GEO及NGSO衛星通信系統融合應用研究

王悅 王權 袁麗 李雯婷 何京

(1 西安航天天繪數據技術有限公司，西安 710000) (2 航天恒星科技有限公司，北京 100095)

地球靜止軌道(GEO)衛星通信速率高、容量大，但通信延時大、無法覆蓋兩極、缺少星間組網應用，中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)衛星通信時延短、可全球覆蓋，但建設周期長、組網通信難、運維成本高，因此各大廠商認為多軌衛星共同組網通信有著無法超越的優勢，是未來衛星通信發展的必然趨勢。

美國ViaSat公司于2016年提出中地球軌道高通量(MEO HTS)星座計劃，彌補GEO HTS服務能力的不足，同時ViaSat公司也在評估“把GEO衛星同低時延的地面基礎設施乃至低時延的LEO衛星結合起來，以帶來一種高-低軌(GEO-LEO)混合體驗”[1]；2019年10月歐洲衛星公司(SES)和法國泰雷茲集團(Thales)完成全球首例跨GEO/MEO衛星的空中互聯(FlytLIVE)機載寬帶業務演示，實現MEO、GEO衛星之間的無縫切換，數據下載速率超過265 Mbit/s，完成4K超高清分辨率視頻在線播放等大帶寬應用測試[2]；2020年2月18日，以色列吉萊特(Gilat)公司首次利用全電掃天線實現在LEO星座試驗星和加拿大一顆名為Anik-F3的GEO衛星之間的瞬時切換，整個測試過程中飛機持續與GEO衛星通信，并在進入LEO衛星覆蓋區后瞬時切換至該LEO衛星，之后再切換回GEO衛星[3]。通過各大公司的部署可以看出，GEO衛星和非地球同步軌道(NGSO)星座的融合應用是衛星通信領域未來的發展方向，用戶可使用既有的性能優異的GEO衛星滿足通信需求，待NGSO衛星星座就緒后，可直接接入使用，實現大容量、低延時的全球通信服務。提前開展GEO衛星和NGSO星座融合應用技術研究，對后續系統的快速建設與應用有著重要意義。

本文通過對多軌道衛星系統融合應用的技術難點分析，提出GEO衛星和NGSO星座融合應用系統的設計思路與架構，并針對技術難點進行解決方案設計，結合現有通信技術與需求，分析該設計架構提供的應用服務模式，可廣泛應用于航空網絡、海洋信息、寬帶接入、移動物聯網以及應急通信等服務領域。

1 GEO衛星與NGSO星座融合技術難點

GEO衛星與NGSO星座融合作為一種新型發展技術，面臨著諸多的挑戰，需解決以下關鍵性問題。

(1)多軌道衛星協同組網。開展GEO衛星和NGSO星座物理層協同組網通信研究，適用于大規模、高吞吐量、頻繁切換的多軌道系統路由協議轉換技術研究，以及頻率資源切換和統一管理研究，滿足多軌道衛星彈性組網需求，改善天基組網的脆弱性，提升系統網絡隨遇接入、實時連通可達的通信性能。

(2)靈活性及移動性管理。開展移動性管理、資源自適應調配、無感快速接入等技術研究，實現地面段及通信終端快速波束切換、同軌衛星切換、異軌衛星切換，以及載波和服務品質調整等功能，提高移動網絡切換通信連通率，降低切換時間，提升通信服務質量。

(3)終端共型設計。開展高吞吐量共型通信終端設計，解決終端種類多、通信協議及體制不統一、互聯互通困難等問題，滿足不同軌道衛星通信需求，支持不同衛星之間漫游切換，為各類應用提供連續不間斷的服務。

