衛星互聯網若干關鍵技術研究

張更新，王運峰，丁曉進，洪濤，劉子威，張晨

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學衛星通信研究所，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學物聯網學院，江蘇 南京 210003）

1 引言

衛星互聯網是基于衛星通信的互聯網，它是利用人造地球衛星作為中繼站向各類陸海空天用戶提供寬帶互聯網接入等通信服務的新型網絡。國家發展和改革委員會在2020 年4 月20 日正式宣布將衛星互聯網與5G、物聯網、工業互聯網一起列入新型基礎設施建設范圍，這標志著我國衛星互聯網建設正式提上議程[1]。

早期提供衛星互聯網服務主要通過地球靜止軌道（GEO,geostationary earth orbit）衛星來實現，經過幾十年的發展，以新一代高通量衛星（HTS,high throughput satellite）為代表的GEO 衛星通信（GEO-HTS）系統仍是提供衛星互聯網的主力[2]。與此同時，以O3b 系統為代表的中地球軌道（MEO,medium earth orbit）衛星通信系統和以第二代銥星系統（Iridium NEXT）、一網系統（OneWeb）和星鏈系統（StarLink）等為代表的低地球軌道（LEO,low earth orbit）星座衛星通信系統在衛星互聯網領域正發揮越來越重要的作用，具有低時延、低成本、廣覆蓋、寬帶化等優點，代表著衛星通信的重要發展方向[3]。

GEO-HTS 系統的單星覆蓋范圍廣，少量衛星即可實現全球覆蓋。由于衛星數少且相對地面靜止，其組網和頻率協調相對容易，系統建設和維護成本較低，但同時存在傳輸時延大、傳播損耗高、不能覆蓋南北極區等不足。提供互聯網接入服務的代表性GEO 衛星通信系統包括早期面向企業級用戶的IPSTAR、Spaceway-3 等，以及后期快速發展的HTS，如美國Viasat 系列、EchoStar 17、EchoStar 19以及我國的中星16 號、亞太6D 等衛星。

O3b 星座系統是目前全球唯一一個成功投入商業運營的MEO 衛星通信系統。第一代O3b 星座有20 顆衛星在軌運營，可為亞非拉及中東地區提供互聯網寬帶接入。目前，已計劃發射第二代22 顆O3bmPOWER 衛星，組成42 顆衛星的中軌道衛星星座，這些新增衛星將會兼用傾斜和赤道軌道，把O3b 星座覆蓋范圍從目前的南北緯50°之間擴展到地球兩極，成為一個真正的全球通信系統。

OneWeb 系統是美國OneWeb 公司建設的寬帶LEO 衛星通信系統，于2020 年7 月被英國政府和印度Bharti公司聯合收購。根據其向FCC提出的申請，OneWeb 系統大致由三部分組成。第一部分由648 顆工作于Ku/Ka 頻段的LEO 衛星構成，分布在軌道高度為1 200 km、傾角為87.9°的18 個軌道面上，每個軌道面部署40 顆OneWeb 衛星，星座容量達到7 Tbit/s[4]。第二部分將添加1 280 顆V 頻段MEO衛星，分布在軌道高度為8 500 km、傾角為45°的中軌軌道上。2020 年5 月28 日，OneWeb 公司向FCC 提交申請再次增加近4.8 萬顆衛星。目前，OneWeb 在軌衛星數量已達110 顆。

StarLink 系統是美國太空探索（SpaceX）公司建設的一個低軌星座衛星通信系統，能提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。目前，SpaceX系統向ITU共申報了約4.2 萬顆衛星，截至2021 年2 月18 日，SpaceX 已經進行了21 批衛星的發射，總共發射了1 145 顆衛星，其中在軌1 082 顆（運行1 004 顆）衛星，再入燒毀63 顆衛星。

我國的低軌星座衛星通信系統建設也在進行中，具有代表性的有航天科技集團的“鴻雁”系統、航天科工集團的“虹云”和“行云”系統，以及中國電科主導的“天地一體化信息網絡”工程等。這幾個系統都是面向互聯網接入而設計的且都完成了首顆衛星的發射。

然而，大規模低軌互聯網星座的爆炸式發展也引發了頻率軌道資源的爭奪[5]，同時衛星互聯網本身的大時空尺度、業務分布不均勻性等特點又會引起空時頻資源利用的忙閑不均，造成資源浪費，這對網絡體系架構的設計帶來了嚴峻挑戰[6]。基于此，本文首先梳理了衛星互聯網的研究現狀以及體系架構的組成要素，分析了衛星互聯網場景下的寬帶和窄帶業務模型，以及由于采用星間頻譜共享而造成的同頻干擾問題；然后重點研究了適合低軌衛星的波束成形技術、適合高軌衛星的跳波束技術，分別提出了多星協作波束成形輔助的隨機接入算法和業務驅動跳波束算法，并對衛星互聯網未來的幾個主要技術發展方向進行了展望。

