低軌高通量星座系統(tǒng)波束設計方案研究

解寧宇，陳任翔，馬廣輝，楊 波（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450007；.銀河航天（北京）網(wǎng)絡技術有限公司，北京 00000）

1 概述

信息通信技術領域正處于全面變革的關鍵時期。地面移動通信向著具有高速率、低延時和大規(guī)模接入等特征的6G 時代大步邁進，目前技術已趨于成熟［1］。與此同時，以低軌高通量寬帶星座系統(tǒng)為代表的新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空間信息技術，也以全球、全程、泛在的寬帶數(shù)據(jù)接入能力，成為重要發(fā)展方向之一［2］。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面5G 的天地融合通信可以在不受地理條件限制的萬物泛在互聯(lián)中發(fā)揮不可替代的作用，并衍生出全新的天地融合通信應用場景，廣泛服務于各類用戶的通信需求［3］。

基于中國聯(lián)通“空天地一體化”網(wǎng)絡演進計劃，低軌高通量系統(tǒng)及其空地一體技術將是未來移動通信的重要研究內(nèi)容［4］。文章面向低軌高通量星座系統(tǒng)建設，結合某一具體應用場景，研究了以Ka 頻段為代表的低軌高通量星座系統(tǒng)波束設計方案，為未來低軌高通量星座系統(tǒng)設計打下基礎。

2 低軌高通量星座波束分析

2.1 用戶需求分析

低軌高通量通信星座主要應用在三大領域、10 個具體應用場景，如圖1所示。

圖1 低軌高通量星座應用場景

高流量固定節(jié)點通信主要包括內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）、邊緣計算技術（MEC）信息分布、移動基站、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點數(shù)據(jù)回傳，大型企業(yè)和駐外機構的互聯(lián)網(wǎng)接入等，該類節(jié)點特征為固定使用、流量要求高，多用于補充地面基礎設施的不足［5］。中流量快速移動通信主要包括航空、航海、高鐵、無人機等，應用場景大多是地面網(wǎng)絡覆蓋的盲區(qū)［6］。低流量散布用戶通信主要包括個體/家庭互聯(lián)網(wǎng)接入、車聯(lián)網(wǎng)和智慧汽車等，用戶分散、流量需求不大，多用于基礎設施不足地區(qū)，此類散布的用戶適合用衛(wèi)星來保障［7］。此外，政府、應急通信和智慧海洋等應用兼有上述三大領域的應用特點。

2.2 高通量衛(wèi)星波束特點分析

與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，高通量衛(wèi)星具有容量大、速率高、抗干擾性強等特點，在網(wǎng)絡通信延伸、骨干網(wǎng)絡備份、邊遠地區(qū)覆蓋、應急通信保障等方面發(fā)揮著不可替代的作用［8］。

圖2 給出了以Ka 頻段為代表的高通量衛(wèi)星波束與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比的特點。

圖2 高通量衛(wèi)星波束特點

a）頻帶寬，通信資源豐富。Ka 頻段工作范圍為26.5～40 GHz，可用帶寬高達13 500 MHz，遠超C 頻段（3.95～8.2 GHz）和Ku 頻段（12.4～18.0 GHz）［9］。通過波束多色復用技術，可將通信可用頻帶擴展為58 968 MHz，在相同編碼調(diào)制方式下，通信數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)Ku頻段通信系統(tǒng)的5倍以上［10］。

b）通信速率快?，F(xiàn)有Ka 頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)前向單載波傳輸速率可達到約150 Mbit/s，回傳單載波傳輸速率可達到約20 Mbit/s，其用戶端回傳速率是傳統(tǒng)Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)速率的5～6倍，極大地提升了系統(tǒng)的傳輸速率［11］。

c）點波束增益高，信號質(zhì)量好?，F(xiàn)有C、Ku 頻段通信衛(wèi)星，采用賦形波束實現(xiàn)衛(wèi)星信號的覆蓋，在衛(wèi)星輻射能量一定的前提下，各區(qū)域分得的信號能量值相對較小，導致信號質(zhì)量較弱［12］。高通量衛(wèi)星星座采用點波束實現(xiàn)通信區(qū)域的覆蓋，在衛(wèi)星輻射能量相同的條件下，所有信號能量都被分配到覆蓋的點波束區(qū)域［13］。

2.3 波束選型分析

衛(wèi)星波束是指由衛(wèi)星天線發(fā)射出來的電磁波在地球表面上形成的形狀，按照業(yè)務類型可分為發(fā)送控制指令的信令波束和發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)的業(yè)務波束；按照波束形狀可分為全球波束、點形波束、賦形波束；按照波束寬度可分為窄波束和寬廣波束［14］。低軌衛(wèi)星波束設計必須考慮規(guī)避對靜止軌道衛(wèi)星（GSO）的干擾，滿足《無線電規(guī)則》22 條的要求［15］。結合低軌衛(wèi)星星座的特性，決定采用寬信令波束和業(yè)務點波束進行設計，信令波束采用寬波束覆蓋星下整個業(yè)務區(qū)，業(yè)務波束均采用動態(tài)點波束，信令波束和業(yè)務波束使用不同的頻率，或采用碼分，以下將重點針對業(yè)務點波束進行分析設計。

