全球多衛星網

多衛星網（multi-satellite network）是指由多顆衛星組成的網路。在傳送地球站和接收地球站之間的傳輸經過2個或更多衛星，不經過任何中間地球站。而全球多衛星網則是指可以覆蓋全球的多衛星網。

多層衛星網路是一個時間依賴網路TDN，拓撲結構主要包括兩大類：網狀型拓撲結構和複合型拓撲結構。由最初的同步軌道衛星發展到現在的中低軌單層星座以及多層協作衛星網路，利用衛星實現全球、應急以及軍事等特殊環境下的通信優勢越來越明顯

中文名稱	全球多衛星網
英文名稱	global multi-satellite network
定　　義	可以覆蓋全球的多衛星網。
套用學科	通信科技（一級學科），衛星通信（二級學科）

基本介紹

• 中文名：全球多衛星網
• 外文名：global multi-satellite network
• 簡介：可以覆蓋全球的多衛星網
• 套用學科：通信科技，衛星通信
• 拓撲結構：網狀型、複合型
• 發展趨勢：高穩定性、高質量接入服務等

多衛星網相關

多衛星網簡介

多衛星網（multi-satellitenetwork）是指由多顆衛星組成的網路。在傳送地球站和接收地球站之間的傳輸經過2個或更多衛星，不經過任何中間地球站。

多層衛星網路典型的代表是二層衛星網路（TLSN），一般由LEO、MEO和GEO衛星層組成，二個衛星層都能夠實現全球覆蓋，同時，MEO層衛星覆蓋LEO層衛星，GEO層衛星覆蓋LEO層衛星。衛星網路構成一個獨立的空間自治系統（AS）。地面網關與可視的衛星直接相連，負責衛星網路與地面網路間的地址轉換和通信。

常見拓撲結構

多層衛星網路是一個時間依賴網路TDN，拓撲結構主要包括兩大類：網狀型拓撲結構和複合型拓撲結構，前者是一種直接面對網路節點和實際通信鏈路進行設計的分散式結構，從而，節點的連線關係比較複雜，層次性也不明顯，但是，網路的擴展性比較好，且結構特徵不會因網路移動而發生明顯的變化；而後者則可以描述為由多個具有特殊拓撲形態的子結構組合而成的網路結構，這種結構利用網路的群簇化思想，將每個子網看做是一個虛擬節點，並通過建立各虛擬節點間的虛連線關係，對網路進行分層管理，顯然，各層內虛擬節點間的連線關係隨著節點數的減少而比較簡單，且有利於將後面關於網路穩定性度量函式中的NP-難問題的最優解空間限制在某個較小閉合區間內，但在衛星節點運動過程中，必須保證該複合結構的連續生存性。

n-cube超立方體網路結構的幾何模型

發展背景

在未來空天地一體化信息網路融合的發展趨勢下，衛星網路作為這一體系的重要組成和銜接部分將逐漸受到重視和青睞，而國內外關於衛星網路的研究還不成熟，很多關鍵技術和核心問題的解決還處於起步階段。由最初的同步軌道衛星發展到現在的中低軌單層星座以及多層協作衛星網路，利用衛星實現全球、應急以及軍事等特殊環境下的通信優勢越來越明顯，其中，隨著業務類型多樣化、衛星網路骨幹化以及傳輸特性高效化等要求，兼顧多層、多類型衛星優勢的多層星座逐步成為了大多數衛星網路設計的基本模型，從而，如何實現大規模、多層複雜衛星網路的有效管理和可靠性設計是整個衛星通信系統設計的核心問題。

提出

隨著航天技術和計算機網路技術的迅速發展，現代衛星通信系統已不局限於單顆衛星的通信，正在逐漸向網路化方向發展。由多顆衛星按照一定規則構成的衛星網路系統以其良好的覆蓋能力、良好的移動性和良好的可擴展性為特點，已經成為一種重要的通信手段。此外，它不受地理環境限制，不受時間限制，能夠為任何人在任何地點、任何時間和任何人實現通信，是地面通信網的補充和延伸。

