孫 斐，程 敏，馬培博

(1.中國(guó)人民解放軍32381部隊(duì)，北京 101121；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、建網(wǎng)靈活、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家應(yīng)急通信、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、村村通、電視廣播、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、行業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-2]。高通量衛(wèi)星(High Throughput Satellite,HTS)通信系統(tǒng)采用多點(diǎn)波束、極化復(fù)用、頻率復(fù)用、高波束增益等技術(shù)，可提供比常規(guī)衛(wèi)星高出數(shù)十倍的容量，目前已成為主流方向[3-4]。

動(dòng)中通系統(tǒng)很好地解決了車輛、船舶、飛機(jī)等移動(dòng)載體在運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)地球同步軌道衛(wèi)星實(shí)時(shí)、不間斷傳遞語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、高清晰動(dòng)態(tài)視頻圖像等多媒體信息的難題，是當(dāng)前很多國(guó)家和地區(qū)需求旺盛、發(fā)展迅速的衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域。

由于高通量衛(wèi)星具有多點(diǎn)波束、多信關(guān)站、多星覆蓋等特點(diǎn)，動(dòng)中通站型移動(dòng)過(guò)程中，利用高通量衛(wèi)星資源進(jìn)行通信時(shí)存在波束切換、信關(guān)站切換等問(wèn)題，影響用戶業(yè)務(wù)通信質(zhì)量[5]。

本文針對(duì)動(dòng)中通用戶在高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中越區(qū)切換場(chǎng)景進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了越區(qū)切換解決方案，包括切換實(shí)際選擇、切換控制策略等。

1 切換場(chǎng)景分析

高通量衛(wèi)星波束設(shè)置一般分為用戶波束和饋電波束兩類，用戶波束為多點(diǎn)波束，饋電波束根據(jù)系統(tǒng)容量的不同可設(shè)置多個(gè)。針對(duì)衛(wèi)星波束的設(shè)置，一般在每個(gè)饋電波束設(shè)置一個(gè)信關(guān)站，這樣多個(gè)饋電波束將對(duì)應(yīng)多個(gè)信關(guān)站[6]。多個(gè)信關(guān)站間使用地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，從而將多波束星狀網(wǎng)絡(luò)連接為一體。典型高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)示意Fig.1 Typical high-throughput satellite communication network

高通量系統(tǒng)中當(dāng)動(dòng)中通用戶站從一個(gè)波束移動(dòng)到另外一個(gè)波束時(shí)，需要對(duì)點(diǎn)波束通信鏈路進(jìn)行切換。動(dòng)中通站型移動(dòng)過(guò)程中，切換場(chǎng)景包括波束切換、信關(guān)站切換以及衛(wèi)星切換3種。其中，衛(wèi)星切換總是伴隨著波束切換和信關(guān)站切換；信關(guān)站切換也總是伴隨著波束切換[7]。因此，所有移動(dòng)過(guò)程的切換場(chǎng)景均是在跨波束切換的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。波束切換示意如圖2所示。

圖2 動(dòng)中通用戶越區(qū)切換示意圖Fig.2 Schematic diagram of mobile communication user switching over area

2 跨波束切換方案

動(dòng)中通用戶跨波束切換包含跨波束切換時(shí)機(jī)選擇、跨波束切換處理和跨波束資源調(diào)度三部分。

跨波束切換時(shí)機(jī)選擇在用戶站進(jìn)行，根據(jù)本站的地理位置信息，結(jié)合衛(wèi)星波束覆蓋信息，計(jì)算是否處于波束邊緣，若處于波束邊緣則計(jì)算最近的目的波束，并向信關(guān)站發(fā)起越區(qū)切換[8]。

跨波束切換處理由用戶站和信關(guān)站協(xié)同進(jìn)行，通過(guò)對(duì)目的波束下信號(hào)強(qiáng)度的比較，決策是否進(jìn)行切換[9]。

跨波束資源調(diào)度由信關(guān)站進(jìn)行，將該站在源波束下的資源釋放并在目的波束下為其分配衛(wèi)星信道資源[10]。

完成以上過(guò)程后，用戶站在收到波束切換指令后，切換調(diào)制解調(diào)器參數(shù)，在目的波束下進(jìn)行信號(hào)發(fā)送與接收，維持原有通信鏈路不中斷。

2.1 切換時(shí)機(jī)選擇

跨波束切換時(shí)，用戶站需要獲知多點(diǎn)波束的邊界信息和自身的位置信息，然后根據(jù)位置的比對(duì)判斷所處波束，用戶獲知點(diǎn)波束邊界信息可采用預(yù)存儲(chǔ)或在線下載方式。

衛(wèi)星天線多波束中每波束寬度約1°，根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)及指標(biāo)數(shù)據(jù)，整個(gè)壽命周期內(nèi)天線指向精度誤差小于0.1°，因此天線抖動(dòng)引起波束邊界指向增益變化為1.1°和0.9°波束寬度間的增益差值[11]。多點(diǎn)波束0.1°的邊界位置抖動(dòng)范圍約60 km，在波束邊界引起的增益波動(dòng)約1.7 dB。

