戚凱強(qiáng) 謝孫夢 馮瑄 秦鵬飛 衣龍騰 董贊揚(yáng) 張程

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190)

高吞吐量衛(wèi)星(HTS)這個名詞最早是由美國航天咨詢公司北方天空研究所提出的，該研究所將“采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)的衛(wèi)星，在獲得同樣頻譜資源的條件下，整星吞吐量是傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星數(shù)倍的衛(wèi)星”定義為“高吞吐量衛(wèi)星”，在國內(nèi)也被譯作“高通量衛(wèi)星”[1]。相比傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星，HTS通過更有效地利用資源可以顯著降低每單位比特?cái)?shù)據(jù)量的成本。近年來，國內(nèi)外HTS不斷發(fā)射成功，如國內(nèi)的中星-16、亞太-6D，國外的Ka頻段衛(wèi)星(Ka-Sat)、衛(wèi)訊衛(wèi)星-2(ViaSat-2)、歐洲衛(wèi)星公司-17(SES-17)衛(wèi)星等，為后續(xù)民商用衛(wèi)星的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的契機(jī)。

當(dāng)前，HTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究也正在緊張有序地開展中，如多點(diǎn)波束排布技術(shù)、突破傳統(tǒng)固體反射面天線的大口徑固體和網(wǎng)狀反射面結(jié)合或網(wǎng)狀天線設(shè)計(jì)技術(shù)、星地一體資源管控技術(shù)、跳波束技術(shù)、高精度在軌波束校準(zhǔn)技術(shù)等。其中，HTS的多波束排布作為寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)優(yōu)化的一項(xiàng)重要技術(shù)和首要環(huán)節(jié)，與用戶需求密切相關(guān)，對于提高系統(tǒng)匹配容量和降低衛(wèi)星制造和設(shè)計(jì)成本至關(guān)重要。面對如今指數(shù)級增長的通信容量需求，傳統(tǒng)的規(guī)則波束排布技術(shù)由于沒有高效地利用衛(wèi)星資源，導(dǎo)致衛(wèi)星提供的能力難以滿足用戶需求。因此，應(yīng)充分考慮需求的地理空間分布特性和時間動態(tài)變化特性，不僅要提升系統(tǒng)的總?cè)萘?，而且要把容量分配到一定時間內(nèi)用戶最需要的地方，從而有效提升系統(tǒng)的匹配容量。需求的時間動態(tài)變化可以通過波束間容量轉(zhuǎn)移的方法(在軌資源管控技術(shù))來減輕各波束提供的容量與需求不匹配的問題，即把需求較小的波束的資源(如功率、帶寬和時間資源)在軌重新分配給需求較大的波束。而需求的地理空間不均則可以通過負(fù)載轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)，即通過優(yōu)化不規(guī)則的波束排布，增加覆蓋區(qū)規(guī)劃的靈活性，以達(dá)到波束間負(fù)載均衡并簡化資源管理的目的。

本文系統(tǒng)性地總結(jié)了國內(nèi)外特別是國外HTS多波束排布技術(shù)的研究進(jìn)展。首先，根據(jù)波束排布的特點(diǎn)對該技術(shù)進(jìn)行分類；然后，從規(guī)則波束排布和非規(guī)則波束排布的角度詳細(xì)介紹了該技術(shù)的最新研究進(jìn)展；最后，總結(jié)了HTS多波束排布技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后續(xù)國內(nèi)開展全靈活(包含覆蓋、容量、路由和頻率靈活)、高性價比的HTS論證和研制提供技術(shù)參考。

1 多波束排布技術(shù)分類

根據(jù)波束排布的特點(diǎn)，多波束排布技術(shù)可以劃分為規(guī)則波束排布和不規(guī)則波束排布。對于規(guī)則波束排布，一般在一個區(qū)域內(nèi)排布的多個波束大小都相同，且根據(jù)無縫覆蓋的需求，設(shè)計(jì)為正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的覆蓋方案。同時，受到圓形喇叭饋源的形狀約束，因此生成的波束為圓形波束，即具有圓形的橫截面。當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求密度均勻分布時，規(guī)則波束排布可以為所有的波束提供幾乎相同的容量，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的覆蓋方案。圖1給出了規(guī)則波束排布的例子，其中，圖1(a)在整個區(qū)域內(nèi)采用同一種波束寬度進(jìn)行規(guī)則的波束排布，圖1(b)把整個區(qū)域劃分為2個子區(qū)域，每個子區(qū)域單獨(dú)采用一種波束寬度進(jìn)行規(guī)則的波束排布。

