摘要：近年來(lái)，隨著人們對(duì)衛(wèi)星通信需求的不斷提高，多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)被提出。相比于傳統(tǒng)區(qū)域波束，多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信采用頻率復(fù)用，提高了信道利用率，每個(gè)波束的Ｇ/Ｔ值更高，但多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的最核心的技術(shù)點(diǎn)就是跨波束切換問(wèn)題。文章對(duì)高速移動(dòng)終端衛(wèi)星通信的波束切換進(jìn)行分析研究，實(shí)現(xiàn)了一種高速移動(dòng)終端基于信道信號(hào)強(qiáng)度自主決定切換時(shí)機(jī)和選擇目標(biāo)波束的切換策略。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；高速移動(dòng)終端；波束切換

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927.2中圖分類(lèi)號(hào)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

衛(wèi)星通信是地球站通過(guò)衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線(xiàn)電波，從而實(shí)現(xiàn)地球站之間的通信。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、通信質(zhì)量好、不受地域限制、傳輸容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海上和空中環(huán)境中通信，話(huà)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻信息傳輸，受災(zāi)地區(qū)和保障救援通信，超視距通信等領(lǐng)域^［1］。

自20世紀(jì)末以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星通信支持的業(yè)務(wù)發(fā)生了從語(yǔ)音通話(huà)、低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、寬帶移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的顯著變化，出現(xiàn)了各種衛(wèi)星通信技術(shù)：高通量衛(wèi)星通信技術(shù)能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣的覆蓋區(qū)域，滿(mǎn)足人們對(duì)高速寬帶通信的需求；小衛(wèi)星通信技術(shù)通常是指利用質(zhì)量在1000 kg以下的小衛(wèi)星進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳遞的通信技術(shù)，它具備靈活性高、成本低、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)；智能衛(wèi)星通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自主決策、智能控制和自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)等功能^［2］。

多波束衛(wèi)星采用多波束覆蓋、頻率復(fù)用的技術(shù)提高了衛(wèi)星的吞吐量，在相同頻率范圍內(nèi)，多波束衛(wèi)星載荷的吞吐量一般是傳統(tǒng)區(qū)域波束衛(wèi)星的20～50倍。多波束衛(wèi)星相鄰的點(diǎn)波束之間會(huì)有部分交疊區(qū)域，終端高速過(guò)程中必定會(huì)跨多個(gè)波束覆蓋區(qū)域，所以在保證通信業(yè)務(wù)不中斷的情況下，跨波束切換成為關(guān)鍵技術(shù)^［3］。

1 移動(dòng)終端波束切換模型簡(jiǎn)介

1.1 移動(dòng)終端衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成

通常，移動(dòng)終端衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段、地面段和移動(dòng)終端段3個(gè)部分組成?？臻g段主要是指通信衛(wèi)星，衛(wèi)星通過(guò)搭載運(yùn)行衛(wèi)星通信載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)；地面段主要是指地面站，包括天線(xiàn)、射頻、主站和網(wǎng)管系統(tǒng)等設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)送和接收以及對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源的管理；移動(dòng)終端段主要是指移動(dòng)終端衛(wèi)星通信設(shè)備，包括天線(xiàn)、功放、調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線(xiàn)接入等設(shè)備^［4］。

1.2 移動(dòng)終端波束切換模型

如圖1所示，多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各點(diǎn)波束緊密相連，一個(gè)蜂窩由7個(gè)波束組成，7個(gè)波束使用時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）信道作為廣播信道并且TDM頻點(diǎn)固定，每個(gè)蜂窩復(fù)用同樣的頻段資源^［5］。

如圖2所示，信關(guān)站分系統(tǒng)主要功能是鏈路資源分配和終端接入控制等；網(wǎng)管分系統(tǒng)主要功能是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的資源管理與配置、運(yùn)行狀態(tài)與告警監(jiān)控顯示、波束切換管理等；移動(dòng)終端從波束A移動(dòng)到波束B(niǎo)，在波束交疊區(qū)接收波束A的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變小，接收波束B(niǎo)的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變大，為解決不同波束的網(wǎng)絡(luò)管理和通信資源的差別導(dǎo)致的移動(dòng)終端通信中斷問(wèn)題，需要信關(guān)站、網(wǎng)管和終端之間相互配合，完成信令交互，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端跨波束切換功能^［6］。

移動(dòng)終端波束切換方式根據(jù)發(fā)起切換主體的不同分為信關(guān)站切換和移動(dòng)終端切換2種。

信關(guān)站切換的方式也稱(chēng)之為集中式切換，其原理是信關(guān)站通過(guò)對(duì)移動(dòng)終端地理位置或者通信鏈路質(zhì)量的測(cè)量完成切換策略和分析。當(dāng)信關(guān)站檢測(cè)到移動(dòng)終端移動(dòng)至波束交疊區(qū)時(shí)，信關(guān)站發(fā)送信令讓移動(dòng)終端進(jìn)行切換。信關(guān)站主動(dòng)切換的方式可以降低對(duì)移動(dòng)終端的要求，但這種切換方式的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，信號(hào)丟失后無(wú)法自動(dòng)回復(fù)，不適合頻繁切換的場(chǎng)景。

