張更新，王運(yùn)峰，丁曉進(jìn)，洪濤，劉子威，張晨

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)衛(wèi)星通信研究所，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，它是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站向各類(lèi)陸海空天用戶(hù)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在2020 年4 月20 日正式宣布將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起列入新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范圍，這標(biāo)志著我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)正式提上議程[1]。

早期提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)主要通過(guò)地球靜止軌道（GEO,geostationary earth orbit）衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，以新一代高通量衛(wèi)星（HTS,high throughput satellite）為代表的GEO 衛(wèi)星通信（GEO-HTS）系統(tǒng)仍是提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主力[2]。與此同時(shí)，以O(shè)3b 系統(tǒng)為代表的中地球軌道（MEO,medium earth orbit）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和以第二代銥星系統(tǒng)（Iridium NEXT）、一網(wǎng)系統(tǒng)（OneWeb）和星鏈系統(tǒng)（StarLink）等為代表的低地球軌道（LEO,low earth orbit）星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，具有低時(shí)延、低成本、廣覆蓋、寬帶化等優(yōu)點(diǎn)，代表著衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向[3]。

GEO-HTS 系統(tǒng)的單星覆蓋范圍廣，少量衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。由于衛(wèi)星數(shù)少且相對(duì)地面靜止，其組網(wǎng)和頻率協(xié)調(diào)相對(duì)容易，系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本較低，但同時(shí)存在傳輸時(shí)延大、傳播損耗高、不能覆蓋南北極區(qū)等不足。提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的代表性GEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括早期面向企業(yè)級(jí)用戶(hù)的IPSTAR、Spaceway-3 等，以及后期快速發(fā)展的HTS，如美國(guó)Viasat 系列、EchoStar 17、EchoStar 19以及我國(guó)的中星16 號(hào)、亞太6D 等衛(wèi)星。

O3b 星座系統(tǒng)是目前全球唯一一個(gè)成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的MEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)。第一代O3b 星座有20 顆衛(wèi)星在軌運(yùn)營(yíng)，可為亞非拉及中東地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入。目前，已計(jì)劃發(fā)射第二代22 顆O3bmPOWER 衛(wèi)星，組成42 顆衛(wèi)星的中軌道衛(wèi)星星座，這些新增衛(wèi)星將會(huì)兼用傾斜和赤道軌道，把O3b 星座覆蓋范圍從目前的南北緯50°之間擴(kuò)展到地球兩極，成為一個(gè)真正的全球通信系統(tǒng)。

OneWeb 系統(tǒng)是美國(guó)OneWeb 公司建設(shè)的寬帶LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，于2020 年7 月被英國(guó)政府和印度Bharti公司聯(lián)合收購(gòu)。根據(jù)其向FCC提出的申請(qǐng)，OneWeb 系統(tǒng)大致由三部分組成。第一部分由648 顆工作于Ku/Ka 頻段的LEO 衛(wèi)星構(gòu)成，分布在軌道高度為1 200 km、傾角為87.9°的18 個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面部署40 顆OneWeb 衛(wèi)星，星座容量達(dá)到7 Tbit/s[4]。第二部分將添加1 280 顆V 頻段MEO衛(wèi)星，分布在軌道高度為8 500 km、傾角為45°的中軌軌道上。2020 年5 月28 日，OneWeb 公司向FCC 提交申請(qǐng)?jiān)俅卧黾咏?.8 萬(wàn)顆衛(wèi)星。目前，OneWeb 在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)110 顆。

StarLink 系統(tǒng)是美國(guó)太空探索（SpaceX）公司建設(shè)的一個(gè)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前，SpaceX系統(tǒng)向ITU共申報(bào)了約4.2 萬(wàn)顆衛(wèi)星，截至2021 年2 月18 日，SpaceX 已經(jīng)進(jìn)行了21 批衛(wèi)星的發(fā)射，總共發(fā)射了1 145 顆衛(wèi)星，其中在軌1 082 顆（運(yùn)行1 004 顆）衛(wèi)星，再入燒毀63 顆衛(wèi)星。

我國(guó)的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)也在進(jìn)行中，具有代表性的有航天科技集團(tuán)的“鴻雁”系統(tǒng)、航天科工集團(tuán)的“虹云”和“行云”系統(tǒng)，以及中國(guó)電科主導(dǎo)的“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”工程等。這幾個(gè)系統(tǒng)都是面向互聯(lián)網(wǎng)接入而設(shè)計(jì)的且都完成了首顆衛(wèi)星的發(fā)射。

然而，大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的爆炸式發(fā)展也引發(fā)了頻率軌道資源的爭(zhēng)奪[5]，同時(shí)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)本身的大時(shí)空尺度、業(yè)務(wù)分布不均勻性等特點(diǎn)又會(huì)引起空時(shí)頻資源利用的忙閑不均，造成資源浪費(fèi)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[6]。基于此，本文首先梳理了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀以及體系架構(gòu)的組成要素，分析了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的寬帶和窄帶業(yè)務(wù)模型，以及由于采用星間頻譜共享而造成的同頻干擾問(wèn)題；然后重點(diǎn)研究了適合低軌衛(wèi)星的波束成形技術(shù)、適合高軌衛(wèi)星的跳波束技術(shù)，分別提出了多星協(xié)作波束成形輔助的隨機(jī)接入算法和業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)跳波束算法，并對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的幾個(gè)主要技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

