張家芳

（國家廣播電視總局二O二二臺(tái)，新疆 喀什 844000）

1 低軌衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

目前，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)多采用多波束天線，具有良好的覆蓋性能，已經(jīng)成為多用戶高通量衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)。不過，近地軌道衛(wèi)星在運(yùn)行時(shí)相應(yīng)軌道具有固定的特征，且所有的軌道衛(wèi)星位置都遵循特定規(guī)律，當(dāng)衛(wèi)星的實(shí)際飛行方向?yàn)榈途暥鹊礁呔暥葼顟B(tài)時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)衛(wèi)星的間距減少，重復(fù)覆蓋的范圍擴(kuò)大，部分區(qū)域的波束出現(xiàn)重疊應(yīng)用的現(xiàn)象，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且也會(huì)帶來波束間互相干擾的問題，嚴(yán)重影響衛(wèi)星通信質(zhì)量和衛(wèi)星系統(tǒng)性能。與普通的衛(wèi)星系統(tǒng)一樣，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也具有三個(gè)組成部分；控制中心、地面段以及空中段，如圖1所示。

圖1 低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的顯著特征就是全球范圍內(nèi)都覆蓋了低軌衛(wèi)星群，只要處于地球圍著的用戶，都可以借助于衛(wèi)星群實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信，即在任何地點(diǎn)或時(shí)間與地球上任何位置其他用戶進(jìn)行通信。低軌衛(wèi)星系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)如下。

（1）低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的星座是由多顆在軌衛(wèi)星按照特定設(shè)計(jì)組成的，以便于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行多方位的覆蓋。

（2）低軌衛(wèi)星系統(tǒng)相較于中軌或高軌，其與地面的距離相對(duì)較小，因而衛(wèi)星在進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)的延時(shí)更短，信號(hào)的傳輸也不會(huì)產(chǎn)生過大衰弱，更容易實(shí)現(xiàn)用戶定位。

（3）低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星體積小，制造成本低，有利于在通信功能上的簡化。

（4）系統(tǒng)衛(wèi)星群規(guī)模較大，衛(wèi)星的數(shù)量比較多且各衛(wèi)星都處于快速運(yùn)行狀態(tài)，因而產(chǎn)生的衛(wèi)星間交換運(yùn)動(dòng)比較頻繁，其多普勒頻移十分明顯，這會(huì)讓衛(wèi)星控制的難度大幅提升。

2 低軌衛(wèi)星及多波束天線建模

2.1 低軌衛(wèi)星建模

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)在現(xiàn)階段主要有銥星系統(tǒng)和全球星系統(tǒng)兩種。銥星系統(tǒng)由空間段、系統(tǒng)控制段、用戶段、關(guān)口站段4部分組成。全球星系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、衛(wèi)星控制中心、地面關(guān)口站、用戶組成，基本與銥星系統(tǒng)相同，主要區(qū)別是全球星系統(tǒng)融合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了在全球范圍內(nèi)的個(gè)體用戶移動(dòng)通信。本文研究基于用戶位置的低軌衛(wèi)星波束關(guān)閉方法，銥星系統(tǒng)能夠?yàn)槟M分析提供更加精準(zhǔn)的結(jié)果。使用STK仿真軟件建模，采用近圓極軌道星座，由66顆衛(wèi)星開展通信服務(wù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的全面覆蓋，并均勻分布在6個(gè)軌道面上，可設(shè)置6顆備用衛(wèi)星，為降低軟件計(jì)算量，不進(jìn)行備用衛(wèi)星的設(shè)置。設(shè)計(jì)軌道高度780km，軌道傾角86.4°，除了第一與第六軌道面外，其他相鄰軌道面間隔為31.6°，相鄰軌道內(nèi)衛(wèi)星相位差為16.36°。在STK仿真軟件中建立LEO衛(wèi)星星座模型，生成各個(gè)衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)文件，再將這些軌道數(shù)據(jù)導(dǎo)入OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中，確保衛(wèi)星軌道布局的合理性[1]。

