Geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sistemi trafiğinin simülasyon analizi
Geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sistemi, mevcut uydu iletişimi alanındaki önemli gelişme noktalarından biridir.Çünkü geleneksel GEO uydu ağı, büyük yayılma gecikmesi, yüksek yayılma kaybı, zayıf yerleşik işleme kapasitesi, düşük ağ çıkışı ve pahalı iletişim maliyetleri özelliklerine sahiptir. Temelde karasal iletişim ağının bir uzantısı ve tamamlayıcısı olarak. Mevcut teknik koşullar altında küresel, ekonomik olarak rekabetçi bir geniş bant uydu iletişim sistemi kurmak için GEO uydularını kullanmak çok zor. Dünyadaki birçok ülke ve uydu iletişim şirketi kendi geniş bant uydu iletişim sistemi çözümlerini geliştirmektedir. OneWeb, dünyayı kapsayan düşük yörüngeli bir uydu yüksek hızlı iletişim ağı kurmak için 648 uydu fırlatacak dünyanın en büyük uydu İnternet projesini başlattı. SpaceX, küresel ölçekte İnternet erişim hizmetleri sağlamak için 4.000'den fazla küçük uydudan oluşan bir İnternet takımyıldızı STEAM oluşturmayı planlıyor. LeoSat, dünya çapında geniş bant veri erişim hizmetleri sağlamak için 140 uydudan oluşan bir takımyıldız oluşturmayı planlıyor.
Sürekli genişleyen yabancı değiş tokuşlara uyum sağlamak ve uzay yörüngesini ve frekans kaynaklarını önceden işgal etmek için Çin'in kendi geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sistemini kurması gerekiyor. Çin, küresel iletişim için LEO takımyıldız uydu iletişim sistemini henüz kurmadı, ancak "Hongyan" ve "Hongyun" sistemleri gibi LEO takımyıldız uydu iletişim sistemleri inşa etmek için planlar önerdi. Ancak Çin'in dış politikasına göre yurt dışında çok sayıda gümrük istasyonu kurmak neredeyse imkansızdır.Yurt içi istasyon inşaatının güçlü kısıtlamaları altında iletişimin gerçekleştirilmesi ve makul bir ağ kurma planı oluşturulması gerekmektedir.
Yabancı OneWeb sistemi, küresel iletişimi gerçekleştirmek için dünya çapında gümrük istasyonları kurma yöntemini benimser ve uydu, basit teknoloji ve düşük maliyetli olan şeffaf yönlendirme çalışma yöntemini benimser. Ancak bu tür bir ağ kurma planı, açıkça Çin'in kullanması için uygun değildir ve Çin'in yurtdışında çok sayıda gümrük istasyonu kurması zordur. Bununla birlikte, uydu tam işleme ve iletme çalışma yöntemini benimserse, küresel iletişimi gerçekleştirebilir, ancak sistem kapasitesi çok düşük olacaktır.Uydular arası bağlantının ve besleyici bağlantının iletim darboğazı, sistemin iletim kapasitesini büyük ölçüde sınırlayacaktır ve teknoloji karmaşıktır. daha yüksek maliyet. Uydular aynı zamanda şeffaf yönlendirme ve işleme iletimi kullanabilir.Daha fazla iç ve dış ticaretin olduğu bazı bölgelerde gümrük istasyonları kurulur ve uydular arası bağlantılara dayanarak küçük trafiğe sahip yabancı alanlarda işleme ve iletme çalışma yöntemleri kullanılır. Küresel iletişim. Bu ağ oluşturma yöntemi, iş hacminin dağılımı ile büyük bir ilişkisi olan maliyet ve teknik karmaşıklık arasında bir denge sağlayabilir.Bu nedenle, sistemin iş hacminin özelliklerini incelemek ve verimli bir ağı incelemek için sistemin gerçek iş hacmi gereksinimlerini birleştirmek gerekir. Program. Bu nedenle, sistemin küresel iş hacmini analiz etmek gerekir.