2 衛星互聯網體系架構

2.1 衛星互聯網一般組成

衛星互聯網一般由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1 所示。空間段是指提供信息中繼服務的衛星星座，少則一顆衛星，多則成千上萬顆衛星，這些衛星可以工作在GEO、MEO 或LEO 軌道，也可以同時包括2 種或2 種以上軌道類型的衛星，衛星之間可以有或沒有星間鏈路。用戶段是指供用戶使用的手持機、便攜站、機（船、車）載站等各種陸海空天通信終端。地面段一般包括衛星測控中心及相應的衛星測控網絡、系統控制中心及各類信關站（Gateway）等，其中衛星測控中心及相應的測控網絡負責保持、監視和管理衛星的軌道位置和姿態，控制衛星的星歷表等；系統控制中心負責處理用戶登記、身份確認、計費和其他的網絡管理功能等；信關站負責呼叫處理、交換及與地面通信網的接口等。其他通信系統是指地面互聯網、移動通信網或其他各種專用網絡，用戶信息通過衛星中繼，經饋電鏈路連接到地面信關站，然后接入地面通信網。不同地面通信網要求信關站具有不同的網關功能。

2.2 衛星互聯網的組網方式

衛星互聯網的組網方式與衛星工作模式有關。當衛星采用透明轉發工作模式時，用戶終端只能通過衛星一跳與信關站建立連接，再經信關站連接到地面互聯網。這種組網方式要求系統中設置非常多的信關站，各信關站可以獨立工作，沒有信關站覆蓋的地方，用戶終端無法接入互聯網，如圖2 所示。

當衛星采用處理轉發工作模式時，衛星具備星上處理和交換能力及星間通信能力。系統中不需要部署很多的信關站，用戶終端可通過多顆衛星的中繼建立與信關站的連接，從而訪問地面互聯網，組網方式如圖3 所示。

2.3 衛星互聯網的工作過程

用戶終端開機后首先進行注冊申請，注冊成功后，如果用戶有通信要求，就通過控制信道申請建立連接；如果連接申請被接受，系統就通過控制信道向用戶終端分配資源，包括使用的衛星和信關站標識碼、上下行點波束號、時隙、頻率或碼字信息等；收到資源分配命令后用戶終端即可建立連接；由于用戶和衛星都可能是移動的，通信過程中還需要進行星間或波束間切換；連接結束后，用戶終端釋放信道，系統收回分配的網絡資源。

2.4 高軌與低軌星座組網的對比

低軌星座與GEO-HTS 代表著利用衛星通信提供互聯網服務的2 種實現思路：低軌星座通過發射數百上千顆小衛星，形成一個大規模星座來實現全球范圍內的高容量；而GEO-HTS 則通過發射超大型衛星在一個區域內形成數百上千個點波束來實現高容量。表1 給出了代表性GEO-HTS 系統（美國ViaSat-3）和低軌星座系統（OneWeb 和StarLink）在工作頻率、頻譜效率、單星容量等方面的對比[7]。低軌衛星通常是小衛星，其波束數目和單星容量遠低于GEO-HTS，但由于GEO-HTS 系統通常只由一顆或有限的幾顆衛星組成，而低軌星座系統通常由大量的衛星組成，如 OneWeb 系統第一期包括648 顆衛星，StarLink 系統第一期則包括4 425 顆衛星，因此，低軌星座系統的總容量要比GEO-HTS系統高很多。

表1 不同衛星波束參數對比

相比GEO-HTS 系統，低軌星座系統在傳輸時延、路徑損耗、入軌成本方面有優勢。具體來說，GEO-HTS 系統往返時延約為480 ms，而低軌星座系統一般只需30 ms 左右，GEO-HTS 系統的路徑損耗約為210 dB，低軌星座系統只需180 dB 左右；另外，低軌衛星單位質量入軌成本大概只有GEO-HTS 的1/10～1/5。但是在衛星壽命、地面終端和容量利用效率等方面，低軌星座系統的性能就不如GEO-HTS 系統，GEO-HTS 系統的使用壽命一般為15 年，而低軌星座系統受大氣阻力等影響使用壽命為5～8 年；同時低軌衛星的地面終端必須使用自動跟蹤天線，制造成本高，并且地球表面70%以上為海洋和荒野等無人區域，低軌衛星全球覆蓋的特點造成系統容量利用效率較低，反觀GEO-HTS 系統，其可通過對覆蓋區域進行預先設計，容量利用效率較高。

