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【摘 要】目前我國地面通信網(wǎng)建設(shè)齊全，但機載寬帶通信發(fā)展緩慢，而Ka頻段高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展為我國機載寬帶通信帶來了新的契機。本文基于機載終端移動性的特點，針對Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)波束切換特性進(jìn)行分析研究，提出了一種終端在高速移動狀態(tài)下的波束切換策略。

【關(guān)鍵詞】高通量衛(wèi)星通信;機載通信終端;波束切換

中圖分類號： V474.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0219-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.102

Research on Airborne Satellite Communication Technology Based on Ka High-throughput

Satellite Communication System

CHEN Tuo LIU Hai-ke WANG Da-yin HAO Xiao-qiang

（Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100095，China）

【Abstract】At present， China's ground communication network is well established，but the development of airborne broadband communication is slow. The development of Ka-band high-throughput satellite communication system brings new opportunities for airborne broadband communication in China. Based on the mobility characteristics of airborne terminals， the beam switching characteristics of Ka high-throughput satellite communication system are analyzed and studied in this paper， and a beam switching strategy of terminal in high-speed mobile state is proposed.

【Key words】High-throughput satellite communications; Airborne Communication Terminal; Beam switching

0 引言

目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已成為世界電信結(jié)構(gòu)中的重要部分，為世界各國提供電話、數(shù)據(jù)和視頻等服務(wù)。衛(wèi)星通信技術(shù)在國際通信、國內(nèi)通信、移動通信和廣播電視等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在我國，尤其是在山區(qū)、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)或災(zāi)區(qū)及遠(yuǎn)洋艦隊等陸地通信不易覆蓋的地區(qū)，衛(wèi)星通信技術(shù)一直擁有著無可替代的作用。但在機載通信方面，我國目前剛處于起步的階段，其普及率遠(yuǎn)低于北美、中東及歐洲地區(qū)，并且目前已具備通信功能的民航客機，因為可用帶寬較窄，使乘客無法擁有較好的上網(wǎng)體驗。

過去我國通信衛(wèi)星主要覆蓋到C頻段和Ku頻段，可用帶寬比較窄，昂貴的頻率資源使衛(wèi)星通信很難應(yīng)用在民航上。Ka頻段大容量多媒體通信衛(wèi)星較傳統(tǒng)的C頻段、Ku頻段通信衛(wèi)星具有多點波束、可用頻帶寬、頻率復(fù)用、單點波束增益高等技術(shù)特點優(yōu)勢，系統(tǒng)容量高于傳統(tǒng)系統(tǒng)十倍到百倍?；贙a頻段大容量多媒體通信衛(wèi)星的Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠使得衛(wèi)星通信單位帶寬的使用成本大幅降低。應(yīng)用在民航通信上，可使用戶在合理的經(jīng)濟開銷內(nèi)，擁有較好的上網(wǎng)體驗[1]。

1 Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)由信關(guān)站和各類終端站組成。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)示意圖

Ka頻段大容量多媒體通信衛(wèi)星一般為大容量多波束衛(wèi)星，其有效載荷需包括1個或多個饋電波束和多個用戶波束;信關(guān)站位于饋電波束覆蓋下，信關(guān)站之間通過地面光纖網(wǎng)互聯(lián)，每個信關(guān)站管理多個用戶波束覆蓋下的終端;主控站負(fù)責(zé)對全網(wǎng)資源和業(yè)務(wù)流量等的分配和管理，并配置交換設(shè)備或網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過光纖或有線鏈路與Internet等地面網(wǎng)相連。信關(guān)站主要分為網(wǎng)絡(luò)管理器（簡稱網(wǎng)管，負(fù)責(zé)全網(wǎng)通信模式的配置及終端管理）、網(wǎng)絡(luò)控制器（簡稱網(wǎng)控，負(fù)責(zé)全網(wǎng)的資源管理與分配）、基帶子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)信關(guān)站端的基帶與中頻信號的處理）、射頻子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)射頻收發(fā)與變頻）。

終端站位于用戶波束覆蓋下，根據(jù)所在區(qū)域不同，從覆蓋該區(qū)域的用戶波束所屬的信關(guān)站獲取服務(wù)。終端站支持終端站之間以及終端站和Internet等地面網(wǎng)用戶之間的話音、視頻、數(shù)據(jù)通信。

Ka頻段大容量多媒體通信衛(wèi)星的每個點波束只覆蓋區(qū)域空間，相鄰的點波束會有部分區(qū)域重疊。飛機在飛行過程中，必定會跨多個波束覆蓋區(qū)域，所以在通信業(yè)務(wù)不中斷的情況下跨波束切換，是機載衛(wèi)星通信終端的核心技術(shù)點。

