鄒永慶，章仁飛，張正宇，胡樹(shù)楷，姚艷軍，賀 超

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可以為陸、海、空、天各類(lèi)用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)接入與數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[1-4]，其服務(wù)區(qū)域跨度大，區(qū)域內(nèi)需要規(guī)劃的波位數(shù)目多[5-7]，因此需要為其設(shè)計(jì)單獨(dú)的管控鏈路。若同時(shí)為各區(qū)域內(nèi)用戶(hù)提供服務(wù)，則需要大量的管控波束通道，對(duì)星上處理能力、資源需求等提出了較高的要求[8-10]，因此可以考慮以相控陣跳波束的方式來(lái)承載網(wǎng)絡(luò)中控制類(lèi)信息的有效傳輸，完成高效的網(wǎng)絡(luò)管理與控制，以控制與業(yè)務(wù)分離的形式完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)工作流程[11-14]。本文針對(duì)GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)管控的特點(diǎn)，研究波束跳變策略?？紤]到各類(lèi)用戶(hù)的時(shí)間和空間分布存在不均勻性，以及管控需要服務(wù)的用戶(hù)運(yùn)動(dòng)軌跡變化規(guī)律等，需要研究波束分簇和構(gòu)形策略，使得分簇尺寸與分簇構(gòu)型均可根據(jù)業(yè)務(wù)分布靈活調(diào)整，簇間資源根據(jù)業(yè)務(wù)需求按需分配流動(dòng)。GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)管控波束前返向存在波位和波束不均衡問(wèn)題，為保證用戶(hù)高效接入，通過(guò)利用前向波束引導(dǎo)終端用戶(hù)接入，根據(jù)用戶(hù)分布及需求實(shí)現(xiàn)前返向波束的靈活配合，因此需要研究跳波束時(shí)間分片機(jī)制，確定波束和資源調(diào)度的時(shí)間間隔、跳變周期等關(guān)鍵參數(shù)；此外，需要研究波束跳變策略，設(shè)計(jì)波束跳變圖案，實(shí)現(xiàn)管控功能的按需覆蓋和系統(tǒng)資源的高效利用。

本文討論了面向業(yè)務(wù)需求的波束分簇構(gòu)形策略與面向資源全局調(diào)度的跳波束時(shí)間分片機(jī)制，介紹了面向資源高效利用的波束跳變策略，對(duì)GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)波束跳變策略進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 波束分簇構(gòu)型策略

1.1 跳波束系統(tǒng)模型

在跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)中，每個(gè)波束覆蓋范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)需求各不相同。為獲得靈活可變的系統(tǒng)容量，使用“時(shí)分+空分”的方法對(duì)衛(wèi)星時(shí)頻和功率資源等進(jìn)行調(diào)度，將覆蓋區(qū)域分簇管理，在空間上分成互相獨(dú)立分離的簇；再根據(jù)業(yè)務(wù)的需求不同，對(duì)各簇內(nèi)覆蓋范圍劃分成子區(qū)域，每一個(gè)子區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)波位，其模型如圖1所示。

圖1 覆蓋分簇模型Fig.1 Coverage clustering model

對(duì)于簇內(nèi)波位，每個(gè)時(shí)隙讓一個(gè)波位被點(diǎn)亮，在該時(shí)隙內(nèi)，被點(diǎn)亮的波位可以使用分給該簇上的全部星上資源。

1.2 簇間帶寬功率資源靈活分配方法

根據(jù)頻率復(fù)用方式的不同，跳波束系統(tǒng)可以分為全頻率復(fù)用和部分頻率復(fù)用。全頻率復(fù)用是指每個(gè)簇內(nèi)能夠使用的頻率資源是星上轉(zhuǎn)發(fā)器的全部帶寬，簇間波束通過(guò)空間隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)用，如圖2所示。在每個(gè)跳波束時(shí)間窗口周期內(nèi)，同時(shí)工作的跳波束簇通過(guò)空間隔離避免同頻干擾，達(dá)到全頻率復(fù)用的目標(biāo)。

圖2 簇間全頻率復(fù)用Fig.2 Inter-cluster full-frequency multiplexing

部分頻率復(fù)用方案是指每個(gè)簇使用所有星上轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬的一部分，同時(shí)工作的跳波束簇不需要空間隔離；另一方面可通過(guò)極化復(fù)用，提高系統(tǒng)頻譜利用效率。如圖3所示，系統(tǒng)等效頻譜復(fù)用因子為3，假設(shè)系統(tǒng)總可用頻帶為B，則分配給每個(gè)簇的頻帶B/3，在提高頻譜資源利用率的同時(shí)，最大限度避免簇間波束的同頻干擾。

