衛星移動通信中波束切換模型和方法研究

胡俊祥，賀翔，唐勁夫

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州510663)

0 引言

（1）研究背景

隨著“一帶一路”國家戰略的推進，中國軍隊、政府、企業等都期待“一帶一路”沿途能有覆蓋陸地、海洋甚至是空中的寬帶通信。衛星通信以覆蓋范圍廣、鏈路穩定、通信帶寬大為特點，目前是一種較理想的解決方案。但單顆衛星的覆蓋范圍也無法實現完整覆蓋，而且通信容量也無法支撐日漸龐大的通信需求，因此我們需要將不同區域上空的衛星聯合起來，共同為用戶提供便捷的寬帶接入服務。這些衛星在地面上形成了部分重疊的通信波束，移動載體必然面臨跨越波束的問題。

以多波束為關鍵技術的高通量衛星技術正逐步成熟，單一衛星就能產生幾十個的通信波束，波束間采用頻率復用技術來提升通信容量，在這些波束間移動也將面臨同樣的問題。

當衛星地球站離開自己的波束進入另一個衛星的波束時即發生了波束切換，由新的服務提供商來提供服務，這和手機出國漫游非常類似。

（2）國內外研究現狀

國外已有成熟的衛星波束切換解決方案，目前幾個洲際衛星網絡也由國外運營，包括大家熟知的Im?marsat、Intelsat、Eutelsat等。其采用的衛星通信主要包括摩托羅拉、iDirect、Hughs、Gilat、ViaSat等廠家的產品，個別系統已經做到全球漫游。

圖1 跨波束切換模型

國內衛星通信起步較晚，目前固定業務（主要是電視廣播）仍然是主流，移動業務近年來也在逐步增長，但大部分移動應用仍集中在一個較大的波束內，無需考慮波束切換的問題。隨著我國第一顆高通量衛星的投入使用和國家海外政策的引導，越來越多的國內科研單位和院校投入到衛星波束切換的研究中。

1.3 研究內容

目前主流的寬帶衛星通信系統設計都是遵循IPoS（TIA-1008）標準[1]，見圖2所示。地面設備主要由信關站、網管中心、后端系統和遠端站組成，衛星抽象成各種頻段的轉發器。和波束切換緊密相關的包括切換模型、切換管理等方面，下面圍繞這三方面展開論述。

圖2 衛星系統典型架構

2 切換模型

2.1 衛星網絡拓撲

圖3 典型衛星網絡拓撲

常見的衛星通信網絡大多為星狀結構或星網混合狀結構，每一個遠端站（固定站或移動站）均處于某一個衛星廣播分發網絡中（后面簡稱衛星網絡），由一個信關站進行管理，所有星地數據交互均由信關站完成，這類網絡又稱為VSAT（甚小口徑天線終端）網絡。一個衛星網絡定義為信關站和一組遠端站之間的交互鏈路，遠端站的多址方式包括FDMA、TDMA、ALOHA、CD?MA等等。星狀網和網狀網區別在于遠端站之間是否存在單跳衛星鏈路。衛星鏈路的設計，決定了衛星網絡的主要拓撲結構，衛星網絡常見的拓撲關系如下圖所示，主要包含了寬波束拓撲和多波束拓撲兩種類型。獨立的衛星網絡包括以下幾個層級。至上而下最上面一層是衛星，這里的衛星指的是衛星某個通信頻段的一個或多個透明轉發器。第二層是該衛星的信關站，信關站主要完成遠端站管理、地面網絡接入、衛星資源分配等。第三層是信關站所管理的波束，信關站工作在多波束衛星不同的波束中，互相通過地面網絡連接。第四層是波束內的衛星網絡，一個波束內可以建立多個通信鏈路，這些相互關聯的通信鏈路便組成一個衛星網絡。最后一層是衛星網絡中的各種類型的遠端站，包括固定站和移動站兩類。“衛星>信關站>波束>網絡>遠端站”的歸屬關系對于固定衛星業務（FSS）來說是一直不變的，但對于移動衛星業務（MSS）來說歸屬關系就會隨時移動站的物理位置變化而變化。