2 波束切換策略

2.1 波束切換基本方法

如圖2所示，當(dāng)終端在波束1的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動過程中，從飛機的慣導(dǎo)系統(tǒng)中獲取當(dāng)前的位置信息，并實時向信關(guān)站發(fā)送移動性位置參數(shù)（經(jīng)緯度，高度），當(dāng)終端檢測到相鄰波束2時，發(fā)送登錄波束和候選波束數(shù)據(jù)給網(wǎng)控，網(wǎng)控會記錄終端當(dāng)前的位置。當(dāng)終端移動到波束1和波束2的邊界切換點時，終端發(fā)送切換請求給網(wǎng)控，網(wǎng)控在預(yù)留資源同時將切換請求發(fā)送給網(wǎng)管，由網(wǎng)管根據(jù)波束負(fù)載決策切換[2]。飛機飛行速度一般為340m/s，波束重疊區(qū)域一般為幾十公里，一般波束邊緣區(qū)域表示其EIRP值比中心區(qū)域低5dB，出該區(qū)域其也可保持上線通信，因此為了避免乒乓切換，在切換判決上會在地理位置上留有一定余量。

為保證終端在波束切換過程中業(yè)務(wù)不中斷，一方面終端要具備同時接收兩個波束下載波的能力，另一方面，當(dāng)飛機進(jìn)入波束重疊區(qū)域時，網(wǎng)控要提前為終端規(guī)劃候選波束的資源，待飛機飛過切換點時為終端及時分配資源。

2.2 波束切換流程

2.3 終端波束位置獲取算法

由于在同一系統(tǒng)中，波束的大小并不是尺寸一致的，且對于不同波束，其G/T值和EITP值均有不同，則反映在模型中應(yīng)為波束的尺寸不同，波束覆蓋及尺寸的模型會在系統(tǒng)建設(shè)之初輸入，因此對于終端所處位置的判定需考慮上述情況。

2.3.1 終端波束位置定位算法概述

（1）將波束建模為多邊形，該多邊形尺寸在覆蓋范圍上應(yīng)比衛(wèi)星系統(tǒng)所給波束（所給波束范圍一般為中心點EIRP值跌落3～5dB）范圍略大，而多邊形的邊界即可定義為切換邊界，該方法可防止出現(xiàn)乒乓切換情況出現(xiàn);

（2）考慮主站側(cè)存儲能力和計算能力可遠(yuǎn)超終端，因此在終端中模擬波束的多邊形邊數(shù)可定義為邊數(shù)較少的多邊形，即模擬精度略低，存儲值較少，計算處理時間較短，而在主站中可用較多邊數(shù)的多邊形，盡量逼近波束覆蓋范圍[4];

（3）終端初步、快速的判定當(dāng)前所處波束，向主站給出切換建議，由主站進(jìn)行核準(zhǔn)與精確計算，并反饋確認(rèn)信息，如主站不建議卻換，可給出不切換建議;

（4）波束位置確認(rèn)算法采用PNPoly算法。

2.3.2 PNPoly算法原理

在實際中，切換波束會根據(jù)實際情況進(jìn)行微調(diào)，并不是標(biāo)準(zhǔn)的正方形，此時，為了接近真實情況，切換波束應(yīng)為不規(guī)則的多邊形，所以規(guī)劃的波束邊緣由多個點組成。此時，不能夠簡單的使用臨界經(jīng)緯度來判斷終端所在波束中。

利用W.Randolph Franklin提出的PNPoly算法，只需少量代碼就可解決該問題。計算終端上報的經(jīng)緯度點是否在當(dāng)前波束范圍內(nèi)（由多個點組成的區(qū)域），此時的波束點數(shù)組為lng[N]={};lat[N]={}。如，d1區(qū)域：lng[4]={0，0，20000，20000};lat[4]={0，20000，20000，0}。把數(shù)組的值，賦給對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體里面的經(jīng)度和緯度。

根據(jù)Jordan曲線定理，多邊形將平面分為內(nèi)外兩個區(qū)域，假設(shè)待測點在多邊形內(nèi)部，從待測點引出一條射線必然會與多邊形有至少一個交點。該射線與多邊形第一次相交時將“沖出”多邊形，第二次相交將“進(jìn)入”多邊形，依此類推，若射線與多邊形有奇數(shù)數(shù)量的交點，則該點在多邊形內(nèi)部，反之則在外部，此算法的優(yōu)點是能夠適應(yīng)如凹邊形等特殊情況，但是不能適用于同心圓等多邊形內(nèi)含多邊形的情況[5]。PNPoly算法正是從待測點引出一條水平向右的射線，并計算與多邊形的交點個數(shù)。

如圖4所示，七邊形之外的點，由于7-1，1-2，3-4，4-5，5-6這5條邊都不符合（verty[i]>testy）！=（verty[j]>testy），所以需要驗證6-7，2-3這兩條邊的（testx<（vertx[j]-vertx[i]）*（testy-verty[i]）/（verty[j]-verty[i]）+vertx[i]。通過驗證可知，兩條邊都符合此條件，點在多邊形外。

