包；

6.3)发送时隙设计，即分别根据同轨星间链路和异轨星间链路传播时延的特点进行设计：

6.3a)根据在同轨星间链路上传播时延在15-16ms内为整网最大的传播时延段的特点，为保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙，因此，需对各发送时隙长度进行如下约束：

6.3b)根据在异轨星间链路上传播时延长度不一，且分布在各个时延段的特点，为保证在全网传播时延最小的星间链路上，每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙，需对各发送时隙长度进行如下约束：

6.4)根据上面约束的计算结果，对于接收时隙的长度应设计为18ms，其包含1ms的处理时延以及1ms的保护间隔；对于发送时隙长度的设计通过要考虑1ms的保护间隔，故令t_s＝15ms，假设全网业务均匀产生，为保证各队列发送时长的公平性，则令t₁＝t₂＝t₃＝t₄，本实例中，t₁＝t₂＝t₃＝t₄＝3.75ms。

步骤7，在多天线多射频通道场景下，利用整网传播时延的极值设计初始帧结构。

为保证收发不冲突，其设计规则为：

数据包在帧中的总发送时长不能超过整网最小的传播时延8ms，考虑1ms的保护间隔将发送时隙的时长设计为7ms，以保证在最小星间链路上传输的数据包在被传输到目的卫星之前即可被发送成，并且每个天线可占满发送时隙的整个时长；

数据包在帧中的接收时长不能短于整网最大的传播时延16ms，考虑1ms的处理时延和1ms的保护间隔将接收时隙设计为18ms，可以保证在最大星间链路上传输的数据包可在本帧内接收完整。

本步骤设计的初始帧结构，如图6所示。

步骤8，在多天线多射频通道场景下，设计适应大容量业务的优化帧结构。

由图6可知，初始帧结构中有9ms的空余时隙，为填充空余时隙，对初始帧结构进行改进，需要在初始帧结构的基础上增加发送时长，以提高帧结构利用率。

8.1)由于有多个射频通道，为防止旁瓣干扰，整网卫星节点要保证同发同收，因此，首先需要根据全网使用频率最高的传播时延段设计适应大容量业务场景下整网统一的帧结构，即根据传播时延的概率分布模型知全网使用频率最高的传播时延段为15-16ms，全网统一的帧结构的设计要保证在该传播时延链路上的帧结构利用率最大；

8.2)对其它传播时延段的星间链路，在步骤(8.1)设计的全网统一的帧结构上根据传播时延t_p与发送时隙长度t_s和接收时隙长度t_r的关系对其帧结构的发送时刻以及发送时长进行调整：

若t_p≤t_s，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据包，需要等待(t_s-t_p)时间后发送t_p时长的数据包；例如，设帧中发送时隙为12ms，接收时隙为16ms，对于传播时延为10ms星间链路的，因为实际发送时间要小于等于传播时延，所以在发送时隙内最多发送10ms，并且在发送时隙的开始时刻延迟2ms后开始发送，当发送结束后数据的第一比特经过10ms的传播时延正好到达目的卫星，目的卫星即可在接收时隙内开始接收数据包；

若t_s≤t_p≤(t_r-2)，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待(t_p-t_s)时间后，才能接收到发送的数据包；例如，设帧中发送时隙为12ms，接收时隙为16ms，对于传输时延是13ms的星间链路，因为传播时延大于发送时隙的时长，所以当发送时隙结束时数据的第一比特还需再经过1ms才可到达目的卫星，到达后目的卫星开始接收数据包；

若(t_r-2)≤t_p≤(t_s+t_r-2)，则数据包在发送时隙的一开始即可被发送，且发送时隙只有(t_p-t_r+2)时长可用于发送数据；例如，假设帧中发送时隙为12ms，接收时隙为16ms，对于传播时延为16ms的星间链路，当发送时隙结束时，该时隙内发送的第一比特还需要经历4ms才能到达目的卫星，此时接收时隙还剩余10ms可以用于接收数据，因此发送时隙最多只能发送10ms的数据，并且数据包在发送时隙的开始时刻即可发送，发送时隙空余2ms。

对以上三种情况，对应的帧结构利用率可表示为：

8.3)结合整网传播时延段概率分布模型，整网帧结构的利用率可表示为：

其中，η_全网为整网帧结构的利用率，

是传播时延为

的星间链路的帧结构利用率，p₁是传播时延为

的星间链路出现的概率，同理，

是传播时延为t_pi的星间链路的帧结构利用率，p_i是传播时延为t_pi的星间链路出现的概率。

8.4)结合上述整网帧结构利用率公式，当以不同时长的帧结构设计作为全网统一的帧结构时，可绘制出整网帧结构利用率的曲线如图7所示，图7表明，当发送时隙设计为15ms，接收时隙设计为18ms时，整网帧结构利用率最大，在大容量业务场景下可承载更多的业务。