目前對衛星網路的研究大多集中在單層結構，其中以LEO衛星網最具代表性。但是，隨著通信技術的迅速發展，新一代的衛星網通常需要支持多媒體信息傳輸，包括對網路頻寬資源占用較多的視頻業務等。因此，對衛星網路的性能提出了更高的要求。大多數單層LEO衛星網是通過增加在軌衛星的數量來提高系統性能，當LEO網路規模擴大到一定程度時，單層LEO衛星網的矛盾就暴露出來了，例如網路規模隨著節點數的增加過於龐大、鏈路時延積累值增加迅速且相應的路由算法趨於複雜等情況。

而在多層衛星網路中，MEO衛星和GEO衛星可以成為衛星網路的核心交換節點，為其所覆蓋的低層LEO網路和MEO網路提供信息交換服務，此外，每個LEO衛星可以成為具有交換功能的用戶接入點，與低速率的地面移動用戶和高速率固定用戶相連線，並為其覆蓋區內的用戶終端提供信息交換，且位於不同LEO衛星覆蓋區內的用戶間和衛星用戶和地面網路的用戶間信息交換可以通過LEO星間鏈路、LEO與MEO層間鏈路、MEO星間鏈路、MEO與GEO層間鏈路和GEO星間鏈路來實現。

優點

多層衛星網路相對於單層LEO、MEO或GEO星座來說，存在以下優點：

(1)由於利用了多層衛星星座實現協同通信，在滿足多類型或可變業務要求的條件下，網路的適應性較強。

(2)由於多層衛星網路具有天然的物理層次性，不同層星座的拓撲結構和穩定性特徵比較明顯。

(3)對多層衛星網路進行群簇化設計，可以有效縮短節點路由表長度，降低網路路由控制開銷。

(4)群簇化多層衛星網路的路由算法比較簡單，且對於長距離傳輸業務的累積時延可以得到很好的控制。

(5)根據多層衛星網路中上層節點對下層節點的覆蓋關係，下層節點或鏈路的新增或失效不會對網路拓撲結構和路由算法產生很大的影響，從而，網路具有較好的可擴展性。

由上可以看出，未來的衛星網路既要求網路傳輸的高穩定性，又要求網路覆蓋的全球性，而且還要求高質量的接入服務和提供QOS保證等。而僅採用LEO，MEO或GEO單層衛星網路都無法同時滿足上述要求，因此，必須採用能夠結合各個軌道面優勢的多層衛星網路才能有效、可靠地構建未來的衛星通信網。

全球高通量衛星

多媒體化、泛在化、寬頻化是信息網路發展的基本趨勢。為了適應寬頻化發展的時代要求，光纖通信出現了密集波分復用（DWDM）、光傳送網路（OTN）、無源光纖網路（PON）技術，地面移動通信出現了3G系統長期演進（LTE）和4G、5G進步，而衛星通信則出現了高通量衛星（HTS）。

全球發展情況

開發利用新頻率資源、提高頻率使用效率是任何通信系統擴展頻寬容量的基本方式。與C、Ku頻段相比，Ka頻段頻率資源更加豐富，而多點波束則可以數十倍地提高了頻率利用效率，兩者結合使得高通量衛星容量得以百倍地增加。基於高通量衛星、新一代甚小孔徑終端（VSAT）和IP技術的寬頻衛星通信系統傳輸能力接近4G水平，體系結構方面與地面網際網路高度兼容，在寬頻接入、基站中繼、機載/船載/車載移動通信、企業聯網、視頻分發與採集等方面得到廣泛套用。

不同地區高通衛星發展趨勢

目前發展情況主要有如下幾個方面趨勢：

1. 市場規模顯著增長，收入比重並不對稱；
   
2. 網路運營全球覆蓋，美歐地區保持領先；
   
3. 寬頻接入地位突出，普遍服務有待扶持；
   
4. 基站中繼舉足輕重，亞洲地區潛力較大；
   
5. 移動通信風生水起，機載寬頻商家必爭；
   

我國套用前景

1、衛星寬頻接入可助力“寬頻中國”計畫，但運行模式需要創新。

近年來，我國寬頻通信整體進步較快，但是城鄉寬頻普及率差距仍在繼續擴大。2012年底，我國農村寬頻人口普及率只有6.3%，僅為城市的1/3。人口分散、環境惡劣等原因，所以普遍存在著光纜設施建設投入大、維護成本高、效益產出少等難題。在貴州、雲南等地，為一個住戶只有10多家的小山村鋪設一根10km光纜，就需要花費1000萬元人民幣。假如全國有400個類似山村（4000戶），就需40億人民幣建設投資。這個數字差不多就是一顆容量100Gbit/s以上、可服務100萬家庭用戶的高通量衛星建設成本。

