寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的跳波束技術(shù)綜述

方應(yīng)勇 何輝

【摘要】近些年來，在衛(wèi)星通信市場的發(fā)展規(guī)律下，出現(xiàn)了寬帶衛(wèi)星通信這一必然的產(chǎn)物，為了滿足寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行需求，需要借助跳波束技術(shù)應(yīng)用，靈活分配星上功率和寬帶資源等。跳波束技術(shù)中的關(guān)鍵部件復(fù)雜，值得業(yè)內(nèi)人士不斷的深入探索其技術(shù)特點，推動寬帶衛(wèi)星通信的長足發(fā)展。本文對寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀進行了探討，結(jié)合發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要注意的問題，詳細分析了跳波束技術(shù)使用的關(guān)鍵部件及跳波束系統(tǒng)建模的相關(guān)研究。

【關(guān)鍵詞】寬帶;衛(wèi)星;通信系統(tǒng);跳波束;技術(shù)

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）017-013-03

Abstract： In recent years， under the development law of satellite communication market， broadband satellite communication has emerged as an inevitable product， in order to meet the operation needs of broadband satellite communication system， it is necessary to use the application of beam-jumping technology， flexible distribution of on-board power and broadband resources. The key components in the beam jumping technology are complex， which is worth the industry's continuous in-depth exploration of its technical characteristics， and promote the rapid development of broadband satellite communication. This paper discusses the current situation of broadband satellite communication system， combines the problems that need attention to the development of broadband satellite communication， and analyzes in detail the key components of the use of beam-jumping technology and the related research on the modeling of the beam-jumping beam system.

Keywords： broadband; satellite; communications system; beam jump; technology.

在科技創(chuàng)新2030項目中，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為其中首個啟動的重大工程項目，受到了社會各界的廣泛關(guān)注，在國家的十三五規(guī)劃綱要及十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，均納入了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)項目。這一網(wǎng)絡(luò)由多個構(gòu)成部分共同組合，構(gòu)建起全球覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。此背景下的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，應(yīng)用跳波束技術(shù)是提高中國全球時空連續(xù)通信能力、高安全可靠通信能力的必要手段。

1. 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的使用情況

寬帶衛(wèi)星通信是立足于衛(wèi)星系統(tǒng)，處理和傳送語音、圖像、視像、數(shù)據(jù)的一個系統(tǒng)，寬帶衛(wèi)星通信的適用范圍隨著地面光纜網(wǎng)的建設(shè)，體現(xiàn)出了其穩(wěn)定性、地域性較強的特殊性能，但是距離預(yù)期中的發(fā)展目標之間仍舊存在較大的差距。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在世界性因特網(wǎng)發(fā)展中，作為一個關(guān)鍵的構(gòu)成部分，被廣泛普及和應(yīng)用，逐漸呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展態(tài)勢。在2016年的11月，為了提高全球的網(wǎng)絡(luò)速度，太空探索技術(shù)公司提出了關(guān)于發(fā)射4425顆衛(wèi)星的計劃，到了2018年2月，太空探索技術(shù)公司向軌道送入了兩顆互聯(lián)網(wǎng)實驗衛(wèi)星，將人們對于寬帶衛(wèi)星的希望和熱情點燃。寬帶衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性和地域性特征在很長一段時間內(nèi)都發(fā)揮了強大的優(yōu)勢作用，但是受到帶寬過窄、成本投入較大等因素的影響，寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展受到了一定程度的限制?，F(xiàn)有的通信技術(shù)手段中，衛(wèi)星通信是實現(xiàn)全球、無縫覆蓋的重要載體，寬帶衛(wèi)星通信以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，向地面網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和嵌入，寬帶衛(wèi)星通信是人們建立全球化無縫寬帶通信的必然應(yīng)用。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)建，推動衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的進程，實現(xiàn)衛(wèi)星資源到可用寬帶資源的轉(zhuǎn)變，受到了越來越高度的重視。

1.2 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍

早期的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)為全球性及部分地面系統(tǒng)應(yīng)用下無法實現(xiàn)通信的偏遠部門，提供有效的視頻會議等服務(wù)，而隨著時代的進步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍逐漸發(fā)生了變化，在移動網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的有機融合下，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中接入了因特網(wǎng)，拓展了寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的空間。天地一體化網(wǎng)絡(luò)是由三個部分組成的，包括天基骨干網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)、天基接入網(wǎng)，天基骨干網(wǎng)是由在地球同步軌道布設(shè)的不同骨干節(jié)點聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的，骨干節(jié)點則具備多種功能，例如寬帶接入、路由交換、信息存儲、數(shù)據(jù)中繼、處理和融合等。以建設(shè)下一代高吞吐衛(wèi)星系統(tǒng)為例，將Ka波段點波束綜合應(yīng)用到同步軌道上，在中低軌道衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，促進系統(tǒng)容量的綜合提升，實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)下的IP業(yè)務(wù)。由此可見，未來的一段時間內(nèi)，寬帶衛(wèi)星通信的主要業(yè)務(wù)中均以向互聯(lián)網(wǎng)提供接入業(yè)務(wù)為主要核心。

