關(guān)于衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)的幾點思考 ①

李 聰，何 雯，王一帆

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高通量(High Throughput Satellite，HTS)衛(wèi)星的出現(xiàn)極大地提升了衛(wèi)星的通信容量。目前的HTS衛(wèi)星主要采用多個點波束增加系統(tǒng)容量，在系統(tǒng)設(shè)計時HTS衛(wèi)星多波束之間的頻率、功率和帶寬等多為固定分配方式。但多波束覆蓋區(qū)內(nèi)的不同波束內(nèi)不同時間段的業(yè)務(wù)需求并不均勻，導(dǎo)致這種固定模式缺乏足夠的靈活性，造成衛(wèi)星的性能受限。為了解決多波束衛(wèi)星資源固定分配帶來的問題，“靈活有效載荷”概念應(yīng)運而生，通過靈活的波束覆蓋、功率分配和帶寬分配等方法可以有效地應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

跳波束技術(shù)(Beam Hopping，BH)利用時間分片可以有效地提高帶寬和功率等稀缺衛(wèi)星資源的使用效率，滿足用戶的非均勻時變需求。跳波束技術(shù)最早由NASA在先進通信衛(wèi)星技術(shù)(Advanced Technology Communication Satellite，ACTS)項目中進行研究[1]。該項目通過一系列開關(guān)對天線饋源進行切換，實現(xiàn)了波束的跳變，開啟了跳波束技術(shù)的研究。文獻[2]分析了跳波束系統(tǒng)有效載荷的結(jié)構(gòu)，提出了優(yōu)化后的波束跳變時間規(guī)劃方案，結(jié)果表明與功率和帶寬固定分配的常規(guī)系統(tǒng)相比，跳波束系統(tǒng)的容量增加了30%。文獻[3]比較了跳波束系統(tǒng)與同等的靈活載荷系統(tǒng)的通信容量，結(jié)果表明跳束技術(shù)比其它靈活有效載荷方法更具優(yōu)勢。文獻[4，5]將跳波束技術(shù)應(yīng)用到多波束天線中，通過縮小單個波束的口徑，來提高波束的增益和系統(tǒng)的載干比(C/I)，結(jié)果表明與常規(guī)的多波束天線相比，C/I提高近4dB。文獻[6]結(jié)合跳波束和頻譜感知技術(shù)，通過感知主星服務(wù)的變化，輔星采用跳波束技術(shù)為主星服務(wù)區(qū)增加服務(wù)容量，有效提高了系統(tǒng)頻譜效率。文獻[10-17]在波束尺寸、帶寬、功率、跳變時隙等多個方面對跳波束系統(tǒng)的資源分配進行了詳細(xì)的研究。在地面驗證方面，歐洲航天局(European Space Agency，ESA)的“衛(wèi)星跳束系統(tǒng)仿真器”(BEHOP) 項目進行了完整的跳波束系統(tǒng)地面仿真[18，19]，并指出與傳統(tǒng)的容量等分配以及頻率、功率可調(diào)的多波束系統(tǒng)相比，跳波束系統(tǒng)可降低50%直流功耗，增加15%通信容量，節(jié)約20%資源，且具備為大量需求用戶靈活分配波束容量的能力。此外，以色列SatixFy公司推出了SX-3000芯片產(chǎn)品，作為跳波束環(huán)境中終端的處理核心模塊[20]。

跳波束技術(shù)具備靈活的波束特性，可以有效解決不均勻和動態(tài)的業(yè)務(wù)需求， 極大地提高了衛(wèi)星的資源利用率，在未來衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中具有巨大的應(yīng)用潛力。本文接下來從衛(wèi)星跳波束的系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展展望等幾個方面對跳波束系統(tǒng)進行梳理分析。