高通量衛星雖然在邊遠地區寬頻設施建設方面具有一定優勢，高通量衛星在服務性價比方面仍然處於劣勢。面對城鄉差別巨大的現實國情，我國必須在消除數字鴻溝過程中大力開發利用高通量衛星，實現地面網路與衛星網路的協調發展，積極採用寬頻普遍服務補償機制，對衛星運營商給予適當的扶持，以實現國家、企業、用戶利益上的共贏。

2、衛星基站中繼不僅商用需求巨大，而且社會效益也非常可觀

2014年底，中國移動通信集團公司4G用戶已達達到8000萬，擁有基站70萬個。預計，2015年底前，中國移動通信集團公司將建成100萬個4G基站，用戶總數將超過1.5億；中國聯合通信有限公司也將在143城市將建5萬個基站。在城市4G網路部署完成之後，藉助高通量衛星實現邊遠地區的基站中繼將是移動運營商的必然需求。以每個基站中繼需要20Mbit/s頻寬來保守估計，全國1000個4G基站就需要20Gbit/s的高通量衛星頻寬需求。

3、機載衛星移動通信需求最突出，高鐵和船舶衛星移動通信也是亮點。

2014年底，我國民用飛機數量為2475架，客運3.92億人次。到2007年，將增長到3381架，5.38億人次。假定每架飛機飛行時間為4h，需要30Mbit/s下載頻寬，那么屆時並飛時的高通量衛星頻寬總需求為17Gbit/s。2013年底，我國擁有高鐵動車1500輛，2017年將增長到1700輛。假定每動車需要50Mbit/s的下載頻寬，同時運行數為1/6，那么，屆時需要14Gbit/s的高通量衛星頻寬。

與民航、高鐵市場相比，船舶航運市場相對分散，包括海上工程船、政府公務船、科考船、航運船、客輪與郵輪、遊艇等七大類型。其中，以航運占比最大。目前，我國沿海航運船舶11024艘，遠洋2457艘。沿海可以通過地面行動網路實現通信，遠洋必須藉助衛星網路。假定每艘船需要5Mbit/s，共需要12Gbit/s。

衛星通信網路的體系結構

衛星通信網路的有效性能主要取決於軌道的選擇、星群中的衛星數量，以及衛星或太空飛行器技術的先進性。目前，已提出了十多個宇宙空間通信網路項目(例如：銥系統(Iridium)、Odyssey、全球星系統、ElliPo、Cal1ing、INMARSAT等21個項目)。這些項目的多數集中在個人移動通信和/或低速率數據傳輸業務。

衛星軌道和高度

群星軌道的選擇主要是在衛星的數量、太空飛行器天線的尺寸、功率、成本和壽命、地面視域及視線仰角、業務覆蓋的百分比，范艾倫(VenAllen)帶輻射的效應、傳播時延、手持機的功率及成本之間的折衷考慮。既這些因素是相關的和相互依存的，所以，它們只能用綜合全最最佳化設計來評價。

用GEO衛星設計的全球覆蓋只需要3～4顆衛星，然而每當使用小型手機時，它們卻需要一百多個窄波束、複雜的轉發器和大量的功率。但是，因為傳播損失和距離的平方有關，所以，現在MEO和LEO衛星更具有誘惑力。由於較低高度衛星的天線可以更小，故傳輸功率可大大降氐。另外，因為通盲璉略需要較小的功率，所以較低軌道中的衛星能夠更小，而且價格會更便宜。由於衛星的小型化，衛星的發射成本也隨衛星的高度而降低。儘管如此，假如軌道高度降得很低，衛星的數目仍然能快速地增加。當衛星很接近地球時，傳輸時的斜距離變成了控制的因素，因此，相對節省由大量衛星需要被減少了。由高700公里、70顆衛星組成的LEO星群只滿足移通信的有關業務需要，在連續全球覆蓋時就要求有更多的衛星提供綜合的固定業務和移動業務。

