胡俊祥，賀翔，唐勁夫

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州510663)

0 引言

（1）研究背景

隨著“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，中國(guó)軍隊(duì)、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(diǎn)，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(wú)法實(shí)現(xiàn)完整覆蓋，而且通信容量也無(wú)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(lái)，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(dòng)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(gè)的通信波束，波束間采用頻率復(fù)用技術(shù)來(lái)提升通信容量，在這些波束間移動(dòng)也將面臨同樣的問題。

當(dāng)衛(wèi)星地球站離開自己的波束進(jìn)入另一個(gè)衛(wèi)星的波束時(shí)即發(fā)生了波束切換，由新的服務(wù)提供商來(lái)提供服務(wù)，這和手機(jī)出國(guó)漫游非常類似。

（2）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外已有成熟的衛(wèi)星波束切換解決方案，目前幾個(gè)洲際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也由國(guó)外運(yùn)營(yíng)，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(gè)別系統(tǒng)已經(jīng)做到全球漫游。

圖1 跨波束切換模型

國(guó)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(dòng)業(yè)務(wù)近年來(lái)也在逐步增長(zhǎng)，但大部分移動(dòng)應(yīng)用仍集中在一個(gè)較大的波束內(nèi)，無(wú)需考慮波束切換的問題。隨著我國(guó)第一顆高通量衛(wèi)星的投入使用和國(guó)家海外政策的引導(dǎo)，越來(lái)越多的國(guó)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?jī)?nèi)容

目前主流的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是遵循IPoS（TIA-1008）標(biāo)準(zhǔn)[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(yuǎn)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?fù)?/h3>

圖3 典型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

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(gè)遠(yuǎn)端站（固定站或移動(dòng)站）均處于某一個(gè)衛(wèi)星廣播分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中（后面簡(jiǎn)稱衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)），由一個(gè)信關(guān)站進(jìn)行管理，所有星地?cái)?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(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定義為信關(guān)站和一組遠(yuǎn)端站之間的交互鏈路，遠(yuǎn)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(yuǎn)端站之間是否存在單跳衛(wèi)星鏈路。衛(wèi)星鏈路的設(shè)計(jì)，決定了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)常見的拓?fù)潢P(guān)系如下圖所示，主要包含了寬波束拓?fù)浜投嗖ㄊ負(fù)鋬煞N類型。獨(dú)立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括以下幾個(gè)層級(jí)。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(gè)通信頻段的一個(gè)或多個(gè)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(yuǎn)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(guò)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(gè)波束內(nèi)可以建立多個(gè)通信鏈路，這些相互關(guān)聯(lián)的通信鏈路便組成一個(gè)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(yuǎn)端站，包括固定站和移動(dòng)站兩類?！靶l(wèi)星>信關(guān)站>波束>網(wǎng)絡(luò)>遠(yuǎn)端站”的歸屬關(guān)系對(duì)于固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS）來(lái)說(shuō)是一直不變的，但對(duì)于移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）來(lái)說(shuō)歸屬關(guān)系就會(huì)隨時(shí)移動(dòng)站的物理位置變化而變化。

2.2 波束切換場(chǎng)景

通過(guò)對(duì)站點(diǎn)移動(dòng)行為的分析，我們歸納波束切換有三種典型場(chǎng)景。由于衛(wèi)星設(shè)計(jì)，信關(guān)站一般會(huì)管理若干個(gè)不同覆蓋的波束，從信關(guān)站中的一個(gè)波束跨越到另一個(gè)波束，我們稱為一類切換；二是從一個(gè)信關(guān)站管理的波束跨越到另一個(gè)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(guò)切換發(fā)生的層級(jí)，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(duì)于一類切換，只需要在信關(guān)站內(nèi)部進(jìn)行資源重新分配就可以實(shí)現(xiàn)切換。對(duì)于二類切換，則需要信關(guān)站之間進(jìn)行交互，移動(dòng)站的工作參數(shù)有可能需要作出較大的調(diào)整。對(duì)于三類切換，往往還會(huì)涉及到服務(wù)提供商之間的協(xié)商，過(guò)程更加復(fù)雜。