1 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)組成分析

如圖1所示，衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)主要由信關(guān)站、衛(wèi)星和地面終端等部分組成。與多波束系統(tǒng)的不同點在于，跳波束系統(tǒng)有效載荷部分多了跳波束控制器。跳波束控制器的主要作用是對接收到的波束跳變計劃進行解析，并配合天線將數(shù)據(jù)流，在規(guī)定的時間內(nèi)切換到正確的多個波束上。圖1中同一色塊的數(shù)量表示傳輸業(yè)務(wù)量的大小，不同顏色的業(yè)務(wù)流表示去往不同的波束，經(jīng)過波束控制器后，按時間順序?qū)⒉ㄊ袚Q到不同的區(qū)域。示意圖1中的波束跳變順序可以表示為：波束1→波束2→波束N→波束1→波束2→波束N。圖中僅給出了一個波束簇內(nèi)同一時刻單一波束的跳變情況，實際系統(tǒng)中一個波束簇內(nèi)可有多個波束同時跳變。跳波束系統(tǒng)多用在寬帶衛(wèi)星的前向鏈路，即業(yè)務(wù)流的主要方向[12]。下面以前向鏈路為例，分析跳波束系統(tǒng)中各個組成部分的作用。

圖1 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)組成

(1)信關(guān)站

信關(guān)站根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)請求，統(tǒng)計用戶所在位置、波束覆蓋區(qū)域和請求容量等，根據(jù)衛(wèi)星的載荷能力和信道條件，通過跳波束資源分配算法，生成包含波束跳變數(shù)量、駐留時間、跳變周期和切換時間等關(guān)鍵參數(shù)在內(nèi)的波束跳變規(guī)劃表，發(fā)送給星上跳波束控制器。

(2)跳波束控制器

跳波束控制器將波束跳變指令進行解析，通過開關(guān)或波束形成網(wǎng)絡(luò)，將多波束數(shù)據(jù)流準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)到指定波束下。跳波束是一種時分技術(shù)，時間同步對跳波束控制器來說至關(guān)重要。對于透明轉(zhuǎn)發(fā)器而言，跳波束控制器、信關(guān)站、終端之間需要保持準(zhǔn)確的時間對準(zhǔn)。對于再生處理轉(zhuǎn)發(fā)器而言，信關(guān)站發(fā)送的波束跳變計劃與跳波束控制器解析后轉(zhuǎn)發(fā)的下行鏈路跳變計劃解耦，信關(guān)站不需要與波束跳變計劃嚴(yán)格同步。但在此情況下，再生處理轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)該為所有波束進行提供路由，排隊和緩沖功能。

(3)地面終端

地面終端根據(jù)接收的波束跳變時間表，在規(guī)定時隙內(nèi)，接收請求的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。地面終端通常使用連續(xù)發(fā)送的前向鏈路信號進行時間、頻率和相位同步，但在跳波束系統(tǒng)中，終端僅在波束駐留期間接收信號，其它時間無任何信號。因而，跳波束系統(tǒng)中終端需具備突發(fā)接收功能，以及沒有任何先驗信息的情況下，捕獲衛(wèi)星信號并實現(xiàn)同步的能力。

2 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)主要的任務(wù)是，實現(xiàn)如何在正確的時間以最有效的方式為正確的波束單元提供合適的容量。實現(xiàn)此功能，系統(tǒng)需要具備以下能力：(1)有效載荷中的跳波束控制器及時地將傳輸數(shù)據(jù)流切換到正確的波束；(2)整個系統(tǒng)(包括信關(guān)站、跳波束控制器和終端)進行同步；(3)地面需要對每個波束的帶寬、功率和跳變時間表等資源進行高效規(guī)劃分配。根據(jù)以上功能，本文從跳波束控制器的架構(gòu)設(shè)計、跳波束波形與網(wǎng)同步設(shè)計、資源分配算法及地面驗證技術(shù)幾個方面對當(dāng)前的研究進行總結(jié)分析。

