衛(wèi)星移動通信中波束切換模型和方法研究

胡俊祥，賀翔，唐勁夫

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663)

0 引言

（1）研究背景

隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的推進，中國軍隊、政府、企業(yè)等都期待“一帶一路”沿途能有覆蓋陸地、海洋甚至是空中的寬帶通信。衛(wèi)星通信以覆蓋范圍廣、鏈路穩(wěn)定、通信帶寬大為特點，目前是一種較理想的解決方案。但單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍也無法實現(xiàn)完整覆蓋，而且通信容量也無法支撐日漸龐大的通信需求，因此我們需要將不同區(qū)域上空的衛(wèi)星聯(lián)合起來，共同為用戶提供便捷的寬帶接入服務(wù)。這些衛(wèi)星在地面上形成了部分重疊的通信波束，移動載體必然面臨跨越波束的問題。

以多波束為關(guān)鍵技術(shù)的高通量衛(wèi)星技術(shù)正逐步成熟，單一衛(wèi)星就能產(chǎn)生幾十個的通信波束，波束間采用頻率復用技術(shù)來提升通信容量，在這些波束間移動也將面臨同樣的問題。

當衛(wèi)星地球站離開自己的波束進入另一個衛(wèi)星的波束時即發(fā)生了波束切換，由新的服務(wù)提供商來提供服務(wù)，這和手機出國漫游非常類似。

（2）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外已有成熟的衛(wèi)星波束切換解決方案，目前幾個洲際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也由國外運營，包括大家熟知的Im?marsat、Intelsat、Eutelsat等。其采用的衛(wèi)星通信主要包括摩托羅拉、iDirect、Hughs、Gilat、ViaSat等廠家的產(chǎn)品，個別系統(tǒng)已經(jīng)做到全球漫游。

圖1 跨波束切換模型

國內(nèi)衛(wèi)星通信起步較晚，目前固定業(yè)務(wù)（主要是電視廣播）仍然是主流，移動業(yè)務(wù)近年來也在逐步增長，但大部分移動應(yīng)用仍集中在一個較大的波束內(nèi)，無需考慮波束切換的問題。隨著我國第一顆高通量衛(wèi)星的投入使用和國家海外政策的引導，越來越多的國內(nèi)科研單位和院校投入到衛(wèi)星波束切換的研究中。

1.3 研究內(nèi)容

目前主流的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計都是遵循IPoS（TIA-1008）標準[1]，見圖2所示。地面設(shè)備主要由信關(guān)站、網(wǎng)管中心、后端系統(tǒng)和遠端站組成，衛(wèi)星抽象成各種頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器。和波束切換緊密相關(guān)的包括切換模型、切換管理等方面，下面圍繞這三方面展開論述。

圖2 衛(wèi)星系統(tǒng)典型架構(gòu)

2 切換模型

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖3 典型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲

常見的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)大多為星狀結(jié)構(gòu)或星網(wǎng)混合狀結(jié)構(gòu)，每一個遠端站（固定站或移動站）均處于某一個衛(wèi)星廣播分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中（后面簡稱衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)），由一個信關(guān)站進行管理，所有星地數(shù)據(jù)交互均由信關(guān)站完成，這類網(wǎng)絡(luò)又稱為VSAT（甚小口徑天線終端）網(wǎng)絡(luò)。一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定義為信關(guān)站和一組遠端站之間的交互鏈路，遠端站的多址方式包括FDMA、TDMA、ALOHA、CD?MA等等。星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)區(qū)別在于遠端站之間是否存在單跳衛(wèi)星鏈路。衛(wèi)星鏈路的設(shè)計，決定了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要拓撲結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)常見的拓撲關(guān)系如下圖所示，主要包含了寬波束拓撲和多波束拓撲兩種類型。獨立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括以下幾個層級。至上而下最上面一層是衛(wèi)星，這里的衛(wèi)星指的是衛(wèi)星某個通信頻段的一個或多個透明轉(zhuǎn)發(fā)器。第二層是該衛(wèi)星的信關(guān)站，信關(guān)站主要完成遠端站管理、地面網(wǎng)絡(luò)接入、衛(wèi)星資源分配等。第三層是信關(guān)站所管理的波束，信關(guān)站工作在多波束衛(wèi)星不同的波束中，互相通過地面網(wǎng)絡(luò)連接。第四層是波束內(nèi)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，一個波束內(nèi)可以建立多個通信鏈路，這些相互關(guān)聯(lián)的通信鏈路便組成一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。最后一層是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的各種類型的遠端站，包括固定站和移動站兩類?！靶l(wèi)星>信關(guān)站>波束>網(wǎng)絡(luò)>遠端站”的歸屬關(guān)系對于固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）來說是一直不變的，但對于移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）來說歸屬關(guān)系就會隨時移動站的物理位置變化而變化。