圖1 規(guī)則波束排布實(shí)例

對于不規(guī)則波束排布，一般在一個區(qū)域內(nèi)，多個波束的形狀或大小會有所不同，且不一定保證無縫覆蓋，即業(yè)務(wù)需求密度較低的區(qū)域內(nèi)可以不被覆蓋，從而既可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的覆蓋區(qū)域規(guī)劃，又能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更大的優(yōu)化空間。波束形狀可以是波束寬度不同的圓形波束，如圖2(a)所示，受限于饋源布局，圓形波束寬度的種類是有限的；也可以采用具有橢圓橫截面的波束，以便在地理區(qū)域覆蓋上提供更高的靈活性，橢圓橫截面的波束由2個形狀參數(shù)和1個角度參數(shù)描述，分別對應(yīng)橢圓的長軸、短軸及傾斜角度，如圖2(b)中所示。傳統(tǒng)的多口徑單饋源每波束(SFPB)天線難以形成橢圓波束，需要借助波束形成網(wǎng)絡(luò)合成。

圖2 不規(guī)則波束排布實(shí)例

2 HTS多波束排布技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 規(guī)則波束排布

根據(jù)業(yè)務(wù)匹配程度的差異，規(guī)則波束排布可以大致分為：①傳統(tǒng)的波束排布方法，在整個區(qū)域內(nèi)只采用同一種寬度的波束進(jìn)行覆蓋，潛在地假設(shè)整個區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)分布是均勻的，該方法對業(yè)務(wù)匹配程度的需求較低；②按區(qū)域分組的波束排布方法，業(yè)務(wù)需求在整個區(qū)域內(nèi)是不均勻的，從而需要首先對整個區(qū)域進(jìn)行分組劃分，各個子區(qū)域采用不同寬度的波束進(jìn)行覆蓋，以更好地匹配用戶需求。

2.1.1 傳統(tǒng)的波束排布方法

與地面移動通信類似，傳統(tǒng)的波束排布方法是基于正六邊形的蜂窩結(jié)構(gòu)的排布方法，這也是現(xiàn)有衛(wèi)星最常采用的波束排布方法。文獻(xiàn)[2]中系統(tǒng)性地總結(jié)了基于單一寬度的波束規(guī)則排布的方法。首先，根據(jù)衛(wèi)星終端的接收性能、衛(wèi)星天線反射面大小、轉(zhuǎn)發(fā)器功率及星地鏈路傳輸損耗等參數(shù)，通過鏈路預(yù)算確定波束寬度。然后，基于該波束寬度采用正六邊形對服務(wù)區(qū)域進(jìn)行覆蓋。考慮到正六邊形的旋轉(zhuǎn)角度及排布參考位置的不同，這種規(guī)則排布會得到無數(shù)個解。確定最優(yōu)排布方式的原則是在保證高覆蓋率的條件下使覆蓋整個服務(wù)區(qū)域的波束數(shù)最小。由于在服務(wù)區(qū)域的邊界處存在很多相交面積很小的波束，全部保留這些波束會帶來較大的轉(zhuǎn)發(fā)器代價，因此需要衡量覆蓋性能與星上載荷代價，從而確定一個合理的門限值。如果波束與服務(wù)區(qū)域的交集大于該門限值，則保留該波束，否則舍棄該波束。文獻(xiàn)[3]中采用了先進(jìn)的多波束天線，同樣在一個服務(wù)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了規(guī)則的波束排布，但是該工作未進(jìn)行波束排布角度的優(yōu)化。

在工程應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的波束排布這種簡單而直接的方法受到了國內(nèi)外衛(wèi)星運(yùn)營商和制造商的廣泛關(guān)注。例如，國內(nèi)的首顆HTS——中星-16衛(wèi)星采用了這種傳統(tǒng)的規(guī)則波束排布方法進(jìn)行覆蓋區(qū)內(nèi)多波束的排布，從而實(shí)現(xiàn)了較好的覆蓋特性，國外的Ka-Sat衛(wèi)星和快訊-AMU1(Express-AMU1)衛(wèi)星也都采用這種規(guī)則排布的方法。

