關于衛星跳波束系統的幾點思考 ①

李 聰，何 雯，王一帆

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高通量(High Throughput Satellite，HTS)衛星的出現極大地提升了衛星的通信容量。目前的HTS衛星主要采用多個點波束增加系統容量，在系統設計時HTS衛星多波束之間的頻率、功率和帶寬等多為固定分配方式。但多波束覆蓋區內的不同波束內不同時間段的業務需求并不均勻，導致這種固定模式缺乏足夠的靈活性，造成衛星的性能受限。為了解決多波束衛星資源固定分配帶來的問題，“靈活有效載荷”概念應運而生，通過靈活的波束覆蓋、功率分配和帶寬分配等方法可以有效地應對這些挑戰。

跳波束技術(Beam Hopping，BH)利用時間分片可以有效地提高帶寬和功率等稀缺衛星資源的使用效率，滿足用戶的非均勻時變需求。跳波束技術最早由NASA在先進通信衛星技術(Advanced Technology Communication Satellite，ACTS)項目中進行研究[1]。該項目通過一系列開關對天線饋源進行切換，實現了波束的跳變，開啟了跳波束技術的研究。文獻[2]分析了跳波束系統有效載荷的結構，提出了優化后的波束跳變時間規劃方案，結果表明與功率和帶寬固定分配的常規系統相比，跳波束系統的容量增加了30%。文獻[3]比較了跳波束系統與同等的靈活載荷系統的通信容量，結果表明跳束技術比其它靈活有效載荷方法更具優勢。文獻[4，5]將跳波束技術應用到多波束天線中，通過縮小單個波束的口徑，來提高波束的增益和系統的載干比(C/I)，結果表明與常規的多波束天線相比，C/I提高近4dB。文獻[6]結合跳波束和頻譜感知技術，通過感知主星服務的變化，輔星采用跳波束技術為主星服務區增加服務容量，有效提高了系統頻譜效率。文獻[10-17]在波束尺寸、帶寬、功率、跳變時隙等多個方面對跳波束系統的資源分配進行了詳細的研究。在地面驗證方面，歐洲航天局(European Space Agency，ESA)的“衛星跳束系統仿真器”(BEHOP) 項目進行了完整的跳波束系統地面仿真[18，19]，并指出與傳統的容量等分配以及頻率、功率可調的多波束系統相比，跳波束系統可降低50%直流功耗，增加15%通信容量，節約20%資源，且具備為大量需求用戶靈活分配波束容量的能力。此外，以色列SatixFy公司推出了SX-3000芯片產品，作為跳波束環境中終端的處理核心模塊[20]。

跳波束技術具備靈活的波束特性，可以有效解決不均勻和動態的業務需求， 極大地提高了衛星的資源利用率，在未來衛星通信網絡中具有巨大的應用潛力。本文接下來從衛星跳波束的系統組成、關鍵技術和發展展望等幾個方面對跳波束系統進行梳理分析。

1 衛星跳波束系統組成分析

如圖1所示，衛星跳波束系統主要由信關站、衛星和地面終端等部分組成。與多波束系統的不同點在于，跳波束系統有效載荷部分多了跳波束控制器。跳波束控制器的主要作用是對接收到的波束跳變計劃進行解析，并配合天線將數據流，在規定的時間內切換到正確的多個波束上。圖1中同一色塊的數量表示傳輸業務量的大小，不同顏色的業務流表示去往不同的波束，經過波束控制器后，按時間順序將波束切換到不同的區域。示意圖1中的波束跳變順序可以表示為：波束1→波束2→波束N→波束1→波束2→波束N。圖中僅給出了一個波束簇內同一時刻單一波束的跳變情況，實際系統中一個波束簇內可有多個波束同時跳變。跳波束系統多用在寬帶衛星的前向鏈路，即業務流的主要方向[12]。下面以前向鏈路為例，分析跳波束系統中各個組成部分的作用。