如上圖所示，七邊形之內(nèi)的點，由于7-1，1-2，3-4，4-5，5-6這5條邊都不符合（verty[i]>testy）！=（verty[j]>testy），所以需要驗證6-7，2-3這兩條邊的（testx<（vertx[j]-vertx[i]）*（testy-verty[i]）/（verty[j]-verty[i]）+vertx[i]。通過驗證可知，只有一條邊符合情況，點在多邊形內(nèi)。

2.4 波束切換算法

2.4.1 測量周期

移動終端的位置測量周期與反饋周期應(yīng)于移動終端的移動速度相關(guān)，對于機載終端，其應(yīng)具有較短的測量周期與反饋周期。

測量的反饋是攜帶在終端向信關(guān)站發(fā)送的信令中，因此考慮飛機飛行速度與波束重疊區(qū)覆蓋范圍，反饋時間應(yīng)低于飛機在波束重疊區(qū)邊緣到切換點的飛行時間。

2.4.2 何時切換

為了合理的觸發(fā)切換動作，需對移動終端何時提出切換請求作出分析，為了方便表示，后面的圖示中將波束描述成圓形，但在實際系統(tǒng)中波束將被建模成多邊形。且在實際系統(tǒng)中，不同波束的大小可能不同，因此在考慮切換算法時還需不同大小波束之間切換的場景。

為了避免乒乓切換的情況并提高切換成功率，在波束模型中引入切換余量，即當(dāng)前移動終端所處波束的半徑比實際情況設(shè)定的略大一些，如圖5所示：

在移動終端的切換過程中，余量區(qū)域永遠(yuǎn)只作用于終端所處的當(dāng)前波束，而對于待切換的候選波束，不采用余量區(qū)域波束，而使用正常的波束區(qū)域形式。

波束切換時機可按如下思路考慮：

如圖6所示，波束1為當(dāng)前波束的遲滯余量波束，當(dāng)終端飛離波束1的時刻，終端提出切換申請，即終端穿過曲線PQ即觸發(fā)波束切換申請。

判斷方法如下：記錄當(dāng)前終端所處位置，判斷與上一次所處位置是否發(fā)生當(dāng)前波束內(nèi)或當(dāng)前波束外的狀態(tài)變化，如發(fā)生，則觸發(fā)切換申請。

如果在多個波束覆蓋的情況下，有可能出現(xiàn)當(dāng)切換發(fā)生時，有多個備選的待切換波束，這些波束根據(jù)移動軌跡的不同，有的可能是更優(yōu)的備選波束，有的可能較差，但其實對于切換而言，由于考慮了遲滯余量，因此即便第一次選擇的是較差的波束，也可在足夠的時間內(nèi)再次進(jìn)行切換，因此，該方案中，在切換時當(dāng)有多個備選切換波束時，可隨機選擇一個最有第一備選切換波束即可。

2.4.3 波束位置信息存儲形式

（1）波束信息在主站和移動終端中，主要以多邊形的形式存儲，這樣存儲多邊形頂點即可;

（2）針對每一個波束，需存儲兩種波束模型，一種為常規(guī)模式，另一種為切換余量模式，切換余量模式在半徑上略大于常規(guī)模式，具體值仿真驗證時確定;

（3）根據(jù)不同的場景選用不同的波束模型進(jìn)行計算。

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)民用Ka高通量衛(wèi)星正處于高速發(fā)展中，按照目前趨勢來看，Ka寬帶多媒體衛(wèi)星的波束將會覆蓋全國，屆時將會給中國民用衛(wèi)星通信，尤其是機載衛(wèi)星通信帶來高速發(fā)展的契機。相信在不遠(yuǎn)的未來，機載移動通信服務(wù)，并成為運營商和民航公司的一個新的盈利模式。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃松濤，李洲.機載互聯(lián)網(wǎng)的通信衛(wèi)星實現(xiàn)方式分析和展望 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化 2018 31（11）.

[2]ETSI TS 101 545-1 V1.1.1："Digital Video Broadcasting （DVB）;Second Generation DVB Interactive Satellite System（DVB-RCS2）;Part 1：Overview and System Level specification;DVB Document A155-1"，European Telecommunications Standards Institute ，2013-01.

[3]ETSI TS 101 545-3 V1.1.1： "Digital Video Broadcasting （DVB）; Second Generation DVB Interactive Satellite System（DVB-RCS2）;Part 3： Higher Layers Satellite Specification; DVB Document A155-3"，European Telecommunications Standards Institute ，2013-01.

[4]張佳樂，錢紅燕，成翔，陳兵.一種軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多波束切換機制，北京航空航天大學(xué)學(xué)報 2018：44（12）.

[5]胡俊祥，賀翔，唐勁夫.衛(wèi)星移動通信中波束切換模型和方法研究 現(xiàn)代計算機（專業(yè)版），2018（19）.