2.1 衛(wèi)星跳波束控制器架構(gòu)設(shè)計

與常規(guī)多波束系統(tǒng)相比，跳波束系統(tǒng)主要多了跳波束控制器和開關(guān)矩陣，如圖2所示。跳波束控制器用于解析網(wǎng)關(guān)生成的波束跳變指令，并控制開關(guān)矩陣或波束形成網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)波束的切換。文獻[1]在ACTS項目中采用單個行波管(Traveling Wave Tube，TWT)產(chǎn)生單個波束，通過在輻射饋源前加入開關(guān)矩陣，利用饋源的選通達到波束跳變的目的，即采用圖2中跳波束控制器→開關(guān)矩陣→發(fā)射天線的技術(shù)路線。文獻[2]在文獻[1]的基礎(chǔ)上，采用相控陣天線方案，通過波束形成網(wǎng)絡(luò)中的移相器形成不同的波束，從而實現(xiàn)波束的跳變，即采用圖2中，跳波束控制器→波束形成網(wǎng)絡(luò)→發(fā)射天線的技術(shù)路線。兩種方案各有側(cè)重：切換饋源的方案，控制器設(shè)計簡單，但多個饋源只有一個工作，造成一定的資源浪費；相控陣天線方案中，共用多個饋源和功放，提高了星上資源利用率，難點在于波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計比較復(fù)雜。

圖2 跳波束系統(tǒng)前向鏈路處理流程

文獻[7]提出了在星上采用兩級開關(guān)交換的概念，第1級開關(guān)矩陣實現(xiàn)多個信關(guān)站與波束簇之間的交換，第2級開關(guān)矩陣實現(xiàn)任一簇內(nèi)不同用戶波束之間的交換。該方案的優(yōu)點在于，用戶波束與多信關(guān)站之間實現(xiàn)了靈活的映射，促進了系統(tǒng)中零冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)計并保證所需的可用性，但網(wǎng)關(guān)與用戶波束之間的時隙等資源分配復(fù)雜度增加。上述分析可以看出，跳波束控制器架構(gòu)由控制開關(guān)矩陣切換饋源向控制波束形成網(wǎng)絡(luò)來切換波形發(fā)展，由單層波束交換向多層波束交換發(fā)展。

2.2 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)波形選擇與網(wǎng)同步設(shè)計

衛(wèi)星跳波束波形應(yīng)該為波束跳變提供充足的時間，且波束跳變后，終端能夠完整地接收所有的數(shù)據(jù)。DVB-S2X(Digital Video Broadcasting-Satellite Second Generation Extension )協(xié)議附錄E中定義了一個支持跳波束的超幀波形，如圖3所示。此超幀提供720個字符的長幀頭和36字符長的導(dǎo)頻符號，用于提高幀同步的性能，幀尾的啞元符號用于支持跳波束系統(tǒng)的平滑切換。由于超幀長度固定，符號速率固定后，超幀時長隨之固定。跳波束系統(tǒng)的最小時隙為一個超幀時長，以100Msps符號速率為例，超幀時長約為6.1ms。因而，超幀持續(xù)時長決定了跳波束方案中時隙劃分的粒度，文獻[18，19]在地面驗證系統(tǒng)中對超幀的性能進行了驗證。

圖3 支持跳波束的DVB-S2X超幀結(jié)構(gòu)[21]

跳波束系統(tǒng)中嚴(yán)格的時間、幀同步是終端正常接收信息的關(guān)鍵。目前支持跳波束的時間同步技術(shù)研究并不多，文獻[8，9]在不改變DVB-S2X超幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對超幀中的啞元符號進行了設(shè)計。文獻[7]引入了啞元幀的概念，采用標(biāo)準(zhǔn)的超幀幀頭作為啞元幀的幀頭。波束切換后，終端通過大約20個啞元幀實現(xiàn)了同步。文獻[9]在文獻[8]的基礎(chǔ)上進行了改進，對啞元幀的同步域進行重新設(shè)計，通過擴頻碼對時間和頻率的偏差進行估計，將20個啞元幀縮短到1個。仿真結(jié)果表明，即使在信噪比低至-10 dB的信道情況下，終端接收機也能夠鎖定一個啞元幀，證明了DVB-S2X幀結(jié)構(gòu)的有效性。