圖1 衛星跳波束系統組成

(1)信關站

信關站根據用戶的業務請求，統計用戶所在位置、波束覆蓋區域和請求容量等，根據衛星的載荷能力和信道條件，通過跳波束資源分配算法，生成包含波束跳變數量、駐留時間、跳變周期和切換時間等關鍵參數在內的波束跳變規劃表，發送給星上跳波束控制器。

(2)跳波束控制器

跳波束控制器將波束跳變指令進行解析，通過開關或波束形成網絡，將多波束數據流準確地轉發到指定波束下。跳波束是一種時分技術，時間同步對跳波束控制器來說至關重要。對于透明轉發器而言，跳波束控制器、信關站、終端之間需要保持準確的時間對準。對于再生處理轉發器而言，信關站發送的波束跳變計劃與跳波束控制器解析后轉發的下行鏈路跳變計劃解耦，信關站不需要與波束跳變計劃嚴格同步。但在此情況下，再生處理轉發器應該為所有波束進行提供路由，排隊和緩沖功能。

(3)地面終端

地面終端根據接收的波束跳變時間表，在規定時隙內，接收請求的業務數據。地面終端通常使用連續發送的前向鏈路信號進行時間、頻率和相位同步，但在跳波束系統中，終端僅在波束駐留期間接收信號，其它時間無任何信號。因而，跳波束系統中終端需具備突發接收功能，以及沒有任何先驗信息的情況下，捕獲衛星信號并實現同步的能力。

2 衛星跳波束系統關鍵技術分析

衛星跳波束系統主要的任務是，實現如何在正確的時間以最有效的方式為正確的波束單元提供合適的容量。實現此功能，系統需要具備以下能力：(1)有效載荷中的跳波束控制器及時地將傳輸數據流切換到正確的波束；(2)整個系統(包括信關站、跳波束控制器和終端)進行同步；(3)地面需要對每個波束的帶寬、功率和跳變時間表等資源進行高效規劃分配。根據以上功能，本文從跳波束控制器的架構設計、跳波束波形與網同步設計、資源分配算法及地面驗證技術幾個方面對當前的研究進行總結分析。

2.1 衛星跳波束控制器架構設計

與常規多波束系統相比，跳波束系統主要多了跳波束控制器和開關矩陣，如圖2所示。跳波束控制器用于解析網關生成的波束跳變指令，并控制開關矩陣或波束形成網絡實現波束的切換。文獻[1]在ACTS項目中采用單個行波管(Traveling Wave Tube，TWT)產生單個波束，通過在輻射饋源前加入開關矩陣，利用饋源的選通達到波束跳變的目的，即采用圖2中跳波束控制器→開關矩陣→發射天線的技術路線。文獻[2]在文獻[1]的基礎上，采用相控陣天線方案，通過波束形成網絡中的移相器形成不同的波束，從而實現波束的跳變，即采用圖2中，跳波束控制器→波束形成網絡→發射天線的技術路線。兩種方案各有側重：切換饋源的方案，控制器設計簡單，但多個饋源只有一個工作，造成一定的資源浪費；相控陣天線方案中，共用多個饋源和功放，提高了星上資源利用率，難點在于波束形成網絡設計比較復雜。

圖2 跳波束系統前向鏈路處理流程

文獻[7]提出了在星上采用兩級開關交換的概念，第1級開關矩陣實現多個信關站與波束簇之間的交換，第2級開關矩陣實現任一簇內不同用戶波束之間的交換。該方案的優點在于，用戶波束與多信關站之間實現了靈活的映射，促進了系統中零冗余網關的設計并保證所需的可用性，但網關與用戶波束之間的時隙等資源分配復雜度增加。上述分析可以看出，跳波束控制器架構由控制開關矩陣切換饋源向控制波束形成網絡來切換波形發展，由單層波束交換向多層波束交換發展。