2.2 波束切換場景

通過對站點移動行為的分析，我們歸納波束切換有三種典型場景。由于衛星設計，信關站一般會管理若干個不同覆蓋的波束，從信關站中的一個波束跨越到另一個波束，我們稱為一類切換；二是從一個信關站管理的波束跨越到另一個信關站管理的波束但仍使用同一顆衛星，稱為二類切換；三是超出了某一衛星所有波束的服務范圍，需要另一顆衛星提供服務，稱為三類切換。切換模型如圖4所示。

圖4 切換模型

由于信關站管理的波束一般是成片區分布的，通過切換發生的層級，我們看出一類切換最為常見，三類切換發生概率則較低。對于一類切換，只需要在信關站內部進行資源重新分配就可以實現切換。對于二類切換，則需要信關站之間進行交互，移動站的工作參數有可能需要作出較大的調整。對于三類切換，往往還會涉及到服務提供商之間的協商，過程更加復雜。

3 切換管理

3.1 移動站管理

幾乎所有的衛星通信系統都會配置一個網管中心，移動站需要在網管中心完成注冊后才能正常通信，并接受其管理。移動站需要某個網絡中發起通信，首先該網絡要登記有該移動站，并通過信關站給移動站分配一定的通信資源。對移動站的登記方法有兩種，一種是當移動站注冊時，在移動站可能出現的所有衛星網絡中均進行登記；另一種則是移動站注冊時不在任何一個網絡中登記，當移動站開機入網或進入某一個網絡時再進行臨時登記。第一種方式我們稱為預登記方式，這種方式的優點是能更迅速地完成入網并有利于各網絡對該移動站的管理，缺點是需要各網絡中維護一份該移動站的數據；第二種方式稱為動態登記，優點是除了移動站正在漫游的網絡，其余網絡無需感知該移動站的存在（后面提到的家代理除外），缺點是移動站每次進入一個新網絡時均需要重新登記，更占用網絡資源。

從兩種登記方式的優缺點來看，針對三類切換場景可以有不同的選取。對于一類切換，由于切換會較為頻繁，推薦采用預登記方式。對于三類切換，由于移動站需要跨越多個管理層級，推薦采用動態登記方式。對于二類切換，則兩種切換方式都可以選取，建議通過網絡規模來選取，網絡規模越大越適合采用動態登記的方式。

3.2 波束管理

衛星信號覆蓋情況一般由EIRP（等效全向輻射功率）圖和G/T值（品質因素）圖來共同表示，其中EIRP表示衛星發射能力，G/T值表示衛星接收能力。一般情況下個兩個指標越大越好，這兩個指標也決定了衛星地球站發射和接收能力的要求。這兩個類似等高線一樣的閉合曲線代表了衛星信號的地區覆蓋強弱。對于同步軌道衛星，由于其相對于地面是靜止的，因此其波束的覆蓋情況一般不會改變。但對于Ku甚至更高的通信頻段，容易受到天氣和雨衰的影響。

系統首先需要記錄每顆衛星不同頻段不同波束的ERIP圖和G/T值圖，并繪制出一張全局的波束覆蓋圖，作為移動站波束選擇的基礎數據。然后根據移動站的能力和特點選擇一個能同時滿足移動站上行和下行鏈路要求的最佳波束。選擇的依據包括但不限于移動站的工作頻段、上行鏈路余量、下行鏈路余量、天線仰角、波束邊緣距離、安裝平臺等。

圖5 衛星波束的EIRP分布圖

3.3 切換過程

衛星波束切換有兩種方式，分別是信關站切換和移動站切換，兩類切換方式主要區別是發起切換主體不同。對于信關站切換，當信關站發現了移動站進入波束邊緣時，通過信令讓移動站進行切換。對于移動站切換，則由移動站根據自己的通信情況主動申請切換。下面分別介紹兩種切換方式的工作方式和優缺點。

信關站切換的流程圖如圖6所示。切換過程中最關鍵的切換判決和波束選擇都由信關站完成，判決的依據包括移動站在波束中的位置以及通信鏈路質量。信關站主動切換可以有效地減少對移動站的要求，但信號丟失后無法做到自動回復，另外切換的實時性相對較差，不利于頻繁切換的場景。

