Концепция спутниковой сети коммутации пакетов с наземным, авиационным и космическим пользовательскими сегментами
Т.В. Лабуткина
А.В. Бабанина
Н.М. Сотничек
И.А. Саенко
А.В. Дымченко
Аннотации
Представлена концепция спутниковой сети коммутации пакетов с наземными, авиационными и космическими абонентами, построенной на разновысотных орбитальных группировках. Основополагающие решения концепции направлены на преодоление проблем, обусловленных следующими причинами: 1) динамическая топология сети; 2) динамический состав узлов, доступных абонентам сети; 3) контроль текущего места нахождения абонентов для адресации данных.
Ключевые слова: спутниковая сеть коммутации пакетов, спутниковая сеть с разновысотными орбитальными группировками, спутниковая сеть связи с наземным, авиационным и космическим пользовательскими сегментами, потоки сетевой нагрузки.
Запропонована концепція супутникової мережі комутації пакетів з наземними, авіаційними і космічними абонентами, яка побудована на різновисоких орбітальних угрупованнях. Основоположні рішення концепції спрямовані на подолання проблем, які обумовлені такими причинами: 1) динамічна топологія мережі; 2) динамічний склад вузлів, доступних абонентам мережі; 3) контроль поточного міста знаходження абонентів для адресації даних.
Ключові слова: супутникова мережа комутації пакетів, супутникова мережа з різновисокими орбітальними угрупованнями, супутникова мережа з наземними, авіаційними і космічним сегментами користувачів, потоки мережного навантаження.
The concept of a satellite packet switching network with ground, aeronautical and space users, constructed in different orbital orbits, is presented. The fundamental solutions of the concept are aimed at overcoming the problems caused by the following reasons: 1) dynamic network topology; 2) the dynamic composition of nodes available to network subscribers; 3) monitoring the current location of subscribers for addressing data.
Keywords: satellite packet switching network, satellite network with various altitude orbital groups, satellite communication network with ground, aviation and space user segments, network loads.
Введение
В настоящее время активно рассматриваются различные технические решения в области развития возможностей спутниковых систем связи. В том числе все большее внимание привлекает создание спутниковых систем, в которых реализованы технологии Intemet [3,4,6,7,14-18]. Перспективны технические решения по реализации этих систем на основе использования межспутниковых связей (сеть, узлами которой являются космические аппараты, поднимается в космос [6-9]).
При этом все чаще выдвигаются концепции спутниковых сетей, использующих космические аппараты, находящиеся в разновысотных орбитальных группировках (концепции спутниковых сетей с несколькими разновысотными сегментами) [8,9]. Аргументы использования разновысотных орбитальных сегментов спутниковой сети можно подразделить на две группы. Аргументы первой группы напрямую связаны с оптимизацией путей следования передаваемой информации и управлением сетевой нагрузкой. К аргументам этой группы можно отнести следующие: 1) через низкоорбитальные группировки земные пользователи сети с низкой энергетикой получат доступ к более высоким сегментам; 2) использование разновысотных сегментов даст возможность оптимизировать потоки нагрузки, отправляя пакеты через узлы низких сегментов к близким пользователям, а через узлы высоких сегментов - к дальним; 3) применение разновысотных сегментов позволит быстрее сглаживать как локальные флуктуации нагрузки, так и крупные неравномерности ("перекосы") ее распределения в сети; 4) некоторые из сегментов могут быть адаптированы для взаимодействия с одним из классов абонентов сети и использоваться с приоритетами для этих пользователей, а увязка всех сегментов в единую сеть будет служить для балансирования нагрузки в целом по сети с пользой для всех абонентов [11]. Вторая группа аргументов касается повышения эффективности процессов управления спутниковой сетью, которые влияют на качество решения ее целевых задач. В частности, в ряде работ, например, [7,8] предлагается возложить на узлы высоких сегментов некоторые функции контроля сети и управления сетью, а также оптимизировать сетевые процессы за счет разбиения функций транспортировки данных и передачи служебной информации между разновысотными сегментами сети.
Разобьем потребителей услуг спутниковой сети связи на три класса [12,13]. К первому классу отнесем наземных пользователей и медленных воздушных (например, аэростаты). Ко второму класс отнесем объекты авиации (управляемые летательные аппараты - самолеты и вертолеты, а также безпилотники) и назовем их авиационными или быстрыми воздушными. Пользователей первого и второго класса, находящихся в пределах земной атмосферы, будем называть земным. К третьему классу отнесем космические аппараты, которые используют ресурсы спутниковой сети связи для обмена информацией с наземными станциями или между собой (используют ее как средство транспортировки данных). Будем называть пользователей третьего класса космическим пользовательским сегментом спутниковой сети связи. В составе космического пользовательского сегмента могут быть космические аппараты дистанционного зондирования Земли, метеорологические и исследовательские спутники. Сеть связи, которую используют перечисленные выше абоненты, будем называть сетью транспортировки информации (или транспортной сетью связи).