2.5 基于SDN 的柔性體系架構設計

實現衛星通信系統與地面通信系統的融合是通信網的發展趨勢，基于此，本文借鑒地面5G/B5G網絡體系架構的設計思想，設計了一個天地融合的衛星互聯網柔性體系架構，如圖4 所示。按照衛星互聯網一般組成，該架構同樣包括空間段、用戶段和地面段3 個部分。與傳統體系架構不同的是，為實現天地融合，其用戶終端可以是一種多模態終端，支持多種空口波形，能夠根據可用鏈路自主選擇與各類衛星節點或地面基站進行通信。該融合架構中地面核心網利用SDN、NFV 技術實現控制面和數據面的分離、軟硬件解耦，完成融合網絡的資源調度和管理控制[8]。

數據面功能主要完成業務信息的傳輸和交換，并通過天地融合數據網關接入地面核心網。控制面功能主要負責網絡業務的實時控制，保障業務數據的高效交換，同時上報全網狀態信息至管理面并接收管理面的管理策略。考慮到空間段衛星節點需要負責用戶尋址、用戶接入控制、調度、管控方式等功能，將核心網的接入與移動性管理功能（AMF,access and mobility management function）和會話管理功能（SMF,session management function）這2 個功能節點延伸到衛星控制平面。管理面對衛星狀態、地面節點狀態、網絡狀態、路由、安全、業務、資源等方面進行管理，將管理指令下發至控制面和數據面。地面段管控設備和地面核心網通過天地融合控制網關進行命令交互。

在邏輯功能上對整體架構進行劃分，分為感知層、功能層和應用層，如圖5 所示。其中，感知層利用底層硬件資源，分析衛星互聯網的業務模型和干擾場景，所獲得的數據資源為上層各項功能的實現提供支撐。功能層作為整體系統架構的核心部分，對衛星互聯網系統進行管理與控制，主要完成資源調度、組網協議、干擾協調等功能。本文以衛星資源調度為例，提出針對低軌衛星的空時頻資源的高效利用技術和針對高軌衛星的跳波束技術。功能層所生成的資源調度策略都會提交到圖4 中的衛星控制器和地面控制器，由其進行天地融合網絡的具體資源分配操作。限于篇幅，SDN 架構設計[8]、資源控制器的優化部署[9]和資源管理[10]等方面未深入展開。應用層主要分為寬帶互聯業務和窄帶物聯業務，利用功能層相關決策的部署，滿足其網絡服務需求。

整個系統架構采用模塊化設計模式，通過“功能組件”的組合，構建滿足不同應用場景需求的專用邏輯網絡。在不改變底層物理設備的前提下，通過功能層下發控制指令指導底層設備支撐衛星互聯網不同業務，實現整體網絡的集中管理、資源按需分配和負載均衡。

3 衛星互聯網業務模型

衛星互聯網覆蓋范圍廣、終端數量多、QoS 差異大。對于低軌衛星通信系統，由于衛星的高動態，在一個軌道周期內星下點要在海洋與陸地、山區與平原、城市與農村之間進行多次轉換，衛星業務量表現出很強的突發性。研究衛星互聯網業務量的分布規律，對于天地融合衛星互聯網體系架構設計具有重要意義。下面，分別針對寬帶業務模型和窄帶業務模型進行建模研究。

3.1 寬帶業務模型

衛星互聯網寬帶業務主要是指人與人（H2H,human to human）之間通信產生的語音或數據業務，因此其業務模型主要取決于人口密度和時間這2 個因素，其原因在于：1) H2H 通信的業務分布與人口密度或GDP 呈顯著的正相關；2) H2H 業務的通信時段具有較強的周期性。由此，可從業務空間分布和時間變化2 個維度對衛星互聯網寬帶業務進行建模。

1) 業務空間分布建模

對波束覆蓋區域按照經緯度進行網格劃分，以我國為例，可對波束覆蓋范圍按經度每隔1.5°、緯度每隔1.25°劃分為559 個網格。業務量強度[11]計算式為

其中，ρ(i) 表示第i個網格的業務量強度，λi,j表示第i個網格中第j種業務平均達到率，Ti,j表示第i個網格中第j種業務平均服務時長，ni,j表示第i個網格內的第j種業務用戶數量。假設各省份內的用戶均勻分布，因此可以通過面積比計算每個網格內的用戶數量，具體計算式為