2.2 多波束天線建模

在低軌衛(wèi)星的銥星系統(tǒng)完成建模工作后，為每個(gè)衛(wèi)星配備3副相控陣天線設(shè)施，其中每一副相控陣天線產(chǎn)生的點(diǎn)波束量都為16個(gè)左右。在實(shí)際建模中參考過往記錄中的銥星系統(tǒng)波束特征，以使多波束天線更符合實(shí)際情況。多波束天線與的功能與一般的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相同，也包含了對(duì)尋呼并更新用戶位置的主要功能，在模擬中依然需要克服用戶移動(dòng)性帶來的衛(wèi)星系統(tǒng)用戶位置管理難點(diǎn)。另外，在實(shí)際情況下低軌衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行用戶位置更新與尋呼都會(huì)占用一定的網(wǎng)絡(luò)資源，衛(wèi)星會(huì)產(chǎn)生功率消耗，在多波束模型中降低了用戶位置的信令代價(jià)，也將相鄰波束的重疊覆蓋面積進(jìn)一步減小，能夠更為客觀準(zhǔn)確地反映出衛(wèi)星個(gè)體的多波束覆蓋狀況。在OPNET軟件中各波束用φ和θ符號(hào)表示，φ符號(hào)表示單個(gè)二維圓錐的表面值，這種表面需要被轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系的二維函數(shù)形式，而函數(shù)的橫坐標(biāo)就是θ，縱坐標(biāo)為天線增益。不過，銥星系統(tǒng)的天線增益數(shù)值是保密的，只能根據(jù)實(shí)際情況分析，近似擬合的方式獲得天線增益。OPNET天線建模方式分為圖形化與文本化兩種，圖形化比較直觀，但不夠精準(zhǔn)，而在部分天線模型上會(huì)有數(shù)千個(gè)點(diǎn)位需要刻畫，會(huì)產(chǎn)生較大工作量。因此，在多波束衛(wèi)星天線建模中采取文本方式。

3 基于用戶位置的低軌衛(wèi)星波束關(guān)閉方法

3.1 確定用戶覆蓋

以低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行為參考，在進(jìn)行用戶覆蓋確定時(shí)，以全面覆蓋為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探析適合低軌衛(wèi)星通信的關(guān)閉波束手段，從而減少系統(tǒng)的干擾作用，盡可能節(jié)省波束資源，降低用戶切換情況。

在衛(wèi)星三維坐標(biāo)中，低軌衛(wèi)星本體可被看作是原點(diǎn)，其X軸表示實(shí)際運(yùn)行方向，Z軸則表示衛(wèi)星面向地球的方向，Y軸運(yùn)用左手定則來進(jìn)一步確定。需要注意，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)不同，不同軌道層面產(chǎn)生的波束會(huì)以不規(guī)則橢圓形狀來呈現(xiàn)覆蓋區(qū)域，因而不可將其看作圓形波束覆蓋區(qū)域來計(jì)算低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。還需進(jìn)行空間關(guān)系的構(gòu)建，主要依據(jù)用戶實(shí)際位置及衛(wèi)星朝向用戶的波束指朝向方向，充分結(jié)合波束指向的方位角、俯仰角以及半波束角等來呈現(xiàn)出空間覆蓋關(guān)系與范圍，具體示意情況圖見圖2。其中，α角表示衛(wèi)星位置S與用戶U之間從北向東偏離的角度值。同時(shí)，其星座軌道之間傾角用β來表示，若是對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行方向及相對(duì)于用戶位置進(jìn)行計(jì)算，還需考慮衛(wèi)星與用戶之間所夾的地心角，從而得到用戶相對(duì)衛(wèi)星的仰角[2]。

圖2 用戶方位角示意圖

在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)不斷模擬波束指向衛(wèi)星與用戶之間的空間夾角變化。若是波束具體指向和波束到達(dá)用戶的指向之間所形成夾角與該波束實(shí)際寬度的一半數(shù)值相比較小，那么就可認(rèn)定該用戶位于波束的實(shí)際覆蓋區(qū)域，反之則不處于覆蓋區(qū)域。