1.3 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢

寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢體現(xiàn)在了衛(wèi)星廣闊的覆蓋面積方面，寬帶衛(wèi)星通信具有較強的廣播能力和無縫連接能力，實現(xiàn)了通過衛(wèi)星連接外太空的航天通信功能。全新的時代背景下，通信話語權(quán)在信息時代占據(jù)著關(guān)鍵的位置，強調(diào)通信話語權(quán)的自主性和可控性，我國在3G時代即提出了第一項國際化的標準要求，到了5G時代，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的成本、時延、寬帶相較，優(yōu)勢并不明顯，因此應(yīng)從寬帶衛(wèi)星通信的廣播能力和無縫連接能力優(yōu)勢方面大力挖掘和探索，發(fā)揮寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢應(yīng)用。

1.4 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展前景

寬帶衛(wèi)星通信受到多種因素的影響，未來呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展態(tài)勢，包括當(dāng)前的國際環(huán)境、市場規(guī)模、應(yīng)用前景等。寬帶衛(wèi)星通信發(fā)揮著必要的寬帶多媒體衛(wèi)星通信作用，實現(xiàn)了全球的信息化，同時推動了全球經(jīng)濟一體化的建設(shè)進程。在全球范圍內(nèi)，因特網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，在實際的應(yīng)用過程中，用戶更加希望互聯(lián)網(wǎng)的接入方式可以打破時間和空間的限制，這一需求是地面系統(tǒng)無法滿足的，只有借助寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)才能夠逐漸實現(xiàn)該目標。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可被應(yīng)用到自然災(zāi)害中，發(fā)生各種自然災(zāi)害時，無線通信的通信能力最強，可達到其它的通信系統(tǒng)無法完成的效果，寬帶衛(wèi)星通信的多種優(yōu)勢，包括其較強的可靠性、組網(wǎng)性能、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)范圍等優(yōu)勢，是無線通信市場中必備的先進技術(shù)手段。隨著軍事領(lǐng)域和外太空的不斷開發(fā)應(yīng)用，寬帶衛(wèi)星通信在其中發(fā)揮了不可或缺的重要作用，促進了人類對于外太空的進一步探索和研究，建設(shè)寬帶衛(wèi)星通信，優(yōu)化武器導(dǎo)航、單兵通信等系列功能。

2. 發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要注意的問題

2.1 合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)范圍廣泛、業(yè)務(wù)種類多、用戶數(shù)量大，其中有著豐富的頻帶資源，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，有必要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行合理的規(guī)劃。以拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提高用戶資源管理的有效性，結(jié)合用戶的實際需求，選用星狀拓撲結(jié)構(gòu)，促進網(wǎng)絡(luò)可靠性和提供負載均衡能力的提升，借助網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)強化冗余度。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)等地面通信系統(tǒng)，借助網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了綜合互通，建立起星際鏈路，縮短時延，將衛(wèi)星信號之間的干擾消除，降低對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2.2 正確運用先進技術(shù)手段

地面網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用到了TCP/IP等技術(shù)，這是根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計而來，將其應(yīng)用到衛(wèi)星信道中，可引起多種缺陷問題的發(fā)生，包括時延較長、差錯率升高、前/反向信道非對稱等，出現(xiàn)錯誤的時候需要重新上傳，將直接對系統(tǒng)的吞吐量造成不利影響，限制了慢啟動的順利展開。針對這一問題，發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要對先進的技術(shù)加強運用，改進協(xié)議，消除大窗口、長時延、高誤碼等問題，設(shè)置合適的網(wǎng)關(guān)，優(yōu)化衛(wèi)星鏈路的起始端功能，選擇適合衛(wèi)星信道的算法，轉(zhuǎn)變原有的TCP/IP協(xié)議。提高處理技術(shù)應(yīng)用的合理性，通過放大信號、轉(zhuǎn)換頻率等，強調(diào)其中的糾錯、檢錯、解調(diào)等功能，降低誤碼率，促進信噪比的升高。