步骤9，在多天线多射频通道场景下，设计适应时延敏感业务的帧结构。

适应大容量业务的帧结构由于接收时隙过长，导致数据包在系统中滞留的时间会比较大，会影响端到端的时延，为适应时延敏感类业务需要对适应大容量业务的帧结构再进行改进，即通过降低接收时隙长度，以保证端到端的时延性能。

9.1)选取整网统一的帧结构，以保证在各传播时延链路上至少有1ms接收时间为前提，对不同的发送时隙长度设计对应最短时长的接收时隙：

当发送时隙长度t_s≥9ms时，则接收时隙长度为t_r＝t_s+2，以保证各个传播时延段的链路上至少保证有1ms的接收时间；

当发送时隙t_s＜9ms时，即发送时隙为7ms或为8ms时，由于发送时隙过短，为保证在大传播传播时延段的星间链路上至少保证有1ms的接收时间，则接收时隙至少应分别设计为12m和11ms。

9.2)根据9.1)设计的不同帧结构，结合8.3)中计算整网帧结构利用率的公式，可得出整网利用率曲线如图8所示，根据实际业务需求可选取合适的点作为适应时延敏感业务场景下整网统一的帧结构；

9.3)对其它传播时延段的星间链路，是在9.2)设计的统一的帧结构上动态地调整发送时刻和发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

一、仿真条件

本发明是基于OPNET网络仿真软件与STK联合对卫星网络进行仿真验证操作，其中：

本卫星在STK仿真软件搭建的网络拓扑如图2所示，其包含6个轨道面，并在赤道方向均匀分布。每个轨道面均匀分布10颗卫星，共60颗卫星覆盖全球。卫星轨道高度距地面约1100km，距地心7441.39km，轨道为极轨道，轨道倾角为86°。每颗卫星轨内链路2条，轨间链路2条；其中轨内链路持续保持连接，当卫星运行到纬度大于66°的地区时，轨间链路向前断开，通过该区域后再重新建链；无反向缝链路；

在OPNET仿真软件中搭建的卫星节点如图9所示，导入由STK仿真软件中生成的轨道文件，卫星的运行轨道如实线所示；卫星编号的第一位表示卫星所在的轨道编号，后两位表示卫星在该轨道上的编号。

二、仿真内容

为明确体现出在高业务量下的优势，需要增大业务量至网络饱和甚至过载的状态。在百兆、千兆级的信道速率场景下，要网络饱和需要将业务量设置得非常大，考虑到OPNET的承载能力以及仿真运行时间的限制，我们将信道传输速率做了缩小，再适当提升业务量，进行等效仿真，以便于仿真实现并观察结果。

仿真1：在多天线单射频通道场景下，将仿真信道速率设置为1Mbps，为将发送时隙填充满，将包长设置为256bit，对初始帧结构与大容量优化帧结构的吞吐量和端到端时延分别进行了对比仿真，结果分别为图10和图11所示，其中，图10为上述两种帧结构的吞吐量性能对比图，图11为上述两种帧结构的端到端时延性能对比图：

图10吞吐量曲线表明，大容量优化帧结构可以承载更多的业务量，因为大容量优化帧结构的帧结构利用率高，因此，在同样的业务量下可以处理更多的数据包；

图11端到端时延曲线表明，大容量优化帧结构的端到端的时延更低，因为在仿真的业务量范围内，初始帧结构的休假时长虽然比较短，但是网络提前进入拥塞状态，此时排队时延占主要因素，而适应大容量场景的优化帧结构，由于网络还未处于拥塞状态，因而可以更快的处理数据包。

仿真2：在多天线多射频通道场景下，将仿真信道速率设置为1Mbps，为将发送时隙填充满，将包长设置为1024bit，对初始帧结构、适应大容量业务的优化帧结构以及适应时延敏感业务帧结构的吞吐量和端到端时延分别进行仿真，其中，适应时延敏感业务的帧结构以发送时隙为12ms，接收时隙为14ms为例进行仿真，仿真结果分别为图12和图13所示，其中，图12为上述三种帧结构的吞吐量性能对比图，图13(a)为初始帧结构和适应大容量业务的优化帧结构的端到端时延性能对比图，图13(b)为适应大容量业务的优化帧结构和适应时延敏感业务的帧结构的端到端时延性能对比图：

