針對GEO衛星寬帶網絡管控的波束跳變策略

鄒永慶，章仁飛，張正宇，胡樹楷，姚艷軍，賀 超

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天地一體化信息網絡可以為陸、海、空、天各類用戶提供網絡接入與數據傳輸服務[1-4]，其服務區域跨度大，區域內需要規劃的波位數目多[5-7]，因此需要為其設計單獨的管控鏈路。若同時為各區域內用戶提供服務，則需要大量的管控波束通道，對星上處理能力、資源需求等提出了較高的要求[8-10]，因此可以考慮以相控陣跳波束的方式來承載網絡中控制類信息的有效傳輸，完成高效的網絡管理與控制，以控制與業務分離的形式完成相應的業務工作流程[11-14]。本文針對GEO衛星寬帶網管控的特點，研究波束跳變策略。考慮到各類用戶的時間和空間分布存在不均勻性，以及管控需要服務的用戶運動軌跡變化規律等，需要研究波束分簇和構形策略，使得分簇尺寸與分簇構型均可根據業務分布靈活調整，簇間資源根據業務需求按需分配流動。GEO衛星寬帶網絡管控波束前返向存在波位和波束不均衡問題，為保證用戶高效接入，通過利用前向波束引導終端用戶接入，根據用戶分布及需求實現前返向波束的靈活配合，因此需要研究跳波束時間分片機制，確定波束和資源調度的時間間隔、跳變周期等關鍵參數；此外，需要研究波束跳變策略，設計波束跳變圖案，實現管控功能的按需覆蓋和系統資源的高效利用。

本文討論了面向業務需求的波束分簇構形策略與面向資源全局調度的跳波束時間分片機制，介紹了面向資源高效利用的波束跳變策略，對GEO衛星寬帶網絡波束跳變策略進行總結和展望。

1 波束分簇構型策略

1.1 跳波束系統模型

在跳波束衛星系統中，每個波束覆蓋范圍內的業務需求各不相同。為獲得靈活可變的系統容量，使用“時分+空分”的方法對衛星時頻和功率資源等進行調度，將覆蓋區域分簇管理，在空間上分成互相獨立分離的簇；再根據業務的需求不同，對各簇內覆蓋范圍劃分成子區域，每一個子區域為一個波位，其模型如圖1所示。

圖1 覆蓋分簇模型Fig.1 Coverage clustering model

對于簇內波位，每個時隙讓一個波位被點亮，在該時隙內，被點亮的波位可以使用分給該簇上的全部星上資源。

1.2 簇間帶寬功率資源靈活分配方法

根據頻率復用方式的不同，跳波束系統可以分為全頻率復用和部分頻率復用。全頻率復用是指每個簇內能夠使用的頻率資源是星上轉發器的全部帶寬，簇間波束通過空間隔離來實現復用，如圖2所示。在每個跳波束時間窗口周期內，同時工作的跳波束簇通過空間隔離避免同頻干擾，達到全頻率復用的目標。

圖2 簇間全頻率復用Fig.2 Inter-cluster full-frequency multiplexing

部分頻率復用方案是指每個簇使用所有星上轉發器帶寬的一部分，同時工作的跳波束簇不需要空間隔離；另一方面可通過極化復用，提高系統頻譜利用效率。如圖3所示，系統等效頻譜復用因子為3，假設系統總可用頻帶為B，則分配給每個簇的頻帶B/3，在提高頻譜資源利用率的同時，最大限度避免簇間波束的同頻干擾。

圖3 簇間部分頻率復用Fig.3 Inter-cluster partial-frequency multiplexing

由于全頻率復用實現簡單、資源利用率高，且可以通過空間分離的方式避免簇間的同頻干擾，所以當前跳波束系統中通常采用全頻率復用的方式，以充分發揮跳波束系統的優勢。

除確定頻率復用方式外，還需要確定功率的使用方式。在現有的跳波束衛星系統設計中，出于簡化系統考慮，通常采用簇間均勻功率分配方法，也就是說每個簇分配的功率都是一致且不可調的。但是由于GEO衛星寬帶網絡管控波束服務區域范圍非常廣，不同的波束覆蓋區域信道條件可能會產生較大的差距。因此需要結合具體的分簇結果，設計對應的簇間靈活功率分配方法，來提高星上的功率利用效率。

基于以上考慮，本文采取鄰近波束分簇方法，即同一個簇內的波束在空間上基本都在一個比較集中的地區，可以近似認為信道特性是相近的。綜合考慮波束分簇、信道特性及鏈路預算等因素，提出一種基于頻譜效率的簇間功率分配構想，通過最優化設計，實現簇間功率的靈活分配。

采用全頻帶復用的方式，每個簇內可用帶寬是星上整個帶寬資源，用Bt表示。若星上總功率為Pt,由于采用的是均勻分簇方式，所以簇間功率通常是平均分配給各個簇，也就是說，若系統總的分簇數目為Nc，則每個簇的可用功率資源為Pt/Nc。因此可以選取未滿足系統容量作為優化目標函數，若第i個分簇內所有波束的業務需求量為Rci，每個簇內所分配得到的總容量為CT，建立以下分簇優化模型：

s.t.1≤Nc≤Ntot，

(1)

式中，Ntot=NcMb為系統總的波束數目，Mb為簇內的波位數量。

最優化f(Pi)

式中，f(pi)是要優化的目標函數。

簇間功率分配算法流程如下所示：

① 計算所有閾值功率值；

② 根據式(2a)獲取每個簇間的可用功率值；

③ 設置f(Pi)的初始值fintal和組合索引Pindex=0；

則fintal=fj;Pindex=j;