圖3 簇間部分頻率復(fù)用Fig.3 Inter-cluster partial-frequency multiplexing

由于全頻率復(fù)用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、資源利用率高，且可以通過(guò)空間分離的方式避免簇間的同頻干擾，所以當(dāng)前跳波束系統(tǒng)中通常采用全頻率復(fù)用的方式，以充分發(fā)揮跳波束系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

除確定頻率復(fù)用方式外，還需要確定功率的使用方式。在現(xiàn)有的跳波束衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，出于簡(jiǎn)化系統(tǒng)考慮，通常采用簇間均勻功率分配方法，也就是說(shuō)每個(gè)簇分配的功率都是一致且不可調(diào)的。但是由于GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)管控波束服務(wù)區(qū)域范圍非常廣，不同的波束覆蓋區(qū)域信道條件可能會(huì)產(chǎn)生較大的差距。因此需要結(jié)合具體的分簇結(jié)果，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的簇間靈活功率分配方法，來(lái)提高星上的功率利用效率。

基于以上考慮，本文采取鄰近波束分簇方法，即同一個(gè)簇內(nèi)的波束在空間上基本都在一個(gè)比較集中的地區(qū)，可以近似認(rèn)為信道特性是相近的。綜合考慮波束分簇、信道特性及鏈路預(yù)算等因素，提出一種基于頻譜效率的簇間功率分配構(gòu)想，通過(guò)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簇間功率的靈活分配。

采用全頻帶復(fù)用的方式，每個(gè)簇內(nèi)可用帶寬是星上整個(gè)帶寬資源，用Bt表示。若星上總功率為Pt,由于采用的是均勻分簇方式，所以簇間功率通常是平均分配給各個(gè)簇，也就是說(shuō)，若系統(tǒng)總的分簇?cái)?shù)目為Nc，則每個(gè)簇的可用功率資源為Pt/Nc。因此可以選取未滿(mǎn)足系統(tǒng)容量作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，若第i個(gè)分簇內(nèi)所有波束的業(yè)務(wù)需求量為Rci，每個(gè)簇內(nèi)所分配得到的總?cè)萘繛镃T，建立以下分簇優(yōu)化模型：

s.t.1≤Nc≤Ntot，

(1)

式中，Ntot=NcMb為系統(tǒng)總的波束數(shù)目，Mb為簇內(nèi)的波位數(shù)量。

最優(yōu)化f(Pi)

式中，f(pi)是要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

簇間功率分配算法流程如下所示：

① 計(jì)算所有閾值功率值；

② 根據(jù)式(2a)獲取每個(gè)簇間的可用功率值；

③ 設(shè)置f(Pi)的初始值fintal和組合索引Pindex=0；

則fintal=fj;Pindex=j;

⑦ 輸出fintal和Pindex，根據(jù)Pindex查找最佳的簇間功率分配組合。

圖4為分簇優(yōu)化前后的系統(tǒng)性能對(duì)比圖，縱坐標(biāo)為業(yè)務(wù)未滿(mǎn)意量(各簇的實(shí)際鏈路容量與所需業(yè)務(wù)容量的差值)，說(shuō)明所提出的分簇策略能夠隨業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整，一定程度上解決了管控業(yè)務(wù)分布的空間不均性。

圖4 分簇優(yōu)化對(duì)比圖Fig.4 Comparison result of clustering optimization

2 跳波束時(shí)間分片機(jī)制

2.1 跳波束時(shí)間分片和波束駐留

建立高效的時(shí)間分片結(jié)構(gòu)、明確關(guān)鍵參數(shù)的定義是跳波束系統(tǒng)中需要解決的另一大問(wèn)題。根據(jù)全局資源高效調(diào)度的目標(biāo)，本文提出一系列的時(shí)間分片機(jī)制，通過(guò)分層多目標(biāo)優(yōu)化明確其關(guān)鍵參數(shù)。

圖5為波束跳變周期和波束駐留時(shí)間工作機(jī)制示意圖，具體參數(shù)如下：

圖5 波束跳變周期和波束駐留時(shí)間工作機(jī)制Fig.5 Beam-hopping period and beam-dwelling time work mechanism

