基于人口密度分布的高通量衛(wèi)星覆蓋方案設計

趙 陽，王海龍，2，黃楷博，柏 京

（1.中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610000；2.電子科技大學電子科學與工程學院，成都 610054）

1 引言

1.1 高通量衛(wèi)星

高通量通信衛(wèi)星，就是在使用相同頻率資源的條件下，通信容量比常規(guī)通信衛(wèi)星高數倍甚至數十倍的通信衛(wèi)星。其主要特點是采用了頻率復用、多點波束等先進技術，可以同時為更多的用戶提供服務[1]。

常規(guī)衛(wèi)星采用單波束覆蓋某一區(qū)域，而高通量衛(wèi)星采用多點波束對區(qū)域或全球進行覆蓋。以中國國土為例，單波束和多點波束對某一區(qū)域的覆蓋方式對比如圖1所示。

由于高通量采用多點波束，同一頻率可以在不同的區(qū)域進行重復使用，這樣可以充分利用頻率資源。頻率復用意味著多次使用相同的頻率，不需要提高帶寬即可提高整個網絡的通信容量[2]。

圖1 國土單波束和多點波束覆蓋對比

此外，考慮到極化維度的隔離，衛(wèi)星通信采用極化復用和頻率復用相結合的方式來擴展系統(tǒng)通信容量。傳統(tǒng)單波束采用垂直或水平極化覆蓋，通信容量低。而多點波束可以采用不同極化和不同頻率同時覆蓋，如圖2所示，1R和1L分別表示同一頻率的兩種不同極化，2R和2L表示另一個頻率的兩種極化。相對于單一線極化，該多頻多極化共用方式能有效提高衛(wèi)星通信的容量。

圖2 單色復用和四色復用方案對比

1.2 國內外高通量衛(wèi)星現狀

在高通量衛(wèi)星的發(fā)射和應用方面，以歐美國家為主，歐洲典型的高通量衛(wèi)星是2010年Eutelsat發(fā)射的Ka-Sat衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用四口徑多波束收發(fā)共用天線，通信容量為70 Gb/s。美國的高通量衛(wèi)星代表為ViaSat1，采用四副反射面天線，通信容量為100Gb/s，可同時滿足數百萬用戶的通信需求[3]。美國即將發(fā)射的ViaSat3，通信容量將達1Tb/s。

圖3 Ka-sat衛(wèi)星歐洲覆蓋圖

我國2017年4月發(fā)射首顆高通量衛(wèi)星——中星16號衛(wèi)星，通信總容量達20Gb/s。中星16號和即將發(fā)射的中星18號一起為中國本土提供Ka寬帶大容量雙向通信服務。

1.3 高通量衛(wèi)星特點總結

從國內外高通量通信衛(wèi)星發(fā)展可以看出，衛(wèi)星都是通過極窄均勻多波束覆蓋工作區(qū)域，并通過頻率極化雙復用的方式來提高通信容量。

2 人口密度分布及區(qū)域劃分

2.1 出發(fā)點

以中國國土為例，中國人口密度分布不均，不同地區(qū)對通信業(yè)務的需求也有明顯差異，如果采用均勻波束覆蓋國土會導致部分區(qū)域覆蓋存在容量浪費，而另一區(qū)域則容量不足。為了實現業(yè)務量和覆蓋區(qū)域的均衡，本文采用大小混合的衛(wèi)星波束對區(qū)域進行照射，對于人口集中、用戶數量多、業(yè)務量大的地區(qū)采用窄波束高增益進行照射，提高多用戶多媒體通信的能力，對于人數稀少、用戶數量少、業(yè)務量少的區(qū)域，采用寬波束進行覆蓋，降低系統(tǒng)成本。

2.2 人口密度分布狀況

中國人口分布的大致趨勢可以通過騰沖黑河一線（胡煥庸線）描述[4]，如圖4所示，藍色區(qū)域位于騰沖黑河一線左側，為人口稀少區(qū)域；綠色區(qū)域位于騰黑河一線右側，為人口密集區(qū)域；紅色區(qū)域為人口波動區(qū)域，位于騰沖黑河一線兩側[5]。