2.1.2 按區(qū)域分組的波束排布方法

當(dāng)整個服務(wù)區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)需求密度分布不均勻時，采用同一種波束寬度進(jìn)行規(guī)則排布可能導(dǎo)致覆蓋需求量較大區(qū)域的波束容量耗盡，而覆蓋需求量較小區(qū)域的波束容量閑置，造成波束間忙閑不均，從而嚴(yán)重浪費(fèi)星上資源，無法很好地滿足用戶需求。根據(jù)已有研究[4-5]，在業(yè)務(wù)需求較高的區(qū)域，通常部署窄波束以便更好地復(fù)用有限的頻帶資源，而在業(yè)務(wù)需求較低的區(qū)域，則部署寬波束。因此，通過對服務(wù)區(qū)內(nèi)的業(yè)務(wù)需求密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以把整個服務(wù)區(qū)劃分為多個子區(qū)域，每個子區(qū)域根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求優(yōu)化設(shè)計(jì)一個波束寬度值，并進(jìn)行規(guī)則的波束排布。

文獻(xiàn)[4]把上述區(qū)域分組問題看作一個模式識別問題，每個區(qū)域?qū)?yīng)一種模式，并采用自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]進(jìn)行子區(qū)域劃分。在區(qū)域分組問題中，首先，使用網(wǎng)格化的業(yè)務(wù)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定多個子區(qū)域。其中，網(wǎng)絡(luò)的輸入由經(jīng)度、緯度和流量表示，調(diào)整每個神經(jīng)元的權(quán)重可以逐漸匹配輸入的模式，網(wǎng)絡(luò)的輸出則顯示出每個輸入點(diǎn)的獲勝神經(jīng)元。然后，優(yōu)化每個子區(qū)域的波束數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)子區(qū)域之間的負(fù)載均衡。接下來，通過K均值算法(K表示K個類別)得到每個子區(qū)域內(nèi)各個波束的寬度及波束中心以實(shí)現(xiàn)更好的聚類。最終，在各個子區(qū)域內(nèi)進(jìn)行波束排布，每個子區(qū)域的波束寬度為通過K均值算法得到的各波束寬度的均值。需要注意的是，經(jīng)過K均值算法優(yōu)化后的波束位置可能無法保證一個子區(qū)域內(nèi)相鄰波束之間的交疊區(qū)域是固定的，即波束排布不再規(guī)則。但是，根據(jù)業(yè)務(wù)需求密度對地理區(qū)域進(jìn)行分組劃分后，每個子區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求分布可以近似看作是均勻的，從而一個子區(qū)域內(nèi)的波束排布也近似是規(guī)則的。

文獻(xiàn)[5]基于對服務(wù)區(qū)域的業(yè)務(wù)分析把整個區(qū)域劃分為K個子區(qū)域，其業(yè)務(wù)需求主要基于人口密度，即針對衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)，如圖3所示。

圖3 服務(wù)區(qū)域內(nèi)區(qū)域分組示意

各個子區(qū)域根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求的不同分配不同的波束寬度，其中可選的波束寬度集合有限。業(yè)務(wù)需求較高的區(qū)域波束寬度較窄，而業(yè)務(wù)需求較低的區(qū)域波束寬度較寬。在每個子區(qū)域內(nèi)，為了最小化波束覆蓋區(qū)域與服務(wù)區(qū)域之間的誤差并最小化子區(qū)域內(nèi)所排布的波束數(shù)，以降低衛(wèi)星單位容量成本，需要優(yōu)化波束排布角度和排布的初始位置。其中，波束排布角度為波束排布方向與赤道正東方向的夾角，該角度的范圍為[0°,60°)，排布初始位置為一個子區(qū)域內(nèi)第1個排布波束的中心位置。按照正六邊形排布方法進(jìn)行波束排布時，排布角度和初始位置都會直接影響該區(qū)域所排布的波束數(shù)量，因此需要對這2個參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。同時，多波束排布優(yōu)化也作為其系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵組成部分，為高性價比HTS的論證提供技術(shù)支持。

在工程應(yīng)用方面，我國亞太-6D衛(wèi)星和歐洲SES-17衛(wèi)星均采用了這種按區(qū)域分組的多波束排布方法。

2.2 不規(guī)則波束排布

雖然規(guī)則波束排布可以采用寬波束實(shí)現(xiàn)整個服務(wù)區(qū)域的無縫覆蓋，但很難保證需求較高區(qū)域內(nèi)用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，這將極大地削弱衛(wèi)星系統(tǒng)的競爭力。不規(guī)則波束排布則可以在衛(wèi)星資源受限的條件下，通過合理地設(shè)計(jì)波束的形狀、大小和位置，把星上資源分配到用戶需求較大的區(qū)域，而一些用戶需求較小的區(qū)域不再部署波束。另外，當(dāng)業(yè)務(wù)需求地理分布不均勻時，規(guī)則的波束排布會導(dǎo)致一些波束容量過載，而一些波束容量欠載和波束間忙閑不均，會造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)，同時也會影響過載波束內(nèi)的用戶服務(wù)質(zhì)量。不規(guī)則排布則可以面向負(fù)載均衡進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能提高系統(tǒng)資源利用率，也能提升用戶體驗(yàn)。