① 跳波束時(shí)隙(Beam Hopping Slot，BHS)：BHS為波束駐留時(shí)間，是指分配給一個(gè)波束的最小持續(xù)時(shí)間?？筛鶕?jù)QoS和容量需求分配給各波束相應(yīng)的時(shí)隙個(gè)數(shù)。BHS作為物理幀的時(shí)間載體，一般為毫秒量級(jí)。

② 跳波束周期(Beam Hop Period，BHP)：完成一次遍歷所分配的BHS序列所需的時(shí)間。各波束所處的簇集合由動(dòng)態(tài)分簇策略得到，分配的各波束B(niǎo)HS個(gè)數(shù)和跳波束周期中的順序，由波束跳變策略得到。

③ 時(shí)隙切換時(shí)間(Slot Switch,SS)：為保護(hù)時(shí)間，其物理意義為一個(gè)波束切換到另一個(gè)波束所需的時(shí)間延遲，一般是微秒量級(jí)。切換可以在一個(gè)或多個(gè)BHS(一個(gè)波束可能有多個(gè)BHS)之后進(jìn)行。

④ 波束重訪時(shí)間：某個(gè)波束所分配的BHS資源塊之間的間隔時(shí)間。由于波束重訪時(shí)間過(guò)大，會(huì)影響用戶(hù)終端的同步。所以即使某個(gè)波束在特定的跳波束周期內(nèi)無(wú)業(yè)務(wù)需求(非熱點(diǎn)區(qū)域的波束)，也應(yīng)當(dāng)在周期內(nèi)分配一個(gè)BHS，在該時(shí)隙中發(fā)送同步、廣播等信令。

⑤ 跳序號(hào)(Hop Number，HN)：為跳波束時(shí)隙序號(hào)，HN是BHS的數(shù)字標(biāo)識(shí)符，BHP開(kāi)始處的第一個(gè)BHS的HN值為1；在每個(gè)BHP結(jié)束時(shí)，HN重新初始化為1；當(dāng)與波束標(biāo)識(shí)符成對(duì)使用時(shí)，HN可用作唯一的標(biāo)識(shí)符。

⑥ 跳波束時(shí)間計(jì)劃(Beam Hopping Time Plan，BHTP)：資源動(dòng)態(tài)分配的時(shí)間分片傳輸計(jì)劃，包括BHS、BHP、RVT、各波束分配的HN序號(hào)和帶寬、載波頻率等參數(shù)。BHTP需要考慮用戶(hù)申請(qǐng)、業(yè)務(wù)感知及系統(tǒng)資源等綜合因素，由網(wǎng)控中心提前生成，并發(fā)送給衛(wèi)星和地面系統(tǒng)。

2.2 跳波束周期和波束駐留時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)

波束跳變周期中Tw代表系統(tǒng)資源全局調(diào)度的周期，波束駐留時(shí)間中Td確定了資源調(diào)度的最小單位，設(shè)置合理的波束跳變周期Tw和波束駐留時(shí)間Td是高效使用系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)。

Tw越大，能夠支持的波束數(shù)越多，但是帶來(lái)的是時(shí)延的增加；Td越小，系統(tǒng)資源分配越靈活，但由于每個(gè)波束駐留時(shí)間都要有同步捕獲時(shí)間，Td越小將會(huì)造成資源利用效率的降低。綜合考慮以上因素，可利用多目標(biāo)優(yōu)化的方法來(lái)對(duì)波束跳變周期Tw和波束駐留時(shí)間Td進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在盡可能滿(mǎn)足系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全局資源的高效調(diào)度。

多目標(biāo)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型如式(3)所示：

(3)

目標(biāo)函數(shù)中τi為第i個(gè)波束的通信時(shí)延間隔，Cj為第j個(gè)波束分配的系統(tǒng)容量，2個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別表示簇內(nèi)波束的最大通信時(shí)延間隔以及分配得到的總吞吐量。約束條件中，Mb為簇內(nèi)的波束數(shù)目，TD為系統(tǒng)同步的最大保持時(shí)間，Ts為波束同步捕獲時(shí)間。針對(duì)以上的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，可利用最優(yōu)化、整數(shù)規(guī)劃及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化方法，來(lái)確定最終的波束跳變周期Tw和波束駐留時(shí)間Td。