2.2 波束切換場景

通過對站點移動行為的分析，我們歸納波束切換有三種典型場景。由于衛(wèi)星設(shè)計，信關(guān)站一般會管理若干個不同覆蓋的波束，從信關(guān)站中的一個波束跨越到另一個波束，我們稱為一類切換；二是從一個信關(guān)站管理的波束跨越到另一個信關(guān)站管理的波束但仍使用同一顆衛(wèi)星，稱為二類切換；三是超出了某一衛(wèi)星所有波束的服務(wù)范圍，需要另一顆衛(wèi)星提供服務(wù)，稱為三類切換。切換模型如圖4所示。

圖4 切換模型

由于信關(guān)站管理的波束一般是成片區(qū)分布的，通過切換發(fā)生的層級，我們看出一類切換最為常見，三類切換發(fā)生概率則較低。對于一類切換，只需要在信關(guān)站內(nèi)部進行資源重新分配就可以實現(xiàn)切換。對于二類切換，則需要信關(guān)站之間進行交互，移動站的工作參數(shù)有可能需要作出較大的調(diào)整。對于三類切換，往往還會涉及到服務(wù)提供商之間的協(xié)商，過程更加復雜。

3 切換管理

3.1 移動站管理

幾乎所有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)都會配置一個網(wǎng)管中心，移動站需要在網(wǎng)管中心完成注冊后才能正常通信，并接受其管理。移動站需要某個網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起通信，首先該網(wǎng)絡(luò)要登記有該移動站，并通過信關(guān)站給移動站分配一定的通信資源。對移動站的登記方法有兩種，一種是當移動站注冊時，在移動站可能出現(xiàn)的所有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中均進行登記；另一種則是移動站注冊時不在任何一個網(wǎng)絡(luò)中登記，當移動站開機入網(wǎng)或進入某一個網(wǎng)絡(luò)時再進行臨時登記。第一種方式我們稱為預登記方式，這種方式的優(yōu)點是能更迅速地完成入網(wǎng)并有利于各網(wǎng)絡(luò)對該移動站的管理，缺點是需要各網(wǎng)絡(luò)中維護一份該移動站的數(shù)據(jù)；第二種方式稱為動態(tài)登記，優(yōu)點是除了移動站正在漫游的網(wǎng)絡(luò)，其余網(wǎng)絡(luò)無需感知該移動站的存在（后面提到的家代理除外），缺點是移動站每次進入一個新網(wǎng)絡(luò)時均需要重新登記，更占用網(wǎng)絡(luò)資源。

從兩種登記方式的優(yōu)缺點來看，針對三類切換場景可以有不同的選取。對于一類切換，由于切換會較為頻繁，推薦采用預登記方式。對于三類切換，由于移動站需要跨越多個管理層級，推薦采用動態(tài)登記方式。對于二類切換，則兩種切換方式都可以選取，建議通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來選取，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大越適合采用動態(tài)登記的方式。

3.2 波束管理

衛(wèi)星信號覆蓋情況一般由EIRP（等效全向輻射功率）圖和G/T值（品質(zhì)因素）圖來共同表示，其中EIRP表示衛(wèi)星發(fā)射能力，G/T值表示衛(wèi)星接收能力。一般情況下個兩個指標越大越好，這兩個指標也決定了衛(wèi)星地球站發(fā)射和接收能力的要求。這兩個類似等高線一樣的閉合曲線代表了衛(wèi)星信號的地區(qū)覆蓋強弱。對于同步軌道衛(wèi)星，由于其相對于地面是靜止的，因此其波束的覆蓋情況一般不會改變。但對于Ku甚至更高的通信頻段，容易受到天氣和雨衰的影響。

系統(tǒng)首先需要記錄每顆衛(wèi)星不同頻段不同波束的ERIP圖和G/T值圖，并繪制出一張全局的波束覆蓋圖，作為移動站波束選擇的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)移動站的能力和特點選擇一個能同時滿足移動站上行和下行鏈路要求的最佳波束。選擇的依據(jù)包括但不限于移動站的工作頻段、上行鏈路余量、下行鏈路余量、天線仰角、波束邊緣距離、安裝平臺等。

圖5 衛(wèi)星波束的EIRP分布圖

3.3 切換過程

衛(wèi)星波束切換有兩種方式，分別是信關(guān)站切換和移動站切換，兩類切換方式主要區(qū)別是發(fā)起切換主體不同。對于信關(guān)站切換，當信關(guān)站發(fā)現(xiàn)了移動站進入波束邊緣時，通過信令讓移動站進行切換。對于移動站切換，則由移動站根據(jù)自己的通信情況主動申請切換。下面分別介紹兩種切換方式的工作方式和優(yōu)缺點。

信關(guān)站切換的流程圖如圖6所示。切換過程中最關(guān)鍵的切換判決和波束選擇都由信關(guān)站完成，判決的依據(jù)包括移動站在波束中的位置以及通信鏈路質(zhì)量。信關(guān)站主動切換可以有效地減少對移動站的要求，但信號丟失后無法做到自動回復，另外切換的實時性相對較差，不利于頻繁切換的場景。