3.2 基于用戶位置的波束關(guān)閉

波束關(guān)閉方法應(yīng)當(dāng)是動(dòng)態(tài)式的，衛(wèi)星可以根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中用戶覆蓋的情況以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中其他衛(wèi)星波束覆蓋狀況，對(duì)開關(guān)重疊部分的波束進(jìn)行選擇，就可能進(jìn)一步節(jié)省波束，也能降低乒乓切換頻率，從而提高衛(wèi)星系統(tǒng)的性能。為了確保用戶在波束的覆蓋范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中重疊波束盡可能完全關(guān)閉，讓網(wǎng)絡(luò)服務(wù)波束的數(shù)量向著最小化變化。這就需要模擬可關(guān)閉波束集合來得出最優(yōu)解，而且要清楚在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)用戶被多個(gè)波束覆蓋的情況，在這種情況下，最優(yōu)解并非唯一解，可能存在兩種或多種選擇方案。為了避免方案選擇的沖突，依然要求解出最優(yōu)解，也就是增加極小碰撞集問題。簡單來說可將解決較小碰撞集問題看作衛(wèi)星通信系統(tǒng)在用戶覆蓋上得到的局部最優(yōu)解，避免關(guān)閉波束存最優(yōu)解迅速確定難度較大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)波束進(jìn)行關(guān)閉的集合進(jìn)一步運(yùn)用貪婪算法來計(jì)算，將集合組成為集合簇，對(duì)集合中出現(xiàn)次數(shù)最多的元素進(jìn)行查詢，隨機(jī)選擇一個(gè)元素進(jìn)行計(jì)算，之后更新集合簇，反復(fù)重復(fù)此循環(huán)直至得出當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以關(guān)閉的波束集合。此計(jì)算循環(huán)還需注意得出決策時(shí)間的間隔，同軌道中相鄰衛(wèi)星經(jīng)過同一緯度時(shí)存在一個(gè)間隔周期，且統(tǒng)一軌道上均勻分布11顆衛(wèi)星，需要根據(jù)用戶被波束覆蓋的時(shí)間來將整個(gè)軌道波束覆蓋周期進(jìn)行劃分，用戶在不同波束覆蓋情況下的進(jìn)入和移出波束覆蓋區(qū)的時(shí)刻為計(jì)算時(shí)間，其中計(jì)算時(shí)間的間隔取決于用戶被覆蓋狀態(tài)改變的時(shí)刻，而且周期必須被劃分為有限個(gè)時(shí)域，用戶被覆蓋狀態(tài)改變的時(shí)刻必須是時(shí)域內(nèi)的任意數(shù)值，才能得到準(zhǔn)確的波束關(guān)閉決策時(shí)刻。

3.3 用戶位置預(yù)測

在基于用戶位置的波束關(guān)閉方法中，衛(wèi)星和用戶都存在移動(dòng)性，對(duì)用戶位置進(jìn)行預(yù)測，將提前且更加準(zhǔn)確地得出用戶位置信息，從而使波束關(guān)閉方法的效果得到提升。在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶中，高速用戶占比較大，包括高鐵、飛機(jī)等，這些高速用戶具有速度快的特點(diǎn)，但是方向改變的幅度較小。先要針對(duì)高速用戶開展位置預(yù)測，根據(jù)用戶位置的尋呼架構(gòu)以及速度方向和速度大小來預(yù)測用戶當(dāng)前所處波束區(qū)域，并以此預(yù)測用戶后續(xù)進(jìn)入的波束區(qū)域，以此來提前預(yù)測波束區(qū)域的開關(guān)，使部分波束可以長期關(guān)閉，部分波束也能夠提前啟動(dòng)，來滿足高速用戶的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。而低中速用戶的移動(dòng)速度較慢，用戶方向改變的隨機(jī)性很大，用戶移動(dòng)變化不太顯著。因?yàn)橐刖珳?zhǔn)預(yù)測用戶位置，可以基于馬爾卡夫預(yù)測模型的構(gòu)建，在波束覆蓋范圍內(nèi)提出“層”的概念，包波束覆蓋區(qū)域內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出環(huán)狀用戶位置劃分，且在最中間區(qū)域的用戶位置被更新后單獨(dú)構(gòu)成以環(huán)，之后以此向外層擴(kuò)展環(huán)的數(shù)量，以此類推。在環(huán)形區(qū)域中模擬每層之間的轉(zhuǎn)移概率，將位于層邊的頂點(diǎn)用戶與非頂點(diǎn)用戶的轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行綜合分析，得到每層之間的轉(zhuǎn)移概率。將低軌衛(wèi)星用戶在波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)模擬成一個(gè)二維的隨機(jī)移動(dòng)模型，并根據(jù)每層情況以此計(jì)算出第n層轉(zhuǎn)移至第n+1層的概率，層內(nèi)波束的關(guān)閉優(yōu)先級(jí)應(yīng)當(dāng)按照用戶的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以采用波束關(guān)閉方法預(yù)測用戶位置變化，提高波束開關(guān)的效率。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 結(jié)果