3 波束跳變準(zhǔn)則

根據(jù)業(yè)務(wù)需求得到跳波束周期內(nèi)各波束分配的跳波束時(shí)隙BHS個(gè)數(shù)后，更重要的是確定簇內(nèi)波束跳變圖案設(shè)計(jì)，該問(wèn)題可等價(jià)轉(zhuǎn)換為：跳波束周期BHP內(nèi)各波束的跳波束時(shí)隙BHS的排序問(wèn)題。在某個(gè)跳波束周期內(nèi)，簇內(nèi)的波束根據(jù)是否有業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，可分為熱點(diǎn)區(qū)域波束和非熱點(diǎn)區(qū)域波束。各波束的跳變策略和工作流程要遵循如下準(zhǔn)則：

① 熱點(diǎn)區(qū)域波束：系統(tǒng)根據(jù)各用戶(hù)的業(yè)務(wù)申請(qǐng)，依據(jù)資源分配算法，對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域的波束分配相應(yīng)個(gè)數(shù)的BHS，以完成業(yè)務(wù)服務(wù)。

② 非熱點(diǎn)區(qū)域的波束：要考慮波束重訪時(shí)間的影響。這是因?yàn)橹卦L時(shí)間過(guò)大時(shí)，會(huì)影響用戶(hù)終端的同步，所以即使非熱點(diǎn)區(qū)域的波束在特定的跳波束周期內(nèi)無(wú)業(yè)務(wù)需求，也應(yīng)當(dāng)在周期內(nèi)至少分配一個(gè)BHS，在該時(shí)隙中發(fā)送同步、廣播等信令。

③ 熱點(diǎn)區(qū)域波束的BHS和非熱點(diǎn)區(qū)域的BHS可交替排序，使得波束重訪時(shí)間TRV和終端用戶(hù)同步的最大保持時(shí)間TD之間，滿(mǎn)足TRV≤TD。

上述波束跳變策略原理如圖7所示。

圖7 波束跳變策略原理圖Fig.7 Beam-hopping strategy schematic diagram

圖8為各波束信道條件相同時(shí)的仿真結(jié)果，圖9為信道條件不同時(shí)的仿真結(jié)果(40號(hào)波束的信道衰減較大，45號(hào)波束的信道衰減較小)。

圖8 信道條件相同F(xiàn)ig.8 Same channel condition

圖9 信道條件不同F(xiàn)ig.9 Different channel condition

在相同信道條件下，當(dāng)系統(tǒng)波束業(yè)務(wù)請(qǐng)求較小，n階差分目標(biāo)函數(shù)會(huì)忽略這些請(qǐng)求較小的波束，而為高業(yè)務(wù)請(qǐng)求的波束分配更多的資源。而公平性目標(biāo)函數(shù)則保證系統(tǒng)公平性，為低、高業(yè)務(wù)請(qǐng)求同樣分配相應(yīng)的資源。當(dāng)信道條件發(fā)生變化時(shí)，公平性目標(biāo)函數(shù)依然根據(jù)各波束的業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行公平分配，保證每個(gè)波束業(yè)務(wù)請(qǐng)求的滿(mǎn)足率相同；而n階差分目標(biāo)函數(shù)在信道條件不同的情況時(shí)，系統(tǒng)信道條件好的波束比信道條件差的波束可以獲得更多的容量。因此必須根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)和容量需求來(lái)選擇具體的優(yōu)化原則。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)天基GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中波束跳變策略進(jìn)行了相關(guān)研究。GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)可采用跳波束策略實(shí)現(xiàn)用戶(hù)控制類(lèi)信息的傳輸，跳波束的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的信令接入方式。本文針對(duì)這一需求，在分析跳波束資源池化與信令接入需求的基礎(chǔ)上，面向GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)隨遇接入的需求，改變傳統(tǒng)多波束衛(wèi)星系統(tǒng)碎片化的資源配置方式，充分發(fā)揮了跳波束按需覆蓋、靈活分簇的技術(shù)特點(diǎn)，研究了波束分簇和構(gòu)形策略，使得分簇的尺寸與分簇構(gòu)型均可根據(jù)業(yè)務(wù)分布靈活調(diào)整，簇間資源根據(jù)業(yè)務(wù)需求按需分配流動(dòng)；提出了跳波束時(shí)間分片機(jī)制，分析了波束和資源調(diào)度的時(shí)間間隔、跳變周期等關(guān)鍵參數(shù)確定方法。此外，針對(duì)波束跳變策略，設(shè)計(jì)了波束跳變圖案，實(shí)現(xiàn)管控功能的按需覆蓋和系統(tǒng)資源的高效利用。上述跳波束工作機(jī)理和跳變策略的研究，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)資源的全局調(diào)度和按需、靈活、高效的利用，最終提高天基GEO衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的管控能力和服務(wù)響應(yīng)能力。