圖6 信關(guān)站主動切換流程

移動站主動切換的流程圖如圖7所示，移動站需要承擔了切換判決和波束選擇的工作。這樣做的優(yōu)點是可以做到快速切換，但需要移動站具備很高的數(shù)據(jù)存儲、管理和運算能力，而且波束覆蓋數(shù)據(jù)更新也是個難題。

圖7 移動站主動切換流程

3.4 數(shù)據(jù)路由

信道切換完成后，移動站就具備了在新的網(wǎng)絡(luò)中進行工作的條件，剩下就是數(shù)據(jù)重新路由的問題。大部分的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都是采用靜態(tài)路由的機制，在移動站IP地址沒有發(fā)生改變的情況下，即使移動站進入了新的波束，IP數(shù)據(jù)包仍按原路由關(guān)系進行投送到原有的波束中。需要更新數(shù)據(jù)路由我們有兩個方法，一是在新的網(wǎng)絡(luò)中重新為移動站分配一個該波束下的IP地址，第二種方法就是移動通信中常用的移動IP技術(shù)。對于第一種方式，比較適合PPPoE這類的撥號接入方式，每次切換則進行重新?lián)芴枴＋@取到新的IP地址后就可以在新波束下實現(xiàn)通信。

第二種方式是移動IP，移動IP包括移動IPv4和移動IPv6兩個版本，其中移動IPv6是移動IPv4的升級版本，但目前廣泛使用的仍是移動IPv4。移動IPv4中，使用了家代理、外地代理、轉(zhuǎn)交地址和隧道封裝技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備漫游。其中轉(zhuǎn)交地址指明了該移動節(jié)點在外網(wǎng)中的當前位置，家代理為移動節(jié)點提供移動支持，它截獲發(fā)往在外網(wǎng)中漫游的移動節(jié)點的數(shù)據(jù)報，將該數(shù)據(jù)報路由至該移動節(jié)點當前的轉(zhuǎn)交地址。外地代理則為在外地網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點提供接入、管理和報文轉(zhuǎn)交功能[2]。

圖8 移動IP技術(shù)示意

所有發(fā)往移動站的數(shù)據(jù)都會經(jīng)過家代理，并由家代理進行轉(zhuǎn)交地址的IP包頭封裝，在家代理和移動節(jié)點之間形成了一條單向的隧道。移動站的發(fā)出的數(shù)據(jù)可以直接使用數(shù)據(jù)真實的目的地址，這樣數(shù)據(jù)就直接由漫游網(wǎng)絡(luò)以最快的路徑找到目標主機，但會造成“三角路由”的問題。通信主機發(fā)往移動主機的分組必須經(jīng)過家代理，而從移動主機發(fā)往通信主機的分組是直接發(fā)送的，兩個方向的通信不是同一路徑，產(chǎn)生“三角路由”問題，這在移動主機遠離家代理，通信主機與移動主機相鄰的情況下效率尤其低下[3]。為了避免“三角路由”也可以采用返向的技術(shù)將數(shù)據(jù)通過隧道發(fā)給家代理，這對于加密傳輸、衛(wèi)星性能增強應(yīng)用方面有特殊的意義。

值得指出移動IPv4存在的幾個問題：一是，移動切換過程中的數(shù)據(jù)包由于找不到轉(zhuǎn)交地址，報文一般都會被丟棄導致重傳頻繁；二是，采用隧道封裝會增加IP報頭開銷從而降低傳輸效率，在最壞的情況是數(shù)據(jù)需要分割成兩個數(shù)據(jù)包以適應(yīng)傳輸鏈路MTU（最大傳輸單元）從而犧牲系統(tǒng)吞吐量；三是，在較小區(qū)域的波束間頻繁移切換的話，會導致網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的代理間通信報文，造成網(wǎng)絡(luò)性能下降；四是，漫游時QoS需要由多段鏈路共同完成，實現(xiàn)較為困難。五是、移動IPv4協(xié)議只支持單個節(jié)點的移動，并不支持整個子網(wǎng)的移動，要實現(xiàn)子網(wǎng)移動需要進行相應(yīng)升級設(shè)計。

移動IPv6彌補了移動IPv4的部分不足，定義了移動節(jié)點、通信節(jié)點和歸屬代理三種操作實體，通過更多的機制來提高移動過程中數(shù)據(jù)傳輸靈活性和可靠性，一定程度上解決了移動IPv4的問題，是未來地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

本文從衛(wèi)星移動通信的發(fā)展趨勢和現(xiàn)階段自主設(shè)備面臨的問題提出了衛(wèi)星波束切換的研究課題，然后通過對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲的研究抽象出三類切換場景，最后對切換過程中的移動站管理、波束管理、切換過程和數(shù)據(jù)路由等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了研究和論證。后續(xù)將針對具體的衛(wèi)星和應(yīng)用，對移動站登記的方式、切換判決算法、切換方式、數(shù)據(jù)路由優(yōu)化等方面進行進一步研究。