Пользователи каждого класса могут создавать свои сети, реализуя связи вне спутниковой сети транспортировки информации. К таким сетям относятся следующие: 1) сети наземных абонентов; 2) радиосети авиационных пользователей; 3) в ходе решения целевой задачи спутники дистанционного зондирования Земли или исследовательские спутники могут поддерживать непосредственные связи внутри относительно компактной группировки (кластера спутников). Принципы функционирования перечисленных сетей в общем случае будут отличаться от принципов функционирования спутниковой сети транспортировки данных. Отметим также, что транспортную сеть связи и космические аппараты ее космического пользовательского сегмента можно рассматривать как гибридную спутниковую систему, объединяющую в себе спутниковые системы разного назначения. сеть спутниковый абонент
Данная статья посвящена разработке концепции спутниковой сети связи с абонентами трех перечисленных выше классов, в которой реализована техника коммутации пакетов. Концепция разработана на основе синергии результатов анализа проблем создания таких сетей и подходов к их решению, представленных в работах различных авторов (в том числе, в работах [1-3,6-9, 15-18]).
Анализ литературы, формулировка проблем. Выделим три основных проблемы реализации спутниковой сети коммутации пакетов. Первая проблема - динамическая топология сети [6,14]. Устройство межспутниковой связи космического аппарата необходимо переключать с одного космического аппарата на другой, если тот космический аппарат, с которым велась связь, выходит из зоны, доступной для реализации связи. Изменение топологии сети и перерывы связи, которые могут возникать при переключении устройств связи с одного космического аппарата на другой, приводят к сложности задачи маршрутизации данных и к появлению ситуаций возможного торможения нагрузки в окрестности узлов, переключающих связи.
Вторая проблема - динамический состав узлов сети, доступных абоненту [6]. Вследствие орбитального движения космических аппаратов транспортной сети множество космических аппаратов, доступных для связи с участка территории, на котором (или над которым в области атмосферы) находится объект, являющийся адресатом. Если потребитель услуги транспортной сети - космический аппарат, то вследствие движения космического аппарата-абонента и космических аппаратов транспортной спутниковой сети, состав узлов транспортной спутниковой сети, с которыми он может реализовывать связь, также изменяется.
Третья проблема - необходимый для адресации информации контроль текущего положения абонента сети (положение абонента в общем случае изменяется в пределах совокупной зоны обслуживания системы). При адресации положение абонента первого или второго класса может определяться, например, номером зоны территории (соты), на которой (или над которой) он находится. Для адресации информации к абоненту космического сегмента (космическому аппарату) необходима информация о составе узлов сети, транспортирующей информацию, с которыми этот абонент может реализовывать связь непосредственно при приеме получаемых им блоков данных. Предполагается, что в системе тысячи абонентов, но контроль их текущего положения при маршрутизации не должен приводить к такому увеличению числа служебных пакетов в сети, которое сделает нерациональным ее использование. Пути решения этой проблемы предлагаются, например, в работе [7].
Цель статьи. Разработать концепцию спутниковой сети коммутации пакетов, построенную на разновысотных орбитальных группировках, используемую наземными, авиационными и космическими абонентами. Основополагающие решения концепции должны быть направлены на преодоление сложностей реализации функционирования сети, обусловленных тремя основными проблемами: 1) динамическая топология сети; 2) динамический состав узлов, доступных абонентам сети; 3) контроль текущего положения абонентов для адресации данных.
Материалы исследований. Концепция многосегментной спутниковой сети связи, в которой реализована техника коммутации пакетов.
Представим описание наиболее общего варианта орбитальной группировки (полигруппировки), на которой построена спутниковая сеть. В составе сети N узлов (космических аппаратов). В полигруппировке можно выделить подгруппировок, которые будем рассматривать как сегменты сети. В каждой к-й подгруппировке ^ космических аппаратов. Каждый космический аппарат по своей принадлежности закреплен за подгруппировкой и при функционировании подгруппировку не изменяет. Примем, что зоны высот, в которых находятся орбиты двух подгруппировок (два сегмента сети), не пересекаются. Подгруппировки спутниковой сети можно подразделить по зонам высот, в которых находятся орбиты их космических аппаратов, на три класса: низкоорбитальные, средневысотые и высокоорбитальные. В системе может быть несколько подгруппировок каждого класса. Орбитальная структура подгруппировки обеспечивает глобальное покрытие Земли или покрытие заданной области широт (покрытие может быть однократным или большей кратности). Космические аппараты подгруппировки связаны в единую сеть, которая является сегментом всей сети. Между всеми сегментами сети существуют связи - непосредственные или через другие сегменты. Все сегменты сети могут выполнять функции транспортировки данных (рис. 1).
Каждый космический аппарат спутниковой сети стабилизирован в неизменной угловой ориентации относительно осей барицентрической орбитальной системы координат и постоянно включен в состав спутниковой сети, устанавливая межспутниковые линии связи - программно управляемые лучи фазированных антенных решеток или оптические линии связи. Базовый метод наведения устройств приема и передачи информации - программный.