1 Uydu trafik analizi
1.1 Etkileyen faktörler
Geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sisteminde, LEO uydusu düşük bir yörünge yüksekliğine ve hızlı bir hareket hızına sahiptir.Alt uydu konumu yere göre yüksek bir hızda hareket eder.Lebiyat, bağlantı hesaplama ve simülasyon yoluyla yüksek irtifa takımyıldızı şeması benimsemek için geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu sistemini analiz eder. Yüksek rakımlı bir uydu iletişim sistemi olan OneWeb'in iletim performansı iyileştirildi. Bu makale ayrıca simülasyon analizi için OneWeb sistemini kullanmaya devam edecek. Takımyıldız, Walker takımyıldızına uygun olarak 648 uydu tarafından inşa edilmiştir. Uydular 18 yörünge düzlemine dağıtılmıştır ve her yörünge düzlemine 36 uydu konuşlandırılmıştır. Uydu yörünge yüksekliği 1200 km'dir. Eğim açısı 87.9 ° 'dir.OneWeb sistemi tarafından benimsenen takımyıldızda alt uydu noktasının konumu saniyede yaklaşık 1 kilometre değişebilir.Uydunun yerdeki ışın kapsama alanı sürekli değişmekte bu da her uydunun iş kaynağının buna göre değişmesine neden olmaktadır. Ek olarak, yer ile uydu arasındaki iletişim açısı nispeten yüksektir, minimum iletişim açısı 50 ° ve tek bir uydunun ışın kapsama açısı dardır, bu da uydu yüksek hızda hareket ettiğinde her bir uydunun hizmet kaynağında daha belirgin değişikliklere yol açar.
Bir uydu, farklı bölgelerdeki farklı nüfuslar nedeniyle büyük nüfuslu bir arazi alanından geçtiğinde, her kıtanın ekonomik gelişme seviyesi farklıdır ve iş ihtiyaçları farklıdır, uydunun işinin kaynağı da sürekli değişmektedir; uydunun iç alandan geçmesi nedeniyle yerli alandan geçmesi Kullanıcılardan gelen hizmetlere olan talep daha fazladır ve uyduların hizmet hacmi kısa sürede zirveye ulaşacaktır; uydu okyanus alanlarından, çöl alanlarından, dağlık alanlardan veya kutup bölgelerinden geçtiğinde, bu alanlarda neredeyse hiç kullanıcı yoktur ve bu da uydu hizmetlerinin kaynağıyla sonuçlanır. Neredeyse sıfır. Uydunun dünyanın etrafında dönme sürecinde, uydunun alt uydu noktasının okyanus ile kara arasında birkaç kez değiştirilmesi gerekir, bu da uydu trafiğinde güçlü bir ani değişikliğe neden olur: yoğun nüfuslu alanlardan ve konut alanlarından geçerken , İş hacmi kısa sürede çok yüksek bir zirveye ulaşır; okyanus ve kutup bölgelerinden geçerken iş hacmi uzun süre son derece düşük olabilir.
Farklı zaman dilimlerinde, kullanıcının iletişim frekansı da farklıdır, bu da uydu kapsama alanındaki yerel saate bağlıdır Kullanıcının normal faaliyetler sırasında gündüz ve gece boyunca iş talebi, dinlenme sırasında sabahın erken saatlerinde iş talebinden daha büyük olacaktır. Bu nedenle uydu trafiğini hesaplarken alt uydu noktasının yerel saatinin de dikkate alınması gerekir.
1.2 Trafik simülasyon fikirleri
Düşük yörüngeli uydu mobil iletişim sisteminin kullanıcı trafiğini etkileyen iki ana faktör vardır:
(1) Topografik özellikler. Kara, deniz, dağ ve çöllerin yeryüzündeki dağılımı dağınık; kara alanında her kıtanın ekonomik gelişimi farklı ve iş için talep de farklı; iç ve dış alanlar arasında iş hacminde önemli bir boşluk olacak. Böylelikle uydu periyodik olarak dünya çevresinde döndüğünde, uydu farklı bölgelerden geçecektir.Zaman geçtikçe, uydu ışını farklı bölgelerden geçerken hizmet kaynağı büyük ölçüde değişecek ve bu da kullanıcı trafiğine yol açacaktır. Dürtüsel olarak değişen bir kanunu var.
(2) Saat dilimi faktörü. İş hacmi, 24 saat içinde çeşitli bölgelerde eşit olmayan bir şekilde değişir ve yalnızca yerel saate bağlıdır.
Bu nedenle, trafik simülasyon sonuçlarını elde etmek için geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu haberleşme sisteminin özelliklerine göre karşılık gelen bir simülasyon modelinin oluşturulması gerekmektedir. Böyle bir simülasyonu tamamlamak için aşağıdaki temel bilgilerin belirlenmesi gerekir:
(1) Gerçek zamanlı uydu konumu bilgisi, takımyıldız şeması belirlendikten sonra, uydu konumu STK'dan elde edilebilir;
(2) Bir gün boyunca dünyanın farklı yerlerinde zirve iş modelleri (konum iş modelleri);
(3) Bir günlük iş değişikliği modeli.