2.2.1 不同大小的圓形波束排布

在服務(wù)區(qū)域內(nèi)采用大小不同的圓形波束進(jìn)行不規(guī)則的排布，可以實(shí)現(xiàn)較高的覆蓋靈活性。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以把現(xiàn)有工作劃分為：①面向波束間負(fù)載均衡進(jìn)行設(shè)計(jì)；②在考慮系統(tǒng)約束并保證用戶需求的前提下面向較大的覆蓋率進(jìn)行設(shè)計(jì)。相比規(guī)則波束排布，具有不同波束大小的圓形波束不規(guī)則排布不但可以更好地適應(yīng)用戶需求，而且可以最大程度地提高衛(wèi)星的匹配容量。

文獻(xiàn)[7]面向波束間負(fù)載均衡進(jìn)行多波束通信衛(wèi)星天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，對服務(wù)區(qū)域進(jìn)行不規(guī)則的凸多邊形分割，其中每個凸多邊形表示一個地理區(qū)域，并由一個波束服務(wù)。然后，從一個初始的分割開始，按照所提出的負(fù)載均衡算法，各個地理區(qū)域不斷進(jìn)行迭代和重新賦形，直到各個地理區(qū)域的業(yè)務(wù)量相等。各個地理區(qū)域之間的業(yè)務(wù)均衡反映在天線的工程實(shí)現(xiàn)上，會導(dǎo)致天線的復(fù)雜度增加，但同時可以極大地簡化轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)。值得注意的是，一個地理區(qū)域及其服務(wù)波束的形狀可能是不同的，地理區(qū)域主要表示一個覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)需求，而波束只是滿足該需求的一種實(shí)現(xiàn)形式。

圖4 區(qū)域劃分示意

與文獻(xiàn)[8]相似，文獻(xiàn)[9]同樣采用不同大小的圓形波束覆蓋服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶，但是優(yōu)化波束排布時認(rèn)為波束中心位置是地理位置連續(xù)的，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法優(yōu)化波束位置、寬度、與反射面的映射關(guān)系等變量，以最大化所覆蓋的業(yè)務(wù)量。它不但考慮了天線約束，而且從不同的角度考慮了轉(zhuǎn)發(fā)器約束。不同于文獻(xiàn)[8]通過統(tǒng)計(jì)離散法預(yù)處理劃分子區(qū)域，各子區(qū)域間達(dá)到負(fù)載均衡來保證轉(zhuǎn)發(fā)器約束，文獻(xiàn)[9]直接定義了每個波束的最大業(yè)務(wù)量，從而確保轉(zhuǎn)發(fā)器架構(gòu)的可行性。與文獻(xiàn)[8]所提出的結(jié)合圖染色的隨機(jī)多起點(diǎn)貪婪算法相比，文獻(xiàn)[9]所提出的方法在小樣本情況下優(yōu)勢較大且可證明解的最優(yōu)性，但是當(dāng)樣本量較大時效率較低。盡管文獻(xiàn)[8]和[9]在提升覆蓋業(yè)務(wù)量上展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，但是都沒有針對系統(tǒng)容量或負(fù)載均衡程度進(jìn)行評估。

文獻(xiàn)[10]提出了一種面向相控陣天線的用戶分組和波束寬度聯(lián)合優(yōu)化的啟發(fā)式算法來實(shí)現(xiàn)多波束排布，在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的同時最大化系統(tǒng)容量。該算法針對衛(wèi)星前向下行鏈路，假設(shè)衛(wèi)星搭載了相控陣天線，可以形成一定數(shù)目的圓形波束，且波束指向和寬度能夠靈活調(diào)整。首先，根據(jù)給定波束數(shù)(從1開始遞增到最大允許的波束數(shù))，隨機(jī)選取波束中心。然后，采用貪婪算法確定每個用戶對應(yīng)的波束及波束的寬度。接下來，優(yōu)化波束指向及其寬度，保證波束寬度必須不小于一個給定的最小波束寬度，且不能過大(如果波束寬度過大，可能難以保證邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量需求)。如果多次隨機(jī)選取波束中心后依然難以尋找到合適的波束寬度值，則說明波束數(shù)選取不合理或數(shù)量過少，此時波束數(shù)量遞增1個，并進(jìn)入下次迭代過程；否則，存儲相應(yīng)的分配方案。