Рис. 1. К пояснению концепции сети: а) типы связей; б) уровни заполнения накопителя; в) схематическое изображение примера реализации сети транспортировки информации: 1 - низкоорбитальный сегмент, адаптированный для входа низкоэнергетических наземных пользователей; 2 - низкоорбитальный сегмент, предназначенный для авиационных пользователей; 3 - низкоорбитальный сегмент с дополнительной функцией контроля изменения текущего положения абонентов;
4 - средневысотный сегмент, используемый для транспортировки данных и обмена информацией с космическим пользовательским сегментом; 5 - высокий сегмент транспортировки данных; 6 - высокий сегмент ведения абонентов;
7 - высокий сегмент, транслирующий служебную информацию,
Однако точность его может быть повышена за счет использования автоматически управляемой "поднастройки" по уровню принимаемого сигнала (то есть за счет реализации комбинированного наведения).
Космический аппарат может реализовывать связи шести типов. Разобьем эти типы на три группы [4,10,11]. Связи первой группы (назовем их связями узлов на разновысотных орбитах или просто разновысотными) космический аппарат устанавливает с теми космическими аппаратами, которые находятся над или под плоскостью его мгновенного местного горизонта (типы 1 и 2 соотвественно). Принимается, что межсегментные связи могут быть только типов 1 или 2 (с космическими аппаратами более высоких или более низких сегментов сотвественно). Связи второй группы (назовем их боковыми) - с космическими аппаратами в одном орбитальном сегменте в боковых орбитальных плоскостях слева и справа от орбитальной плосксти космического аппарата, который реализует связи (типы 3 и 4 соотвественоно). Связи третьей группы (назовем их связями в орбитальной плоскости) - с космическими аппратами, находящимися в той же номинальной орбитальной плоскости, что и связывающийся с ними космический аппарат (типы 5 и 6 соответвенно).
Устройство связи, которое реализует связь q-го типа ^ = 1,6), не может быть использовано для реализации связей другого типа. В общем случае космический аппарат для реализации связи q -го типа может использовать устройств. Более строго основные условия использования устройства связи q- го типа можно сформулировать так: космический аппрат, с которым устанавливается связь q -го типа должен находиться в секторе реализации связи этого типа.
Для определения условия нахождения 1-го космического аппарата в секторе реализации связи q-го типа ]-м космическим аппаратом могут быть использованы базовая плоскость и базовая ось связанной с ним барицентрической орбитальной системы координат [10,11]. Для связей типов 1 и 2 базовая плоскость - плоскость мгновенного местного горизонта ] -го космического аппарата, а базовая ось - OZbrj. Для связей типов 3 и 4 базовая плоскость - бинормальная, а базовая ось - ОУЬг|. Для связей типов 5 и 6 базовая плоскость - трансверсальная, а базовая ось - ОХЬц.
Полагается, что сектор реализации связи симметричен относительно базовой оси. Положение сектора связи относительно базовой плоскости (в какую сторону от нее он направлен) определяет знак координаты базовой оси. Размер сектора можно определять граничным значением возможного углаотклонения линии связи от базовой оси (большим этого угла отклонение быть не может) или максимальным значением угла у йг между базовой плоскостью и линией связи (меньше этого значения угол высоты 1-го космического аппарата над базовой плоскостью ]-го космического аппарата быть не может).
Как и большинство односегментных спутниковых сетей связи подгруппировка космических аппаратов сегмента спутниковой сети может быть построена на однородных орбитах, - для к-й подгруппировки на однородных орбитах номинальные значения эксцентриситета ек, большой полуоси ак, наклонения орбиты ^ и аргумента перигея шк одинаковы для всех космических аппаратов, а различаются только значения долготы восходящего узла Ок (это значение одинаково лишь для космических аппаратов в одной номинальной орбитальной плоскости) и момента времени прохождения перигея тк-
В более общем случае сегмент сети может быть построен на неоднородных орбитах. Например, неоднородные орбиты в сегменте сети могут быть использованы для решения проблемы реализации боковых связей в окрестности узловых точек (точек пересечения траекторий космических аппаратов с линией пересечения их орбитальных плоскостей). Суть проблемы в том, что если космический аппарат поддерживает связь с помощью бокового устройства (например, типа 3 или 4) с другим космическим аппаратом, то после прохождения узловых точек необходимо использовать боковое устройства другого типа (4 или 3 соответственно для приведенного примера). Поэтому пару узловых точек, находящихся с одной стороны от центра Земли, будем называть узлом переключения. На участках орбит в окрестности узловых точек связь не реализуема (космические аппараты проходят "мертвую зону"). При прохождении участков мертвой зоны будет "торможение нагрузки", для избегания которого необходимо учитывать в алгоритме маршрутизации то, что некоторые исходящие линии узла временно не будут использованы.