2.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般組成

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成，如圖1 所示?？臻g段是指提供信息中繼服務(wù)的衛(wèi)星星座，少則一顆衛(wèi)星，多則成千上萬(wàn)顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星可以工作在GEO、MEO 或LEO 軌道，也可以同時(shí)包括2 種或2 種以上軌道類(lèi)型的衛(wèi)星，衛(wèi)星之間可以有或沒(méi)有星間鏈路。用戶(hù)段是指供用戶(hù)使用的手持機(jī)、便攜站、機(jī)（船、車(chē)）載站等各種陸海空天通信終端。地面段一般包括衛(wèi)星測(cè)控中心及相應(yīng)的衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)控制中心及各類(lèi)信關(guān)站（Gateway）等，其中衛(wèi)星測(cè)控中心及相應(yīng)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)保持、監(jiān)視和管理衛(wèi)星的軌道位置和姿態(tài)，控制衛(wèi)星的星歷表等；系統(tǒng)控制中心負(fù)責(zé)處理用戶(hù)登記、身份確認(rèn)、計(jì)費(fèi)和其他的網(wǎng)絡(luò)管理功能等；信關(guān)站負(fù)責(zé)呼叫處理、交換及與地面通信網(wǎng)的接口等。其他通信系統(tǒng)是指地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)或其他各種專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)信息通過(guò)衛(wèi)星中繼，經(jīng)饋電鏈路連接到地面信關(guān)站，然后接入地面通信網(wǎng)。不同地面通信網(wǎng)要求信關(guān)站具有不同的網(wǎng)關(guān)功能。

2.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式與衛(wèi)星工作模式有關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式時(shí)，用戶(hù)終端只能通過(guò)衛(wèi)星一跳與信關(guān)站建立連接，再經(jīng)信關(guān)站連接到地面互聯(lián)網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式要求系統(tǒng)中設(shè)置非常多的信關(guān)站，各信關(guān)站可以獨(dú)立工作，沒(méi)有信關(guān)站覆蓋的地方，用戶(hù)終端無(wú)法接入互聯(lián)網(wǎng)，如圖2 所示。

當(dāng)衛(wèi)星采用處理轉(zhuǎn)發(fā)工作模式時(shí)，衛(wèi)星具備星上處理和交換能力及星間通信能力。系統(tǒng)中不需要部署很多的信關(guān)站，用戶(hù)終端可通過(guò)多顆衛(wèi)星的中繼建立與信關(guān)站的連接，從而訪(fǎng)問(wèn)地面互聯(lián)網(wǎng)，組網(wǎng)方式如圖3 所示。

2.3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的工作過(guò)程

用戶(hù)終端開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行注冊(cè)申請(qǐng)，注冊(cè)成功后，如果用戶(hù)有通信要求，就通過(guò)控制信道申請(qǐng)建立連接；如果連接申請(qǐng)被接受，系統(tǒng)就通過(guò)控制信道向用戶(hù)終端分配資源，包括使用的衛(wèi)星和信關(guān)站標(biāo)識(shí)碼、上下行點(diǎn)波束號(hào)、時(shí)隙、頻率或碼字信息等；收到資源分配命令后用戶(hù)終端即可建立連接；由于用戶(hù)和衛(wèi)星都可能是移動(dòng)的，通信過(guò)程中還需要進(jìn)行星間或波束間切換；連接結(jié)束后，用戶(hù)終端釋放信道，系統(tǒng)收回分配的網(wǎng)絡(luò)資源。

2.4 高軌與低軌星座組網(wǎng)的對(duì)比

低軌星座與GEO-HTS 代表著利用衛(wèi)星通信提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的2 種實(shí)現(xiàn)思路：低軌星座通過(guò)發(fā)射數(shù)百上千顆小衛(wèi)星，形成一個(gè)大規(guī)模星座來(lái)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高容量；而GEO-HTS 則通過(guò)發(fā)射超大型衛(wèi)星在一個(gè)區(qū)域內(nèi)形成數(shù)百上千個(gè)點(diǎn)波束來(lái)實(shí)現(xiàn)高容量。表1 給出了代表性GEO-HTS 系統(tǒng)（美國(guó)ViaSat-3）和低軌星座系統(tǒng)（OneWeb 和StarLink）在工作頻率、頻譜效率、單星容量等方面的對(duì)比[7]。低軌衛(wèi)星通常是小衛(wèi)星，其波束數(shù)目和單星容量遠(yuǎn)低于GEO-HTS，但由于GEO-HTS 系統(tǒng)通常只由一顆或有限的幾顆衛(wèi)星組成，而低軌星座系統(tǒng)通常由大量的衛(wèi)星組成，如 OneWeb 系統(tǒng)第一期包括648 顆衛(wèi)星，StarLink 系統(tǒng)第一期則包括4 425 顆衛(wèi)星，因此，低軌星座系統(tǒng)的總?cè)萘恳菺EO-HTS系統(tǒng)高很多。

表1 不同衛(wèi)星波束參數(shù)對(duì)比

相比GEO-HTS 系統(tǒng)，低軌星座系統(tǒng)在傳輸時(shí)延、路徑損耗、入軌成本方面有優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，GEO-HTS 系統(tǒng)往返時(shí)延約為480 ms，而低軌星座系統(tǒng)一般只需30 ms 左右，GEO-HTS 系統(tǒng)的路徑損耗約為210 dB，低軌星座系統(tǒng)只需180 dB 左右；另外，低軌衛(wèi)星單位質(zhì)量入軌成本大概只有GEO-HTS 的1/10～1/5。但是在衛(wèi)星壽命、地面終端和容量利用效率等方面，低軌星座系統(tǒng)的性能就不如GEO-HTS 系統(tǒng)，GEO-HTS 系統(tǒng)的使用壽命一般為15 年，而低軌星座系統(tǒng)受大氣阻力等影響使用壽命為5～8 年；同時(shí)低軌衛(wèi)星的地面終端必須使用自動(dòng)跟蹤天線(xiàn)，制造成本高，并且地球表面70%以上為海洋和荒野等無(wú)人區(qū)域，低軌衛(wèi)星全球覆蓋的特點(diǎn)造成系統(tǒng)容量利用效率較低，反觀(guān)GEO-HTS 系統(tǒng)，其可通過(guò)對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，容量利用效率較高。

2.5 基于SDN 的柔性體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)的融合是通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，基于此，本文借鑒地面5G/B5G網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)天地融合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)柔性體系架構(gòu)，如圖4 所示。按照衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般組成，該架構(gòu)同樣包括空間段、用戶(hù)段和地面段3 個(gè)部分。與傳統(tǒng)體系架構(gòu)不同的是，為實(shí)現(xiàn)天地融合，其用戶(hù)終端可以是一種多模態(tài)終端，支持多種空口波形，能夠根據(jù)可用鏈路自主選擇與各類(lèi)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)或地面基站進(jìn)行通信。該融合架構(gòu)中地面核心網(wǎng)利用SDN、NFV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制面和數(shù)據(jù)面的分離、軟硬件解耦，完成融合網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度和管理控制[8]。