在工程應(yīng)用方面，歐洲空中客車防務(wù)與航天公司于2015年研發(fā)了一套多波束寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)有效載荷設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，其中的JIVE軟件專門負(fù)責(zé)優(yōu)化多波束排布，并按照預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)最大化所覆蓋的容量。在由該公司研制的歐洲量子號衛(wèi)星(在2021年發(fā)射)上，該工具也發(fā)揮了巨大的作用，通過優(yōu)化不規(guī)則的波束排布實(shí)現(xiàn)了全靈活、按照用戶需求的覆蓋。

2.2.2 不同參數(shù)的橢圓波束排布

采用長軸、短軸和傾斜角度這3個參數(shù)不同的橢圓波束進(jìn)行不規(guī)則的多波束排布，可以為波束形狀的設(shè)計(jì)提供額外的自由度，進(jìn)而增加了波束排布的靈活性。文獻(xiàn)[11]提出了一種自適應(yīng)的覆蓋區(qū)域規(guī)劃和多波束排布方法，可以基于用戶空間聚類靈活地調(diào)整波束的形狀和位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波束間的負(fù)載均衡，達(dá)到簡化無線資源管理、有效載荷配置和頻率規(guī)劃的目的。該方法假設(shè)波束數(shù)是給定的，進(jìn)而只需要優(yōu)化固定數(shù)目波束的形狀和位置。對于每個波束而言，波束形狀是橢圓的，由長軸、短軸、傾斜角度及中心位置來描述。該方法首先基于角度域的用戶位置、采用改進(jìn)的K均值算法進(jìn)行用戶聚類，并由一個波束服務(wù)同一類用戶，從而可以從衛(wèi)星視角很好地匹配不均勻的需求分布，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。然后，為了盡可能地保證對服務(wù)區(qū)域的無縫覆蓋，采用泰森凸多邊形分割的方式定義波束的邊界。接下來，為了確保天線的工程可實(shí)現(xiàn)性，采用橢圓對分割后的凸多邊形進(jìn)行形狀近似，得到長軸、短軸、傾斜角度及橢圓中心位置坐標(biāo)4個參數(shù)。隨著有源波束形成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，合成橢圓波束已成為可能，該方法不但可以保證無縫覆蓋，而且能夠很靈活地實(shí)現(xiàn)波束間的負(fù)載均衡。但是，與圓形波束相比，橢圓波束排布必然會增加一些天線設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。目前，橢圓波束排布的方法還沒有工程應(yīng)用的范例，但隨著有效載荷技術(shù)、特別是波束形成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，這種更加靈活、與用戶需求更加匹配的方法必然成為后續(xù)衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的關(guān)鍵解決途徑。

2.3 多波束排布技術(shù)分析

表1從區(qū)域分組原則、需求顆粒度、優(yōu)化變量及多波束形成方式對規(guī)則波束排布進(jìn)行了總結(jié)與比較?？梢钥闯觯阂?guī)則波束排布既可以只根據(jù)整個區(qū)域的平均業(yè)務(wù)需求密度進(jìn)行排布，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求密度分布進(jìn)行區(qū)域分組以進(jìn)行更精細(xì)化的排布。一旦進(jìn)行區(qū)域分組，就必須輸入顆粒度更細(xì)的需求，即已知用戶級(每個用戶)的需求?？蛇x擇優(yōu)化的變量包括波束寬度和排布角度。多波束形成方式通常是多口徑SFPB天線。

表1 規(guī)則波束排布總結(jié)與比較

表2從是否無縫覆蓋、是否區(qū)域分組、優(yōu)化變量及多波束形成方式對不規(guī)則波束排布進(jìn)行了總結(jié)和比較，這些都是基于用戶級的需求顆粒度進(jìn)行波束排布的?？梢钥闯觯翰捎貌煌笮A形波束排布沒有考慮無縫覆蓋，而采用不同參數(shù)橢圓波束排布則考慮了無縫覆蓋。不規(guī)則波束排布一般不考慮區(qū)域分組，但是可以通過預(yù)分組來降低算法優(yōu)化的復(fù)雜度。可選擇的優(yōu)化變量包括波束的大小、形狀、數(shù)量、中心位置及其與反射面的映射關(guān)系。相比規(guī)則波束排布，不規(guī)則波束排布需要在一定程度上提升天線的工程可實(shí)現(xiàn)性，采用相控陣或波束形成網(wǎng)絡(luò)來提高波束合成的靈活性。