其中，Ni,j,k表示第i個網格所在省份k的第j種業務用戶數量，Ai,k表示省份k的第i個網格面積。各省份的用戶數量的計算式為

其中，GPM 表示區域經濟發展程度，Pr表示衛星服務的普及程度，Tp為衛星服務在通信業務中的市場占有率。以上參數可根據《中國統計年鑒-2019》[12]等獲得。

另一方面，單個網格面積計算式為

其中，la表示每個網格沿經度方向長度，lb表示每個網格沿緯度方向長度，θc表示每個網格中心緯度值，RE表示地球半徑。綜上，可求得各波束覆蓋范圍內的網格業務強度之和，并參考不同業務所需的帶寬、速率等，最終可得業務量的空間分布模型。

2) 時間變化模型

業務量不僅具有區域差異性，還存在隨時間的周期變化性。為分析業務量變化受時間因素的影響，描述其在一天之內的相對變化情況，文獻[13]提出了一個歸一化業務量時間加權因子，在一天之內（24 h），根據人們日常的活動規律，在不同的時間段，給業務量分配一個時間加權系數作為業務量的時間變化模型。

將時間加權因子與業務需求峰值加權，便可得到業務量時間變化模型，本文以一個GEO 衛星點波束為例，仿真其業務量隨時間變化的情況，如圖6所示。

3.2 窄帶業務模型

窄帶業務以物聯網業務作為典型代表進行分析。考慮物聯網業務時空二維分布不均，探索物聯網海量接入業務空時隨機變化的特征，初步設計了如圖7 所示的空時二維業務模型產生方法。空間維度模型從不同地理區域的終端部署密度出發獲得終端位置，用來刻畫終端空間維度隨機分布特征，具體步驟如下[14]。

1) 設Z(x,y) 為目標區域的物聯網終端部署密度，其中y和x通過相應的仿射變換對應于實際的地理經緯度坐標，計算歸一化的二維節點概率密度函數。

2) 計算X的邊緣累積概率分布函數。

3) 采用一維逆變化采樣方法，利用上述分布函數生成X軸上的一個隨機數，其中，U1表示一個服從均勻分布的隨機數。

4) 將Z(x,y)中的第x'行提取出來，記為，計算給定X'條件下Y的累積條件概率分布函數。

5) 類似地，獲得Y軸上的一個隨機數，將生成的x'和y'通過仿射變化轉換成實際的緯度坐標λ和經度坐標和，其中，λstart和φstart分別表示緯度和經度最小的參考坐標，λstep和φstep分別表示緯度和經度的劃分間隔。

物聯網業務主要分為周期驅動型和事件驅動型2 種業務，分別具有平穩和突發特性。對于周期驅動型業務，當節點數超過一定數量時，可認為在高終端密度下，異步同周期業務源疊加在時間維度可近似為泊松過程。對于事件驅動型業務，異步非同周期業務源聚合可根據業務種類及到達強度，將其分為多個異步同周期業務源疊加，得到具有不同強度的多個疊加泊松過程[15]。根據泊松過程的可加性，單個區域內的疊加業務強度可通過各類不同強度的疊加過程近似得到。此外，考慮事件驅動業務造成的突發流量具有激增或銳減特性，在時間維度可通過貝塔分布或中斷式泊松分布進行建模。

本文以一個采用walker 構型的低軌星座為例，分別用2 種業務量產生方法仿真星座中某一顆衛星的集總業務量隨時間變化的情況，如圖8 所示。從圖8 可以發現，單星集總業務量隨時間發生劇烈變化，具有顯著的高峰均比特征。

4 星間頻譜干擾分析

隨著非靜止軌道衛星星座的飛速發展，對于星地/星間頻率兼容性研究已從GEO 與NGSO 間拓展至NGSO 星座間。依靠衛星載荷與信號處理技術的發展，通信衛星平臺和地面站的特點都在發生變化，星上的有源數字相控陣將成為主要發展趨勢、信關站必將支持多星連續跟蹤、終端形態也將延伸至個人移動、車輛、艦船、飛行器等動中通終端和固定站點。同時，由于頻率軌位資源緊張，典型NGSO 系統間工作頻段存在重疊（如表2 所示），開展新的頻率兼容性分析勢在必行。