3 切換管理

3.1 移動(dòng)站管理

幾乎所有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)都會(huì)配置一個(gè)網(wǎng)管中心，移動(dòng)站需要在網(wǎng)管中心完成注冊(cè)后才能正常通信，并接受其管理。移動(dòng)站需要某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起通信，首先該網(wǎng)絡(luò)要登記有該移動(dòng)站，并通過(guò)信關(guān)站給移動(dòng)站分配一定的通信資源。對(duì)移動(dòng)站的登記方法有兩種，一種是當(dāng)移動(dòng)站注冊(cè)時(shí)，在移動(dòng)站可能出現(xiàn)的所有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中均進(jìn)行登記；另一種則是移動(dòng)站注冊(cè)時(shí)不在任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中登記，當(dāng)移動(dòng)站開機(jī)入網(wǎng)或進(jìn)入某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)再進(jìn)行臨時(shí)登記。第一種方式我們稱為預(yù)登記方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能更迅速地完成入網(wǎng)并有利于各網(wǎng)絡(luò)對(duì)該移動(dòng)站的管理，缺點(diǎn)是需要各網(wǎng)絡(luò)中維護(hù)一份該移動(dòng)站的數(shù)據(jù)；第二種方式稱為動(dòng)態(tài)登記，優(yōu)點(diǎn)是除了移動(dòng)站正在漫游的網(wǎng)絡(luò)，其余網(wǎng)絡(luò)無(wú)需感知該移動(dòng)站的存在（后面提到的家代理除外），缺點(diǎn)是移動(dòng)站每次進(jìn)入一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(diǎn)來(lái)看，針對(duì)三類切換場(chǎng)景可以有不同的選取。對(duì)于一類切換，由于切換會(huì)較為頻繁，推薦采用預(yù)登記方式。對(duì)于三類切換，由于移動(dòng)站需要跨越多個(gè)管理層級(jí)，推薦采用動(dòng)態(tài)登記方式。對(duì)于二類切換，則兩種切換方式都可以選取，建議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模來(lái)選取，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大越適合采用動(dòng)態(tài)登記的方式。

3.2 波束管理

衛(wèi)星信號(hào)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(lái)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(gè)兩個(gè)指標(biāo)越大越好，這兩個(gè)指標(biāo)也決定了衛(wèi)星地球站發(fā)射和接收能力的要求。這兩個(gè)類似等高線一樣的閉合曲線代表了衛(wèi)星信號(hào)的地區(qū)覆蓋強(qiáng)弱。對(duì)于同步軌道衛(wèi)星，由于其相對(duì)于地面是靜止的，因此其波束的覆蓋情況一般不會(huì)改變。但對(duì)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(dòng)站波束選擇的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后根據(jù)移動(dòng)站的能力和特點(diǎn)選擇一個(gè)能同時(shí)滿足移動(dòng)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(dòng)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(tái)等。

圖5 衛(wèi)星波束的EIRP分布圖

3.3 切換過(guò)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(dòng)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(duì)于信關(guān)站切換，當(dāng)信關(guān)站發(fā)現(xiàn)了移動(dòng)站進(jìn)入波束邊緣時(shí)，通過(guò)信令讓移動(dòng)站進(jìn)行切換。對(duì)于移動(dòng)站切換，則由移動(dòng)站根據(jù)自己的通信情況主動(dòng)申請(qǐng)切換。下面分別介紹兩種切換方式的工作方式和優(yōu)缺點(diǎn)。

信關(guān)站切換的流程圖如圖6所示。切換過(guò)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(dòng)站在波束中的位置以及通信鏈路質(zhì)量。信關(guān)站主動(dòng)切換可以有效地減少對(duì)移動(dòng)站的要求，但信號(hào)丟失后無(wú)法做到自動(dòng)回復(fù)，另外切換的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，不利于頻繁切換的場(chǎng)景。