考慮到波束抖動(dòng)引起的指向誤差，越區(qū)切換的位置邊界判斷以波束最大抖動(dòng)點(diǎn)即約1.1°為基準(zhǔn)進(jìn)行使用。系統(tǒng)進(jìn)行最低傳輸能力設(shè)計(jì)與估算時(shí)，也同樣以1.1°波束邊緣為基準(zhǔn)進(jìn)行。越區(qū)切換使用的波束邊界示意如圖3所示。

圖3 多點(diǎn)波束越區(qū)切換使用的波束邊界示意Fig.3 Beam boundary indication used for multi-point beam over-zone switching

由于同步軌道衛(wèi)星位于赤道平面，我國(guó)大部分地區(qū)均為傾斜覆蓋，點(diǎn)波束在地面的覆蓋非圓型，在進(jìn)行波束邊緣判斷時(shí)，為了精確判斷波束邊緣位置，需要考慮波束覆蓋的實(shí)際情況，衛(wèi)星點(diǎn)波束覆蓋如圖4所示[12-13]。

圖4 波束覆蓋與衛(wèi)星關(guān)系示意圖Fig.4 Diagram of relationship between beam coverage and satellite

以地球圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)，地球半徑為R，衛(wèi)星坐標(biāo)為(h,0,0)，h為衛(wèi)星到地心的距離。h≈43 117 km,R≈6 371 km。

假設(shè)衛(wèi)星在東經(jīng)110.5°上空，波束中心點(diǎn)在東經(jīng)115.78°，北緯20.76°，那么波束中心點(diǎn)坐標(biāo)為：

(Rcos 20.76°cos(115.78°-110.5°),Rcos 20.76°sin(115.78°-110.5°),Rsin 20.76°)，以下簡(jiǎn)稱(x0,y0,z0)。

波束以圓錐狀投射到地球表面，該圓錐的中軸線是波束中心點(diǎn)到衛(wèi)星的直線，假設(shè)中軸線與圓錐母線偏移角為t。圓錐體的方程為：

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z]≤0,(0≤x≤h)。

(1)

波束覆蓋在地球的曲面S為圖中陰影部分，方程表達(dá)式為：

(2)

取地球上某點(diǎn)(波束中心點(diǎn)附近)，求出坐標(biāo)帶入方程式中，值為負(fù)則在區(qū)域范圍內(nèi)，值為正則在區(qū)域范圍外，等于零則剛好在邊界上，并且值越接近零距離邊界越近。

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z],x≥0。

(3)

將該公式化簡(jiǎn)得，

(x0-h)(x-h)-y0y-z0z。

(4)

結(jié)合衛(wèi)星波束抖動(dòng)分析和波束覆蓋分析，為動(dòng)中通用戶站發(fā)起越區(qū)切換提供更合適的切換時(shí)機(jī)，向信關(guān)站發(fā)起越區(qū)切換請(qǐng)求，越區(qū)請(qǐng)求中應(yīng)包含用戶站源波束和目的波束。

2.2 跨波束切換處理

在高通量中，每個(gè)波束的載波參數(shù)獨(dú)立，用戶站跨波束時(shí)，需要獲取目的波束的載波參數(shù)和目的波束的鏈路狀態(tài)，否則存在通信中斷的問(wèn)題。因此跨波束切換處理的主要工作是對(duì)用戶站在源波束和目的波束下的鏈路狀態(tài)進(jìn)行比較，決策是否進(jìn)行跨波束切換，核心是選擇合適的兩個(gè)波束下的比較信道[14]。

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為前向大波束返向多波束高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)和前返向均為多波束的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)于前者，在用戶站跨波束切換時(shí)，前向大波束返向多波束系統(tǒng)的前向鏈路不變，返向鏈路切換；對(duì)于后者，前返向鏈路均需要切換。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于返向鏈路接收狀態(tài)的對(duì)比信道，用于用戶站源目的波束下的鏈路狀態(tài)比較。

圖5為用戶站跨波束切換幀結(jié)構(gòu)示意圖，分別為源波束前向載波和返向載波、目的波束前向載波和返向載波。用戶站在跨波束前僅接收源波束前向載波，信關(guān)站在源波束前向載波中發(fā)送越區(qū)切換信息，越區(qū)切換信息中包含目的波束載波信息、越區(qū)切換控制信息等；用戶站在源波束返向載波申請(qǐng)時(shí)隙發(fā)送申請(qǐng)突發(fā)，在目的波束返向載波探測(cè)時(shí)隙發(fā)送探測(cè)突發(fā)，信關(guān)站接收申請(qǐng)突發(fā)和探測(cè)突發(fā)，用于比較用戶站在兩個(gè)波束下的鏈路狀態(tài)[15]。