⑦ 輸出fintal和Pindex，根據Pindex查找最佳的簇間功率分配組合。

圖4為分簇優化前后的系統性能對比圖，縱坐標為業務未滿意量(各簇的實際鏈路容量與所需業務容量的差值)，說明所提出的分簇策略能夠隨業務需求動態調整，一定程度上解決了管控業務分布的空間不均性。

圖4 分簇優化對比圖Fig.4 Comparison result of clustering optimization

2 跳波束時間分片機制

2.1 跳波束時間分片和波束駐留

建立高效的時間分片結構、明確關鍵參數的定義是跳波束系統中需要解決的另一大問題。根據全局資源高效調度的目標，本文提出一系列的時間分片機制，通過分層多目標優化明確其關鍵參數。

圖5為波束跳變周期和波束駐留時間工作機制示意圖，具體參數如下：

圖5 波束跳變周期和波束駐留時間工作機制Fig.5 Beam-hopping period and beam-dwelling time work mechanism

① 跳波束時隙(Beam Hopping Slot，BHS)：BHS為波束駐留時間，是指分配給一個波束的最小持續時間。可根據QoS和容量需求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(Beam Hop Period，BHP)：完成一次遍歷所分配的BHS序列所需的時間。各波束所處的簇集合由動態分簇策略得到，分配的各波束BHS個數和跳波束周期中的順序，由波束跳變策略得到。

③ 時隙切換時間(Slot Switch,SS)：為保護時間，其物理意義為一個波束切換到另一個波束所需的時間延遲，一般是微秒量級。切換可以在一個或多個BHS(一個波束可能有多個BHS)之后進行。

④ 波束重訪時間：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。所以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(Hop Number，HN)：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(Beam Hopping Time Plan，BHTP)：資源動態分配的時間分片傳輸計劃，包括BHS、BHP、RVT、各波束分配的HN序號和帶寬、載波頻率等參數。BHTP需要考慮用戶申請、業務感知及系統資源等綜合因素，由網控中心提前生成，并發送給衛星和地面系統。

2.2 跳波束周期和波束駐留時間優化設計

波束跳變周期中Tw代表系統資源全局調度的周期，波束駐留時間中Td確定了資源調度的最小單位，設置合理的波束跳變周期Tw和波束駐留時間Td是高效使用系統資源的基礎。

Tw越大，能夠支持的波束數越多，但是帶來的是時延的增加；Td越小，系統資源分配越靈活，但由于每個波束駐留時間都要有同步捕獲時間，Td越小將會造成資源利用效率的降低。綜合考慮以上因素，可利用多目標優化的方法來對波束跳變周期Tw和波束駐留時間Td進行聯合優化，在盡可能滿足系統業務需求的同時，實現全局資源的高效調度。

多目標數學優化模型如式(3)所示：

(3)

目標函數中τi為第i個波束的通信時延間隔，Cj為第j個波束分配的系統容量，2個目標函數分別表示簇內波束的最大通信時延間隔以及分配得到的總吞吐量。約束條件中，Mb為簇內的波束數目，TD為系統同步的最大保持時間，Ts為波束同步捕獲時間。針對以上的多目標優化問題，可利用最優化、整數規劃及神經網絡等優化方法，來確定最終的波束跳變周期Tw和波束駐留時間Td。

3 波束跳變準則

根據業務需求得到跳波束周期內各波束分配的跳波束時隙BHS個數后，更重要的是確定簇內波束跳變圖案設計，該問題可等價轉換為：跳波束周期BHP內各波束的跳波束時隙BHS的排序問題。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，可分為熱點區域波束和非熱點區域波束。各波束的跳變策略和工作流程要遵循如下準則：

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，使得波束重訪時間TRV和終端用戶同步的最大保持時間TD之間，滿足TRV≤TD。

上述波束跳變策略原理如圖7所示。

圖7 波束跳變策略原理圖Fig.7 Beam-hopping strategy schematic diagram

圖8為各波束信道條件相同時的仿真結果，圖9為信道條件不同時的仿真結果(40號波束的信道衰減較大，45號波束的信道衰減較小)。

圖8 信道條件相同Fig.8 Same channel condition

圖9 信道條件不同Fig.9 Different channel condition

在相同信道條件下，當系統波束業務請求較小，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，為低、高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。因此必須根據實際系統參數和容量需求來選擇具體的優化原則。

4 結束語

針對天基GEO衛星寬帶網絡中波束跳變策略進行了相關研究。GEO衛星寬帶網絡可采用跳波束策略實現用戶控制類信息的傳輸，跳波束的應用改變了傳統的信令接入方式。本文針對這一需求，在分析跳波束資源池化與信令接入需求的基礎上，面向GEO衛星寬帶網絡隨遇接入的需求，改變傳統多波束衛星系統碎片化的資源配置方式，充分發揮了跳波束按需覆蓋、靈活分簇的技術特點，研究了波束分簇和構形策略，使得分簇的尺寸與分簇構型均可根據業務分布靈活調整，簇間資源根據業務需求按需分配流動；提出了跳波束時間分片機制，分析了波束和資源調度的時間間隔、跳變周期等關鍵參數確定方法。此外，針對波束跳變策略，設計了波束跳變圖案，實現管控功能的按需覆蓋和系統資源的高效利用。上述跳波束工作機理和跳變策略的研究，實現了系統資源的全局調度和按需、靈活、高效的利用，最終提高天基GEO衛星寬帶網絡的管控能力和服務響應能力。