2 GEO衛星及NGSO星座融合應用設計構想

多軌道衛星及地面網絡的融合設計，實現了多軌系統的聯合互補，打破了天地網絡分割獨立的局面，新的融合應用系統必將實現全球性的通信網絡覆蓋，使信息無死角的廣泛傳播。

2.1 系統架構

系統架構設計分為兩個階段，第一階段基于現有或即將發射的GEO衛星和NGSO星座，設計采用GEO衛星系統和NGSO星座系統在現有地面信關站融合的建設方式，通過共建的運營支撐網絡實現兩網及地面網絡的統一運行管理，終端采用高集成、共型融合設計方式，單一終端即可實現多軌道網絡的自適應切換。該建設方式可支撐多軌衛星融合應用技術的快速實現及運行使用。系統架構如圖1所示，該設計架構實現GEO衛星、NGSO星座和地面網絡在系統、業務、用戶及覆蓋4個層面的融合應用，是一種新型的融合架構網絡。在該架構下，天基相互獨立的各類通信衛星在地面段實現衛星網絡互聯，所有衛星數據通過信關站的融合以及運營支撐系統的統一調度管理，實現GEO衛星之間、NGSO星座之間和GEO與NGSO之間的數據任意交互轉發，有效解決無星間組網的衛星之間數據通信問題。

第二階段如圖2所示，在衛星規劃時進行星地一體化設計，提前設計適用于GEO衛星和NGSO星座的網絡接入協議，采用統一的空口，一網統一管理，真正實現多軌道衛星系統的融合應用。

注：ADS-B為廣播式自動相關監視系統，AIS為船舶自動識別系統。

注：PSTN為公共交換電話網絡，PLMN為公共陸地移動網。

空口協議方面主要采用傳統的衛星通信數字視頻廣播(DVB)體制和地面通信正交頻分復用(OFDM)體制，其中，DVB體制已廣泛應用于GEO衛星，并在銀河航天科技有限公司的低軌衛星上也進行了應用驗證，考慮未來衛星與5G的融合發展趨勢，研究地面OFDM體制在衛星上的應用，但其高峰均比的特點，使得信號通過功率放大器后會產生非線性失真，系統性能會降低，需要進行優化設計。

采用離散傅里葉變換擴頻正交頻分復用(DFT-S-OFDM)通信體制，并且采用削峰的方式來減低信號的峰均比，如圖3所示，由仿真分析可知，優化后的性能與DVB體制較為接近。

圖3 峰均比優化仿真結果對比Fig.3 Comparison of PAPR optimization simulation results

本系統可同時支持長時穩定的GEO衛星通信和高實時性的NGSO衛星通信，在兩類網絡同時存在時，系統根據當前通信需求、可用衛星資源、網絡負載情況等綜合判決，自適應選擇最優通信衛星，以確保業務長時穩定或高時效性等不同通信需求。

栽培管理條件中，肥水對白葉枯病的影響最大，氮肥施用過多、過遲，造成適宜發病的小氣候，并有利于病菌的生長增殖。在氮素適量時，增施磷鉀肥可減輕發病原體。大田串灌、漫灌都能直接促使病害傳播，而長期浸泡在深水中的稻株，對發病影響更大，這主要是田間濕度大，有利于病菌繁殖侵染。深灌并能增加土壤有毒物質的積累，促使稻株抗病力下降，拔節后深灌發病更嚴重。因此，適時適度烤田對防治白葉枯病非常重要。

2.2 關鍵技術分析與設計

為實現GEO衛星和NGSO星座的融合通信，要重點解決網絡組建方面的協同設計、移動過程中的頻繁切軌切星切波束管理、終端一體化共型研制和星地聯合組網應用的關鍵技術。

1)多軌道衛星協同組網設計

GEO衛星和NGSO星座融合網絡采用網絡功能虛擬化和軟件定義廣域網絡(SD-WAN)兩項技術實現虛擬化協同網絡設計，該架構下既可實現系統的靈活應用部署，又能實現資源的統一管理及調配。SD-WAN設計在不影響網絡部署、全網性能及安全性的前提下，能綜合管理各種通信鏈路(GEO、NGSO、5G網絡)，根據傳輸鏈路的實際性能(如帶寬資源、時延、抖動)及系統策略配置，統一管理網絡資源并自動選擇最佳路徑，以實現負載均衡，保證整個網絡的傳輸質量，提高網絡連接的靈活性、穩定性和可靠性，協同組網架構見圖4。

注：OSS為運營支撐系統，BSS為業務支撐系統，MPLS為多協議標簽交換，ISP為互聯網服務提供商，WAN為廣域網絡。

圖4中業務編排器實現整個網絡全程服務中的策略統一管理，并自適應的制定不同業務的執行策略；SD-WAN控制器實現對全網設備的統一監控管理，并根據設備運行情況實時調配部署，對于異常運行情況可以彈性調整執行路徑，避免損點壞點對全系統的影響；邊緣設備與安全隧道進行綁定，主要針對不同業務應用制定相應的訪問策略[4]；混合WAN用于屏蔽不同網絡之間的底層差異，實現多網端到端的信息互聯互通。