圖6 信關站主動切換流程

移動站主動切換的流程圖如圖7所示，移動站需要承擔了切換判決和波束選擇的工作。這樣做的優點是可以做到快速切換，但需要移動站具備很高的數據存儲、管理和運算能力，而且波束覆蓋數據更新也是個難題。

圖7 移動站主動切換流程

3.4 數據路由

信道切換完成后，移動站就具備了在新的網絡中進行工作的條件，剩下就是數據重新路由的問題。大部分的衛星網絡都是采用靜態路由的機制，在移動站IP地址沒有發生改變的情況下，即使移動站進入了新的波束，IP數據包仍按原路由關系進行投送到原有的波束中。需要更新數據路由我們有兩個方法，一是在新的網絡中重新為移動站分配一個該波束下的IP地址，第二種方法就是移動通信中常用的移動IP技術。對于第一種方式，比較適合PPPoE這類的撥號接入方式，每次切換則進行重新撥號。獲取到新的IP地址后就可以在新波束下實現通信。

第二種方式是移動IP，移動IP包括移動IPv4和移動IPv6兩個版本，其中移動IPv6是移動IPv4的升級版本，但目前廣泛使用的仍是移動IPv4。移動IPv4中，使用了家代理、外地代理、轉交地址和隧道封裝技術來實現設備漫游。其中轉交地址指明了該移動節點在外網中的當前位置，家代理為移動節點提供移動支持，它截獲發往在外網中漫游的移動節點的數據報，將該數據報路由至該移動節點當前的轉交地址。外地代理則為在外地網絡中的移動節點提供接入、管理和報文轉交功能[2]。

圖8 移動IP技術示意

所有發往移動站的數據都會經過家代理，并由家代理進行轉交地址的IP包頭封裝，在家代理和移動節點之間形成了一條單向的隧道。移動站的發出的數據可以直接使用數據真實的目的地址，這樣數據就直接由漫游網絡以最快的路徑找到目標主機，但會造成“三角路由”的問題。通信主機發往移動主機的分組必須經過家代理，而從移動主機發往通信主機的分組是直接發送的，兩個方向的通信不是同一路徑，產生“三角路由”問題，這在移動主機遠離家代理，通信主機與移動主機相鄰的情況下效率尤其低下[3]。為了避免“三角路由”也可以采用返向的技術將數據通過隧道發給家代理，這對于加密傳輸、衛星性能增強應用方面有特殊的意義。

值得指出移動IPv4存在的幾個問題：一是，移動切換過程中的數據包由于找不到轉交地址，報文一般都會被丟棄導致重傳頻繁；二是，采用隧道封裝會增加IP報頭開銷從而降低傳輸效率，在最壞的情況是數據需要分割成兩個數據包以適應傳輸鏈路MTU（最大傳輸單元）從而犧牲系統吞吐量；三是，在較小區域的波束間頻繁移切換的話，會導致網絡中產生大量的代理間通信報文，造成網絡性能下降；四是，漫游時QoS需要由多段鏈路共同完成，實現較為困難。五是、移動IPv4協議只支持單個節點的移動，并不支持整個子網的移動，要實現子網移動需要進行相應升級設計。

移動IPv6彌補了移動IPv4的部分不足，定義了移動節點、通信節點和歸屬代理三種操作實體，通過更多的機制來提高移動過程中數據傳輸靈活性和可靠性，一定程度上解決了移動IPv4的問題，是未來地面網絡和衛星網絡的發展趨勢。

4 結語

本文從衛星移動通信的發展趨勢和現階段自主設備面臨的問題提出了衛星波束切換的研究課題，然后通過對衛星網絡拓撲的研究抽象出三類切換場景，最后對切換過程中的移動站管理、波束管理、切換過程和數據路由等關鍵環節進行了研究和論證。后續將針對具體的衛星和應用，對移動站登記的方式、切換判決算法、切換方式、數據路由優化等方面進行進一步研究。