移動(dòng)終端切換的方式也稱(chēng)之為分布式切換，其原理是移動(dòng)終端完成波束切換的檢測(cè)和目標(biāo)波束選擇。移動(dòng)終端處于波束交疊區(qū)，檢測(cè)到自身滿(mǎn)足波束切換條件時(shí)通過(guò)上行通道向信關(guān)站發(fā)起波束切換申請(qǐng)，同時(shí)告知信關(guān)站目標(biāo)波束號(hào)。信關(guān)站收到移動(dòng)終端的波束切換申請(qǐng)后，向衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)申請(qǐng)目標(biāo)波束的資源，申請(qǐng)成功后向移動(dòng)終端下發(fā)資源。移動(dòng)終端接收到目標(biāo)波束資源配置后，依據(jù)約定時(shí)隙進(jìn)行波束切換流程，在新波束向信關(guān)站發(fā)送切換確認(rèn)信令。移動(dòng)終端主動(dòng)切換的方式可以減輕信關(guān)站的數(shù)據(jù)處理壓力，提高信道利用率，可以實(shí)現(xiàn)快速切換，適用于需要頻繁切換的場(chǎng)景。另一方面，移動(dòng)終端切換的方式提高了對(duì)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和運(yùn)算能力的要求^［7］。

移動(dòng)終端由于其高機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性，導(dǎo)致在飛行過(guò)程中會(huì)經(jīng)常性地發(fā)生波束切換。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種移動(dòng)終端基于自身廣播信道信號(hào)強(qiáng)度自主決定切換時(shí)機(jī)和選擇目標(biāo)波束的切換策略。

2 移動(dòng)終端波束切換設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 移動(dòng)終端波束切換

移動(dòng)終端波束切換過(guò)程一般分為3個(gè)步驟，分別為切換檢測(cè)、切換決策和切換執(zhí)行^［8］。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)終端波束切換策略：采用雙通道搜索TDM廣播信道獲取信噪比作為切換檢測(cè)，接著依據(jù)TDM信噪比設(shè)計(jì)切換決策算法，最后通過(guò)一發(fā)雙收業(yè)務(wù)通道保證切換執(zhí)行中業(yè)務(wù)通信不會(huì)中斷。移動(dòng)終端波束切換流程如圖3所示。

2.1.1 切換檢測(cè)

移動(dòng)終端采用雙通道搜索TDM廣播信道，TDM1通道為接收和檢測(cè)通道，用于接收TDM信令并檢測(cè)獲取當(dāng)前波束的信噪比s（k）；TDM2通道為檢測(cè)通道，用于周期檢測(cè)獲取周邊6個(gè)波束的信噪比s（k+1）。業(yè)務(wù)管理站網(wǎng)管中心提前規(guī)劃7個(gè)波束資源，移動(dòng)終端使用TDM1通道和當(dāng)前波束資源成功入網(wǎng)后，通過(guò)網(wǎng)管下發(fā)的附加信道選用通告信令獲取周邊6個(gè)波束的資源信息，接著移動(dòng)終端使用TDM2通道周期輪詢(xún)周邊6個(gè)鄰波束，檢測(cè)獲取鄰波束信噪比，完成切換檢測(cè)流程。其中，輪詢(xún)周期由移動(dòng)終端基帶處理模塊信號(hào)鎖定時(shí)間決定。

2.1.2 切換決策

移動(dòng)終端波束切換采用一種基于有門(mén)限的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的決策方法^［9］。通過(guò)上述切換檢測(cè)流程獲取當(dāng)前波束信噪比為s（k），目標(biāo)波束信噪比為s（k+1），設(shè)切換門(mén)限為h，當(dāng)滿(mǎn)足s（k+1）-s（k）＞h時(shí)，即當(dāng)鄰波束信噪比與當(dāng)前波束信噪比的差值超過(guò)切換門(mén)限時(shí)，移動(dòng)終端發(fā)生切換。

2.1.3 切換執(zhí)行

當(dāng)移動(dòng)終端檢測(cè)到滿(mǎn)足波束切換判決條件時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行波束切換，將TDM1通道頻點(diǎn)切換至目標(biāo)波束頻點(diǎn)，通過(guò)附加信道選用通告獲取新的鄰道6個(gè)波束信息，待切換完成后重新開(kāi)啟切換檢測(cè)流程。