網絡功能虛擬化由A區虛擬設施管理(VIM)、B區虛擬網元管理(VNFM)和C區虛擬業務編排(VNFO)3部分組成[5]，見圖5。其中，VIM實現對硬件資源和虛擬資源的統一調度與管理，該部分與VNFO進行信息交互，實現對VNFO資源調度請求的反饋與支撐；VNFM實現對虛擬網元和操作系統的全周期監控與管理，并對VIM進行資源的配置及調度；VNFO實現對資源統計、移動性管理、策略控制、信息管理、路徑管理、軟件定義網絡(SDN)控制及安全管理等任務的編排，同時完成對VIM的資源調配策略規劃，該部分實現網絡功能的全部服務。

虛擬化協同網絡在VNFO中建立多軌道系統通信頻率資源池，實時更新在用頻率、預支配頻率及空閑頻率資源信息，并及時反饋至運營支撐系統，由運營支撐系統根據頻率請求申請、資源負載情況、當前軌位信息等，對頻率資源進行統一管理及調配分發，實現運營支撐系統對全網資源及狀態的可管、可知、可控。由于多軌道頻率資源統一在資源池中進行調配，有效解決了軌位切換及波束切換時的頻率搶占、沖突及空閑資源無法合理利用等問題。

2)移動性管理設計

本系統涉及的移動切換場景主要有GEO衛星之間切換、GEO和NGSO星座之間切換、NGSO星座之間切換[6]和衛星與地面網絡之間切換4種，見圖6所示。

在多切換場景下，本文采用基于地理位置機制、通信容量負載機制、剩余時間優先級機制3種判決方法進行移動切換策略的制定。

(1)基于地理位置的移動切換機制：終端在移動過程中周期性計算位置判決結果，并根據結果進行切換請求申請。假設終端當前使用波束2，d1～d5分別為終端距離各波束中心位置的距離，見圖7。現采用di/d2<1(i=1，3，4，5)為切換判決條件，其中di為終端距各波束中心距離，d2為當前終端距使用波束距離，即終端距離某一波束中心的距離小于d2時，終端將測算結果反饋給移動管理系統，并申請波束切換操作，系統接受申請，為終端分配待切換波束資源，并通知終端進行波束切換操作。該模式下，終端計算的波束中心距離包含GEO波束和NGSO波束，根據該結果切換不同軌位衛星和可用波束。

圖7 終端相對于不同波束中心位置示意圖Fig.7 Illustration of a terminal position relative to different beam centers

(2)基于通信容量負載的移動切換機制：當移動終端通過位置判別計算向移動管理系統提出切換申請后，可能存在待切換波束的可利用資源無法滿足終端通信需求的情況，此時移動管理系統將無法向終端反饋切換啟動信息，從而導致終端波束切換失敗，進而使得終端下線，通信被迫終止。引入通信容量負載判別機制，以Ri-R2>0(i=1，3，4，5)為判決條件，其中Ri為各波束可用通信容量，R2為當期波束需求容量，選取di/d2值最小且Ri-R2>0的波束為下一個切換對象，并向移動管理系統再次發出切換申請，完成波束切換操作。

圖8 終端剩余波束切換時間計算示意圖Fig.8 Calculationillustration of terminal remaining beam switching time

3)終端共型設計

共型終端作為地面系統的重要組成部分，是實現用戶通信的必要設備。目前衛星通信終端所配備的天線不支持GEO衛星和NGSO衛星共用，因此需要設計一款新型天線，同時支持兩類通信衛星的使用，并可實現兩類衛星之間的瞬時自由切換。

