基于跳波束的新一代高通量衛星通信系統設計

張晨，張更新，王顯煜

（1.南京郵電大學通信與網絡技術國家工程研究中心，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；3.西安空間無線電技術研究所，陜西 西安 710100）

1 引言

高通量衛星在天地一體化信息網絡中充當了天基骨干網節點的重要角色[1-2]。然而衛星終端用戶業務差異性大、類型和需求多樣、時間和空間分布嚴重不均，這對衛星網絡的傳輸能力和資源的高效利用提出了很高的要求[3]。但在傳統的多波束高通量衛星通信系統中，分配給每個波束的功率和頻率資源是固定不變的，且僅是全部衛星資源的一部分，系統往往只能在單個波束的局限下調配可用的資源，無疑將造成衛星資源的“碎片化”調度；更加嚴重的是，由于用戶業務類型的多樣性和差異性，業務分布的時變性和空間不均勻性，這種“碎片化”的資源配置方式將會導致各個波束基本處于“勞逸不均”“忙閑過度”的情況，造成通信資源的巨大浪費，也很難實現多樣化業務的高效傳輸和熱點區域的隨需覆蓋。

近年來，跳波束（BH,beam-hopping）技術的提出為衛星資源的靈活分配和高效利用提供了實現基礎[4]。其基本思想是利用時間分片技術，并不需要所有的波束都同時工作，而是只有其中的一部分波束按需工作，因此資源分配更加靈活。BH 技術的提出引起了廣大研究人員的廣泛關注，被認為是高通量衛星向未來甚高通量衛星演進的關鍵技術。

目前，眾多衛星制造商和運營商已經開始對BH 技術進行實驗驗證，例如Spaceway3 系列衛星、KONNECT-VHTS 衛星等都搭載了跳波束實驗模塊[5]。2019 年發射的歐洲量子星是BH 技術實驗的里程碑，該型號衛星最大的特點是“有效載荷基于軟件無線電通用硬件平臺，衛星功能由軟件來定義”，通過地面指令控制波束，同時通過軟件定義覆蓋區形狀、方向，進而實現軟件定義的覆蓋時間、覆蓋區域[6]。

在理論和技術研究方面，文獻[7]設計最優匹配業務需求的跳波束方案，以用戶分布稀疏地區的寬帶多媒體業務接入為系統場景，分析了跳波束技術對系統性能提升的效果。在此基礎上，文獻[8-9]給出了波束數目、業務需求和覆蓋區域等系統參數對下行鏈路影響吞吐量的量化結果。文獻[10]以歐洲宇航局給出的歐洲地區業務需求分布為標準，評估了Ka 頻段衛星中使用和不使用跳波束技術的系統性能對比。文獻[11]從衛星載荷性能和資源靈活分配2 個角度對跳波束技術帶來的性能提升進行了詳細的仿真分析。文獻[12-16]分別提出了跳波束系統中資源分配的初步數學模型，利用啟發式算法和迭代算法等優化方法，解決前向下行鏈路的資源優化問題。文獻[17]結合了跳波束和認知無線電的思想，提出了一種認知跳波束衛星系統的設計方案，但實際應用還需進一步研究。

綜上所述，跳波束技術的出現大幅度提高了衛星資源利用率，成為高通量衛星和未來甚高通量衛星系統發展的必然趨勢。然而天地一體化信息網絡具有多業務融合傳輸、業務需求時間和空間不均勻性日益顯著、業務變化動態性明顯等特性，對跳波束技術的有效使用提出了更高的要求。而現有成果針對這個領域的研究還不充分，局限在單純的算法研究、性能分析和設備研發上，很少從實際通信系統的角度出發，提出自頂向下、全方面、多維度切實可行的跳波束系統設計方案。

針對以上問題，本文以業務驅動、資源高效利用、熱點區域隨需覆蓋為最終目標，系統闡述了基于跳波束的新一代高通量衛星通信系統的設計思路和方法。重點研究和設計了業務驅動的空間信息網絡通信體制和工作機理；面向資源全局調度，綜合考慮波束間干擾的影響，提出了時間上的系統資源分配算法和空間上的波束跳躍圖案優化方法；針對區域機動信息服務特點，研究不同場景下跳波束靈活接入策略；優化設計支持的跳波束業務幀和信令幀，兼容主流DVB-S2X/RCS2 的空口協議，闡述了系統工作流程和分層漸進的同步策略。自頂向下為基于跳波束的新一代高通量衛星通信系統設計提供了可行性方案，奠定了關鍵技術基礎。最終滿足天地一體化信息網絡靈活機動的信息服務，以及高可靠、大容量傳輸的天基骨干網需求。