圖6 信關(guān)站主動(dòng)切換流程

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

圖7 移動(dòng)站主動(dòng)切換流程

3.4 數(shù)據(jù)路由

信道切換完成后，移動(dòng)站就具備了在新的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(jī)制，在移動(dòng)站IP地址沒有發(fā)生改變的情況下，即使移動(dòng)站進(jìn)入了新的波束，IP數(shù)據(jù)包仍按原路由關(guān)系進(jìn)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(gè)方法，一是在新的網(wǎng)絡(luò)中重新為移動(dòng)站分配一個(gè)該波束下的IP地址，第二種方法就是移動(dòng)通信中常用的移動(dòng)IP技術(shù)。對(duì)于第一種方式，比較適合PPPoE這類的撥號(hào)接入方式，每次切換則進(jìn)行重新?lián)芴?hào)。獲取到新的IP地址后就可以在新波束下實(shí)現(xiàn)通信。

第二種方式是移動(dòng)IP，移動(dòng)IP包括移動(dòng)IPv4和移動(dòng)IPv6兩個(gè)版本，其中移動(dòng)IPv6是移動(dòng)IPv4的升級(jí)版本，但目前廣泛使用的仍是移動(dòng)IPv4。移動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備漫游。其中轉(zhuǎn)交地址指明了該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在外網(wǎng)中的當(dāng)前位置，家代理為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供移動(dòng)支持，它截獲發(fā)往在外網(wǎng)中漫游的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)，將該數(shù)據(jù)報(bào)路由至該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。外地代理則為在外地網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供接入、管理和報(bào)文轉(zhuǎn)交功能[2]。

圖8 移動(dòng)IP技術(shù)示意

所有發(fā)往移動(dòng)站的數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過(guò)家代理，并由家代理進(jìn)行轉(zhuǎn)交地址的IP包頭封裝，在家代理和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間形成了一條單向的隧道。移動(dòng)站的發(fā)出的數(shù)據(jù)可以直接使用數(shù)據(jù)真實(shí)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(biāo)主機(jī)，但會(huì)造成“三角路由”的問題。通信主機(jī)發(fā)往移動(dòng)主機(jī)的分組必須經(jīng)過(guò)家代理，而從移動(dòng)主機(jī)發(fā)往通信主機(jī)的分組是直接發(fā)送的，兩個(gè)方向的通信不是同一路徑，產(chǎn)生“三角路由”問題，這在移動(dòng)主機(jī)遠(yuǎn)離家代理，通信主機(jī)與移動(dòng)主機(jī)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(guò)隧道發(fā)給家代理，這對(duì)于加密傳輸、衛(wèi)星性能增強(qiáng)應(yīng)用方面有特殊的意義。

值得指出移動(dòng)IPv4存在的幾個(gè)問題：一是，移動(dòng)切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)包由于找不到轉(zhuǎn)交地址，報(bào)文一般都會(huì)被丟棄導(dǎo)致重傳頻繁；二是，采用隧道封裝會(huì)增加IP報(bào)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(gè)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(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的代理間通信報(bào)文，造成網(wǎng)絡(luò)性能下降；四是，漫游時(shí)QoS需要由多段鏈路共同完成，實(shí)現(xiàn)較為困難。五是、移動(dòng)IPv4協(xié)議只支持單個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，并不支持整個(gè)子網(wǎng)的移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)移動(dòng)需要進(jìn)行相應(yīng)升級(jí)設(shè)計(jì)。

移動(dòng)IPv6彌補(bǔ)了移動(dòng)IPv4的部分不足，定義了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、通信節(jié)點(diǎn)和歸屬代理三種操作實(shí)體，通過(guò)更多的機(jī)制來(lái)提高移動(dòng)過(guò)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(dòng)IPv4的問題，是未來(lái)地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從衛(wèi)星移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)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(guò)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯砍橄蟪鋈惽袚Q場(chǎng)景，最后對(duì)切換過(guò)程中的移動(dòng)站管理、波束管理、切換過(guò)程和數(shù)據(jù)路由等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究和論證。后續(xù)將針對(duì)具體的衛(wèi)星和應(yīng)用，對(duì)移動(dòng)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(jìn)行進(jìn)一步研究。