Bu nedenle, bu makale bu iki etkili faktöre odaklanacak ve bir konum endüstri modeli ve simülasyon analizi için bir günlük değişiklik modeli oluşturacaktır.
2 Temel iş modeli
2.1 Konum iş modeli
Lokasyon iş modeli, yeryüzündeki farklı bölgelerin farklı ihtiyaçlarına göre oluşturulan enlem ve boylam değişimlerine dayalı bir iş hacmi değişim modelidir.Dünyanın kuzey ve güney kutuplarındaki sistemin iş hacminin çok küçük olduğu düşünüldüğünde, bu sistemin takımyıldız özellikleri kuzey ve güney kutuplarında nispeten küçüktür. Pek çok uydu, Kuzey ve Güney kutuplarının iş ihtiyaçlarını karşılamaya yeterli olup, Kuzey ve Güney kutuplarının iş hacmini analiz etmeye gerek yoktur, bu nedenle 70 ° ~ 90 ° ve -90 ° ~ -70 ° enlem aralığında bölgesel iş hacmi sıfıra ayarlanmıştır. Analiz aralığı enlem -70 ° ~ 70 °, boylam -180 ° ~ 180 ° olduğu sürece, bu alan boylamda 5 ° ve enlemde 2.5 ° aralıklarla 56 × 72 ızgaraya bölünür ve toplam 4032 Izgara dağılımı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Her bir şebekedeki iş yoğunluğu, bölge nüfusunun farklı özelliklerine, ekonomik kalkınmasına ve kullanıcı türlerine göre ağırlık faktörleri ile hesaplanır. Farklı kıtalardaki her bir şebekedeki iş yoğunluğu, bölgenin ekonomik kalkınma ağırlık faktörü ile hesaplanır: Geçici olarak Kuzey Amerika için 0,8, Güney Amerika için 0,6, Afrika için 0,4, Asya için 0,7, Avrupa için 0,8 ve Okyanusya için 0,5 olarak ayarlanmıştır; küçük bir nüfus dağılımına sahip bazı bölgelerde küçük işletme hacmi vardır ve daha küçük bir ağırlıklandırma faktörü, açık deniz işletmeleri için 0 olarak ayarlanmıştır. , Offshore işi 0.1 ve bazı çöl işletmeleri 0; yurtiçi işletme talebi, yurtdışı işletmelere göre çok daha büyüktür.Yurtiçi ve yurtdışı iş yoğunluğu oranının 10: 1 olduğu varsayıldığında, sistemin lokasyon iş modeli Şekil 2'de gösterilmiştir.
2.2 Bir günlük değişim modeli
Kullanıcılar, farklı zaman dilimlerinde farklı iletişim frekansları kullandığından ve yerel saate bağlı olarak iş hacmi için farklı gerekliliklere sahip olduğundan, her konumun iş hacminde bir günde farklı zaman dilimlerinde belirgin değişiklikler vardır. Zaman faktörlerinin iş hacmi değişiklikleri üzerindeki etkisini analiz etmek ve bir gün içindeki iş hacmindeki göreli değişiklikleri tanımlamak için, 0 ile 1 arasında bir değere sahip bir zaman ağırlıklandırma faktörü önerildi. İnsanların olağan durumuna göre, günün 24 saati içinde Çalışma ve dinlenme alışkanlıkları, her döneme bir zaman ağırlıklandırma faktörü atayın, bu model Şekil 3'te gösterildiği gibi dünyanın tüm bölgeleri için aynıdır. Dünya yüzeyindeki her noktanın yerel saati, bir GMT (Greenwich Ortalama Saati) referans saatine göre elde edilir. Her bir uydu, görünür ızgarasıyla yerel saati elde ettikten sonra, her bir ızgaradaki hizmetler karşılık gelen zaman ağırlıklandırma faktörü ile çarpılır.
Trafiğin hesaplanmasında zaman ağırlıklandırma faktörü çok önemlidir.Uydu alt uydu noktasının yerel saatini elde etmek gerekir.Uydunun yüksek hızda çalışması nedeniyle uydu alt uydu noktasının yerel saatinde çok büyük değişiklikler vardır.Uydu alt uydu noktasının yerel saat hesaplama yöntemi şöyledir: Önce uydunun mevcut alt uydu noktasının enlem ve boylam koordinatlarını STK simülasyon yazılımından alın ve ardından GMT saatinden yerel saate çevirin ve Şekil 4'te gösterildiği gibi uydunun alt uydu noktasının yerel saat değişimini elde edin.