本節將簡要介紹同頻干擾場景、GEO 與NGSO星座間以及NGSO 星座間的頻率兼容性分析過程與結果。

4.1 同頻干擾場景分析

相較于GEO 衛星的干擾環境靜態、干擾呈現周期性等特點，低軌星座間的同頻干擾場景具有特殊性。根據表2 給出的代表性低軌星座系統用頻情況，在低軌星座系統用戶鏈路間、饋電鏈路間和用戶與饋電鏈路間均可能存在干擾，下面，著重梳理NGSO 星座間干擾場景，GEO 可看作其簡化形式。

表2 幾個代表性低軌星座系統用頻情況

1) 饋電鏈路間干擾。衛星與信關站工作于凝視方式，且波束連續跟蹤通信對端。同時，由于衛星星座規模大，信關站大多具備多幅收發天線，能夠同時服務可視范圍內的多顆NGSO 衛星。當不同系統的信關站距離較近時，各自星座內衛星的相對運動造成波束指向時變。因此，對饋電鏈路間干擾場景來說，信關站可看作一個波束指向時變的廣義多波束平臺，集總干擾復雜。

2) 用戶鏈路間干擾。NGSO 星座的用戶鏈路大多采用多點波束的方式實現服務區域的覆蓋，波束調度方式有固定指向型、凝視型和靈活指向型，實現復雜度逐漸增加。而用戶端可分為固定站點、動中通終端和移動通信終端等多種，其中固定站點和動中通終端能力較強，能夠提供指向性波束，可凝視通信衛星，而移動通信終端受體積等實際因素限制，大多以弱指向性天線作為收發天線。因此，用戶鏈路間干擾是最復雜的物理干擾場景，對于下行干擾，需要考慮不同衛星系統間頻段、多色復用、衛星下行多波束體制、動態性、地面終端類型等因素，而上行干擾需要考慮地面終端類型、分布、數量以及衛星的動態性，是典型的集總干擾場景。

3) 用戶鏈路與饋電鏈路間干擾。用戶鏈路與饋電鏈路間的干擾可以看作2 個多波束平臺間的干擾。其場景特點需要考慮衛星與地面間的相對運動，以及多波束的變化。這一場景可以看作用戶鏈路間干擾的一種簡化情況。

4.2 GEO 與NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節主要針對GEO 和典型NGSO 系統之間的干擾情況進行分析。以銥星系統（Iridium）上行鏈路為例[16]，其工作在L 頻段，主要提供窄帶移動業務。空間段由66 顆LEO 衛星組成，衛星分布在6 個軌道面上，每個軌道面上部署11 顆衛星，LEO 衛星軌道高度為780 km，軌道傾角為86.4°，當波束邊緣通信仰角為8°時，可實現對全球的無縫覆蓋。GEO 衛星系統由3 顆GEO 衛星組成，可實現對中低緯度地區的無縫覆蓋。

圖9 和圖10 分別為一天范圍內上行鏈路中GEO 和LEO 衛星接收到的信號質量變化情況。可以看到，由于頻率較低，波束較寬，受到干擾的影響很大。其中，由于GEO 衛星覆蓋范圍廣，GEO衛星接收到的信號質量下降了約30 dB，且一直遭受干擾；LEO 衛星也受到干擾的影響，除了南北極區，信號質量也下降了20 dB 左右。由此可以看出，LEO 由于全球覆蓋，且窄帶應用波束較寬，導致干擾在所有時間范圍內均存在，因此必須要采用多維聯合的干擾規避措施。

4.3 NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節以Starlink 對OneWeb 星座的下行用戶鏈路干擾為例[17]，分析NGSO 星座間頻率兼容性情況。OneWeb 用戶波束采用16 個高橢圓波束，覆蓋1 100 km2的正方形區域，Starlink 采用靈活波束，四色復用，建模為4 個同頻波束。同時，由于Starlink采用靈活波束，在對熱點地區進行仿真時，將靈活波束視為短時間內的凝視波束。波束示意如圖11所示。地面用戶考慮多個用戶，建模為均勻分布在119°E～120°E、29°N～30°N 內的40 個不同的用戶終端。星座參數按照真實系統參數設置。

載干噪比累積分布曲線如圖12 所示。從圖12可以進一步得到干擾發生的概率為99.8%，系統的可用時間百分比為73.3%。

對有效功率通量密度（EPFD,effective power flux density）超過限值的時間百分比進行統計，可以得到如圖13 所示的時間百分比曲線。

當EPFD 的限值設置為-162 dBW·(m2·4 kHz)-1時，對應的超過限值的時間占比為24%，要大于饋電鏈路間的干擾場景。

基于上述對用戶鏈路間指標的分析可以看到，未來NGSO 星座間同頻干擾十分嚴重，同時由于地面用戶分布的全球性和不確定性，無法通過空間隔離來減緩干擾，需要在星座申報階段進行更詳細的頻率兼容性分析，并在系統設計時考慮穩健的抗同頻干擾手段。