數(shù)據(jù)面功能主要完成業(yè)務(wù)信息的傳輸和交換，并通過(guò)天地融合數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接入地面核心網(wǎng)?？刂泼婀δ苤饕?fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)控制，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效交換，同時(shí)上報(bào)全網(wǎng)狀態(tài)信息至管理面并接收管理面的管理策略?？紤]到空間段衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要負(fù)責(zé)用戶(hù)尋址、用戶(hù)接入控制、調(diào)度、管控方式等功能，將核心網(wǎng)的接入與移動(dòng)性管理功能（AMF,access and mobility management function）和會(huì)話(huà)管理功能（SMF,session management function）這2 個(gè)功能節(jié)點(diǎn)延伸到衛(wèi)星控制平面。管理面對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)、地面節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、路由、安全、業(yè)務(wù)、資源等方面進(jìn)行管理，將管理指令下發(fā)至控制面和數(shù)據(jù)面。地面段管控設(shè)備和地面核心網(wǎng)通過(guò)天地融合控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行命令交互。

在邏輯功能上對(duì)整體架構(gòu)進(jìn)行劃分，分為感知層、功能層和應(yīng)用層，如圖5 所示。其中，感知層利用底層硬件資源，分析衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型和干擾場(chǎng)景，所獲得的數(shù)據(jù)資源為上層各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)提供支撐。功能層作為整體系統(tǒng)架構(gòu)的核心部分，對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行管理與控制，主要完成資源調(diào)度、組網(wǎng)協(xié)議、干擾協(xié)調(diào)等功能。本文以衛(wèi)星資源調(diào)度為例，提出針對(duì)低軌衛(wèi)星的空時(shí)頻資源的高效利用技術(shù)和針對(duì)高軌衛(wèi)星的跳波束技術(shù)。功能層所生成的資源調(diào)度策略都會(huì)提交到圖4 中的衛(wèi)星控制器和地面控制器，由其進(jìn)行天地融合網(wǎng)絡(luò)的具體資源分配操作。限于篇幅，SDN 架構(gòu)設(shè)計(jì)[8]、資源控制器的優(yōu)化部署[9]和資源管理[10]等方面未深入展開(kāi)。應(yīng)用層主要分為寬帶互聯(lián)業(yè)務(wù)和窄帶物聯(lián)業(yè)務(wù)，利用功能層相關(guān)決策的部署，滿(mǎn)足其網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)模式，通過(guò)“功能組件”的組合，構(gòu)建滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求的專(zhuān)用邏輯網(wǎng)絡(luò)。在不改變底層物理設(shè)備的前提下，通過(guò)功能層下發(fā)控制指令指導(dǎo)底層設(shè)備支撐衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的集中管理、資源按需分配和負(fù)載均衡。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣、終端數(shù)量多、QoS 差異大。對(duì)于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于衛(wèi)星的高動(dòng)態(tài)，在一個(gè)軌道周期內(nèi)星下點(diǎn)要在海洋與陸地、山區(qū)與平原、城市與農(nóng)村之間進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星業(yè)務(wù)量表現(xiàn)出很強(qiáng)的突發(fā)性。研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)量的分布規(guī)律，對(duì)于天地融合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。下面，分別針對(duì)寬帶業(yè)務(wù)模型和窄帶業(yè)務(wù)模型進(jìn)行建模研究。

3.1 寬帶業(yè)務(wù)模型

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)主要是指人與人（H2H,human to human）之間通信產(chǎn)生的語(yǔ)音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此其業(yè)務(wù)模型主要取決于人口密度和時(shí)間這2 個(gè)因素，其原因在于：1) H2H 通信的業(yè)務(wù)分布與人口密度或GDP 呈顯著的正相關(guān)；2) H2H 業(yè)務(wù)的通信時(shí)段具有較強(qiáng)的周期性。由此，可從業(yè)務(wù)空間分布和時(shí)間變化2 個(gè)維度對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)進(jìn)行建模。

1) 業(yè)務(wù)空間分布建模

對(duì)波束覆蓋區(qū)域按照經(jīng)緯度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以我國(guó)為例，可對(duì)波束覆蓋范圍按經(jīng)度每隔1.5°、緯度每隔1.25°劃分為559 個(gè)網(wǎng)格。業(yè)務(wù)量強(qiáng)度[11]計(jì)算式為

其中，ρ(i) 表示第i個(gè)網(wǎng)格的業(yè)務(wù)量強(qiáng)度，λi,j表示第i個(gè)網(wǎng)格中第j種業(yè)務(wù)平均達(dá)到率，Ti,j表示第i個(gè)網(wǎng)格中第j種業(yè)務(wù)平均服務(wù)時(shí)長(zhǎng)，ni,j表示第i個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的第j種業(yè)務(wù)用戶(hù)數(shù)量。假設(shè)各省份內(nèi)的用戶(hù)均勻分布，因此可以通過(guò)面積比計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的用戶(hù)數(shù)量，具體計(jì)算式為

其中，Ni,j,k表示第i個(gè)網(wǎng)格所在省份k的第j種業(yè)務(wù)用戶(hù)數(shù)量，Ai,k表示省份k的第i個(gè)網(wǎng)格面積。各省份的用戶(hù)數(shù)量的計(jì)算式為

其中，GPM 表示區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度，Pr表示衛(wèi)星服務(wù)的普及程度，Tp為衛(wèi)星服務(wù)在通信業(yè)務(wù)中的市場(chǎng)占有率。以上參數(shù)可根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒-2019》[12]等獲得。

