杨冬梅，唐舟进

（世讯卫星技术有限公司，北京 100022）

1 引言

经过数十年的发展，卫星通信网络已经成为了信息基础设施不可或缺的重要部分。当前卫星网络已经进入了业务多样化及覆盖全球化的时代，我国目前的卫星通信网络是以同步地球轨道卫星（GEO）为主体。卫星通信系统覆盖面积大，具有传输速度快，可移动性强等优点，但是由于资源紧缺，如何有效的利用空间资源，提高卫星通信的效能等都是目前的研究热点。

传统的单层卫星网络主要有同步地球轨道卫星网络、低轨道卫星（LEO）网络和中轨道卫星（MEO）网络。其中GEO卫星网络应用最为广泛，GEO卫星位于地球赤道上空36000千米的轨道上，并且相对地面静止；MEO卫星位于距地面高度为10000km～20000km之间的轨道上；LEO卫星的轨道高度则距离地面500km～2000km，覆盖全球需要进行星座组网[1]。随着移动互联网的告诉发展，用户对于低时延宽带接入的需求日益迫切，传统的卫星网络，无论是高中轨低轨卫星，都难以兼顾时延、拥塞、抗毁、带宽等方面的性能，通常在部分指标上存在缺陷，无法满足当前移动互联网的应用需求。例如目前应用广泛、技术成熟的GEO卫星网络就存在链路时延大、信号衰减大、频谱利用率低、终端设备复杂等问题[2]；而LEO卫星投入成本高，运控系统复杂，需要形成规模才能实现全球覆盖；因此单层卫星网络已经难以满足目前人们不断的增加的需求，难以支撑多样化的业务。高低轨卫星协同组网的混合卫星网络能够更加有效地利用卫星资源，使得各层卫星网络优势互补，提高接入和覆盖能力，更有效地为不同类型的用户提供差异化的服务，满足各种用户的QoS需求，混合卫星网络将是卫星通信的重要发展方向。

2 单层卫星网络特点及缺陷

GEO卫星位于静止轨道，单星就可以覆盖地球40%的面积，仅需要3颗就可以实现全球覆盖，为全球任何地点、任何时间的用户提供通信服务。目前GEO通信卫星应用较为广泛，主要提供互联网接入、PSTN服务以及网络电话等服务。Inmarsat海事卫星系统，Thuraya系统，Skyterra系统等是典型的GEO卫星通信系统。

典型的MEO卫星星座有O3b系统等。O3b系统由12颗位于8000千米轨道上的MEO卫星组成，为全球南北纬45°之间所有用户提供宽带接入服务，最大速率可达到500Mb/s[3]。

LEO卫星移动通信系统以星座形式组网，通过运行在多个轨道面上的大量卫星为地面提供服务，由于LEO卫星单星覆盖范围有限，跨区服务的路由需要通过星间链路或者大量地面站点网络完成，LEO卫星类似于地面网络的蜂窝基站，通过频率复用扩大系统容量，能够支持大量的用户随时接入。典型的LEO卫星星座有铱星系统、全球星系统等。

但是，传统的卫星网络存在以下问题[1]：

（1）时延较大。GEO和MEO卫星轨道高度大，信号时延主要来自于路径传输时延；而LEO卫星网络因为节点数量多以及路由频繁切换而时延过高。为了提高系统容量和覆盖性能，LEO卫星网络需要不断地扩大规模和节点数，对于单颗的低轨道卫星时延并不大，但是复杂的路由交换会增加总的网络时延开销；卫星星间链路的增长也会造成路由的复杂化，引起网络拥塞，造成时延上升。

（2）网络拥塞较大。GEO卫星主要通过信关站网关系统与地面网络进行交互，当负载较高时，网关容易成为网络拥塞的瓶颈。LEO卫星则由于路由的复杂化，造成链路的快速切换，特别是在极地区域，频繁的切换会引起链路的动态变化，增大网络阻塞的概率。

（3）网络抗毁性较差。在混合卫星网络中会采用不同类型的卫星作为备用传输节点，这样一旦卫星中出现链路中断时，可以找到用来替代的链路。但是在传统卫星网络中，一旦链路终端，容易造成卫星网络部分瘫痪，因此网络的抗毁性较差。

3 混合卫星网络优势分析

随着通信技术在标准化方面的进步，卫星通信系统也开始向多星一网的方向发展。不同轨道面上的卫星通过协同组网，形成混合卫星网络，能够兼顾覆盖性、移动性和可扩展性等优点[1]。