2.2 衛星跳波束系統波形選擇與網同步設計

衛星跳波束波形應該為波束跳變提供充足的時間，且波束跳變后，終端能夠完整地接收所有的數據。DVB-S2X(Digital Video Broadcasting-Satellite Second Generation Extension )協議附錄E中定義了一個支持跳波束的超幀波形，如圖3所示。此超幀提供720個字符的長幀頭和36字符長的導頻符號，用于提高幀同步的性能，幀尾的啞元符號用于支持跳波束系統的平滑切換。由于超幀長度固定，符號速率固定后，超幀時長隨之固定。跳波束系統的最小時隙為一個超幀時長，以100Msps符號速率為例，超幀時長約為6.1ms。因而，超幀持續時長決定了跳波束方案中時隙劃分的粒度，文獻[18，19]在地面驗證系統中對超幀的性能進行了驗證。

圖3 支持跳波束的DVB-S2X超幀結構[21]

跳波束系統中嚴格的時間、幀同步是終端正常接收信息的關鍵。目前支持跳波束的時間同步技術研究并不多，文獻[8，9]在不改變DVB-S2X超幀結構的基礎上，針對超幀中的啞元符號進行了設計。文獻[7]引入了啞元幀的概念，采用標準的超幀幀頭作為啞元幀的幀頭。波束切換后，終端通過大約20個啞元幀實現了同步。文獻[9]在文獻[8]的基礎上進行了改進，對啞元幀的同步域進行重新設計，通過擴頻碼對時間和頻率的偏差進行估計，將20個啞元幀縮短到1個。仿真結果表明，即使在信噪比低至-10 dB的信道情況下，終端接收機也能夠鎖定一個啞元幀，證明了DVB-S2X幀結構的有效性。

2.3 衛星跳波束系統資源分配算法

衛星跳波束系統資源分配算法主要圍繞帶寬、功率、時隙分配等方面，以減小系統的共信道干擾以及其它條件為約束，實現最大的資源利用率(即，系統提供的總容量接近客戶需求容量)為優化目標，建立模型并求解。目前大量的文獻對跳波束系統的資源分配算法進行了研究。

文獻[10]提出了一種寬帶跳波束系統中的業務流量控制方法，提升了系統吞吐量。文獻[11]考慮了跳波束系統中不同跳變單元之間的QoS(Quality of Service)均衡，以延遲公平性為目標，優化了波束跳變策略。文獻[12]以智能網關系統中跳波束用戶下行鏈路的功率和時隙為目標，通過功率和帶寬的聯合優化，有效地提高了資源利用效率。文獻[13]提出了分層優化方法，先對跳波束簇的大小進行優化，在此基礎上對功率和時隙進行聯合優化，提高了系統的帶寬資源利用率。文獻[14，15]對帶寬、功率、時隙等為優化目標的跳波束資源分配算法進行了梳理與總結。文獻[16，17]將深度強化學習引入到多波束和跳波束資源分配中，分別通過優化業務阻塞和延遲問題，提高了系統的載流量、頻譜效率和吞吐量。本質上看，上述跳波束系統的資源分配算法目標是一樣的，即，通過對波束、帶寬、功率、時隙、時延等問題的優化，提高系統的資源利用率。但從優化模型的種類來看，上述資源分配方法可以分為兩類，即文獻[10-15]中離線的動態資源分配方法和文獻[16，17]中在線的深度學習方法。前者的優點是可根據某一場景某些指標內容設計精細的模型，模型復雜度相對較低，缺點是系統場景或方案稍有變化，就需要重新修改模型或搜索算法，不適應動態變化的場景。后者的優點是可以通過在線學習，適應不同場景下的資源優化分配需求，缺點是適應多場景的深度強化學習模型復雜度相對較高，對計算資源需求較高。從上述梳理分析可以看出，跳波束資源分配方法由單一維度的時隙分配，向帶寬、功率、波束尺寸、QoS保障等多維度聯合分配以及動態智能化的方向發展。