另一方面，單個(gè)網(wǎng)格面積計(jì)算式為

其中，la表示每個(gè)網(wǎng)格沿經(jīng)度方向長(zhǎng)度，lb表示每個(gè)網(wǎng)格沿緯度方向長(zhǎng)度，θc表示每個(gè)網(wǎng)格中心緯度值，RE表示地球半徑。綜上，可求得各波束覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格業(yè)務(wù)強(qiáng)度之和，并參考不同業(yè)務(wù)所需的帶寬、速率等，最終可得業(yè)務(wù)量的空間分布模型。

2) 時(shí)間變化模型

業(yè)務(wù)量不僅具有區(qū)域差異性，還存在隨時(shí)間的周期變化性。為分析業(yè)務(wù)量變化受時(shí)間因素的影響，描述其在一天之內(nèi)的相對(duì)變化情況，文獻(xiàn)[13]提出了一個(gè)歸一化業(yè)務(wù)量時(shí)間加權(quán)因子，在一天之內(nèi)（24 h），根據(jù)人們?nèi)粘５幕顒?dòng)規(guī)律，在不同的時(shí)間段，給業(yè)務(wù)量分配一個(gè)時(shí)間加權(quán)系數(shù)作為業(yè)務(wù)量的時(shí)間變化模型。

將時(shí)間加權(quán)因子與業(yè)務(wù)需求峰值加權(quán)，便可得到業(yè)務(wù)量時(shí)間變化模型，本文以一個(gè)GEO 衛(wèi)星點(diǎn)波束為例，仿真其業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化的情況，如圖6所示。

3.2 窄帶業(yè)務(wù)模型

窄帶業(yè)務(wù)以物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)作為典型代表進(jìn)行分析?？紤]物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)空二維分布不均，探索物聯(lián)網(wǎng)海量接入業(yè)務(wù)空時(shí)隨機(jī)變化的特征，初步設(shè)計(jì)了如圖7 所示的空時(shí)二維業(yè)務(wù)模型產(chǎn)生方法?？臻g維度模型從不同地理區(qū)域的終端部署密度出發(fā)獲得終端位置，用來(lái)刻畫(huà)終端空間維度隨機(jī)分布特征，具體步驟如下[14]。

1) 設(shè)Z(x,y) 為目標(biāo)區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)終端部署密度，其中y和x通過(guò)相應(yīng)的仿射變換對(duì)應(yīng)于實(shí)際的地理經(jīng)緯度坐標(biāo)，計(jì)算歸一化的二維節(jié)點(diǎn)概率密度函數(shù)。

2) 計(jì)算X的邊緣累積概率分布函數(shù)。

3) 采用一維逆變化采樣方法，利用上述分布函數(shù)生成X軸上的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，其中，U1表示一個(gè)服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

4) 將Z(x,y)中的第x'行提取出來(lái)，記為，計(jì)算給定X'條件下Y的累積條件概率分布函數(shù)。

5) 類(lèi)似地，獲得Y軸上的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，將生成的x'和y'通過(guò)仿射變化轉(zhuǎn)換成實(shí)際的緯度坐標(biāo)λ和經(jīng)度坐標(biāo)和，其中，λstart和φstart分別表示緯度和經(jīng)度最小的參考坐標(biāo)，λstep和φstep分別表示緯度和經(jīng)度的劃分間隔。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要分為周期驅(qū)動(dòng)型和事件驅(qū)動(dòng)型2 種業(yè)務(wù)，分別具有平穩(wěn)和突發(fā)特性。對(duì)于周期驅(qū)動(dòng)型業(yè)務(wù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，可認(rèn)為在高終端密度下，異步同周期業(yè)務(wù)源疊加在時(shí)間維度可近似為泊松過(guò)程。對(duì)于事件驅(qū)動(dòng)型業(yè)務(wù)，異步非同周期業(yè)務(wù)源聚合可根據(jù)業(yè)務(wù)種類(lèi)及到達(dá)強(qiáng)度，將其分為多個(gè)異步同周期業(yè)務(wù)源疊加，得到具有不同強(qiáng)度的多個(gè)疊加泊松過(guò)程[15]。根據(jù)泊松過(guò)程的可加性，單個(gè)區(qū)域內(nèi)的疊加業(yè)務(wù)強(qiáng)度可通過(guò)各類(lèi)不同強(qiáng)度的疊加過(guò)程近似得到。此外，考慮事件驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)造成的突發(fā)流量具有激增或銳減特性，在時(shí)間維度可通過(guò)貝塔分布或中斷式泊松分布進(jìn)行建模。

本文以一個(gè)采用walker 構(gòu)型的低軌星座為例，分別用2 種業(yè)務(wù)量產(chǎn)生方法仿真星座中某一顆衛(wèi)星的集總業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化的情況，如圖8 所示。從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，單星集總業(yè)務(wù)量隨時(shí)間發(fā)生劇烈變化，具有顯著的高峰均比特征。

4 星間頻譜干擾分析

隨著非靜止軌道衛(wèi)星星座的飛速發(fā)展，對(duì)于星地/星間頻率兼容性研究已從GEO 與NGSO 間拓展至NGSO 星座間。依靠衛(wèi)星載荷與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，通信衛(wèi)星平臺(tái)和地面站的特點(diǎn)都在發(fā)生變化，星上的有源數(shù)字相控陣將成為主要發(fā)展趨勢(shì)、信關(guān)站必將支持多星連續(xù)跟蹤、終端形態(tài)也將延伸至個(gè)人移動(dòng)、車(chē)輛、艦船、飛行器等動(dòng)中通終端和固定站點(diǎn)。同時(shí)，由于頻率軌位資源緊張，典型NGSO 系統(tǒng)間工作頻段存在重疊（如表2 所示），開(kāi)展新的頻率兼容性分析勢(shì)在必行。

本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹同頻干擾場(chǎng)景、GEO 與NGSO星座間以及NGSO 星座間的頻率兼容性分析過(guò)程與結(jié)果。

4.1 同頻干擾場(chǎng)景分析

相較于GEO 衛(wèi)星的干擾環(huán)境靜態(tài)、干擾呈現(xiàn)周期性等特點(diǎn)，低軌星座間的同頻干擾場(chǎng)景具有特殊性。根據(jù)表2 給出的代表性低軌星座系統(tǒng)用頻情況，在低軌星座系統(tǒng)用戶(hù)鏈路間、饋電鏈路間和用戶(hù)與饋電鏈路間均可能存在干擾，下面，著重梳理NGSO 星座間干擾場(chǎng)景，GEO 可看作其簡(jiǎn)化形式。