表2 不規(guī)則波束排布總結(jié)與比較

表3從與需求的匹配度、靈活性、載荷代價及算法復(fù)雜度對規(guī)則與不規(guī)則波束排布的性能進(jìn)行了比較?？梢钥闯觯号c規(guī)則波束排布相比，不規(guī)則波束排布可以與用戶需求實(shí)現(xiàn)更好的匹配度，同時具備較高的靈活性，但是為了實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，必須解決高載荷代價和高算法復(fù)雜度的問題。

表3 規(guī)則與不規(guī)則波束排布的性能比較

總之，在HTS多波束優(yōu)化設(shè)計(jì)中，如何設(shè)計(jì)出技術(shù)和工程上合理可行且最優(yōu)的波束排布方案是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。本文針對在不同衛(wèi)星平臺和轉(zhuǎn)發(fā)器約束下，如何根據(jù)用戶需求進(jìn)行多波束覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)方面提供了解決思路，通過多波束排布設(shè)計(jì)，可以把用戶需求信息轉(zhuǎn)化為波束寬度、形狀、位置、數(shù)量等信息，從而更貼近于衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)參數(shù)。為了進(jìn)一步在工程上實(shí)現(xiàn)上述規(guī)則或不規(guī)則多波束排布，最關(guān)鍵的技術(shù)是多波束天線本身的設(shè)計(jì)，包括不同波束寬度對應(yīng)的天線選型、頻率計(jì)劃、有源天線的設(shè)計(jì)等。

(1)天線選型與頻率計(jì)劃。當(dāng)多種波束寬度聯(lián)合覆蓋時，需要根據(jù)工程設(shè)計(jì)水平和用戶需求確定所設(shè)計(jì)的不同寬度波束的天線選型。一般而言，在Ka頻段，1°以上寬度的波束選擇單口徑賦形天線，0.6°至1°之間寬度的波束選擇多口徑SFPB天線，而0.6°以下更窄的波束選擇多饋源合成MFPB天線。面向帶寬需求復(fù)雜的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行頻率計(jì)劃也成為了關(guān)鍵步驟，需全面考慮大小波束之間的頻率計(jì)劃約束(如同頻同極化波束不相鄰、上行頻率和下行頻率盡量整段變頻、同頻小波束的間隔需要盡量大于1個大波束寬度)，以及不同的優(yōu)化目標(biāo)(如波束間信號干擾比最大化、下變頻器數(shù)最小化、放大器數(shù)最小化)，形成具有工程實(shí)用價值的頻率計(jì)劃。

(2)有源天線設(shè)計(jì)。在HTS多波束天線優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有源天線配置優(yōu)化技術(shù)也是至關(guān)重要的一環(huán)，包括饋源和波束形成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以及反射面的設(shè)計(jì)。目前，通過多口徑SFPB實(shí)現(xiàn)規(guī)則波束排布或不同大小圓形波束排布的技術(shù)(即天線饋源布局與反射面的聯(lián)合設(shè)計(jì))相對比較成熟。饋源和有源波束形成網(wǎng)絡(luò)(或相控陣)的設(shè)計(jì)與橢圓波束等形狀、大小更靈活的波束排布緊密相關(guān)，是決定不規(guī)則排布是否可工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：波束合成方式的確定(定義每個饋源形成的子波束與合成波束尺寸之間的關(guān)系)；高增益低旁瓣多波束設(shè)計(jì)與幅相參數(shù)優(yōu)化；一體化饋源陣設(shè)計(jì)、制造、裝備。這些技術(shù)直接決定了有源通道數(shù)量，天線的質(zhì)量、熱耗，系統(tǒng)的復(fù)雜度、集成度和成本，波束間功率共享的能力及輻射性能(如掃描損耗和旁瓣性能)等。根據(jù)ESA的觀點(diǎn)，未來HTS、甚至1 Tbit/s量級的甚高通星衛(wèi)星(VHTS)將支持超過1000個完全可重構(gòu)的波束，給波束形成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。其中，模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)通常質(zhì)量大、功耗高，限制了它們的應(yīng)用，生成的波束數(shù)量較少且可重構(gòu)能力受限；數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)是理想的解決方案，但面臨處理所有天線饋源的大寬帶信號所帶來的質(zhì)量、功耗和成本問題；數(shù)字和模擬混合波束形成網(wǎng)絡(luò)可在復(fù)雜度和可重構(gòu)性之間取得最優(yōu)折中，具有高度的模塊性和可拓展性，是未來實(shí)現(xiàn)多波束全靈活排布的最佳解決方案[12]。