图12表明，随着业务量的增大，适应大容量业务的优化帧结构可以承载更多的业务，该帧结构的利用率最大，队列中积压的数据包可以被尽快地处理，所以对应的吞吐量曲线最高，初始帧结构对应的帧结构利用率最低，因此仿真结果的吞吐量最低；

图13(a)表明，随着业务量的增加，适应大容量业务的优化帧结构到达拥塞的拐点最晚，该方案的数据包几乎没有排队时延，只有接入等待时延，数据包可以尽早地获得服务，因此端到端时延最短。

图13(b)表明，在数据包的到达率为700个包/s之前，适应时延敏感业务的帧结构比适应大容量业务的优化帧结构的端到端时延小，因为此时，网络还未拥塞，端到端时延主要取决于接入时延，由于适应时延敏感业务的帧结构的帧长短，接入时延小；随着业务量的增大，适应大容量业务的优化帧结构比适应时延敏感业务的帧结构端到端时延小，网络即将处于饱和状态，此时端到端时延主要取决于排队时延，由于适应大容量业务的优化方案的帧结构利用率高，每帧可处理更多的数据包，因此端到端时延小。

仿真3：将仿真信道速率设置为1Mbps，为将发送时隙填充满，将包长设置为256bit，分别对天线多射频通道场景下适应大容量业务的优化帧结构与多天线单射频通道场景下适应大容量业务的优化帧结构的吞吐量和端到端时延性能进行仿真，结果分别为图14和图15所示，其中，图14为两种场景下的吞吐量性能对比图，图15为两种场景下的端到端时延性能对比图。

图14吞吐量曲线表明，多射频通道场景比单射频通道场景的网络容量最大提高了2.8倍，因为在多射频场景下，四个射频模块同时发射数据包，而单射频场景只有一个射频模块，四个方向轮流发送数据包。

图15端到端时延曲线表明，在本仿真的业务量下，单射频场景的端到端时延比多射频通道场景大3倍左右，表明此时单射频场景已经拥塞。

由此可见在网络承载能力不足时，多天线多射频通道场景通过增加射频模块，能让4个天线同时工作，且可以功耗和成本的代价换取网络吞吐量的提高，并降低时延，优化了网络性能。

Claims (8)

1.一种基于传播时延的低轨卫星网络星间帧结构设计方法，其特征在于，包括如下：

(1)获取各个传播时延段使用的概率：

1a)根据卫星星间链路的断链建链规则、卫星工具箱STK导出的卫星经纬度文件以及谷歌地图中已知经纬度的距离公式，在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延T_p；

1b)根据卫星星间的断链建链规则，在每张拓扑快照下得到各卫星之间的连通关系矩阵；

1c)通过OPNET仿真软件，在只与邻居节点发包的情况下，得出各个传播时延段被使用的概率，即整网传播时延的概率分布模型；

(2)规划卫星节点的收发状态：

将发送状态和接收状态分开，使数据包边发送边传播，规划卫星节点的工作状态，即发射状态传播时延不能超过分组在最小星间链路长度上的传播时延，接收状态传播时延不能短于分组在最大星间链路长度上的传播时延，以避免收发冲突；

对于多天线单射频通道场景执行(3)；

对于多天线多射频通道场景执行(5)；

(3)根据整网的传播时延的极值在多天线单射频通道场景下设计初始帧结构：

3a)设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构；

3b)根据3a)设计的初始帧结构，假设业务产生均匀，则每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一；

(4)根据传播时延的概率分布在多天线单射频通道场景下对初始帧结构进行优化，设计适应该场景下的大容量业务帧结构：

对于接收时隙时长的设计，是在全网传播时延最大的星间链路上，要保证最后被轮询到的右队列中发送的最后一个比特数据能落入到接收时隙；

对于前后队列发送时隙时长的设计，是在同轨星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；

对于左右队列发送时隙时长的设计，是在全网传播时延最小的星间链路上，要保证每个队列中发送的第一比特的数据经过传播时延后能落入到接收时隙；

(5)根据整网的传播时延的极值在多天线多射频通道场景下设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，每个天线占满发送时隙的整个时长；

(6)对(5)设计的初始帧结构进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的大容量业务帧结构：

6a)根据全网使用频率最大的传播时延段设计整网统一的帧结构，以保证在该传播时延链路上帧结构利用率最大；

6b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大；实现如下：

首先，设其它传播时延段的星间链路传播时延为t_p，发送时隙长度为t_s，接收时隙长度为t_r；

然后，根据星间链路的传播时延t_p与发送时隙长度t_s和接收时隙长度t_r的关系，对帧结构的发送时刻以及发送时长进行调整：

若t_p≤t_s，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据包，需要等待(t_s-t_p)时间后发送t_p时长的数据包；