圖4 中國人口分布及分界線

中國人口主要分布在黑河騰沖一線右側，其人口占中國人口總量的96%左右，左側區(qū)域雖然占地面積大，但人口數量僅占總人口的4%左右。由于人口分布的不均衡，對于人口分界線兩側的地區(qū)采用相同大小的波束進行照射時不能有效利用衛(wèi)星資源。

本文基于中國人口密度分布的騰沖黑河一線，提出混合波束照射方案。其中該線左側人口稀少的區(qū)域采用大波束照射；該線右側人口密集的區(qū)域采用小波束照射；對于人口波動區(qū)域，在該線左側時，采用大波束照射，在該線右側時，采用小波束照射。

3 基于人口密度分布的高通量通信衛(wèi)星波束覆蓋方案設計

3.1 波束覆蓋優(yōu)化方法

多波束優(yōu)化的目標是在覆蓋區(qū)域范圍內，優(yōu)化波束數量和照射位置，用最少的波束數量覆蓋所要求區(qū)域[6]～[8]。以同步地球軌道115°E作為照射衛(wèi)星的位置，本文采用粒子群智能優(yōu)化算法對中國國土的波束覆蓋進行優(yōu)化。粒子群算法優(yōu)化流程如圖5 所示。

（1）優(yōu)化目標：波束覆蓋整個國土。

（2）優(yōu)化參數：波束數目和波束照射位置。

（3）適應度函數：需要考慮國土內未覆蓋區(qū)域的面積S1，波束交疊區(qū)域的面積S2，波束覆蓋國土外區(qū)域的面積S3等因素。每一部分都有自己的權值w1、w2、w3，根據優(yōu)化目標合理調整權值大小，建立適應性函數。

（4）初始位置：隨機生成。

（5）初始數量：取充足的數量，通過優(yōu)化精簡數量。

圖5 粒子群算法優(yōu)化流程

3.2 混合波束覆蓋設計結果

為實現混合波束的覆蓋目標。本文首先分別采用0.6°的小波束和1.2°的大波束對中國本土進行均勻覆蓋優(yōu)化，優(yōu)化結果如圖6所示。

可以看出，采用均勻波束覆蓋國土時，若采用小波束覆蓋國土，需要88個波束，能保證全國范圍內都具有較好的通信質量，但是在人口稀少區(qū)域存在通信資源的浪費，系統(tǒng)建設成本過高；若采用大波束覆蓋國土，需要23個波束，在人口密集區(qū)域會出現通信資源的不足，造成通信能力的下降。

為了降低衛(wèi)星開發(fā)成本，提高衛(wèi)星資源利用效率，本文根據中國國土人口密度分布的特點，采用不同大小的混合波束進行照射。其中人口稀少區(qū)域采用1.2°大波束照射，人口密集區(qū)域采用0.6°小波束照射。

本文最終設計的混合波束覆蓋方案優(yōu)化結果為：共采用55個波束，其中13個1.2°的大波束，42 個0.6°的小波束，如圖7所示。

該混合波束覆蓋方案根據人口密度對不同區(qū)域采用不同波束進行覆蓋，將傳統(tǒng)均勻波束以地理面積為依據的通信資源分配轉化為以人口密度為依據的通信資源分配，充分利用通信資源，提升用戶體驗，降低建設成本。

4 結束語

本文根據區(qū)域人口密度分布，通過粒子群智能優(yōu)化算法，以中國國土為例，設計了一種混合波束的覆蓋方案。最終采用55個大小波束對中國國土進行覆蓋，和均勻大波束覆蓋相比，可以提高用戶通信能力；和均勻小波束覆蓋相比，可以降低系統(tǒng)建設成本。實現了業(yè)務、覆蓋和成本之間的均衡。

圖6 均勻波束覆蓋國土

圖7 混合波束覆蓋國土