2 支持跳波束技術的衛星系統組成

支持跳波束的衛星系統由網絡控制中心（NCC,network control center）、信關站（GW,gateway station）、配備靈活載荷的衛星和用戶終端（UT,user terminal）組成，如圖1 所示。信關站到用戶終端的前向鏈路采用兼容DVB-S2X 協議[18-19]的跳波束工作方式，將信關站的數據流以TDM（time division multiplexing）方式發送給衛星，通過衛星跳波束控制器將不同的數據流切換到不同的波束下。反向鏈路參考 DVB-RCS2 協議[20-21]，用戶終端以MF-TDMA（multi-frequency time division multiple access）方式接入衛星，通過衛星透明轉發到地面信關站或網絡控制中心，建立用戶終端與用戶終端的通信鏈路，從而實現任意用戶終端之間的互聯。衛星系統主要組成部分及功能具體介紹如下。

1) 支持跳波束的靈活載荷衛星

圖1 系統組成

有效載荷主要由透明轉發器和跳波束控制器組成，通過多波束天線和用戶通信。透明轉發器完成信號的變頻、放大和轉發。跳波束控制器通過解調跳波束控制指令，實現衛星上波束的同步跳變[22-23]。根據星載天線的不同，波束跳變的實現方案也不相同：采用單口徑的陣列饋電反射面天線系統[24]，通過開關矩陣來實現波束的切換[25]；采用相控陣天線系統[26-27]，通過多端口放大器（MPA,multiport amplifier）聯合波束成形網絡實現波束的切換[28]，后者在波束間的功率和頻譜分配上更加靈活。

2) 網絡控制中心

網絡控制中心負責管理整個衛星通信網絡，主要的功能包括跳波束控制指令的生成、用戶接入控制、資源分配與管理、用戶信息管理、系統網絡管理、系統業務統計、用戶費用統計等。

網絡控制中心根據各用戶的業務需求進行時隙資源分配，生成跳波束時間計劃表，如波束駐留時間、波束跳變周期、重訪時間等，衛星的波束切換是根據跳波束時間計劃表同步進行的[28]。

3) 信關站

信關站主要提供與地面網絡的接口，通過各種標準或專用的接口設備，提供與電話網，如PSTN（public switched telephone network）和 ISDN（integrated service digital network），以及Internet 等的接入與互聯，為地面網絡運營商提供接入平臺。

為了充分利用帶寬資源，實現大容量傳輸，跳波束系統的信關站及饋電鏈路一般支持Q/V 頻段。但Q/V 頻段雨衰較大，為確保業務的無損落地，可采用智能信關站的方案，即多個信關站通過地面通信系統互聯，為饋電鏈路業務數據提供靈活的路由。各信關站的位置較遠，信道條件相對獨立，可互為備份，同時為用戶波束服務，實現站址分集。以上方案可結合自適應編碼調制共同對抗惡劣的信道條件，確保業務的可靠傳輸。

另一方面，在系統同步上，跳波束系統中的信關站必須按照NCC 下發的跳波束時間計劃表，同步在饋電鏈路依次傳輸相應波束的業務。

4) 用戶終端

終端中既有可單獨進行通信的小型終端，也有和外部Internet、PSTN 等相連的大型站，支持Ku/Ka等頻段。

3 業務驅動的空間信息網絡通信體制

3.1 基于“多波束+頻率共享+多載波”的上行鏈路通信體制

傳統多波束多載波衛星通信系統上行鏈路在支持空間信息網絡多樣化業務過程中面臨著按波束進行“碎片化”頻率配置造成的頻率資源調度能力弱、空分頻率復用導致機動終端跨波束切換時的短時通信中斷、不同業務采用不同通信體制導致難以實現多業務融合傳輸等問題。針對以上問題，結合新一代高通量衛星通信網絡用戶差異大、業務多樣化的特點，兼顧終端小型化需求，本文提出基于“多波束+頻分復用+多載波”的上行鏈路通信體制，利用“多波束”解決用戶對大容量、小型化的需求；利用“頻分復用”有效解決各信道同頻干擾的影響；利用“多載波”解決用戶對不同組網應用模式和終端能力的需求，通過基于多載波機制的多業務融合傳輸接入方法，實現面向多波束頻分多址的頻率時隙資源調度方法，在實現衛星資源充分利用的同時滿足各類用戶的隨需接入需求。

采用“多波束+頻分復用+多載波”這一體制后，對不同用戶、不同業務的需求，可以通過對頻率資源更加靈活的調度和優化配置滿足業務對傳輸能力的要求。在該體制中，主要通過4 種技術手段解決傳統衛星通信體制中存在的資源“碎片化”現象以及對快速移動目標支持能力不強等問題，實現多業務的融合傳輸。