3 波束設計方案

3.1 用戶接入方案

考慮到衛(wèi)星和地面終端初始接入時相互掃描時間較長，該方案主要使用點波束凝視的方式服務于已知用戶的應用場景，用戶接入方案如下。

a）地理位置已知的固定用戶接入方法。對于需要服務且地理位置已知的固定用戶，衛(wèi)星使用動態(tài)點波束，凝視預定的服務區(qū)域，當一顆衛(wèi)星移出用戶可視區(qū)域時，用接續(xù)衛(wèi)星進行覆蓋，該區(qū)域的用戶將始終有信號覆蓋，終端需要接入時，使用預存的星歷搜索衛(wèi)星接入衛(wèi)星系統(tǒng)［16］。

b）飛行或航行路線（包括時間信息）已知的移動用戶接入方法。盡管移動用戶的位置是移動的，但若知道其帶有時間信息的飛行或航行路線，其地點可以預測，因此可以轉(zhuǎn)化為位置固定用戶的接入方式。根據(jù)移動用戶的移動航跡的預知信息，衛(wèi)星系統(tǒng)預測其服務的起始地點、時間和規(guī)劃路線，調(diào)度衛(wèi)星點波束在該時刻照射該區(qū)域，接下來接入方式同上。待接入后，衛(wèi)星系統(tǒng)使用點波束跟蹤該移動用戶［17］。

c）地理位置和移動航跡均未知的用戶接入方式。用戶需要接入時，開機后根據(jù)預存的星歷搜索衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星波束和用戶波束均為窄波束，相互搜索，接入時間與星歷準確度密切相關且無法保障服務質(zhì)量［18］。

3.2 波束設計

本文結合星網(wǎng)公司公開資料及星網(wǎng)公司低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座需求進行波束設計分析。點業(yè)務波束要求其天線增益滿足在±53°覆蓋區(qū)內(nèi)大于13 dBi。選擇多波束天線設計方案，即業(yè)務波束由4×4 個波束進行蜂窩式覆蓋，每個波束寬度為26.8°，波束邊緣增益約為13 dBi。

a）頻率選擇。目前高通量衛(wèi)星多選用Ka 頻段，由于19.7～20.2 GHz 頻段沒有下行APFD（NGSO 上行干擾信號對GSO 衛(wèi)星的保護）限值要求，同時下行EPFD（NGSO 下行干擾信號對GSO 地球站的保護）限值比17.7～19.7 GHz 低10 dB，因此信令波束頻率選擇19.7～20.2 GHz 頻段。

b）帶寬選擇?？紤]到Ka 頻段低軌星座的軌道高度和用戶容量需求，單星采用14 個信令波束來支持1 400 個激活用戶并發(fā)接入系統(tǒng)，并支持共計1.4 萬個在網(wǎng)用戶。單個信令波束約100 kbit/s 的傳輸速率來保障100 個激活用戶的接入需求?？紤]到用戶終端性能，單個信令波束的上行帶寬設計為5 MHz，在干擾可控的情況下可采用四色復用的方式分配14 個波束的頻點。信令波束使用頻段：19 700～20 200 MHz。根據(jù)《無線電規(guī)則》22 條的EPFD 限值-154 dB（W/m2）@40 kHz，信令波束在覆蓋邊緣的天線增益為14 dBi，中間波束增益為20 dBi，并且中間波束的傳播路徑更短，因此，中間波束的功率及EIRP 都需要比邊緣波束低。

c）鏈路預算分析。衛(wèi)星鏈路預算方法有正推法、倒推法以及功帶平衡法，其中正推法一般在發(fā)射站功放、接收站天線口徑、調(diào)制方式、信息速率、前向糾錯編碼率、誤碼率要求、傳播可用度等確定的情況下，逐步計算上、下行載噪比，推算出系統(tǒng)Eb/N0。根據(jù)Eb/N0余量情況調(diào)整功放實際發(fā)射功率、功率分配因子使系統(tǒng)余量達到設計使用要求。以下將通過正推法，在主站、端站設備確定的情況下，驗證傳播可用帶寬選擇是否能夠滿足系統(tǒng)Eb/N0最低要求，正推法流程如圖3所示。

圖3 正推法流程圖

分析低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)典型的便攜移動站對通應用場景，接收天線口徑為0.45 m，接收天線增益為35.84 dBi，采用鏈路預算正推法，輸入業(yè)務波束相關參數(shù)，得出如表1所示的鏈路預算結果。

4 結論

由表1結果可知，為了滿足單個波束的傳輸速率，以100 kHz 帶寬計算鏈路容量，對于0.45 m 口徑的終端，以仰角25°工作時，Eb/N0鏈路仍有1.73 dB 余量，滿足標準要求，此時波束的傳輸速率可達110 kbit/s。

表1 業(yè)務波束鏈路預算

業(yè)務波束采用信令點波束對星下業(yè)務區(qū)分時覆蓋，采用自適應動態(tài)點波束技術，在有用戶需求時，能夠產(chǎn)生凝視用戶的波束，凝視波束采用空間復用或時間/空間復用相結合的方式可同時服務于多個分散的區(qū)域，實現(xiàn)衛(wèi)星服務能力與用戶需求的靈活匹配。適合于“大分散、小集中”的用戶地域分布特征，尤其適合于大容量2B 業(yè)務。