表2 幾個(gè)代表性低軌星座系統(tǒng)用頻情況

1) 饋電鏈路間干擾。衛(wèi)星與信關(guān)站工作于凝視方式，且波束連續(xù)跟蹤通信對(duì)端。同時(shí)，由于衛(wèi)星星座規(guī)模大，信關(guān)站大多具備多幅收發(fā)天線(xiàn)，能夠同時(shí)服務(wù)可視范圍內(nèi)的多顆NGSO 衛(wèi)星。當(dāng)不同系統(tǒng)的信關(guān)站距離較近時(shí)，各自星座內(nèi)衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成波束指向時(shí)變。因此，對(duì)饋電鏈路間干擾場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，信關(guān)站可看作一個(gè)波束指向時(shí)變的廣義多波束平臺(tái)，集總干擾復(fù)雜。

2) 用戶(hù)鏈路間干擾。NGSO 星座的用戶(hù)鏈路大多采用多點(diǎn)波束的方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)域的覆蓋，波束調(diào)度方式有固定指向型、凝視型和靈活指向型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度逐漸增加。而用戶(hù)端可分為固定站點(diǎn)、動(dòng)中通終端和移動(dòng)通信終端等多種，其中固定站點(diǎn)和動(dòng)中通終端能力較強(qiáng)，能夠提供指向性波束，可凝視通信衛(wèi)星，而移動(dòng)通信終端受體積等實(shí)際因素限制，大多以弱指向性天線(xiàn)作為收發(fā)天線(xiàn)。因此，用戶(hù)鏈路間干擾是最復(fù)雜的物理干擾場(chǎng)景，對(duì)于下行干擾，需要考慮不同衛(wèi)星系統(tǒng)間頻段、多色復(fù)用、衛(wèi)星下行多波束體制、動(dòng)態(tài)性、地面終端類(lèi)型等因素，而上行干擾需要考慮地面終端類(lèi)型、分布、數(shù)量以及衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)性，是典型的集總干擾場(chǎng)景。

3) 用戶(hù)鏈路與饋電鏈路間干擾。用戶(hù)鏈路與饋電鏈路間的干擾可以看作2 個(gè)多波束平臺(tái)間的干擾。其場(chǎng)景特點(diǎn)需要考慮衛(wèi)星與地面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及多波束的變化。這一場(chǎng)景可以看作用戶(hù)鏈路間干擾的一種簡(jiǎn)化情況。

4.2 GEO 與NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節(jié)主要針對(duì)GEO 和典型NGSO 系統(tǒng)之間的干擾情況進(jìn)行分析。以銥星系統(tǒng)（Iridium）上行鏈路為例[16]，其工作在L 頻段，主要提供窄帶移動(dòng)業(yè)務(wù)?？臻g段由66 顆LEO 衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在6 個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面上部署11 顆衛(wèi)星，LEO 衛(wèi)星軌道高度為780 km，軌道傾角為86.4°，當(dāng)波束邊緣通信仰角為8°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的無(wú)縫覆蓋。GEO 衛(wèi)星系統(tǒng)由3 顆GEO 衛(wèi)星組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中低緯度地區(qū)的無(wú)縫覆蓋。

圖9 和圖10 分別為一天范圍內(nèi)上行鏈路中GEO 和LEO 衛(wèi)星接收到的信號(hào)質(zhì)量變化情況。可以看到，由于頻率較低，波束較寬，受到干擾的影響很大。其中，由于GEO 衛(wèi)星覆蓋范圍廣，GEO衛(wèi)星接收到的信號(hào)質(zhì)量下降了約30 dB，且一直遭受干擾；LEO 衛(wèi)星也受到干擾的影響，除了南北極區(qū)，信號(hào)質(zhì)量也下降了20 dB 左右。由此可以看出，LEO 由于全球覆蓋，且窄帶應(yīng)用波束較寬，導(dǎo)致干擾在所有時(shí)間范圍內(nèi)均存在，因此必須要采用多維聯(lián)合的干擾規(guī)避措施。

4.3 NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節(jié)以Starlink 對(duì)OneWeb 星座的下行用戶(hù)鏈路干擾為例[17]，分析NGSO 星座間頻率兼容性情況。OneWeb 用戶(hù)波束采用16 個(gè)高橢圓波束，覆蓋1 100 km2的正方形區(qū)域，Starlink 采用靈活波束，四色復(fù)用，建模為4 個(gè)同頻波束。同時(shí)，由于Starlink采用靈活波束，在對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行仿真時(shí)，將靈活波束視為短時(shí)間內(nèi)的凝視波束。波束示意如圖11所示。地面用戶(hù)考慮多個(gè)用戶(hù)，建模為均勻分布在119°E～120°E、29°N～30°N 內(nèi)的40 個(gè)不同的用戶(hù)終端。星座參數(shù)按照真實(shí)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

載干噪比累積分布曲線(xiàn)如圖12 所示。從圖12可以進(jìn)一步得到干擾發(fā)生的概率為99.8%，系統(tǒng)的可用時(shí)間百分比為73.3%。

對(duì)有效功率通量密度（EPFD,effective power flux density）超過(guò)限值的時(shí)間百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到如圖13 所示的時(shí)間百分比曲線(xiàn)。

當(dāng)EPFD 的限值設(shè)置為-162 dBW·(m2·4 kHz)-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的超過(guò)限值的時(shí)間占比為24%，要大于饋電鏈路間的干擾場(chǎng)景。

基于上述對(duì)用戶(hù)鏈路間指標(biāo)的分析可以看到，未來(lái)NGSO 星座間同頻干擾十分嚴(yán)重，同時(shí)由于地面用戶(hù)分布的全球性和不確定性，無(wú)法通過(guò)空間隔離來(lái)減緩干擾，需要在星座申報(bào)階段進(jìn)行更詳細(xì)的頻率兼容性分析，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮穩(wěn)健的抗同頻干擾手段。