頻譜和網路特性

由於衛星通信系統的實現策略主要針對發展中地區和補充已開發國家的農村地區，期望高質量無線業務的大量用戶將要求在傳送和接收兩個方向15O～200MHz量級的頻寬。這種類型的頻寬目前僅可以在Ka波段的2O～30GtJz的范內得到。在這一頻率範圍內，大約80dB的雨致衰減，地形阻擋特性以及與地面系統相互的干擾可以通過高掩蔽角和高增益衛星天線的結合使之減至最小。

混合系統通過業務的多樣他能夠使用戶承受得起它的費用，即可在任何地點、任何時間、任何空間，通過一個網路為每一個羽戶以低資金成本提供綜合的靈活務。然而，為了動態地支持各種電信業務，空問系統必須配置成網狀網路，其中簿一個衛星的怍用是一個交換節點，並且與相鄰的衛星節點連結起來。這可包含衛星之間鏈賂(ISL)、屜上處理(OBP)、星上交換(OBS)能力，其結果是增加衛星的複雜性和成本。作為中期的目標，這樣的配置：影響低成本的戰略；然而，它將有利於業務的多樣化和系統管理，因而會降低系統的運營投資。OBP會通過太空飛行器上調解與二次調製改善鏈路性能；OBS能夠充許單個電話電路在太空飛行器上交換，因此，能夠使得衛星有效地與數千個直接位於用戶住宅內小型地球站或具有先進能力的甚小孔徑地面終端(VSAT)進行通信。這種VSAT系統有很廣的地理區域覆蓋，按需分配接入全網狀網路的互連性和可以綜合語音、數據和視頻圖象的業務靈活性，其信息吞吐速率接近2Mb/s，雖然ISL、O13P和OBS在技術上是可行的，而且通過採用並行處理技術可以減少設備的重量，減少計算時間，並降低成本。但是，當近期目標主要是地區性業務時，具有許多優點的轉接衛星仍然要適用於初期的空間網路配置。

為了利用基於ATM的組網技術發展的優勢，空間網路應當採用快速分組交換技術，並且將網路內的所有信息同樣處理為短的、固定長度的分組信息流。快速分組交換綜合了電路交換的低時延數字管道和分組交換多速率/突發時延的有效處理的優點。

多種接入技術

由於衛星非常適合於寬區域覆蓋，提供比地面通信網路更高質遺連線潛力的直接接入選擇，所以衛星通信系統可以通過採用多頻時分多址(MF—TDMA)技術，不論在地面終端的體積或價格方面都提供了有吸引力的方法。這種接入方案基本是一種混合的頻分多址和時分多址(FDMA/TDMA)方式，當保持每一個地球終端採用單一載波傳輸的優點時，使用低得多的傳輸比特速率。在這一接入方式中，轉發器的頻寬首先被分割成許多頻隙，然後每個頻隙被地球終端在時間上共享。這種類型的接入方式非常便於網關的套用，或者進行大多數固定業務的專用地球站的套用，因此，每一個網關或地球站在所分配的頻道以突發的方式運行，這裡以上行線和下行線中相等的頻率傳輸，最後被偏移。持續m毫秒的TDMA幀具有t個傳送時隙和r個接收時隙(t₁，t₂，⋯，t_n和r₁，r₂，⋯，r_n)，這些時隙是同步的，從而使得衛星可以在正確的時間接收每個地球站單位傳輸的信息。例如，同一衛星腳印(衛星天線波束射到地面的覆蓋區)下的兩個互相通信的終端(如在LAN瓦連或網路控制事件期間)將使用相同的頒率信道或兩個其它的頻率信道，其鏈路是通過該衛星建立的單跳構成的。

移動衛星業務(MSS)要求高質量和穩定的信號可用性，它主要取決於信號的傳播環境和移動終端的速度。為了得到全球星群的最佳信號，需要綜合多個衛星的可用性，或者路徑多樣性和衛星的仰角統計值。頻分擴頻方式的碼分多址(FD—SS—CDMA)技術可以提供這種綜合，該技術是為了減小信號衰落和傳輸靜區擴展了與多於一個衛星之間的多信號路徑選擇。