根據(jù)移動(dòng)終端發(fā)生波束切換時(shí)的信道狀態(tài)不同，將波束切換執(zhí)行流程分為以下2種情況。

第一種是當(dāng)移動(dòng)終端信道狀態(tài)為非業(yè)務(wù)通信時(shí)，此時(shí)將TDM1通道頻點(diǎn)切換至目標(biāo)波束頻點(diǎn)，在新波束上執(zhí)行重新入網(wǎng)流程。第二種是當(dāng)移動(dòng)終端信道狀態(tài)為業(yè)務(wù)通信時(shí)，終端向業(yè)務(wù)管理站發(fā)送波束切換申請(qǐng)信令，收到業(yè)務(wù)管理站發(fā)送的帶有目標(biāo)波束業(yè)務(wù)信息的波束切換申請(qǐng)應(yīng)答信令后，終端將目標(biāo)波束信息配置給自身鄰業(yè)務(wù)通道，用鄰業(yè)務(wù)通道接收新波束業(yè)務(wù)信令和數(shù)據(jù)，此時(shí)終端進(jìn)行新舊波束反向業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)雙收，待兩業(yè)務(wù)通道數(shù)據(jù)同步后，切換至新波束業(yè)務(wù)通道；完成上述操作后，終端在新業(yè)務(wù)波束上發(fā)送波束切換完成信令，收到業(yè)務(wù)管理站的波束切換完成應(yīng)答信令后，結(jié)束本次波束切換流程并通知用戶(hù)波束切換完成。

2.1.4 移動(dòng)終端異常處理能力

移動(dòng)終端在波束切換過(guò)程中，對(duì)于波束切換申請(qǐng)信令和波束切換完成信令采用重發(fā)機(jī)制，未收到業(yè)務(wù)管理站應(yīng)答最多重發(fā)3次，重發(fā)時(shí)間間隔3 s；如果超過(guò)重發(fā)次數(shù)，移動(dòng)終端在當(dāng)前業(yè)務(wù)信道和控制信道上發(fā)起通信結(jié)束，回到等待服務(wù)狀態(tài)。

2.2 切換決策設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端波束切換的判決條件是^［10］：s（k+1）-s（k）＞h。其中，s（k+1）為目標(biāo)波束信噪比，s（k）為當(dāng)前波束信噪比，目標(biāo)波束信噪比和當(dāng)前波束信噪比的值通過(guò)兩路TDM通道信號(hào)檢測(cè)獲取，定義切換門(mén)限h：

h=maxr_Hmin（max（（s（k）-a），0）/b-a），1^β，r_L（1）

其中，r_H為門(mén)限上限值，r_L為門(mén)限下限值；b為鏈路最大信噪比，a為可解調(diào)的最低信噪比；β為修正參數(shù)。

參數(shù)選取和設(shè)定如下：

Δ（Eb/N0）=0/（Eb/N0）lt;2 dB

0.5/2 dB≤（Eb/N0）≤13 dB

1/（Eb/N0）gt;13 dB（2）

多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)中TDM信道每400 ms一幀，根據(jù)以往項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，6幀估計(jì)一次能達(dá)到以上信噪比精度，r_H影響切換遲滯時(shí)間，r_L影響切換度量值。綜合考慮，選取門(mén)限上限值r_H=6，門(mén)限下限值r_L=2。

根據(jù)多點(diǎn)波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路計(jì)算，結(jié)合移動(dòng)終端基帶模塊信號(hào)處理能力，選取鏈路最大信噪比b=25 dB，可解調(diào)的最低信噪比a=4 dB。

遲滯因子為β=2，可根據(jù)實(shí)際情況修訂。

上述切換決策算法表示：當(dāng)信噪比小于可解調(diào)的最低信噪比a時(shí)，h取門(mén)限下限值r_L，保證切換可以快速發(fā)生；當(dāng)信噪比大于可解調(diào)的最低信噪比a時(shí)，（max（（s（k）-a），0）/b-a）小于1且信噪比越大，該值越大，此時(shí)，h也越大，即信噪比高時(shí)切換門(mén)限值h設(shè)定越苛刻，切換頻度越小。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)多波束下，移動(dòng)終端高速運(yùn)動(dòng)，必然會(huì)發(fā)生頻繁的波束切換，采用移動(dòng)終端自主波束切換的方式可提高切換的實(shí)時(shí)性，降低主站的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，提高信道利用率。

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（編輯 王永超）

Research on beam switching technology of high-speed mobile terminal in satellite communication

XU Liang， ZHOU Linkai， WU Bixia， WU Jiajia

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210003， China）

Abstract：In recent years，with the increasing demand for satellite communication，multi beam satellite communication system has been proposed.Compared with traditional area beam，multi beam satellite communication has improved channel utilization and frequency reuse，and the G/T value of each beam is higher.However，the core technology of multi beam satellite communication system is the corss-beam switching problem.In the paper，the beam switching of high-speed mobile terminal satellite communication is analyzed and studied，and a strategy of beam switching based on the signal strength of channel is implemented to determine the switching time and select the target beam.

Key words：satellite communication; high-speed mobile terminal; beam switching