5 低軌衛星空間域資源高效利用技術

多輸入多輸出（MIMO,multiple input multiple output）系統是提升地面4G/5G 網絡容量的主要手段，但衛星信道是直射分量占主體的欠散射信道，并不能取得理想的分集增益，只能探索提升MIMO系統空間復用增益的方法。傳統衛星通信中的波束成形技術就提供了這樣的空間復用解決方案，但需要借鑒5G 網絡大規模MIMO 的設計理念來研究分別利用同一顆衛星的天線陣列（星內）和不同衛星天線間協作組陣（星間）進行波束成形設計，實現單星和多星覆蓋區域內空域資源的高效分割復用，從而實現波束間的負載均衡和系統容量提升，并解決傳統固定多點波束系統在多星覆蓋區內多址干擾嚴重、影響系統容量的問題。

5.1 面向負載均衡的單星多波束成形傳輸

針對單星多波束場景下多波束空間域資源的高效利用問題，本文根據不同區域地理特征，如海洋、沙漠、山區、平原等進行柵格劃分并采用機器學習的方法提取區域化的信道信息[18]。在單星多波束場景下研究星上多波束成形傳輸，通過控制波束的數量、指向以及成形將多波束覆蓋范圍內的激活用戶數盡量均勻地分配在不同的波束中，降低同一波束內終端的碰撞概率。

假設星載陣列天線產生 7 個波束Fi(φ,θ),i=1,2,…,7，覆蓋一定的地理面積，波束間的總交疊面積用SI表示，每個波束范圍內激活用戶的總業務量用Bi,i=1,2,…,7表示。某個時刻由于激活用戶數的增長，波束F1(φ,)θ區域內時頻資源緊張，而鄰近的波束（用Fi(φ,θ),i=2,…,7表示）中有n個波束由于用戶數量少，波束覆蓋范圍內時頻資源得不到充分的利用。本文采用星載陣列天線通過增加/減少子陣的方式來控制波束覆蓋范圍，設計加權向量的相位實現波束指向的控制，充分發揮星上多波束相控陣載荷波束數量可控制、波束指向可變、波束能成形的優勢均衡不同波束內業務量，如圖14 所示。

本文建立式(5)所示的優化問題來控制單星多波束成形設計

其中，m表示第m次波束參數控制，表示第i個波束調整波束大小需要的陣列口徑，D表示星載陣列天線總口徑上限約束，表示第i個波束的第m次調整波束指向，K(2n)表示包含nbit 數字式相位控制器的波束指向最小精度，mll 表示最高干擾門限。式(5)中目標函數表示均衡不同波束內的業務量；約束C1 表示多波束覆蓋地面總面積的約束，約束C2 表示多波束交疊區大小上限的約束，約束C3 表示覆蓋大小參數的調節不能超過星載陣列天線的分辨率（口徑約束），約束C4 表示星載陣列天線主瓣指向調整的最小精度約束，約束C5 表示調整波束參數后的波束旁瓣對于其他波束的干擾上限約束。在低軌衛星高動態下，對式(5)優化問題進行迭代求解以形成適合當前衛星覆蓋范圍內業務特征的多波束成形參數。

5.2 面向多址干擾抑制的多星協作波束成形設計

針對傳統衛星通信系統共視區內多址干擾嚴重問題，本文研究多星協作波束成形方法，將共視多星構造為稀疏分布陣列，挖掘星間聯合處理增益，抑制多址干擾，提升系統容量。多星空間域資源高效利用場景如圖15 所示。在多星多波束場景下，利用多星覆蓋的空間域資源，設計多星協作波束成形輔助的隨機接入（CBA,cooperative beamforming aided ALOHA）方案，方案包括前導碼檢測、數據分組競爭檢測、多星協作波束成形、協作串行干擾消除4 個步驟，能消除共視區內多址干擾，提高系統吞吐量。假設數據在一個接收窗口內到達衛星的概率服從參數為λ的泊松分布，假設每個數據分組的長度固定且其傳輸時間為T0，則系統歸一化負載可以表示為[19]

CBA 方案具體步驟如下。

步驟1前導碼檢測。信關站利用數據分組前導碼的相關性檢測多星接收信號中未發生碰撞的數據分組前導碼，并利用未發生碰撞的前導碼完成數據分組的時頻同步和信道估計功能，時頻同步確保參加協作處理的數據分組來自同一終端，信道估計為步驟3 中協作波束成形優化問題提供期望方向約束。