3 İş simülasyonu
3.1 İş simülasyon yöntemi
Tek bir uydunun trafiğini hesaplamak için aşağıdaki yöntemler kullanılabilir:
(1) Alt uydu noktasının konumunu hesaplayın;
(2) Uydu kapsama alanı içindeki şebeke numarasını hesaplayın;
(3) Uydu kapsama alanındaki her bir şebeke için: local Yerel saati belirleyin; each Her bir şebekedeki trafik hacmini belirleyin; Şebekedeki trafik hacmini ilgili zaman ağırlıklandırma faktörüyle çarpın.
(4) Her bir uydu kapsama alanındaki toplam iş hacmi, uydu kapsama alanındaki tüm şebekelerdeki iş hacmi toplanarak elde edilebilir.
3.2 Tek uydu trafik simülasyonu
OneWeb sistemi şu anda tipik bir geniş bant LEO uydu haberleşme sistemidir.Bu makale OneWeb takımyıldızını simüle etmektedir.İş simülasyon yöntemine göre, kapsama alanındaki bir uydunun trafik hacminin değişimini 24 saat içinde alabiliriz. Şekil 5, bir uydunun kapsama alanı içindeki trafikteki 24 saat içindeki değişiklikleri göstermektedir. Şekil 6, kapsama alanındaki üç uydunun iş hacminde 24 saat içinde meydana gelen değişimlerin karşılaştırmasını göstermektedir.
Tek bir uydunun göreceli trafik hacminin yüksek hızda değişkenlik ve ani olma özelliklerine sahip olduğu Şekil 5'ten açıkça görülebilmektedir.Şekildeki bağıl trafik hacminin sürekli olarak sıfır olduğu an, esas olarak okyanus veya kuzey ve güney kutupları üzerinden geçtiği zamandır. Yüksek tepe konumu, uydunun yerel alan üzerinden geçtiği zamandır. Şekil 6'dan görülebileceği gibi, aynı anda üç uydunun göreceli trafik hacmi büyük ölçüde farklıdır, ancak tepe noktalarının değişim eğilimi benzerdir, çünkü esas olarak zaman faktörünün etki derecesi aynıdır.
3.3 Yüzey trafiği simülasyonunu izleme
Tek bir uydunun göreceli trafiğinin bir günlük değişim modeli elde edildikten sonra, uyduların yörünge düzlemindeki toplam göreli trafiği simüle edilebilir. Kapsama alanındaki bir yol yüzeyinin toplam trafik hacmindeki 24 saat içindeki değişim Şekil 7'de gösterilmektedir. Şekil 8, üç yol yüzeyinin kapsama alanındaki trafik hacmi değişikliklerinin 24 saat içinde karşılaştırılmasını göstermektedir.
Yörünge düzlemindeki toplam bağıl uydu trafiğinin zamanla düzenli olarak değiştiği ve yörünge düzlemindeki toplam uydu trafiğinin yaklaşık on saat gibi bir sürede zirveye ulaştığı Şekil 7'den görülebilmektedir, bunun nedeni yörünge düzleminin ülkeye gitmesidir. İki zirvenin rakımı farklıdır çünkü uydunun eşzamanlı bir yörünge uydusu olmaması ve yerel saatin yerel gökyüzüne iki kez gittiğinde farklı olmasıdır.Zaman faktörü uyduyu etkileyecektir. Şekil 8'den, üç yolun göreceli trafik hacminin aynı anda çok farklı olduğu ve bir yol yüzeyinin trafik hacminin de farklı zamanlarda büyük bir farka sahip olduğu görülebilir.
3.4 Simülasyon sonuçlarının analizi
Simülasyon sonuçlarına göre, uydu hizmetleri güçlü patlamalara, yüksek hızda değişkenliğe ve düzensiz dağılıma sahiptir Trafik dağılımının özellikleri göz önüne alındığında, göreceli uydu trafiği son derece küçüktür ve hatta günün çoğunda bile. Eğer uydu sıfır ise, göreceli trafiği, uydu yerli gökyüzünün üzerinden geçtiğinde zirveye ulaşacak, uydu tam bir işleme ve yönlendirme çalışma yöntemini benimserse, büyük bir kaynak israfına neden olacaktır. Yerli kullanıcıların iş talebini karşılamak için, uydu transponderlerinin güçlü yerleşik işleme yeteneklerine sahip olmaları ve çoğu zaman okyanustan ve küçük yabancı trafiğe sahip alanlardan geçmeleri gerekir ki bu da büyük bir kaynak israfına neden olur. Yerleşik işlem kapasitesi zayıftır ve uydular arası bağlantı, yerel alanda hizmet iletirken ağ tıkanıklığına neden olacaktır. Uydunun tamamen şeffaf yönlendirme çalışma yöntemi, Çin'in ulusal koşullarına uygun değildir. Uydu trafiği dağıtımının özellikleriyle birleşen uydular aynı anda hem şeffaf yönlendirme hem de işleme yönlendirme yöntemlerini kullanabilir.Çin'de bir gümrük istasyonu kurulur ve uydular sadece küçük denizaşırı trafiğe sahip alanlarda açık işleme transponderleri ve şeffaf transponderler kapatılır. , Şeffaf transponder ülke üzerinden geçtiğinde devreye giriyor ve büyük yurtiçi iş hacmini iletmek için gümrük istasyonu kullanılıyor. Maliyet ve teknik karmaşıklık arasında bir uzlaşma sağlanır.