反射面的設(shè)計(jì)直接影響多波束天線的增益和旁瓣，是決定HTS是否能達(dá)到預(yù)期容量水平的關(guān)鍵，尤其是反射面的型面精度，成為制約反射面能力的主要因素。通常要求型面誤差應(yīng)小于波長的1/50，此時由型面誤差引起的天線增益損失小于0.3 dB，對應(yīng)的最大旁瓣電平比主瓣低11.8 dB。隨著HTS的容量逐漸提升，天線形式也逐漸由傳統(tǒng)的固體反射面天線發(fā)展為傘狀天線、環(huán)形天線等網(wǎng)狀天線，對型面精度的要求也大大增加。因此，除了采用優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善加工工藝、增加結(jié)構(gòu)剛度和地面預(yù)補(bǔ)償?shù)缺粍哟胧┩?，可能還需要對型面精度進(jìn)行在軌主動控制，以確保天線的在軌性能。

3 HTS多波束排布技術(shù)發(fā)展趨勢分析

3.1 全靈活HTS靈活覆蓋的需求

在民商用HTS領(lǐng)域，高靈活一般指容量、頻率、連接靈活，而全靈活則增加了覆蓋靈活的特點(diǎn)，使這類衛(wèi)星能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求更加靈活地調(diào)整時域、頻域、功率域及空域資源。靈活覆蓋對于衛(wèi)星在軌任務(wù)規(guī)劃和新型市場服務(wù)能力具有重要的意義。隨著用戶需求越來越多樣化，如一些特定應(yīng)用領(lǐng)域(軍事保障、應(yīng)急救災(zāi)、海洋漁業(yè)等)在人口聚集度和通信需求上有著隨機(jī)性或規(guī)律性的地理區(qū)域改變，需要運(yùn)營商根據(jù)用戶位置變化調(diào)整波束覆蓋中心或形狀輪廓。

實(shí)現(xiàn)靈活覆蓋的技術(shù)途徑為采用MFPB、相控陣等有源天線形式，如2021年成功發(fā)射的歐洲量子號衛(wèi)星采用波束形成網(wǎng)絡(luò)，從而具備快速調(diào)整波束數(shù)量、大小、形狀和位置的能力。靈活覆蓋要求衛(wèi)星必須具備在軌管控的能力，而MFPB和相控陣等有源天線的發(fā)展使得在軌靈活覆蓋成為可能。從表3的比較結(jié)果可知：不規(guī)則波束排布的靈活性較高，且與用戶需求的匹配度更好，使其成為未來HTS進(jìn)行覆蓋區(qū)靈活規(guī)劃的主要方法。為了實(shí)現(xiàn)HTS的全靈活，除了使衛(wèi)星具備靈活調(diào)整覆蓋區(qū)的能力外，還需要其同時具備靈活路由，以及靈活功率、頻率和容量調(diào)整的能力。隨著數(shù)字透明處理器、多端口放大器等靈活載荷的發(fā)展，通過星地一體資源管控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對功率、頻譜、時間及波束資源的靈活調(diào)配，從而更好地在軌實(shí)時匹配用戶需求。