步驟2數據分組競爭檢測。對未發生碰撞前導碼所在數據分組進行循環冗余校驗（CRC,cyclic redundancy check），根據CRC 結果，可將競爭類型分為以下3 種情況：1) 所有協作接收機處的CRC結果均正確，即該數據分組未發生碰撞，則按照時間序列繼續捕獲下一個數據分組，并返回步驟1；2) 至少有一個接收機成功接收數據分組，其他協作接收機未成功接收，則根據傳統多星異步協同ALOHA（ACA,asynchronous cooperative ALOHA）方案[20]進行串行干擾消除解調數據分組，并返回步驟1；3) 所有接收機都未能成功接收數據分組，則根據步驟1 前導碼檢測的結果，進入步驟3。

步驟3多星協作波束成形。根據步驟1 中前導碼檢測結果，采用基于LCMV 準則的多星協作波束成形，波束成形器中約束前導碼未發生碰撞的期望數據分組功率，同時抑制干擾和噪聲，數學表達式為

其中，a(θ0)為前導碼未碰撞數據分組的導向矢量，為多星接收信號的協方差矩陣。對于式(7)，可以采用拉格朗日法求解最優加權

經過多星協作波束成形器后期望解調數據分組的信干噪比用γ表示，設信號成功接收的解調門限為，若，則成功接收數據分組，采用干擾消除的方法去除已正確解調數據分組，回到步驟1；若，則接收失敗。

步驟4協作串行干擾消除。如果步驟2 或步驟3 中有數據分組被成功解調，則采用多星協作的方式進行多星間的串行干擾消除方式解調數據分組。

吞吐量和數據分組丟失率是衡量隨機接入系統性能的重要指標，圖16 給出了CBA 方案、ACA方案[19]和CRDSA（contention resolution diversity slotted ALOHA）方案[20]的仿真性能對比。其中歸一化負載G如式(6)所示，系統吞吐量可以表示為，其中，PLR(G)表示在負載為G時的系統數據分組丟失率。

圖16 中，Rx 表示接收機個數，Rep 表示發送的數據分組副本個數。從圖16 可以看到，在相同條件下，CBA 方案相比于ACA 方案，在吞吐量性能上提升了約16%，具有更好的吞吐量和數據分組丟失率性能，能有效緩解ACA 方案在高負載條件下的“死鎖”問題，同時CBA 方案沒有引入額外的數據分組副本，在高負載場景下比CRDSA 方案具有更好的性能，更適合未來衛星互聯網場景。

6 高軌跳波束技術

針對HTS-GEO 系統，衛星互聯網業務分布的空間不均勻性和時變性會導致各波束頻繁出現“忙閑不均”的現象，不能滿足多樣化任務的隨需覆蓋和高效傳輸需求，造成通信資源的浪費。

與傳統的多波束衛星通信系統相比，跳波束技術能夠更好地滿足業務需求不均衡的應用場景，被認為是高通量衛星的關鍵技術[21]。為此，需要對跳波束技術進行研究，本文給出了一種業務驅動的跳波束資源分配算法。在資源受限的條件下，為了使系統吞吐量盡可能滿足用戶需求，建立如下資源分配的目標函數[22]

其中，ωi為各波位的權重，當各波位權重相同時，該目標函數為公平目標函數，當權重不同時，該目標函數為權重目標函數，本文采用公平目標函數來求解；M為總波束數；Ri為系統提供給波位i的容量；為波位i需求的容量；Ni為系統分配給波位i的時隙數；Nc為波束簇的數目；Tij為時隙分配矩陣的元素，取值為0 或1，當Tij=1 時，表示j時隙波位i被波束照射。對目標函數進行對數運算后該問題轉化為一個凸優化問題，該目標函數轉化后為

該凸優化問題可用拉格朗日函數求解，其中γi表示波位i的信噪比，可得時隙數目的分配結果為

算法性能驗證以資源受限的Ka波段GEO衛星通信系統下行鏈路為仿真場景，工作頻率為30 GHz，共M=21 個波束，平均分為3 個簇，每簇7 個波束。其他關鍵的仿真參數如表3 所示。

表3 仿真主要參數

圖17 給出了3 種資源分配算法的系統吞吐量仿真結果對比。其中，多波束均分算法是指均分信道帶寬等星上資源，非業務驅動跳波束算法是按照波位順序輪流訪問各波位，各波位駐留時間相同。業務驅動跳波束算法的服務時長由式(11)計算得到的時隙數目決定，同時引入了同頻復用距離來規避干擾。從圖17 中可以看出，業務驅動跳波束算法可以顯著提高系統的吞吐量性能，從仿真結果看，業務驅動跳波束算法相對傳統多波束均分算法能提升65.74%的吞吐量。