1) 多波束。通過多點波束實現對地面目標的覆蓋，有效提高功率效率，同時通過空分頻分復用提高頻率利用效率，一定程度上滿足高速通信對天線高增益和終端小型化的要求。

2) 頻分復用。采用頻分復用技術，在保證較高的頻譜利用率的前提下，增加了各波束間的隔離度，降低了波束間的干擾。

3) 多載波。在每個波束內，各用戶群根據需求分配不同的帶寬，并通過多載波方式接入衛星，從而實現了一個波束內不同類型用戶多樣化業務的融合傳輸和隨需接入，同時也利于滿足終端小型化的需要。

4) 信道化。通過信道化技術解決各波束間的連通性、饋電鏈路帶寬受限和噪聲功率累加等問題。

3.2 基于“跳波束+時間分片+單載波”的下行鏈路通信體制

在傳統多波束多載波衛星通信系統中，衛星的全部功率和頻率資源通常是按照一定的規則分配給各個波束，每個波束只能使用衛星全部資源的一部分，造成資源分配的“碎片化”現象；同時，由于轉發器通常工作在多載波模式，為使功放工作在線性區，需要進行功率回退，導致功率利用率的進一步下降。

針對以上問題，結合空間信息網絡業務分布的時空不均勻性以及多載波工作時需要功率回退的特點，本文提出基于“跳波束+時間分片+單載波”的下行鏈路通信體制，利用“跳波束”實現功率和頻率資源的隨需集中解決業務分布的空間不均勻性問題，利用“時間分片”實現功率和頻率資源的高效調度、解決業務分布的時間不均勻性問題，利用“單載波”實現對衛星功率資源的充分利用解決多種業務的融合傳輸問題，通過“時、空、頻”三維流程管理機制，建立衛星波束、功率、帶寬、時隙等資源的控制調配工作流程，以實現資源的全局靈活調度，構建可“滿功率、全帶寬”運行的新一代大容量下行鏈路通信體制。

基于“跳波束+時間分片+單載波”的通信體制在保證波束間符合同頻干擾要求的條件下，將所有點波束動態劃分為不同的波束簇。該通信體制具有以下3 個方面的特點。

1) 跳波束。通過工作波束在多個波位或波束簇間的切換跳變對頻率或功率進行靈活調度。每個波束簇中分別有一個工作波束在所管轄的多個波位上跳變，每簇平均分配衛星總帶寬和總功率。在一個時間窗口內，每個波束簇內只有一個點波束工作，避免了波束簇內的同頻干擾而使得每個波束都可以簇內“全頻帶、滿功率”工作。

2) 時間分片。從時域上對衛星資源進行優化，將系統資源以時隙為單位分配給各個波束，這種靈活的分配方式可以滿足各波束不同的業務需求。

3) 單載波。每個波束內單載波工作，各業務流分配不同的時隙進行傳輸，從而避免了功率回退，可以“滿功率”工作。

4 基于時間分片的隨需覆蓋跳波束工作機理

4.1 波束跳變周期和波束駐留時間

波束跳變周期和波束駐留時間工作機制如圖2所示，具體參數[7]介紹如下。

1) 跳波束時隙（BHS,beam hopping slot）。BHS 也稱為波束駐留時間（dwell time），指的是分配給一個波束的最小持續時間。根據QoS 或者容量需求，可以決定分配給各波束相應的時隙個數。BHS 作為物理幀的時間載體，一般為毫秒量級。

2) 跳波束周期（BHP,beam hop period）。BHP指遍歷一次所分配的 BHS 序列所需的時間。DVB-S2X 附錄E 中推薦的BHP 包含128 或256 個BHS。各波束分配的BHS 個數，可由4.2 節中的時隙分配算法得到，各波束所處的簇集合以及分配的BHS 在跳波束周期中的順序，可由4.3 節的跳波束圖案設計得到。

3) 時隙切換時間（SS,slot switch）。SS 也稱為保護時間，其物理意義是一個波束切換到另一個波束所需的時延，一般是微秒量級。切換可以在每個BHS 之后進行，也可以在多個BHS（一個波束可能有多個BHS）之后進行。一般在業務幀結尾處設置啞元符號塊用于切換保護。

圖2 波束跳變周期和波束駐留時間工作機制

4) 波束重訪時間。波束重訪時間為某個波束所分配的BHS 資源塊之間的間隔時間。由于波束重訪時間過大，會影響用戶終端的同步，因此即使某個波束在特定的跳波束周期內無業務需求（非熱點區域的波束），也應當在周期內分配一個BHS，在該時隙中發送同步、廣播等信令。

5) 跳序號（HN,hop number）。HN 也可稱為跳波束時隙序號。HN 是BHS 的數字標識符，BHP 開始處的第一個BHS 的HN 值為1；在每個BHP 結束時，HN 重新初始化為1；當與波束標識符成對使用時，HN 可用作唯一的標識符。