2.3 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)資源分配算法

衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)資源分配算法主要圍繞帶寬、功率、時隙分配等方面，以減小系統(tǒng)的共信道干擾以及其它條件為約束，實現(xiàn)最大的資源利用率(即，系統(tǒng)提供的總?cè)萘拷咏蛻粜枨笕萘?為優(yōu)化目標(biāo)，建立模型并求解。目前大量的文獻對跳波束系統(tǒng)的資源分配算法進行了研究。

文獻[10]提出了一種寬帶跳波束系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)流量控制方法，提升了系統(tǒng)吞吐量。文獻[11]考慮了跳波束系統(tǒng)中不同跳變單元之間的QoS(Quality of Service)均衡，以延遲公平性為目標(biāo)，優(yōu)化了波束跳變策略。文獻[12]以智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中跳波束用戶下行鏈路的功率和時隙為目標(biāo)，通過功率和帶寬的聯(lián)合優(yōu)化，有效地提高了資源利用效率。文獻[13]提出了分層優(yōu)化方法，先對跳波束簇的大小進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對功率和時隙進行聯(lián)合優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的帶寬資源利用率。文獻[14，15]對帶寬、功率、時隙等為優(yōu)化目標(biāo)的跳波束資源分配算法進行了梳理與總結(jié)。文獻[16，17]將深度強化學(xué)習(xí)引入到多波束和跳波束資源分配中，分別通過優(yōu)化業(yè)務(wù)阻塞和延遲問題，提高了系統(tǒng)的載流量、頻譜效率和吞吐量。本質(zhì)上看，上述跳波束系統(tǒng)的資源分配算法目標(biāo)是一樣的，即，通過對波束、帶寬、功率、時隙、時延等問題的優(yōu)化，提高系統(tǒng)的資源利用率。但從優(yōu)化模型的種類來看，上述資源分配方法可以分為兩類，即文獻[10-15]中離線的動態(tài)資源分配方法和文獻[16，17]中在線的深度學(xué)習(xí)方法。前者的優(yōu)點是可根據(jù)某一場景某些指標(biāo)內(nèi)容設(shè)計精細(xì)的模型，模型復(fù)雜度相對較低，缺點是系統(tǒng)場景或方案稍有變化，就需要重新修改模型或搜索算法，不適應(yīng)動態(tài)變化的場景。后者的優(yōu)點是可以通過在線學(xué)習(xí)，適應(yīng)不同場景下的資源優(yōu)化分配需求，缺點是適應(yīng)多場景的深度強化學(xué)習(xí)模型復(fù)雜度相對較高，對計算資源需求較高。從上述梳理分析可以看出，跳波束資源分配方法由單一維度的時隙分配，向帶寬、功率、波束尺寸、QoS保障等多維度聯(lián)合分配以及動態(tài)智能化的方向發(fā)展。

2.4 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)地面驗證技術(shù)

歐洲航天局BEHOP項目對跳波束系統(tǒng)進行了地面驗證，驗證方案如圖4所示。圖中設(shè)置了兩個接收站點，上面的為德國埃朗根衛(wèi)星接收站，下面的為法國朗布依埃衛(wèi)星接收站。在發(fā)送端，寬帶跳波束模擬器產(chǎn)生成啞元數(shù)據(jù)、波束切換時間表(Beam Switching Time Plan，BSTP)，發(fā)送到衛(wèi)星載荷模擬器(Payload Emulator，PLE)。PLE執(zhí)行預(yù)先配置好的波束跳變計劃，輸出參考波束和用戶波束兩路信號。用戶波束通過移頻器，進入合路器，然后兩路信號并行進入L波段上行鏈路傳輸。接收端，分為參考端(Reference Terminal，RT)和測量端(Measurement Terminal，MT)。RT連接到主天線，對轉(zhuǎn)發(fā)器D03轉(zhuǎn)發(fā)的參考波束進行評估，將測量偏差通過IP連接反饋給跳波束調(diào)制器。MT連接到較小的天線，對SNR(Signal to Noise Ratio)和同步參數(shù)等進行測量。兩種終端的反饋和測量數(shù)據(jù)都記錄電腦上。