(1)全電掃相控陣天線：全電掃天線具有無機械轉動部件、波束全電控、平板結構和極低輪廓的優勢，支持GEO通信衛星和NGSO通信星座，并能實現兩類衛星之間的瞬時切換。本設計基于低成本互補金屬氧化物半導體(CMOS)芯片的高密度集成技術，采用瓦片式布局架構將天線單元與射頻CMOS芯片一體化設計，以多層印制電路極(PCB)為主體，頂層(TOP)和底層(BOTTOM)為高頻軟基板，中間層為硬介質基板。其中，中間層設計有電源網絡、控制網絡；TOP層設計有天線單元；PCB板BOTTOM層為射頻CMOS芯片和合成網絡；天線陣元與收/發(T/R)組件芯片之間以過孔垂直互聯。為獲得更好的軸比和方位面對稱性能，采取四元一組依次旋轉90°的二次圓極化技術。天線陣面以2×2為一組組成陣列，各單元排布成旋轉對稱結構。4個單元構成一組極化合成的所需極化基，饋電相位可控。常規布陣與二次圓極化布陣如圖9所示。

圖9 天線常規布陣與二次圓極化布陣對比圖Fig.9 Comparison between conventional array arrangement and quadratic circularly polarized array arrangement

根據不同的應用場景終端相控陣天線可設計不同的陣元數，實現幾兆到幾百兆的吞吐量，相控陣天線捕獲衛星信號后到實現精確跟蹤時間可低至十毫秒內，相較傳統天線降低了幾個數量級，并且在天線相對衛星的俯仰角低至20°時仍能實現穩健通信。

(2)波形動態可重構終端架構設計：采用波形動態可重構設計架構，自頂層向下開發，利用時分復用技術，在有限的可編程邏輯資源上實現終端所有通信波形的在線動態重構，見圖10。綜合射頻收發系統對波形進行差異化解耦合處理，將GEO波形、NGSO波形和5G波形分配到不同的解析通道，并經射頻單元分離后與通信中間件相連；通信中間件通過與總線接口適配器的配合使用，完成不同波形與系統總線之間的信息交互，打破不同波形的底層通信協議屏蔽機制，實現波形協議與硬件平臺之間的解綁定，完成多波形的平臺移植部署；平臺控制管理系統實現對波形動態可重構平臺的實時監控與調度管理，確保波形重構隊列的有序執行，避免競爭與擁塞的產生。

注：RF_Chain為射頻通道。圖10 波形可重構平臺架構Fig.10 Waveform reconfigurable platform architecture

為縮短波形動態重構時間，采用從與可編程邏輯器件相連的本地Flash存儲器件中直接提取波形運行文件的方式[9]，并對Flash扇區提前進行規劃部署(扇區容量、波形存儲區域、執行文件大小等)，以便快速、精確的提取到波形運行文件。

3 應用服務

GEO衛星和NGSO星座融合通信系統可廣泛應用于航空/航海網絡服務、寬帶接入服務、移動物聯網服務以及應急通信保障服務等領域。

(1)航空/航海網絡服務：實現國際航空/遠洋海運的全球無縫通信服務，有效解決漫游帶來的通信中斷及卡頓問題，確保航運/海運狀態的實時可知可控，提高運行的安全性及可靠性；同時提供高速率、大容量網絡接入服務，滿足娛樂通信需求。

(2)寬帶接入服務：無通信網絡覆蓋及網絡欠發達區域可利用NGSO星座實現語音等高時效性業務傳輸，同時對于視頻、數據等長時穩定傳輸業務，融合網絡自適應切換至GEO衛星傳輸，以獲取最佳的寬帶接入服務體驗。

(3)移動物聯網服務：與具備感知、信息采集功能的物聯網終端聯合使用，前期依靠GEO衛星進行通信傳輸，后期平滑過渡到NGSO星座，支持全球態勢感知及信息實時回傳，為“感知中國、感知世界”戰略提供有力支撐[10]。

(4)應急通信保障服務：NGSO衛星提供實時數據采集，第一時間掌握災害現場最新信息，GEO衛星提供長時、穩定、大容量數據傳輸，高效實現前后方通信暢通；同時兩者可互為備份，在無NGSO衛星覆蓋或GEO衛星無法使用時，系統自適應切換通信衛星，極大提升復雜環境下應急通信系統的可用度。

4 結束語

GEO衛星和NGSO星座融合應用是未來衛星通信發展的重要方向，是實現全球寬帶無縫通信的有效手段，是落實天地一體化融合發展的必經階段。本文在分析多軌道衛星通信系統融合面臨的技術問題基礎上，給出了GEO衛星和NGSO星座融合的設計架構，同時對實現過程中涉及的關鍵技術點進行分析研究，并結合業務需求對應用場景進行綜合論述，為GEO衛星和NGSO星座融合建設提供設計參考。