6) 跳波束時間計劃（BHTP,beam hopping time plan）。資源動態分配的時間分片傳輸計劃，包括BHS、BHP、各波束分配的HN 序號和帶寬、載波頻率等參數。BHTP 要考慮用戶申請、業務預測、業務感知、系統資源等綜合因素，由NCC或服務提供商提前生成，并發送給衛星和地面系統。

4.2 基于業務需求的時隙分配算法

根據系統需求建立多樣化的目標函數，以解決業務分布的時間和空間不均性以及業務需求的輕重緩急[29]，同時高效利用“空、時、頻、功率”多維資源[30-31]，最大限度地滿足用戶的業務需求。因此，本文擬建立如下3 種目標函數[32-33]。

1) 公平目標函數

2) 權重目標函數

3)n階差分目標函數

各目標函數特性分析如下。在相同信道條件下，當系統波束業務請求較小時，n階差分目標函數會忽略這些請求較小的波束，而為高業務請求的波束分配更多的資源；而公平性目標函數則保證系統公平性，為高、低業務請求同樣分配相應的資源。當信道條件發生變化時，公平性目標函數依然根據各波束的業務請求進行公平分配，保證每個波束業務請求的滿足率相同；而n階差分目標函數在信道條件的不同的情況時，系統信道條件好的波束比信道條件差的波束可以獲得更多的容量。另一方面，權重目標函數可根據用戶業務的輕重緩急，設置不同的權重值ω，以滿足應急通信、突發業務等重點用戶的需求[34]。因此需要根據系統場景和業務需求，選取不同的目標函數。

針對以上多樣化目標函數，總結本文作者之前已完成的工作[35-36]，通過啟發式混合優化算法來對問題進行求解。首先利用基于啟發式的優化方法對可行域空間進行粗粒度搜索，采用強交互模式以確定最優解最可能出現的區域；然后利用基于凸優化單一解的優化方法對第一階段的搜索結果進行精細搜索，通過對偶性分析與KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件，得出閉式解，從而確定各波束的時隙分配個數，具體求解過程參考文獻[35-36]，本文不再贅述。

4.3 面向資源高效利用的跳波束圖案設計

跳波束的圖案設計主要包括跳波束簇集合設計和簇內波束跳躍圖案設計。為了在共信道干擾避免與頻帶利用效率之間達成折中，將所有的波束進行分簇，在簇間進行部分頻率復用以及簇間功率的優化，在簇內進行跳波束時隙分配，具體如下。

在跳波束簇間，采用頻譜復用加極化復用的方法[37]，如圖3 所示。其等效頻譜復用因子為3，假設系統總可用頻帶為Btot，則分配給每個簇的頻帶，在提高頻譜資源利用率的同時，最大限度地避免簇間波束的同頻干擾[38]。

圖3 簇間正交頻率復用方法

在跳波束簇的集合內，每個簇的特定時隙期間，只有單個波束處于激活工作狀態。也就是說，激活的波束在該時隙中可以使用分配給整個簇的功率和頻帶，也不存在簇內波束同頻干擾的問題，與傳統的多波束系統相比具有顯著的優點；對于多個跳波束簇，可同時有不同簇的波束被激活，同時激活的波束數量取決于衛星的載荷能力。另一方面，僅有部分波束以規律的重復模式同時被激活，可以有效地減少衛星上放大器的數量[39]。

簇內波束跳躍圖案設計，實際上就是跳波束周期BHP 內各波束的BHS 的數量和排序問題。在某個跳波束周期內，簇內的波束根據是否有業務傳輸的需求，分為熱點區域波束和非熱點區域波束。各波束的跳波束圖案要遵循如下準則。

1) 熱點區域波束。系統根據各用戶的業務申請，依據跳波束資源分配算法，對熱點區域的波束分配相應個數的BHS，以完成業務服務。

2) 非熱點區域的波束。要考慮波束重訪時間的影響。這是因為當重訪時間過大時，會影響用戶終端的同步，所以即使非熱點區域的波束在特定的跳波束周期內無業務需求，也應當在周期內至少分配一個BHS，在該時隙中發送同步、廣播等信令。

3) 熱點區域波束的BHS 和非熱點區域的BHS可交替排序，使波束重訪時間TRV和終端用戶同步的最大保持時間TD之間，滿足TRV≤TD。

4.4 仿真與分析

系統仿真參數如表1 所示。

表1 系統仿真參數

假設各簇的平均雨衰值Lrain=[8.73,4.03,8.51,3.95,9.43,4.80,3.57] dB，且各波束的業務容量需求如表2 所示。

表2 各波束的業務容量需求

圖4 給出了分別以公平目標函數和二階差分目標函數，采用多維聯合跳波束資源分配算法的系統容量仿真結果。由圖4 可知，本文提出的跳波束資源分配機制明顯優于傳統資源分配機制[40]，并能隨業務需求動態變化，一定程度上解決了業務需求的時間不均性。

