网络特性与机载连接的评估方法

假设一个机载激光无线网络，能够提供数百千米量级间隔距离的远程地面站节点之间的网络连接。从源节点的数据传输通过一组中间媒介的机载节点到达目的地面节点。机载节点分别设置在高、中、低海拔地区。在低海拔地区，大气信道由于湍流及散射的存在，给信号的传播带来了更大的挑战。在高海拔地区，激光信号的长距离传输相对容易。激光信号从地面到高海拔节点的直接传输受到云的抑制。这里并不考虑透过云层传输的情况，因为激光信号通过云层时信号衰减严重。低海拔节点恰好位于云层下方能够提供路由和再生的功能。大气云层通常在海拔1 km处形成，并且经常延伸至8～12 km之间的高度范围。中海拔节点位于云层之上。高海拔节点接近20 km高度，这个高度接近高空飞行器正常飞行能达到的极限高度。

考虑一个单一的源／目的对应用在系统中，即利用一个给定的具有地面站、无人机、航空器的拓扑创建一个具有期望程度连通性的，提供恒定链路预算、约束的网络。下面讨论全尺寸网络中结果的所有可能的影响。假设网络中的每个节点包含一个网关路由，具体配置在客户端-服务器的地面终端。该链路的突出参数为带宽、时延、误码特性和链路中断等数据。在仿真中使用的链路带宽为2.5 Gb／s，大气信道中表现出的信号失真主要是由于湍流引起的衰落和衰减。提出了一个两级的离散时间吉尔伯特-埃利奥特模型用于描述信道衰落和非衰落状态，并转化为一个特定误码率。突发误码率可以通过交错信道进一步降低。使用与文献［1］中相同的信道误差模型进行仿真。链路时延主要由交织和传播时延造成，假定在链路中的交织时延分别为1 ms和10 ms，如文献［1］中，传播时延取决于单独的链路，这反映了在这个环境下对哪个TCP大气信道性能的期望值及交叉交织深度表现出良好的性能。在所有的链路中，除了高海拔骨干链路，总时延绝大多数是交织时延。在骨干链路中，这两种时延共同构成总时延。当终端之间具有可见视线连接时才存在链路。链路中断是由于物理配置和无人机的轨道以及动态天气干扰所导致的。轨迹位置的物理参数、倾斜角及由弱涡流造成的死区都会造成链路中断，云层覆盖也会对链路连通性造成影响，无人机间可见路径上出现的任何云都会中断链路。当这些因素所造成链路中断减弱时，链路重建恢复将进一步受到两终端之间光学ATP的影响。

在迄今为止的路由研究中，假设有晴朗的天空，而链路的中断只由上面所讨论的轨道物理特性所导致。考虑到天气因素对链路可用性所造成的严重负面影响，本节只考虑网络具有100%可用性的网络场景。

为了评估机载网络的连接特性，必须明确网络动态拓扑。拓扑由一个源节点和一个固定在地面上的目的节点构成，由于在每个海拔高度的各个轨道中，安装在飞行器上的链路展现出的链路中断时间，在每一个海拔高度上至少设置两个航天器以达到不间断连接。对一个完整系统来说这些高度位置分别指定在1，8，20 km，如图5.5所示。还考虑小型网络即省略位于8 km处的航天器，如图5.6和图5.7所示。

一个特定的传输链路范围依赖于许多的变量，如发射功率、接收灵敏度、高度和范围上的散射损耗、传播范围上的路径损耗、湍流损耗、发射／接收孔径。这里假设发射功率为5 W，接收灵敏度为-58 dBm。衍射极限光束的路径损耗及散射损耗通过FASCODE计算。还假设发射／接收孔径为直径2.5 cm。拓扑结构中每条链路的范围可通过链路预算分析，其允许在接收灵敏度5 dB边缘上获得10-9的误码率。对于这一分析的更多细节可参见文献［2］。由于信号在低海拔地区的传输特性，0～1 km及1～20 km的链路范围十分有限。因此，考虑两种结构。第一种结构在1 km处设置捕食者，可通过光纤与地面站相连接，设定光纤链路时可用。同样的，在1 km高度上可利用1个航天器代替2个捕食者，无人机的轨道参数受限于每个机载节点的飞行容量。这里指定位于1 km和8 km的是捕食者无人机。20 km处的机载节点是全球鹰无人机。

图5.5　3层机载网络配置（1 km航天器，第2层捕食者，第3层全球鹰无人机）

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图5.6　两层机载网络配置（第1层航天器，第2层全球鹰无人机）

图5.7　两层机载网络配置（第1层捕食者，第2层全球鹰无人机）

作为路由研究的一部分，场景如图5.6和图5.7所示，给出了航天器仿真的多次结果（捕食者位于低层）。通常情况下，允许无人机位于如图所示3个机载高度，允许在链路预算和天气情况上具有更大的链路可用性灵活度。但是在迄今为止的路由研究中，都认为两层的机载结构是1～4 km（捕食者或航天器）和20 km全球鹰无人机。

在此认为具有最好状况下的链路可用性，当飞机轨道同步时获得最大化的端到端连通性。在这种情况下，由于缺少可用的光链路，路径在可用性方面缺乏单独和独立的间隙路由算法。鉴于如图所示的基本拓扑结构，接下来假设所有的无人机在如表5.1所示的开启和关闭阶段，每轨道耗时420 s。根据文献［2］的计算，这些数据用以反映捕食者和全球鹰合理飞行的正常范围，由于链路预算限制相对紧张的轨道将保持光链路。该无人机的开／关阶段被选择为获得链路阶段和端到端路径存在最大化的阶段。接下来为每一个如下链路中的链路中断／重建数据进行参数值选择。由于航天器和地面站之间通过光纤相连，假设两者之间的链路时时可通。假设两层海拔之间（如0～1 km）的自由空间链路每圈具有2个相等长度开／关阶段，具有相同海拔高度之间的链路每圈具有1个开／关阶段。所选择的输入参数如表5.1中所示。

表5.1　图5.6和图5.7所示两层机载场景中链路类型的中断、重建和时延因素

这些参数值反映对视距路径锁定阶段的合理估计。接下来，设置第1个关闭阶段，以便源和目的节点之间在任何时候都至少有1条路径。交织时延设定在1～10 ms之间（在这里给出1 ms情况下的曲线）。