3. 跳波束技術(shù)使用的關(guān)鍵部件

3.1 多端口放大器

跳波束技術(shù)具有較強的靈活性，這是由其中使用的多端口放大器、相控陣天線技術(shù)等決定的，多端口放大器提高了星上功率分配的合理性，促進了整體功率利用率的提升。多端口放大器主要是由輸入矩陣、輸出矩陣、高功率放大器幾個組件構(gòu)成的，輸入信號向所有的輸入矩陣分布，再通過高功率放大器的分發(fā)后，將其重新組合在輸出矩陣。必要的時候所有的功率均可以在一個輸出端口映射，高功率放大器的活躍數(shù)量直接決定了多端口放大器的大小。通常在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信中，不同的波束所占據(jù)的星上資源是固定的，轉(zhuǎn)發(fā)器只需要完成對應(yīng)功率池和波束寬帶的相關(guān)工作。以典型的寬波束衛(wèi)星為例，其中的寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器都是由140瓦行波管放大器進行供電的，應(yīng)用到的36MHz寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器有數(shù)十個，以此達到饋送波束的目的，此工作模式背景下，不同的轉(zhuǎn)發(fā)器獲取的星上功率固定，符合用戶的使用需求。分配星上功率的時候若是按照峰值功率進行，當(dāng)發(fā)生用戶需求空閑的情況時，分配功率的利用率較低，造成嚴重的資源浪費。針對傳統(tǒng)功率分配模式，為了打破這一限制，要在非高峰時向其它用戶分配未能被充分利用的功率，有效促進功率利用率的提升。跳波束技術(shù)應(yīng)用中借助多端口放大器，解決了這一缺陷問題，實現(xiàn)了衛(wèi)星資源低需求波束向高需求波束的移動和轉(zhuǎn)換。多端口放大器匯集了衛(wèi)星功率，結(jié)合流量的匹配需求，提高了波束移動的動態(tài)性，實現(xiàn)了一個波束到另一個波束的移動。

3.2 相控陣天線技術(shù)

相控陣天線對饋電相位進行控制，實現(xiàn)了波束橫掃，通過對陣列天線中輻射單元的饋電相位進行控制，以此改變方向圖形狀。相控陣天線的波束匯聚能力較強，在該天線的覆蓋范圍內(nèi)，不僅實現(xiàn)了隨需分配，大大提高了功率分配的靈活性，針對其它各項指標，包括波束的覆蓋區(qū)域位置、波束覆蓋面積大小、波束個數(shù)等，均實現(xiàn)了高靈活度的優(yōu)化配置，體現(xiàn)出了相控陣天線技術(shù)較強的抗干擾能力和干擾偵測能力。相控陣天線技術(shù)下的方案具有較高的復(fù)雜度，并且需要投入昂貴的造價成本。

4. 跳波束系統(tǒng)建模分析

不同的波束在多波束的衛(wèi)星系統(tǒng)中，覆蓋范圍不同、其業(yè)務(wù)需求也各有不同，針對跳波束系統(tǒng)建模，為了提高系統(tǒng)可用容量的靈活性，調(diào)度衛(wèi)星頻率和功率資源，采取空分+時分的方式，實現(xiàn)對地面站的分簇管理。根據(jù)地面業(yè)務(wù)的不同需求，在空間上劃分出不同的、互相相切的簇，通過簇內(nèi)劃分的方式，獲取每一個區(qū)域內(nèi)的單獨波位。按照分簇的結(jié)果劃分星上功率和頻率，簇內(nèi)的一個時隙之內(nèi)，僅點亮一個波位，并且分給該簇的全部星上資源均可被點亮的波位使用。分配簇間頻率時，需要結(jié)合相鄰簇的相鄰波位同頻干擾等因素綜合考慮，對于全頻段的資源，每個簇不能全部使用，但是隨著頻率約束的增加，時隙分配的復(fù)雜性也會隨之增加，因此采取部分頻率復(fù)用方案是最合理的。

結(jié)論：綜上所述，基于跳波束技術(shù)的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中應(yīng)用到了跳波束的技術(shù)優(yōu)勢，提高了星上資源分配的合理性和有效性，是我國寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中必不可少的先進技術(shù)手段。目前針對跳波束技術(shù)的研究和應(yīng)用，仍舊存在較大的發(fā)展空間，應(yīng)將降低跳波束技術(shù)應(yīng)用的復(fù)雜性和提高其應(yīng)用效率作為關(guān)鍵目標，促進寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的不斷完善和優(yōu)化，推動我國衛(wèi)星通信市場未來的長足發(fā)展。

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