圖4 系統容量仿真結果

以第7 簇為仿真場景，圖5 給出了以業務權重為目標函數的系統容量仿真。由圖5 可知，降低目標函數中某個用戶業務的權重后，本文提出的資源分配算法能夠有效地降低該用戶的優先級，一定程度上解決了用戶業務需求的多樣性。

圖5 不同業務權重的波束系統容量

進一步引入性能評價參數，即業務未滿足量Us

在系統資源受限的前提下，Us衡量了利用跳波束資源分配算法滿足各用戶業務需求的程度。圖6給出了第6 簇內各波束業務的未滿足量。從圖6 中可以看出，跳波束資源分配算法有效地解決了各波束業務需求不均的情況。

圖6 第6 簇內各波束業務的未滿足量

5 面向區域機動信息服務的隨遇接入方法

根據第3 節中新一代高通量衛星通信體制的設計，系統下行傳輸中采用“跳波束+時間分片+單載波”的通信體制，動態地調整波束跳變和時間分片劃分的策略；上行傳輸中采用“多波束+頻率共享+多載波”的通信體制，動態地調整不同用戶的頻帶資源。因此，在區域機動信息服務的過程中，每個用戶所能利用的波束、頻率、時間資源是動態變化的，加上波束的跳躍，使用戶的隨遇接入成為系統設計中不可避免的關鍵問題。本文根據衛星載荷和場景需求的不同，分別提出2 種用戶接入策略，用于解決用戶隨遇接入的問題，并給出了境外業務不落地傳輸方案。

5.1 控制和業務相分離的接入策略

每個衛星節點配備2 種類型的波束，覆蓋范圍廣的全球控制波束和覆蓋范圍窄的業務點波束。其中，控制波束固定指向，采用傳輸速率低、可靠性高的波形；業務波束根據系統上下行通信體制，動態地調整波束間的資源，為用戶提供高速的數據傳輸，如圖7 所示。

在控制波束和業務波束相分離的機制下，用戶通過持續、廣域覆蓋的控制波束獲取隨遇接入的具體策略，然后通過高速動態業務波束獲取相應的服務，系統的具體工作流程擬設計如下。

圖7 業務和控制波束相分離接入示意

步驟1用戶處于控制波束的實時覆蓋中，當需要進行傳輸時，通過控制波束申請與衛星節點建立連接。

步驟2系統收到申請后，執行仲裁，為用戶在上行傳輸中分配頻率資源，在下行傳輸中分配時隙資源。

步驟3衛星節點通過控制波束將系統資源分配情況分發給用戶，包括同步信息、上行頻段、帶寬和下行跳波束方案、傳輸時隙等。

步驟4用戶按照收到的信令信息在規定的頻帶和時隙進行業務傳輸。

步驟5用戶完成業務傳輸，通過控制波束反饋完成信息。

步驟6系統收到用戶反饋的結束服務信息，釋放用戶占用資源。

控制和業務波束相分離接入策略的優勢是控制與業務基本獨立工作，使跳波束的工作機制更加靈活，信令的交互和系統同步較簡單；缺點是單獨配置的廣域覆蓋業務波束會增加衛星載荷和終端設備量。

5.2 控制隨業務波束的接入策略

在控制隨業務波束的接入策略中，衛星載荷不需要額外配置覆蓋范圍廣的全球控制波束，上下行控制信令隨跳變的業務波束，完成同步、入網、系統廣播、跳波束資源申請等功能，其工作流程增加了初始化輪詢等步驟，如圖8 所示，具體介紹如下。

步驟1初始化輪詢。由于沒有配置廣域覆蓋的控制波束，基于跳波束的高通量衛星通信系統在首次對某個業務需求區域進行服務時，其業務波束要對各區域內的所有波位進行輪詢。業務波束依次對每個波位進行跳躍輪詢，每個波位的駐留時間相同；在各波位的駐留時間內，衛星通過下行鏈路完成系統信息廣播、管理控制、信道分配及突發參數設置等控制信令；波束覆蓋范圍內的用戶完成捕獲、同步、資源申請等操作，與衛星及信關站建立連接。

圖8 控制隨業務波束的接入示意

步驟2系統根據各用戶的業務申請，對熱點區域的波束進行資源分配和調配，設計相應的跳波束圖案，最終生成當前服務周期的BHTP。

步驟3衛星波束按照BHTP進行波位的跳躍，考慮到波束重訪時間，如前文所述，波束要對熱點區域波位和非熱點區域波位交替進行跳躍切換。

步驟4熱點區域的用戶在波束駐留時間內，完成業務的傳輸，并且通過業務波束的上行鏈路完成下一個服務周期的業務申請。下行鏈路獲取BHTP 等資源分配表，完成系統同步等操作。非熱點區域的用戶在波束駐留時間內，僅進行下一個服務周期的資源申請、系統同步信令交互。