7 未來的研究展望

盡管對衛星互聯網的研究已經開展了很多年，但由于其大時空尺度、動態性強、拓撲結構復雜、業務種類繁多等特點，導致在體系架構、空域資源利用、組網協議和干擾協調等方面仍存在較大的挑戰。

7.1 天地一體化體系架構

未來的空天地一體化通信網絡，是以地面網絡為依托、以天基網絡為拓展的立體分層、融合協作的網絡，各星座衛星（包括高、中、低軌）和地面節點共同形成多重覆蓋[23]。這樣一個系統具有網絡異質異構、空間節點高度動態、拓撲結構時變、極大的時空尺度、空間節點資源受限和衛星廣播傳輸鏈路易受攻擊等特點，這些特點對網絡架構、星地融合通信體制以及星間組網協議等方面的設計提出了更高的要求。

7.2 空時頻分割復用技術

衛星互聯網業務具有空時二維不均及突發性強的特征，不同區域內終端數量和業務QoS 需求差異性大，導致業務繁忙區域網絡資源緊張，而業務空閑區域網絡資源又得不到充分利用。衛星信道是直射分量占主體的欠散射信道，采用地面5G 網絡中多天線收發的空時編碼技術并不能取得理想的分集增益，星地間長傳播時延導致難以獲得完美的實時信道信息，低軌衛星的在軌高速運動和終端的隨機移動又造成統計信道信息準確度低、生存周期短。傳統固定多點波束衛星通信系統跨波束資源調度能力弱，并且在多星覆蓋區內存在嚴重的多址干擾，不能滿足海量終端隨機接入對系統容量和資源調度能力的需求[24]。為此，需要基于信道與業務復雜隨機特征研究空時頻多域資源的分割復用，以進一步提升系統容量。

7.3 組網協議

TCP/IP 是地面互聯網采用的通信協議，但在空間數據傳輸領域則主要采用國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協議體系，而在深空通信及一些大時延應用領域采用的是延遲容忍網絡（DTN,delay tolerant network）協議體系。作為衛星互聯網，為便于與地面互聯網的融合，采用TCP/IP 可能是一種比較合適的選擇。但由于衛星網絡的特殊性，必須要解決TCP/IP 在鏈路大時延和頻繁通斷場景下的低效率工作問題。此外，路由協議也是一個需要重點關注的方面，它是決定星座網絡部署和傳輸性能的關鍵因素，與傳統衛星通信系統主要采用單層星座不同，目前在建的大規模星座主要采用多層星座或混合軌道星座，其網絡拓撲變化連續頻繁發生且無規律性，會造成數據傳輸過程中路由頻繁發生變化，進而帶來難以承受的重路由開銷。因此，需要研究高效、穩健的路由方法以應對持續、隨機、高動態性的拓撲變化以及業務流分布不均帶來的網絡擁塞和負載均衡問題。

7.4 干擾協調技術

由于頻譜資源嚴重不足，需要實現衛星通信系統與地面無線通信系統之間、衛星通信系統之間（如GEO 系統與LEO 系統、LEO 系統與LEO 系統）的頻譜共享問題。由于LEO 衛星的軌道運動，其干擾場景非常復雜，需要針對時變空變的干擾特性研究專門的頻譜共享與干擾協調技術。目前可用的實現方法主要有2 類，一是使用認知無線電技術，自動檢測周圍無線電環境，智能調整系統參數，在不對原有業務用戶造成干擾的前提下，從時間、空間、頻率等多維度利用空閑的頻譜資源；二是通過完善的數據庫進行動態頻譜共享，通過查詢數據庫來獲得一定區域內空閑頻譜的情況，從而使用相應頻譜資源。

8 結束語

本文重點針對衛星互聯網體系架構、業務特征建模、頻譜共享下的星間同頻干擾、低軌衛星波束成形和高軌衛星跳波束等內容展開了研究，研究結果表明，衛星互聯網業務具有明顯的空時分布不均特征，且未來NGSO 星座間同頻干擾十分嚴重，難以通過空間隔離來減緩干擾，需要從系統設計和頻率協調等方面開展工作以減緩干擾，基于業務分布進行空域資源高效利用，能夠提升系統吞吐量。最后對衛星互聯網未來可能的技術發展方向進行了探討，希望對相關人員的研究工作能夠有所幫助。