5 低軌衛(wèi)星空間域資源高效利用技術(shù)

多輸入多輸出（MIMO,multiple input multiple output）系統(tǒng)是提升地面4G/5G 網(wǎng)絡(luò)容量的主要手段，但衛(wèi)星信道是直射分量占主體的欠散射信道，并不能取得理想的分集增益，只能探索提升MIMO系統(tǒng)空間復(fù)用增益的方法。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中的波束成形技術(shù)就提供了這樣的空間復(fù)用解決方案，但需要借鑒5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模MIMO 的設(shè)計(jì)理念來(lái)研究分別利用同一顆衛(wèi)星的天線(xiàn)陣列（星內(nèi)）和不同衛(wèi)星天線(xiàn)間協(xié)作組陣（星間）進(jìn)行波束成形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單星和多星覆蓋區(qū)域內(nèi)空域資源的高效分割復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)波束間的負(fù)載均衡和系統(tǒng)容量提升，并解決傳統(tǒng)固定多點(diǎn)波束系統(tǒng)在多星覆蓋區(qū)內(nèi)多址干擾嚴(yán)重、影響系統(tǒng)容量的問(wèn)題。

5.1 面向負(fù)載均衡的單星多波束成形傳輸

針對(duì)單星多波束場(chǎng)景下多波束空間域資源的高效利用問(wèn)題，本文根據(jù)不同區(qū)域地理特征，如海洋、沙漠、山區(qū)、平原等進(jìn)行柵格劃分并采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法提取區(qū)域化的信道信息[18]。在單星多波束場(chǎng)景下研究星上多波束成形傳輸，通過(guò)控制波束的數(shù)量、指向以及成形將多波束覆蓋范圍內(nèi)的激活用戶(hù)數(shù)盡量均勻地分配在不同的波束中，降低同一波束內(nèi)終端的碰撞概率。

假設(shè)星載陣列天線(xiàn)產(chǎn)生 7 個(gè)波束Fi(φ,θ),i=1,2,…,7，覆蓋一定的地理面積，波束間的總交疊面積用SI表示，每個(gè)波束范圍內(nèi)激活用戶(hù)的總業(yè)務(wù)量用Bi,i=1,2,…,7表示。某個(gè)時(shí)刻由于激活用戶(hù)數(shù)的增長(zhǎng)，波束F1(φ,)θ區(qū)域內(nèi)時(shí)頻資源緊張，而鄰近的波束（用Fi(φ,θ),i=2,…,7表示）中有n個(gè)波束由于用戶(hù)數(shù)量少，波束覆蓋范圍內(nèi)時(shí)頻資源得不到充分的利用。本文采用星載陣列天線(xiàn)通過(guò)增加/減少子陣的方式來(lái)控制波束覆蓋范圍，設(shè)計(jì)加權(quán)向量的相位實(shí)現(xiàn)波束指向的控制，充分發(fā)揮星上多波束相控陣載荷波束數(shù)量可控制、波束指向可變、波束能成形的優(yōu)勢(shì)均衡不同波束內(nèi)業(yè)務(wù)量，如圖14 所示。

本文建立式(5)所示的優(yōu)化問(wèn)題來(lái)控制單星多波束成形設(shè)計(jì)

其中，m表示第m次波束參數(shù)控制，表示第i個(gè)波束調(diào)整波束大小需要的陣列口徑，D表示星載陣列天線(xiàn)總口徑上限約束，表示第i個(gè)波束的第m次調(diào)整波束指向，K(2n)表示包含nbit 數(shù)字式相位控制器的波束指向最小精度，mll 表示最高干擾門(mén)限。式(5)中目標(biāo)函數(shù)表示均衡不同波束內(nèi)的業(yè)務(wù)量；約束C1 表示多波束覆蓋地面總面積的約束，約束C2 表示多波束交疊區(qū)大小上限的約束，約束C3 表示覆蓋大小參數(shù)的調(diào)節(jié)不能超過(guò)星載陣列天線(xiàn)的分辨率（口徑約束），約束C4 表示星載陣列天線(xiàn)主瓣指向調(diào)整的最小精度約束，約束C5 表示調(diào)整波束參數(shù)后的波束旁瓣對(duì)于其他波束的干擾上限約束。在低軌衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)下，對(duì)式(5)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行迭代求解以形成適合當(dāng)前衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務(wù)特征的多波束成形參數(shù)。

5.2 面向多址干擾抑制的多星協(xié)作波束成形設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)共視區(qū)內(nèi)多址干擾嚴(yán)重問(wèn)題，本文研究多星協(xié)作波束成形方法，將共視多星構(gòu)造為稀疏分布陣列，挖掘星間聯(lián)合處理增益，抑制多址干擾，提升系統(tǒng)容量。多星空間域資源高效利用場(chǎng)景如圖15 所示。在多星多波束場(chǎng)景下，利用多星覆蓋的空間域資源，設(shè)計(jì)多星協(xié)作波束成形輔助的隨機(jī)接入（CBA,cooperative beamforming aided ALOHA）方案，方案包括前導(dǎo)碼檢測(cè)、數(shù)據(jù)分組競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)、多星協(xié)作波束成形、協(xié)作串行干擾消除4 個(gè)步驟，能消除共視區(qū)內(nèi)多址干擾，提高系統(tǒng)吞吐量。假設(shè)數(shù)據(jù)在一個(gè)接收窗口內(nèi)到達(dá)衛(wèi)星的概率服從參數(shù)為λ的泊松分布，假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度固定且其傳輸時(shí)間為T(mén)0，則系統(tǒng)歸一化負(fù)載可以表示為[19]

CBA 方案具體步驟如下。

步驟1前導(dǎo)碼檢測(cè)。信關(guān)站利用數(shù)據(jù)分組前導(dǎo)碼的相關(guān)性檢測(cè)多星接收信號(hào)中未發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)分組前導(dǎo)碼，并利用未發(fā)生碰撞的前導(dǎo)碼完成數(shù)據(jù)分組的時(shí)頻同步和信道估計(jì)功能，時(shí)頻同步確保參加協(xié)作處理的數(shù)據(jù)分組來(lái)自同一終端，信道估計(jì)為步驟3 中協(xié)作波束成形優(yōu)化問(wèn)題提供期望方向約束。