步驟5用戶完成業務傳輸后，系統收到用戶反饋的結束服務信息，釋放用戶占用資源，并根據各波束業務的申請，生成下一個服務周期的BHTP等資源分配表。

由于控制隨業務波束的接入策略不需要額外配置廣域覆蓋的控制波束，因此精簡了系統的設備量；但控制與業務兩者不獨立，使跳波束的工作機制設計中必須考慮非熱點波位的波束重訪，系統同步的要求更高。

5.3 境外業務的不落地回傳方案

隨著我國國家戰略的實施，迫切需要構建具有“安全、自主、可控”的跨地域、大容量的通信網絡。對于境外高安全業務的不落地回傳，本土的需求也越發強烈。我國天地一體化信息網絡由若干顆高軌的GEO（geostationary orbit）高通量衛星節點（天基骨干網）、多顆中低軌的NGEO（nonstationary orbit）衛星節點（天基接入網）和地基節點網組成。高軌衛星之間、高低軌衛星之間均配有星間鏈路，通過激光或者Q/V 頻段微波進行通信。因此當某顆高通量GEO衛星部署在國土不可見的軌道位置上時，對于實時業務，可由多顆GEO 高通量衛星通過高軌之間的星間鏈路中繼轉發回本土；對于非實時業務，可將業務數據通過高低軌之間的星間鏈路，由GEO 高通量衛星轉發給中低軌NGSO 衛星暫存，等到NGSO 衛星運行到本土上空再傳回給地基節點。以上2 種回傳方案均保證了境外高安全業務的不落地傳輸。

6 支持跳波束技術的空口協議設計

本文針對跳波束技術時間不連續的特點，在DVB-S2X 協議的基礎上，對下行業務幀進行優化設計。針對跳波束技術需要信關站、衛星控制器、終端三者同步進行波束切換的特點，在兼容DVB-RCS2 協議的基礎上，本文增加下行BHTP 信令，并闡述了其詳細設計方案。

6.1 業務幀及超幀的優化設計

圖9 給出了下行數據業務物理幀的組幀過程，所有業務數據打包為2 340 B 長度的數據分組，參照DVB-S2X 協議[19]推薦的編碼策略，分別以BCH（18 528,18 720）和13/45 速率的低密度奇偶校驗（LDPC,low density parity check）（64 800,18 528）編碼作為外碼和內碼。

圖9 用戶下行業務載波組幀形成流程

物理幀幀頭由54 bit 的正交Walsh-Hadamard 碼元和128 bit 的物理層信令碼元組成，分別用來進行物理層接收同步，以及MODCOD、幀長度、導頻塊的有無等信令信息。

為支持跳波束技術，適應時間分片的不連續特點，DVB-2SX 協議引入超幀（SF,super frame）概念[41]。一個超幀可容納多個物理層幀，其構架如圖10 所示。

圖10 超幀構架

超幀的提出對支持跳波束的高通量衛星寬帶空口協議和波形設計有重要意義，但DVB-S2X 協議僅提供了一個概念性參考[42]，實際應用超幀結構還存在以下問題。

1) 超幀長度遠大于物理層幀，增大幀長能夠提高傳輸效率，但是過長的超幀會給同步帶來難度[43]。

2) 時間分片的波束切換是跳波束技術的核心，但波束切換不可避免地帶來切換時延，如何避免切換時延對數據傳輸造成的影響，是超幀設計亟待解決的問題。

為解決以上問題，在兼容DVB-S2X 協議的基礎上，本文對超幀結構進行優化設計。首先將物理層業務幀按照每90 個符號劃分為一個容量單元（CU,capacity unit），每16 個單元插入一個導頻塊，解決了同步問題；然后在幀頭中插入TDM 幀信息，包括波束簇號、波束編號、BHS 號、超幀號；最后還需在超幀結尾插入啞元符號塊，用于解決切換時延問題。圖11 是優化后的超幀結構及其與物理層幀的對應關系。