2.4 衛星跳波束系統地面驗證技術

歐洲航天局BEHOP項目對跳波束系統進行了地面驗證，驗證方案如圖4所示。圖中設置了兩個接收站點，上面的為德國埃朗根衛星接收站，下面的為法國朗布依埃衛星接收站。在發送端，寬帶跳波束模擬器產生成啞元數據、波束切換時間表(Beam Switching Time Plan，BSTP)，發送到衛星載荷模擬器(Payload Emulator，PLE)。PLE執行預先配置好的波束跳變計劃，輸出參考波束和用戶波束兩路信號。用戶波束通過移頻器，進入合路器，然后兩路信號并行進入L波段上行鏈路傳輸。接收端，分為參考端(Reference Terminal，RT)和測量端(Measurement Terminal，MT)。RT連接到主天線，對轉發器D03轉發的參考波束進行評估，將測量偏差通過IP連接反饋給跳波束調制器。MT連接到較小的天線，對SNR(Signal to Noise Ratio)和同步參數等進行測量。兩種終端的反饋和測量數據都記錄電腦上。

圖4 跳波束系統地面驗證流程[18]

該地面系統完成了以下驗證：(1)演示完整的信號傳輸鏈路，提供跳波束網絡仿真；(2)增強型寬帶調制器(支持DVB-S2X附件E超幀格式)為波束提供對齊的數據流；(3)建立用于模擬衛星跳波束的硬件仿真器；(4)終端設備進行突發信號接收；(5)通過參考終端的反饋，在網關和衛星之間開發、優化網絡同步技術。地面驗證結果如下：所有測試場景網絡獲取時間約為3～4秒，終端同步誤差約為24us，SNR測量值與鏈路預算相符，整個地面驗證系統達到了預期的效果[18]。

3 衛星跳波束系統發展展望

跳波束技術可以根據需求靈活地分配系統資源，實現波束“什么時候需要，什么時候到那里”的能力，更好滿足對移動流量的需求，比如飛機、輪船的上網和娛樂系統。跳波速系統面臨的一個核心問題是波束如何跳？本文結合人工智能等新興技術對上述問題進行解答并給出未來展望。

(1)智能天線+跳波束技術

天線作為跳波束系統中的執行機構，實現了波束"指哪跳哪"的功能。從單饋源天線到自適應陣列天線，天線的智能化拓展了跳波束系統的感知和跳變能力。通過智能天線對信源的定位、信道的感知以及目標的自適應跟蹤能力，跳波束系統可以自適應地選擇最佳的鏈路、波束尺寸和形狀，躲避干擾，實現對陸、海、空等移動目標連續與突發業務的服務能力。因而，智能天線+跳波束技術，將使波束跳的“更準確、更明智”。

(2)人工智能+跳波束技術

資源分配規劃是實現跳波束系統“何時跳到何地”的重要前提，高通量技術的發展，使得多信關站、多波束簇、多終端的跳波束資源分配變得極其復雜。人工智能技術具有強大的動態決策與規劃能力。人工智能+跳波束技術將使得跳波束系統的資源分配由單一資源、單一層級、靜態的分配，向著空間、時間、頻率、功率、帶寬、波束尺寸等多個維度聯合、多層級、動態的分配發展。因此，人工智能+跳波束技術將使波束跳的“更高效、更智能”。

(3)DVB-S2X標準+跳波束技術

跳波束技術已經納入DVB-S2X標準，但目前關于DVB-S2X標準下的跳波束波形設計和相關技術研究并不多。DVB-S2X標準，作為衛星通信中廣泛應用的一種標準，基于該標準開發的跳波束系統和相關技術，在不同衛星間兼容性強，互操作性高，有利于快速部署。所以，采用DVB-S2X標準+跳波束的技術，將使波束跳變的“更兼容、更規范”。

4 結論

本文對跳波束技術的系統組成部分進行了介紹，并從跳波束控制器架構設計、系統波形與網同步設計、資源分配算法、地面驗證技術等4個方面對跳波束系統中的關鍵技術進行了梳理與分析。同時給出跳波束后續的發展展望，指出跳波束技術與智能天線技術、人工智能技術以及DVB-S2X標準相結合，能夠使跳波束系統中波束跳的“更準確、更高效、更智能”，有效提高跳波束系統的服務能力。