圖4 跳波束系統(tǒng)地面驗證流程[18]

該地面系統(tǒng)完成了以下驗證：(1)演示完整的信號傳輸鏈路，提供跳波束網(wǎng)絡(luò)仿真；(2)增強型寬帶調(diào)制器(支持DVB-S2X附件E超幀格式)為波束提供對齊的數(shù)據(jù)流；(3)建立用于模擬衛(wèi)星跳波束的硬件仿真器；(4)終端設(shè)備進行突發(fā)信號接收；(5)通過參考終端的反饋，在網(wǎng)關(guān)和衛(wèi)星之間開發(fā)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)。地面驗證結(jié)果如下：所有測試場景網(wǎng)絡(luò)獲取時間約為3～4秒，終端同步誤差約為24us，SNR測量值與鏈路預(yù)算相符，整個地面驗證系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果[18]。

3 衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)發(fā)展展望

跳波束技術(shù)可以根據(jù)需求靈活地分配系統(tǒng)資源，實現(xiàn)波束“什么時候需要，什么時候到那里”的能力，更好滿足對移動流量的需求，比如飛機、輪船的上網(wǎng)和娛樂系統(tǒng)。跳波速系統(tǒng)面臨的一個核心問題是波束如何跳？本文結(jié)合人工智能等新興技術(shù)對上述問題進行解答并給出未來展望。

(1)智能天線+跳波束技術(shù)

天線作為跳波束系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了波束"指哪跳哪"的功能。從單饋源天線到自適應(yīng)陣列天線，天線的智能化拓展了跳波束系統(tǒng)的感知和跳變能力。通過智能天線對信源的定位、信道的感知以及目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤能力，跳波束系統(tǒng)可以自適應(yīng)地選擇最佳的鏈路、波束尺寸和形狀，躲避干擾，實現(xiàn)對陸、海、空等移動目標(biāo)連續(xù)與突發(fā)業(yè)務(wù)的服務(wù)能力。因而，智能天線+跳波束技術(shù)，將使波束跳的“更準(zhǔn)確、更明智”。

(2)人工智能+跳波束技術(shù)

資源分配規(guī)劃是實現(xiàn)跳波束系統(tǒng)“何時跳到何地”的重要前提，高通量技術(shù)的發(fā)展，使得多信關(guān)站、多波束簇、多終端的跳波束資源分配變得極其復(fù)雜。人工智能技術(shù)具有強大的動態(tài)決策與規(guī)劃能力。人工智能+跳波束技術(shù)將使得跳波束系統(tǒng)的資源分配由單一資源、單一層級、靜態(tài)的分配，向著空間、時間、頻率、功率、帶寬、波束尺寸等多個維度聯(lián)合、多層級、動態(tài)的分配發(fā)展。因此，人工智能+跳波束技術(shù)將使波束跳的“更高效、更智能”。

(3)DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)+跳波束技術(shù)

跳波束技術(shù)已經(jīng)納入DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)，但目前關(guān)于DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)下的跳波束波形設(shè)計和相關(guān)技術(shù)研究并不多。DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)，作為衛(wèi)星通信中廣泛應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn)，基于該標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的跳波束系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)，在不同衛(wèi)星間兼容性強，互操作性高，有利于快速部署。所以，采用DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)+跳波束的技術(shù)，將使波束跳變的“更兼容、更規(guī)范”。

4 結(jié)論

本文對跳波束技術(shù)的系統(tǒng)組成部分進行了介紹，并從跳波束控制器架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)波形與網(wǎng)同步設(shè)計、資源分配算法、地面驗證技術(shù)等4個方面對跳波束系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理與分析。同時給出跳波束后續(xù)的發(fā)展展望，指出跳波束技術(shù)與智能天線技術(shù)、人工智能技術(shù)以及DVB-S2X標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，能夠使跳波束系統(tǒng)中波束跳的“更準(zhǔn)確、更高效、更智能”，有效提高跳波束系統(tǒng)的服務(wù)能力。