使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件搭建模擬場景，再由STK仿真軟件生成星座軌道數(shù)據(jù)文件，并導(dǎo)入OPNET場景中，得知用戶在不斷波束區(qū)域、不同緯度分布，波束關(guān)閉方法能否有效實(shí)施，模擬總時(shí)長為3600 s。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的切換次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中落實(shí)波束間切換和星間切換，在衛(wèi)星的支持下對(duì)相關(guān)切換請(qǐng)求進(jìn)行發(fā)動(dòng)與傳遞，同時(shí)落實(shí)對(duì)相應(yīng)切換次數(shù)的精準(zhǔn)記錄與保存。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋特點(diǎn)決定了波束密度會(huì)隨著用戶緯度的升高而逐漸增加，相較于低緯度區(qū)域，高緯度用戶的切換頻率更明顯，而采用波束關(guān)閉方法后，切換頻率降低在高緯度地區(qū)的表現(xiàn)也更加明顯。

還需統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中乒乓切換次數(shù)，乒乓切換主要集中在波束覆蓋重疊區(qū)域，分析乒乓切換次數(shù)將得到用戶處在波束覆蓋重疊區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)路頻繁切換頻率。很顯然，在高緯度地區(qū)乒乓切換次數(shù)隨著波束密集程度而表現(xiàn)為低緯度區(qū)域的兩倍之多，波束資源浪費(fèi)很嚴(yán)重。在采取波束關(guān)閉方法后，高緯度地區(qū)切換次數(shù)明顯減少，而且在用戶位置預(yù)測功能的支持下，高緯度地區(qū)可以避免不必要的乒乓切換情況發(fā)生。在未采用波束關(guān)閉方法前，高緯度地區(qū)乒乓切換率可達(dá)到10.95%，對(duì)實(shí)際通信的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。但若將波束關(guān)閉，則高緯度地區(qū)的乒乓切換率會(huì)進(jìn)一步降低到7.05%，而采用基于用戶位置預(yù)測的波束關(guān)閉方法后，高緯度地區(qū)乒乓切換率降低至5.05%，規(guī)避掉了一部分無效乒乓切換，對(duì)于乒乓切換以及通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量都有著顯著改善。

4.2 分析

從波束關(guān)閉方法模擬仿真的結(jié)果來看，波束關(guān)閉方法有助于低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量發(fā)展，可顯著提升低軌衛(wèi)星系統(tǒng)波束資源的利用率。不過，在模擬仿真過程中也存在兩方面對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)性能影響的因素。一方面是仰角對(duì)衛(wèi)星波束誤碼率的影響，在衛(wèi)星仰角較小的時(shí)候，到達(dá)用戶的直射量與阻礙量都比較小，兩者的關(guān)系隨仰角的增加而不斷拉大，直至用戶離開波束范圍內(nèi)進(jìn)入其他波束范圍，這其中的過程存在用戶接受存在失真系數(shù)的情況，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中為了避免失真就要限定最大仰角，可以得到更高尋呼成功率。只是低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)較快，仰角變化較快，波束位置更新頻率也較快，需要考慮最長的覆蓋時(shí)間。

另一方面是衛(wèi)星系統(tǒng)采取預(yù)測用戶位置的方式將會(huì)增加系統(tǒng)分析計(jì)算的性能消耗?，F(xiàn)階段，預(yù)測波束關(guān)閉與即時(shí)波束關(guān)閉相比并沒有顯著優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)高速用戶的位置預(yù)測將會(huì)增加尋呼開銷，是犧牲用戶位置預(yù)測的開銷，還是提升用戶位置的預(yù)測質(zhì)量需要低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在構(gòu)建時(shí)進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)束語

通過對(duì)基于用戶位置的低軌衛(wèi)星波束關(guān)閉方法的模擬分析，可以明確得出低軌衛(wèi)星波束關(guān)閉方法對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信和波束資源利用有著較大的提升，本文利用基于用戶位置預(yù)測的方法建立衛(wèi)星系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了波束關(guān)閉方法的可行性與可靠性，從結(jié)果可知，波束關(guān)閉方法對(duì)于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)有著顯著提升?！?/p>