4. Sonuç
Bu makale, geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sisteminin mevcut gelişme durumunu, Çin'de bir geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sistemi kurmanın gerçek koşulları ile birlikte analiz etmekte ve geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sistemi talebini ve trafik üzerindeki etkisini analiz etmenin önemini analiz etmektedir. Ana faktörler analiz edilir ve trafik hacmini etkileyen iki ana faktör için sırasıyla lokasyon hizmeti modeli ve bir günlük değişim modeli oluşturulur ve geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu haberleşme sisteminin trafik simülasyonu için bir yöntem önerilir ve tek uydu ve bir yörünge düzlemi tamamlanır. Dahili göreceli iş hacmindeki günlük değişikliklerin simülasyonu. Uydu trafiğinin dağıtım özelliklerinin sezgisel olarak analiz edilmesi, Çin'in geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sisteminin ağ tasarımı için önemli rehberlik ve referans önemine sahiptir.
Bu makaledeki iş hacminin analizinin, uydu ağına bir temel oluşturması için, göreceli dağılımının yalnızca nitel bir analizi olduğu ve uydu iş hacminin gerçek değerinin ekonomi, coğrafya ve uluslararası durum gibi birçok faktörle ilişkili olduğu ve birleştirilmesi gerektiği unutulmamalıdır. Pek çok alanda derinlemesine araştırma çok çalışma yapmıştır, bu da bu makaledeki daha fazla araştırmanın yönüdür.
Referanslar
Xu Jun, Wang Zhong, Zhang Gengxin.Yüksek yükseklik açısına dayalı geniş bantlı LEO takımyıldızı uydu iletişim sisteminin takımyıldız tasarımı ve iletim performansı simülasyonu. İletişim Teknolojisi, 2018 (8): 1844-1849.
Wang Xiaohai. Küçük uydu takımyıldızlarına dayalı mobil internet sistemlerinin ve uygulamalarının geliştirilmesi. Uydular ve ağlar, 2017 (6): 58-63.
Li Yi, Hou Rui, Zhang Gengxin.Çin'in düşük yörüngeli uydu iletişim takımyıldızı sisteminin gelişimi üzerine düşünceler. International Space, 2018 (4): 62-65.
Wang Hongwu, Zhang Gengxin, Yu Jinpei. Düşük yörüngeli uydu takımyıldızı iletişim sistemleri için analiz ve geliştirme önerileri.Uydu uygulamaları, 2015 (7): 38-42.
Sun Chenhua, Xiao Yongwei, Zhao Weisong ve diğerleri.Dünya ve dünyanın entegre bilgi ağı için düşük yörüngeli mobil ve geniş bant iletişim takımyıldızlarının geliştirilmesi.Telekomünikasyon Bilimi, 2017, 33 (12): 43-52
MAURO D S, ERNESTINA C, GIUSEPPE A, ve diğerleri.Uzak şeylerin internetini destekleyen uydu iletişimleri. IEEE Internet of Things Journal, 2016, 3 (1): 113-123.
Feng Shaodong, Açıklandı, Li Yangzhi.Leo Constellation System'in İş Modellemesi ve Simülasyonu.Astronotik Dergisi, 2010, 31 (1): 179-184.
Hu Hongpo, Zhang Gengxin, Gong Songxian, vb. Düşük-orta yörüngeli uydu mobil iletişim sisteminin kullanıcı trafik ızgara modeli Askeri İletişim Teknolojisi, 2006, 27 (3): 65-67.
yazar bilgileri:
Xu 1 Haziran, Lu Wei 1, Zhang Güncelleme 2
(1. PLA Ordu Mühendislik Üniversitesi, Nanjing 210007, Jiangsu; 2. Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Nanjing 210003, Jiangsu)