若t_s≤t_p≤(t_r-2)，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待(t_p-t_s)时间后，才能接收到发送的数据包；

若(t_r-2)≤t_p≤(t_s+t_r-2)，则数据包在发送时隙的一开始即可被发送，且发送时隙只有(t_p-t_r+2)时长可用于发送数据包；

(7)对(6)优化后的帧结构再次进行优化，设计适应多天线多射频通道场景下的时延敏感类业务帧结构：

7a)整网统一帧结构的设计，即根据发送时隙长度确定接收时隙长度：

当发送时隙长度t_s≥9ms时，则接收时隙长度为t_r＝t_s+2，以保证各个传播时延段的链路上至少保证有1ms的接收时间；

当发送时隙t_s＜9ms时，即发送时隙为7ms或为8ms时，为保证在大传播时延段的星间链路上至少保证有1ms的接收时间，则接收时隙至少应分别设计为12ms和11ms。

7b)对其它传播时延段的星间链路，在统一的帧结构上动态地调整发送时刻以及发送时长，以保证在设定的约束条件下，本条星间链路上的帧结构利用率最大；实现如下：

首先，设其它传播时延段的星间链路传播时延为t_p，发送时隙长度为t_s，接收时隙长度为t_r；

然后，根据星间链路的传播时延t_p与发送时隙长度t_s和接收时隙长度t_r的关系，对帧结构的发送时刻以及发送时长进行调整：

若t_p≤t_s，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据包，需要等待(t_s-t_p)时间后发送t_p时长的数据包；

若t_s≤t_p≤(t_r-2)，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待(t_p-t_s)时间后，才能接收到发送的数据包；

若(t_r-2)≤t_p≤(t_s+t_r-2)，则数据包在发送时隙的一开始即可被发送，且发送时隙只有(t_p-t_r+2)时长可用于发送数据包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，1a)中所述的卫星星间链路的断链建链规则，包括同轨星间链路和异轨星间链路两种规则，即：

对于同轨星间链路可永久稳定的存在；

对于异轨星间链路，会不断地断开或者重新建立，并在南北纬66°时发生，即当卫星从极地向南北纬66°及以下运动时，该卫星与异轨更高纬度的卫星建立异轨星间链路；当卫星从南北纬66°向两极运动时，该卫星与异轨更高纬度的卫星断开异轨星间链路。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，1a)中在任意一张拓扑快照下计算出任意两颗通信卫星之间的传播时延，通过如下公式计算：

其中，T_p表示该星间链路上的传播时延，A(WA,JA)和B(WB,JB)分别表示两颗卫星的位置，WA表示A卫星的纬度，JA表示A卫星的经度，WB表示B卫星的纬度，JB表示B卫星的经度，R_p为地球半径，h为轨道高度，c为真空中光速。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，1b)中根据卫星星间的断链建链规则，在每张拓扑快照下得到各卫星之间的连通关系矩阵，是对通过STK仿真软件导出的卫星经纬度文件进行处理，即在一个轨道平面的南北纬66°处设置标志位，将该轨道平面分成了四部分，并根据相邻拓扑快照下卫星的经纬度获知卫星是否经历了断链或者建链，再对星座的60颗卫星进行0-59的编号，若两颗卫星之间存在星间链路，则用1表示，若不存在，则用0表示，由此得出该星座60×60的0-1连通关系矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，1c)中通过OPNET仿真获得整网传播时延的概率分布模型，其实现如下：

1c1)设星间信道速率为100Mbps，每颗卫星产生的数据包符合泊松分布，参数为0.1，设仿真时长为1min，目的地址随机设置为邻居卫星；

1c2)统计在各个传播时延段的星间链路被使用的频数，以此得到星座下传播时延的概率分布模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，3a)中设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，是用整网最小的传播时延减去1ms的保护间隔作为发送时隙的时长，用整网最大传播时延加上1ms的处理时延和1ms的保护间隔作为接收时隙的时长，每个天线只能占满发送时隙时长的四分之一。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中设计由发送时隙和接收时隙两部分组成的初始帧结构，是用整网最小的传播时延减去1ms的保护间隔作为发送时隙的时长，用整网最大传播时延加上1ms的处理时延和1ms的保护间隔作为接收时隙的时长，每个天线占满发送时隙的整个时长。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，6a)中根据全网使用频率最大的传播时延t_pm设计整网统一的帧结构，是在传播时延为t_pm的星间链路上以保证其帧结构利用率最大为目标，设发送时隙长度为：t_s＝t_pm，接收时隙长度为：t_r＝t_pm+2。

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