步驟2數(shù)據(jù)分組競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)。對(duì)未發(fā)生碰撞前導(dǎo)碼所在數(shù)據(jù)分組進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC,cyclic redundancy check），根據(jù)CRC 結(jié)果，可將競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)型分為以下3 種情況：1) 所有協(xié)作接收機(jī)處的CRC結(jié)果均正確，即該數(shù)據(jù)分組未發(fā)生碰撞，則按照時(shí)間序列繼續(xù)捕獲下一個(gè)數(shù)據(jù)分組，并返回步驟1；2) 至少有一個(gè)接收機(jī)成功接收數(shù)據(jù)分組，其他協(xié)作接收機(jī)未成功接收，則根據(jù)傳統(tǒng)多星異步協(xié)同ALOHA（ACA,asynchronous cooperative ALOHA）方案[20]進(jìn)行串行干擾消除解調(diào)數(shù)據(jù)分組，并返回步驟1；3) 所有接收機(jī)都未能成功接收數(shù)據(jù)分組，則根據(jù)步驟1 前導(dǎo)碼檢測(cè)的結(jié)果，進(jìn)入步驟3。

步驟3多星協(xié)作波束成形。根據(jù)步驟1 中前導(dǎo)碼檢測(cè)結(jié)果，采用基于LCMV 準(zhǔn)則的多星協(xié)作波束成形，波束成形器中約束前導(dǎo)碼未發(fā)生碰撞的期望數(shù)據(jù)分組功率，同時(shí)抑制干擾和噪聲，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，a(θ0)為前導(dǎo)碼未碰撞數(shù)據(jù)分組的導(dǎo)向矢量，為多星接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣。對(duì)于式(7)，可以采用拉格朗日法求解最優(yōu)加權(quán)

經(jīng)過(guò)多星協(xié)作波束成形器后期望解調(diào)數(shù)據(jù)分組的信干噪比用γ表示，設(shè)信號(hào)成功接收的解調(diào)門(mén)限為，若，則成功接收數(shù)據(jù)分組，采用干擾消除的方法去除已正確解調(diào)數(shù)據(jù)分組，回到步驟1；若，則接收失敗。

步驟4協(xié)作串行干擾消除。如果步驟2 或步驟3 中有數(shù)據(jù)分組被成功解調(diào)，則采用多星協(xié)作的方式進(jìn)行多星間的串行干擾消除方式解調(diào)數(shù)據(jù)分組。

吞吐量和數(shù)據(jù)分組丟失率是衡量隨機(jī)接入系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，圖16 給出了CBA 方案、ACA方案[19]和CRDSA（contention resolution diversity slotted ALOHA）方案[20]的仿真性能對(duì)比。其中歸一化負(fù)載G如式(6)所示，系統(tǒng)吞吐量可以表示為，其中，PLR(G)表示在負(fù)載為G時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分組丟失率。

圖16 中，Rx 表示接收機(jī)個(gè)數(shù)，Rep 表示發(fā)送的數(shù)據(jù)分組副本個(gè)數(shù)。從圖16 可以看到，在相同條件下，CBA 方案相比于A(yíng)CA 方案，在吞吐量性能上提升了約16%，具有更好的吞吐量和數(shù)據(jù)分組丟失率性能，能有效緩解ACA 方案在高負(fù)載條件下的“死鎖”問(wèn)題，同時(shí)CBA 方案沒(méi)有引入額外的數(shù)據(jù)分組副本，在高負(fù)載場(chǎng)景下比CRDSA 方案具有更好的性能，更適合未來(lái)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。

6 高軌跳波束技術(shù)

針對(duì)HTS-GEO 系統(tǒng)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分布的空間不均勻性和時(shí)變性會(huì)導(dǎo)致各波束頻繁出現(xiàn)“忙閑不均”的現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足多樣化任務(wù)的隨需覆蓋和高效傳輸需求，造成通信資源的浪費(fèi)。

與傳統(tǒng)的多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，跳波束技術(shù)能夠更好地滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求不均衡的應(yīng)用場(chǎng)景，被認(rèn)為是高通量衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)[21]。為此，需要對(duì)跳波束技術(shù)進(jìn)行研究，本文給出了一種業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的跳波束資源分配算法。在資源受限的條件下，為了使系統(tǒng)吞吐量盡可能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，建立如下資源分配的目標(biāo)函數(shù)[22]

其中，ωi為各波位的權(quán)重，當(dāng)各波位權(quán)重相同時(shí)，該目標(biāo)函數(shù)為公平目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)權(quán)重不同時(shí)，該目標(biāo)函數(shù)為權(quán)重目標(biāo)函數(shù)，本文采用公平目標(biāo)函數(shù)來(lái)求解；M為總波束數(shù)；Ri為系統(tǒng)提供給波位i的容量；為波位i需求的容量；Ni為系統(tǒng)分配給波位i的時(shí)隙數(shù)；Nc為波束簇的數(shù)目；Tij為時(shí)隙分配矩陣的元素，取值為0 或1，當(dāng)Tij=1 時(shí)，表示j時(shí)隙波位i被波束照射。對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算后該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，該目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化后為

該凸優(yōu)化問(wèn)題可用拉格朗日函數(shù)求解，其中γi表示波位i的信噪比，可得時(shí)隙數(shù)目的分配結(jié)果為

算法性能驗(yàn)證以資源受限的Ka波段GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路為仿真場(chǎng)景，工作頻率為30 GHz，共M=21 個(gè)波束，平均分為3 個(gè)簇，每簇7 個(gè)波束。其他關(guān)鍵的仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真主要參數(shù)