3.2 高性價比HTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求

相比軍用衛(wèi)星，民商用衛(wèi)星通常更加注重高性價比的市場需求。為了實(shí)現(xiàn)高性價比，就要求星上資源能夠被高效利用，即提高資源配置與用戶需求的匹配度，如通過采用多端口放大器靈活分配波束的功率資源，通過配置數(shù)字透明處理器的子帶鉸鏈關(guān)系靈活分配波束的頻率資源，通過跳波束技術(shù)優(yōu)化波束駐留時間從而靈活分配波束的時域資源，而多波束排布是實(shí)現(xiàn)空域資源與需求相匹配的重要技術(shù)手段。然而，由于星上資源受限，傳統(tǒng)的規(guī)則排布不但難以滿足越來越多樣化的用戶需求，而且也會削弱HTS的國際市場競爭力。因此，面向高性價比HTS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行不規(guī)則的波束排布，通過優(yōu)化波束中心、形狀、數(shù)量等方式，在有效地利用資源和提升用戶滿意度的同時，降低衛(wèi)星設(shè)計(jì)和制造成本。但是，正如第2.3節(jié)所言，不規(guī)則波束排布必須基于用戶級的需求，一旦難以獲取這樣細(xì)顆粒度的需求，而只能獲取區(qū)域級的需求，則只能進(jìn)行規(guī)則的波束排布，通過優(yōu)化波束寬度、排布角度和參考位置的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 高軌HTS發(fā)展的需求

隨著低軌衛(wèi)星星座的快速建設(shè)和發(fā)展，其獨(dú)特的信號覆蓋范圍廣、不受地域限制、數(shù)據(jù)容量大、傳輸時延低、應(yīng)用場景靈活等特點(diǎn)正在受到越來越多的關(guān)注，通過向全球提供隨時隨地接入寬帶互聯(lián)網(wǎng)的便捷服務(wù)，可有效解決航空、航海及邊緣地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)問題。而高軌HTS的一些業(yè)務(wù)也逐漸被低軌衛(wèi)星星座所取代。但鑒于高軌衛(wèi)星相比于低軌衛(wèi)星在單星容量大、區(qū)域容量集中、中低維度常態(tài)覆蓋、熱點(diǎn)地區(qū)穩(wěn)定覆蓋、高速中繼回傳、適應(yīng)高速移動用戶、組網(wǎng)體制簡單且易于防護(hù)等方面的優(yōu)勢，后續(xù)高軌HTS仍將在提供管控服務(wù)、重點(diǎn)區(qū)域常態(tài)覆蓋等場景下發(fā)揮重要作用。此外，從定量指標(biāo)對比來看，低軌衛(wèi)星星座的最高通量密度明顯優(yōu)于高軌HTS，而平均通量密度與當(dāng)前高軌HTS相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于后續(xù)的VHTS；低軌衛(wèi)星星座在整個壽命期內(nèi)的有效總?cè)萘恳策h(yuǎn)低于后續(xù)的高軌HTS。因此，高軌HTS與低軌衛(wèi)星星座的功能互相補(bǔ)充，高低軌協(xié)同組網(wǎng)才是未來發(fā)展的主流趨勢。

隨著高軌HTS的快速發(fā)展，要求多波束排布技術(shù)必須具備快速形成的能力，通過星地一體管控以較低的代價調(diào)整波束覆蓋[13]。此外，為了保證穩(wěn)定覆蓋，在形成多波束后還必須滿足高精度波束指向的要求，通過平臺、天線指向機(jī)構(gòu)、波束形成網(wǎng)絡(luò)星地一體多維度的波束標(biāo)校算法設(shè)計(jì)，在滿足通信鏈路可靠性的同時，幾乎不會對系統(tǒng)容量造成影響。

4 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外、特別是國外HTS多波束排布技術(shù)研究現(xiàn)狀的綜述，從規(guī)則波束排布和不規(guī)則波束排布對該技術(shù)進(jìn)行分類和總結(jié)，可為后續(xù)國內(nèi)開展HTS多波束排布的研究提供技術(shù)支撐。為了滿足未來國內(nèi)外對全靈活衛(wèi)星靈活覆蓋及高性價比衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，基于細(xì)顆粒度的用戶級需求，以不同大小圓形波束排布和不同參數(shù)的橢圓波束排布為代表的不規(guī)則波束排布將成為HTS覆蓋區(qū)域規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要趨勢。由于目前我國還沒有在軌應(yīng)用寬帶模擬或數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)的HTS系統(tǒng)，因此，多波束排布技術(shù)應(yīng)結(jié)合我國當(dāng)前有效載荷的研制水平，重點(diǎn)考慮從區(qū)域分組的角度優(yōu)化規(guī)則的波束排布，并進(jìn)一步考慮基于多口徑SFPB的方法優(yōu)化不同大小圓形波束的排布。本文主要聚焦于多波束排布這一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，后續(xù)將針對多波束排布技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)層面的天線工程設(shè)計(jì)技術(shù)(尤其是有源天線技術(shù))及應(yīng)用技術(shù)(如多波束間干擾抑制和切換技術(shù))陸續(xù)開展調(diào)研工作并深入挖掘。