各部分的物理意義介紹如下。

1) SoSF（start of SF）。由 270 個正交Walsh-Hadamard 碼元組成，用于檢測和同步超幀，同時標志著超幀開始。

2) SFFI（SF format indicator）。由450 個碼元組成，用來指示超幀種類、波束簇號、波束編號、BHS號、超幀號等信令信息。

圖11 優化后的超幀結構及其與物理層幀的對應關系

3) 有效數據區域。共611 820 個碼元，作為物理層幀的載體，每90 個碼元劃分為一個CU。

4) Pilot。導頻塊，由36 個碼元組成，每16 個容量單元插入一個導頻塊[44]，用于解決同步問題。

5) Dummy Symbol。啞元符號，一般在超幀結尾插入啞元符號塊[45]，用于解決切換時延問題。

為了兼容DVB-S2X 協議，適應跳波束的特點，超幀的構架還需遵守如下準則。

1) 所有類型的超幀結構保持一致，長度固定為612 540 個碼元（DVB-S2X 協議推薦的固定長度）。相同的結構和固定的長度既能夠兼容DVB-S2X 協議，又能輔助接收端進行檢測和同步。

2) 為了避免突發錯誤和同頻干擾，對于超幀的幀頭（SoSF+SFFI）和數據區域，可以分別選擇不同的方法進行加擾，且波束之間的加擾序列不同。

3) 啞元符號塊會影響業務幀信息的傳輸效率，因此連續多個超幀服務同一波束不需要在結尾處插入啞元符號，只有當該超幀結束之后進行波束切換，才必須插入啞元符號塊。啞元符號長度與碼元速率、波束切換開關時延、時隙切換時間的關系為時隙切換時間≥≥波束切換開關時延。

據此，可設計啞元符號長度，避免長度冗余造成的傳輸效率降低。

6.2 信令幀的優化設計

下行的BHTP 信令承載了系統對用戶的跳波束時隙資源分配情況，同時衛星也利用此信令進行波束的同步切換。本文設計的BHTP 幀格式如圖12所示。

1) 組ID。8 bit 字段，用于表示用戶終端所屬的用戶組的ID，對應于波位號。

2) 信道ID。4 bit 字段，在簇間頻率復用的情況下，用于表示用戶站所分配的信道ID。

3) 跳波束周期長度。4 bit 字段，用于表示系統的跳波束周期長度。

4) 跳波束周期序號。4 bit 字段，用于表示當前服務的跳波束周期序號。

圖12 優化后的信令幀構架

5) 時隙長度。4 bit 字段，用于表示單個時隙（BHS）的時隙長度。

6) 分配時隙數。8 bit 字段，用于表示用戶/波束在該周期內分配的時隙總個數。

7) 跳波束時隙序號。864 bit 字段，用于表示該用戶/波束所分配的各個時隙在跳波束周期內所處的位置順序信息，即HN 信息。

圖13 給出了跳波束下行信令的組幀過程，包括BHTP 在內的所有信令信息打包為896 bit（112 B）長度的數據分組，參考DVB-S2X 協議[19]推薦的編碼策略，可分別選取BCH（1 024,896）作為外碼和4/5 速率的LDPC（1 280,1 024）作為內碼，經過8 bit CRC 后，再加上SoSF 和SFFI 成為完整的信令幀。

圖13 用戶下行信令載波組幀形成流程

從圖13 中可以看出，信令幀不再額外配置物理層幀頭，以減小冗余開銷。更重要的是，信令幀與業務超幀結構類似，有利于終端捕獲和同步。

BHTP 信令是基于跳波束的新一代高通量衛星空口協議設計中最重要的部分，具體表現如下。

1) NCC 通過業務感知預測結果和來自用戶的業務申請，利用基于跳波束的資源分配算法，設計跳波束圖案，從而生成下一服務周期的BHTP 信令，通過信關站發出。

2) 衛星解調BHTP 信令，并轉換成波束切換開關的控制命令，在下一服務周期內進行波束切換。

3) 終端接收衛星轉發下來的BHTP 信令，解析出下一服務周期內NCC 為其分配的跳波束時隙、頻率信息，在下一服務周期到來后，在指定波束駐留時間內完成通信。

6.3 系統工作流程和同步機制

在新一代的高通量衛星通信系統中，基于跳波束和時間分片的通信模式有別于已存在的技術體制，其工作模式和流程也有所不同。本文針對空間信息網絡的多樣化業務模型，基于跳波束和時間分片的信息服務流程，設計一系列包含波束、頻率、時隙等資源的控制、調配的工作流程，保證各類用戶能以最適當的方式接入空間信息網絡，實現最優化的信息服務。

如圖14 所示，根據系統的架構及通信體制設計，系統主要分為以下幾個工作步驟。

圖14 系統工作步驟

1) 業務感知與預測。系統利用控制信道對用戶業務類型、業務量進行采集和統計分析，并對即將到來的業務的類型和流量進行預測；系統將根據業務感知預測結果和來自用戶的業務申請，對資源進行調度和分配。

2) 下行鏈路傳輸。首先根據系統配置設計波束簇形狀，然后根據業務感知預測結果和用戶申請狀況設計跳波束圖案，并確定波束駐留時間和波束內的業務時隙分配，實現多種業務的高效融合傳輸。