圖17 給出了3 種資源分配算法的系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果對(duì)比。其中，多波束均分算法是指均分信道帶寬等星上資源，非業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)跳波束算法是按照波位順序輪流訪(fǎng)問(wèn)各波位，各波位駐留時(shí)間相同。業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)跳波束算法的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)由式(11)計(jì)算得到的時(shí)隙數(shù)目決定，同時(shí)引入了同頻復(fù)用距離來(lái)規(guī)避干擾。從圖17 中可以看出，業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)跳波束算法可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量性能，從仿真結(jié)果看，業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)跳波束算法相對(duì)傳統(tǒng)多波束均分算法能提升65.74%的吞吐量。

7 未來(lái)的研究展望

盡管對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究已經(jīng)開(kāi)展了很多年，但由于其大時(shí)空尺度、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多等特點(diǎn)，導(dǎo)致在體系架構(gòu)、空域資源利用、組網(wǎng)協(xié)議和干擾協(xié)調(diào)等方面仍存在較大的挑戰(zhàn)。

7.1 天地一體化體系架構(gòu)

未來(lái)的空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)，是以地面網(wǎng)絡(luò)為依托、以天基網(wǎng)絡(luò)為拓展的立體分層、融合協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)，各星座衛(wèi)星（包括高、中、低軌）和地面節(jié)點(diǎn)共同形成多重覆蓋[23]。這樣一個(gè)系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)異構(gòu)、空間節(jié)點(diǎn)高度動(dòng)態(tài)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變、極大的時(shí)空尺度、空間節(jié)點(diǎn)資源受限和衛(wèi)星廣播傳輸鏈路易受攻擊等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星地融合通信體制以及星間組網(wǎng)協(xié)議等方面的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

7.2 空時(shí)頻分割復(fù)用技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有空時(shí)二維不均及突發(fā)性強(qiáng)的特征，不同區(qū)域內(nèi)終端數(shù)量和業(yè)務(wù)QoS 需求差異性大，導(dǎo)致業(yè)務(wù)繁忙區(qū)域網(wǎng)絡(luò)資源緊張，而業(yè)務(wù)空閑區(qū)域網(wǎng)絡(luò)資源又得不到充分利用。衛(wèi)星信道是直射分量占主體的欠散射信道，采用地面5G 網(wǎng)絡(luò)中多天線(xiàn)收發(fā)的空時(shí)編碼技術(shù)并不能取得理想的分集增益，星地間長(zhǎng)傳播時(shí)延導(dǎo)致難以獲得完美的實(shí)時(shí)信道信息，低軌衛(wèi)星的在軌高速運(yùn)動(dòng)和終端的隨機(jī)移動(dòng)又造成統(tǒng)計(jì)信道信息準(zhǔn)確度低、生存周期短。傳統(tǒng)固定多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)跨波束資源調(diào)度能力弱，并且在多星覆蓋區(qū)內(nèi)存在嚴(yán)重的多址干擾，不能滿(mǎn)足海量終端隨機(jī)接入對(duì)系統(tǒng)容量和資源調(diào)度能力的需求[24]。為此，需要基于信道與業(yè)務(wù)復(fù)雜隨機(jī)特征研究空時(shí)頻多域資源的分割復(fù)用，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量。

7.3 組網(wǎng)協(xié)議

TCP/IP 是地面互聯(lián)網(wǎng)采用的通信協(xié)議，但在空間數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域則主要采用國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協(xié)議體系，而在深空通信及一些大時(shí)延應(yīng)用領(lǐng)域采用的是延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN,delay tolerant network）協(xié)議體系。作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，為便于與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合，采用TCP/IP 可能是一種比較合適的選擇。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特殊性，必須要解決TCP/IP 在鏈路大時(shí)延和頻繁通斷場(chǎng)景下的低效率工作問(wèn)題。此外，路由協(xié)議也是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的方面，它是決定星座網(wǎng)絡(luò)部署和傳輸性能的關(guān)鍵因素，與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用單層星座不同，目前在建的大規(guī)模星座主要采用多層星座或混合軌道星座，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓B續(xù)頻繁發(fā)生且無(wú)規(guī)律性，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中路由頻繁發(fā)生變化，進(jìn)而帶來(lái)難以承受的重路由開(kāi)銷(xiāo)。因此，需要研究高效、穩(wěn)健的路由方法以應(yīng)對(duì)持續(xù)、隨機(jī)、高動(dòng)態(tài)性的拓?fù)渥兓约皹I(yè)務(wù)流分布不均帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)擁塞和負(fù)載均衡問(wèn)題。

7.4 干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

由于頻譜資源嚴(yán)重不足，需要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)之間、衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間（如GEO 系統(tǒng)與LEO 系統(tǒng)、LEO 系統(tǒng)與LEO 系統(tǒng)）的頻譜共享問(wèn)題。由于LEO 衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng)，其干擾場(chǎng)景非常復(fù)雜，需要針對(duì)時(shí)變空變的干擾特性研究專(zhuān)門(mén)的頻譜共享與干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。目前可用的實(shí)現(xiàn)方法主要有2 類(lèi)，一是使用認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)周?chē)鸁o(wú)線(xiàn)電環(huán)境，智能調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，在不對(duì)原有業(yè)務(wù)用戶(hù)造成干擾的前提下，從時(shí)間、空間、頻率等多維度利用空閑的頻譜資源；二是通過(guò)完善的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜共享，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得一定區(qū)域內(nèi)空閑頻譜的情況，從而使用相應(yīng)頻譜資源。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、業(yè)務(wù)特征建模、頻譜共享下的星間同頻干擾、低軌衛(wèi)星波束成形和高軌衛(wèi)星跳波束等內(nèi)容展開(kāi)了研究，研究結(jié)果表明，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有明顯的空時(shí)分布不均特征，且未來(lái)NGSO 星座間同頻干擾十分嚴(yán)重，難以通過(guò)空間隔離來(lái)減緩干擾，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和頻率協(xié)調(diào)等方面開(kāi)展工作以減緩干擾，基于業(yè)務(wù)分布進(jìn)行空域資源高效利用，能夠提升系統(tǒng)吞吐量。最后對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來(lái)可能的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了探討，希望對(duì)相關(guān)人員的研究工作能夠有所幫助。