LEO卫星通过星座组网实现全球覆盖，覆盖性能与星座节点数量呈正相关性。目前提出的超大规模LEO星座计划，如OneWeb星座，就是利用这一特性提高覆盖性能和频谱效率，提供宽带接入服务。但是LEO卫星星座节点数量增加时，会引起路由算法复杂性的急剧增长，会增大网络拥塞程度和传输时延[4]。混合卫星网络将结合高低轨的优势，高轨卫星作为骨干层和核心网络，利用其覆盖和星上处理能力的优势，承担路由、交换和控制等功能，进行数据的转发处理，并控制接入层低轨卫星实现高效的切换；LEO卫星实现用户服务和接入功能。混合卫星网络由于有GEO和LEO协同组网，不仅可以实现全球覆盖，同时可以保证用户服务质量的同时根据不同用户提供多业务服务，混合卫星组网的拓扑结构稳定性强，网络适应性强，能降低网络路由开销。

（1）减少地面站部署难度。混合卫星网络重GEO和LEO卫星在覆盖上相互补充，可以实现完全的全球覆盖，并针对热点地区进行覆盖增强，并且高轨的卫星网络与低轨卫星网络之间有星间链路互联，结合星上处理技术，信息跨区传输不再依附于地面站的帮助，可以减少地面站部署的数量和难度，一个地面站就可以实现卫星网络的实时控制和信息落地。

（2）通信时延减小。从上一节的讨论中我们分析了单层链路的时延问题，如果卫星混合组网，不同轨道的卫星将基于其优势和特点承担不同的任务，MEO卫星和LEO卫星主要用于地面用户接入，消除了因通信距离过长而导致的时延问题，而高轨的GEO卫星也分担了低轨道接入卫星的切换任务，总体上降低了信息传输的时延。

（3）信号损耗减小。传统的高轨卫星主要通过地面信关站进行路由交换，信号通过星地链路传输，衰减大，传输效率低，频谱资源紧张。而混合卫星组网方式主要依靠于星间链路进行，由于无大气损耗，可以采用毫米波、激光等高效的传输手段实现星间链路的宽带化、。

4 GEO/LEO双层星座网络体系架构

混合卫星网络需要多层轨道上的卫星互联互通，设计难度较高，沈荣骏院士提出了结合星间、星地及地面互联互通的构想，天地一体化信息网路重大工程课题组提出了“骨干/接入”模型[6]，骨干网由GEO卫星组成，接入网由LEO卫星组成。GEO/LEO双层星座网络体系架构由GEO层星座、LEO 层星座、地面系统以及各类星间、星际链路组成。

图1 GEO/LEO双层卫星网络架构示意图

GEO卫星利用其覆盖优势，为LEO卫星提供中继、交换、监控以及应急备份等服务，少量甚至单个地面站可通过GEO卫星一跳实现对全球卫星网络的状态监控，运行控制和网络管理，解决传统LEO卫星网络高度依赖全球布站的瓶颈问题。LEO 卫星利用其时延小、路损低、容量高等优势，结合星上处理和星间链路技术，可以为海量用户提供低时延、低成本、高带宽的宽带接入服务，达到接近于地面网络的用户体验，加快互联网接入业务在世界欠发达地区的推广速度[7]。

双层卫星星座网络融合了LEO卫星系统和GEO卫星系统的优势，能够提供更高的通信容量、更低的接入时延、更少的地面站点要求和更好的可靠性[8]。本文提出一种GEO/LEO双层星座卫星网络的初步设计，主要基于以下几方面考虑：

（1）轨道类型。考虑高纬度地区的覆盖，LEO 星座应采用圆轨道星座。考虑到星间链路的建立和维护需要卫星间的位置关系相对固定，LEO层星座比较适合采用圆轨道星座中的类极轨道。例如铱星系统就采用类极轨道星座，已经经过多年运营和应用的检验，取得了良好的实际效果。因此本文所提系统采用类极轨道星座[9]。

（2）轨道高度。星座轨道高度设计[9]时应考虑大气层以及范·艾伦带的影响以及卫星定位及控制管理。通常LEO卫星轨道高度选择在500～1500km，高度越高，单星覆盖范围也越大，但是链路损耗也随之增长。本系统采用Ka频段进行通信，具有更高的天线增益，因此可较少的卫星数量覆盖全球，考虑轨道高度与星座数量有关，本文设计的LEO卫星轨道采用1400km高度。

（3）星间链路。LEO卫星之间的星间链路主要用于地面用户的卫星切换，地面用户在卫星过顶末期阶段采用软切换的方式保证链路的持续性，这就要求终端用户在切换过程中与前后两颗卫星同时保持链接。前后两颗卫星之间通过星间链路交互信令，实现用户无感切换。此外在远距离传输时，通过优化的路由算法，信息可选择LEO层间的星间链路，必要的情况下也可选择LEO-GEO之间的层间链路进行传输[10]。而在运行过程中，LEO-GEO之间的层间链路主要用于信令和运控信息的交互，必要时作为应急业务的一跳到达传输途径。

综上所述，本文所提的卫星系统设计参数表1 所示。

表1 卫星系统设计参数

5 结束语

本文通过分析传统层卫星网络存在的问题和混合卫星网络的优势，设计了一种GEO/LEO双层星座网络架构，并对GEO/LEO协作组网特征及关键问题进行了分析，为未来的卫星网络建设提供参考。