3) 上行鏈路接入。系統工作過程中需要根據業務分布、用戶需求，在上行鏈路接入中動態調整不同用戶的頻帶資源，共享同一頻率資源池，保證頻率資源的有限分配和共享，解決高速運動節點頻繁的波束切換問題，實現多業務的融合傳輸；然后承載各種業務的終端設備通過多載波模式共同接入衛星。

4) 系統同步。整個系統是基于業務特征、采用時間分片方式實現波束資源的靈活調度和用戶的自適應傳輸，因此必須做到信關站、衛星、終端三者同步，才能實現波束的跳變，保證該技術的工程可行性。同時由于系統采用“跳波束”的工作模式，用戶與衛星不具備持續連通的下行通道，因此除了常規的TDM 系統同步技術外，系統還采用了多種方法和措施，從多個層次保證了保證全網的時間同步和用戶的高效接入。綜合前文，具體措施如下。

1) 在業務幀層面上，為避免超幀長度較長帶來的同步困難問題，在數據字段周期性的插入導頻塊，輔助終端進行同步，如前文所述。

2) 在鏈路層面上，由于控制信令與業務超幀的幀頭結構相同，但長度大大縮短，因此可利用控制信令引導業務載波快速同步，具體如下。

①在控制與業務相分離的接入策略中，控制波束的信號由全球波束播發，因而用戶終端可以持續接收控制波束信號，并完成對其載波的捕獲、跟蹤。當用戶終端接收到業務信號后，控制波束信號載波同步環路的跟蹤頻率可牽引業務信號的跟蹤環路，完成業務信號的載波快速同步。

②在控制隨業務波束的接入策略中，通過設計跳波束圖案中的波束重訪時間，使無業務需求非熱點區域的用戶也能周期性地與系統進行信令交互，進而完成用戶終端的同步，待有業務傳輸時，能夠快速地進行載波同步。

3) 在系統層面上，信關站、衛星、終端三者都嚴格按照NCC 生成的BHTP 跳波束時間計劃表進行工作：信關站按照BHTP 信令在饋電鏈路依次傳輸相應波束的業務，衛星解析BHTP 信令完成波束的同步切換，用戶終端遵循BHTP 信令在指定時隙內完成業務的收發。

圖15 軟件驗證平臺

6.4 基于STK+MATLAB 的軟件驗證平臺

為了評估本文提出的系統構架和空口協議設計在典型場景中的性能，本文采用STK+MATLAB構建跳波束系統演示驗證軟件平臺，如圖15 所示。利用MATLAB 完成業務生成、跳波束時隙計劃生成、控制信令交互、業務幀仿真、系統同步、容量分析等；利用STK 完成跳波束場景生成、波位規劃、態勢生成及波束跳躍的展示。該驗證平臺支持波束構型的選擇，以及分簇數目、波束數目、跳波束周期長度、單個跳波束時隙長度、調制編碼方式等參數的設置，可以顯示業務量滿足程度、跳波束時間計劃表、各波束時隙分配統計、當前波束覆蓋波位等。結果表明，本文提出的跳波束系統構架和空口協議設計能夠滿足天地一體化信息網絡靈活機動的信息服務，以及高可靠、大容量傳輸的天基骨干網需求。

圖16 給出了采用本文提出的空口協議和工作流程下的系統業務容量滿足情況，其中終端同步時間sT=100 ms，終端同步最大保持時間DT=900 ms，跳波束時隙t=80 ms，跳波束周期時隙個數W=256，其他仿真參數如表1 所示。從圖16 可以看出，采用本文提出的波束重訪機制的跳波束系統相比于無重訪機制的跳波束系統，能夠更好地滿足各波束不同的業務需求。

圖16 系統業務容量仿真

7 結束語

跳波束技術作為高通量衛星向未來甚高通量衛星演進的關鍵技術，為衛星資源的靈活分配和高效利用提供了實現基礎。本文從系統構架、通信體制、資源分配方法和跳變圖案設計、用戶接入策略、空口協議設計和系統工作流程等方面，系統地闡述了基于跳波束的新一代高通量衛星通信系統的設計思路和關鍵技術。重點研究和設計了業務驅動的空間信息網絡通信體制和工作機理；面向資源全局調度，綜合考慮波束間干擾的影響，提出了時間上的系統資源分配算法和空間上的波束跳躍圖案優化方法；針對區域機動信息服務特點，研究不同場景下跳波束靈活接入策略；優化設計支持的跳波束空口協議，闡述了系統工作流程和分層漸進的同步策略。為基于跳波束的新一代高通量衛星通信系統設計提供了可行性方案，奠定了技術基礎，滿足了業務驅動、資源高效利用、熱點區域隨需覆蓋的天地一體化信息網絡需求。