圖5 用戶站跨波束切換幀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of user station cross-beam switching frame structure

信關(guān)站收到用戶站跨波束切換請(qǐng)求后，處理流程如圖6所示：

① 信關(guān)站在用戶站未越區(qū)前，處于等待用戶站越區(qū)請(qǐng)求狀態(tài)，為用戶站在源波束返向載波分配申請(qǐng)時(shí)隙，接收用戶站發(fā)送申請(qǐng)突發(fā)，并統(tǒng)計(jì)接收用戶站在該波束的接收狀態(tài)；

② 信關(guān)站收到用戶站跨波束切換請(qǐng)求后，查詢目的波束是否有可用資源，若無(wú)可用資源，則拒絕本次切換申請(qǐng)，若有可用資源則進(jìn)入步驟③；

③ 信關(guān)站通過(guò)用戶站源波束前向載波的越區(qū)輔助信息時(shí)隙向用戶站發(fā)送目的波束載波配置參數(shù)；

④ 信關(guān)站為用戶站在目的波束返向載波中分配探測(cè)時(shí)隙，并通過(guò)越區(qū)輔助信息時(shí)隙發(fā)送給用戶站；

⑤ 用戶站在探測(cè)時(shí)隙發(fā)送探測(cè)突發(fā)；

⑥ 信關(guān)站收到用戶站探測(cè)突發(fā)后，與接收該站的申請(qǐng)突發(fā)的接收狀態(tài)(接收信噪比)進(jìn)行比較，若探測(cè)突發(fā)的信噪比更高，則進(jìn)入允許該站進(jìn)行越區(qū)切換，否則重復(fù)步驟④。

圖6 信關(guān)站跨波束切換處理流程Fig.6 Processing flow of cross beam switching in signal station

2.3 跨波束資源調(diào)度

信關(guān)站在允許用戶站進(jìn)行跨波束切換后，需要統(tǒng)一調(diào)度源波束和目的波束的資源分配，保證用戶站在切換前后的通信鏈路不中斷，資源調(diào)度過(guò)程如圖7所示。

圖7 跨波束切換的資源調(diào)度Fig.7 Resource scheduling for cross-beam switching

信關(guān)站確認(rèn)可進(jìn)行越區(qū)切換后，在新波束內(nèi)檢測(cè)資源的可用性。如果新波束內(nèi)可用資源充分，則在現(xiàn)有載波上進(jìn)行時(shí)隙資源預(yù)留或擴(kuò)展新的業(yè)務(wù)載波以供切換使用；若新波束內(nèi)可用資源緊張，難以保證用戶站的所有業(yè)務(wù)傳輸需求，則根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整，保證用戶站高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸，無(wú)法保證資源時(shí)暫緩切換。在新波束資源檢測(cè)過(guò)程中，用戶站保持在原波束內(nèi)的資源占用，保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)某掷m(xù)[16-17]。

資源檢測(cè)完成后，信關(guān)站將切換命令下發(fā)至用戶站等待手動(dòng)確認(rèn)的反饋信息，或信關(guān)站直接自動(dòng)進(jìn)行切換。信關(guān)站直接在新波束內(nèi)進(jìn)行時(shí)隙資源的分配，同時(shí)釋放原波束內(nèi)的資源占用，用戶站接收并執(zhí)行時(shí)隙資源分配結(jié)果，在新波束的載波頻點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，切換過(guò)程結(jié)束[18]。

整個(gè)波束切換過(guò)程由信關(guān)站統(tǒng)一管理，兩個(gè)波束內(nèi)的資源調(diào)度與業(yè)務(wù)分配優(yōu)先級(jí)可同時(shí)執(zhí)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在考慮高通量衛(wèi)星多點(diǎn)波束使用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)跨星跨波束的切換場(chǎng)景進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了適用于波束切換的幀結(jié)構(gòu)和切換流程，以及資源調(diào)度方案。該方案能夠保證用戶站在切換前后的通信不受影響，避免出現(xiàn)因切換而導(dǎo)致的通信中斷現(xiàn)象。采用該方案能夠保證用戶使用過(guò)程中的流暢性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于高通量衛(wèi)星為提高系統(tǒng)信道容量，采用兩種極化方式，相鄰波束的極化方式可能不同。動(dòng)中通用戶站波束切換時(shí)，切換前后的極化方式可能不同。極化切換分為手動(dòng)極化切換和自動(dòng)極化切換兩種，均需要1 s左右才可完成極化切換，造成通信的短時(shí)間中斷；由于高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)利用多顆衛(wèi)星構(gòu)建，因此存在跨星切換問(wèn)題?？缧乔袚Q時(shí)，機(jī)動(dòng)站天線需要調(diào)整所跟蹤的衛(wèi)星，天線轉(zhuǎn)星過(guò)程中通信暫時(shí)中斷，為了獲得更好的用戶體驗(yàn)，建議在進(jìn)行跨星切換時(shí)，用戶站配置雙天線。