秦鵬飛 衣龍騰 周業(yè)軍 張程 董贊揚 戚凱強 曾令超
(1 中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 國家航天局衛(wèi)星通信系統(tǒng)創(chuàng)新中心,北京 100094)
高通量通信衛(wèi)星(High Throughput Satellite,HTS),也稱高吞吐量通信衛(wèi)星,相對于傳統(tǒng)寬波束廣域覆蓋的通信衛(wèi)星來說,HTS可提供比常規(guī)通信衛(wèi)星高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的容量,傳統(tǒng)通信衛(wèi)星容量不到10Gbit/s,HTS通信容量可達數(shù)百Gbit/s甚至Tbit/s量級。HTS通過采用多點波束和頻率復用技術、使用Ka、Q/V等高頻段、以及采用更大口徑天線等方式,提升系統(tǒng)容量[1]。大容量HTS的典型代表是美國衛(wèi)訊(Viasat)公司的Viasat-2衛(wèi)星,通過采用5m口徑天線和Ka頻段高通量載荷,單星容量達到300Gbit/s。2022年歐洲通信衛(wèi)星組織(Eutelsat)公司發(fā)射的甚高通量(Konnect-VHTS)衛(wèi)星采用Q/V頻段,容量達到了500Gbit/s;衛(wèi)訊公司的Viasat-3衛(wèi)星采用了比Viasat-2衛(wèi)星更大口徑的天線,單星設計容量達到1Tbit/s。隨著高通量衛(wèi)星系統(tǒng)容量的增加,面對覆蓋區(qū)內(nèi)用戶需求難以預測、用戶分布與需求時變的情況,在大容量的基礎上發(fā)展系統(tǒng)的靈活性成為運營商普遍追求的方向[2-3]。典型的靈活衛(wèi)星包括2021年10月歐洲衛(wèi)星(SES)公司發(fā)射的SES-17衛(wèi)星,搭載了五代數(shù)字透明處理器(Digital Transparent Processor,DTP),可實現(xiàn)近200個波束容量的靈活調(diào)整;2021年7月Eutelsat公司發(fā)射的量子衛(wèi)星(Quantum),搭載了全靈活的數(shù)字化載荷,實現(xiàn)波束覆蓋、容量、路由等靈活能力的在軌驗證。
隨著靈活載荷產(chǎn)品的發(fā)展與應用,如何調(diào)度星上資源滿足用戶通信需求使衛(wèi)星資源利用效率最大,同時盡量不影響已經(jīng)建立的通信連接是HTS面臨的一大挑戰(zhàn)。國外多家運營商和制造商開發(fā)了星地一體的資源管控產(chǎn)品,利用資源管控技術[4],將整星頻率、功率資源根據(jù)時間、區(qū)域動態(tài)調(diào)整,適應用戶動態(tài)的需求,實現(xiàn)衛(wèi)星資源的高效復用,充分發(fā)揮衛(wèi)星資源的價值。本文在系統(tǒng)梳理和研究國外相關研發(fā)成果與應用情況的基礎上,對HTS星地一體資源管控系統(tǒng)的需求、效果以及實現(xiàn)途徑、運營模式等進行客觀剖析,分析資源管控系統(tǒng)后續(xù)的發(fā)展趨勢,為后續(xù)國內(nèi)開展靈活高通量衛(wèi)星的論證和研制、以及國際競標提供技術參考。
根據(jù)任務類型和需求的不同,衛(wèi)星的靈活性設計主要包括靈活覆蓋、靈活功率、靈活頻率以及靈活的路由等[5]。圖1為通信衛(wèi)星資源分配的技術路線圖,傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星各波束資源平均分配或根據(jù)用戶需求在系統(tǒng)設計時進行預先分配,但衛(wèi)星上天后資源不做在軌調(diào)整,系統(tǒng)的靈活性較低。跳波束技術(Beam Hopping)通過星上開關或波束形成網(wǎng)絡實現(xiàn)一個波束在不同波位跳變,各波位按照時隙分配容量資源。波束資源池化技術(Beam Shining)代表了波束容量的靈活調(diào)整能力,利用DTP、靈活放大器實現(xiàn)波束功率帶寬、頻率、路由的靈活調(diào)整。波束控制技術(Beam Steering)在波束容量優(yōu)化的基礎上增加了波束覆蓋能力的靈活性,利用有源陣列天線和波束成形網(wǎng)絡(Beam Forming Network,BFN)實現(xiàn)波束位移、形變及數(shù)量調(diào)節(jié)。

圖1 通信衛(wèi)星資源分配技術路線圖
對于傳統(tǒng)衛(wèi)星來說,星上轉發(fā)器是固定的,星上資源不可調(diào)整,地面系統(tǒng)可以調(diào)整波束內(nèi)載波大小、時隙等資源。而對于搭載靈活載荷的衛(wèi)星,除了地面系統(tǒng)資源,衛(wèi)星的轉發(fā)器資源可以通過配置星上靈活載荷狀態(tài)來實現(xiàn),面向靈活高通量衛(wèi)星的星地一體資源管控系統(tǒng)具有用戶需求信息分析、資源分配和星地一體配置等功能,與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的地面控制系統(tǒng)配合共同完成高通量衛(wèi)星的資源管控。典型的資源管控系統(tǒng)架構分為地面資源管控系統(tǒng)和星載資源管控系統(tǒng)兩類[6]。對于地面資源管控系統(tǒng)架構,如圖2(a)所示,用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置和地面系統(tǒng)配置均在地面生成,與原有地面控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互,并完成地面系統(tǒng)的配置;載荷配置方案通過饋電鏈路傳到星上后由資源管控系統(tǒng)星上部分執(zhí)行對靈活載荷的配置。星載資源管控系統(tǒng)架構如圖2(b)所示,用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置、地面系統(tǒng)配置方案生成、載荷配置方案生成在星上完成,資源管控系統(tǒng)地面部分接收星上部分的地面系統(tǒng)配置方案并執(zhí)行。
兩種資源管控系統(tǒng)架構的對比如表1所示,地面資源管控系統(tǒng)架構的穩(wěn)定性和靈活性更高,系統(tǒng)開銷小,但傳輸時延較大;星載資源管控系統(tǒng)架構傳輸時延更小,但對星載計算處理能力要求較高。目前國外研究的資源管控系統(tǒng)以地面資源管控系統(tǒng)為主,星載資源管控系統(tǒng)作為未來發(fā)展的方向。

表1 兩種資源管控系統(tǒng)架構性能對比
近年來,隨著人工智能的飛速發(fā)展,通過人工智能算法建立高通量衛(wèi)星資源管控模型,快速準確地解決星地一體資源管控難題成為重要的發(fā)展方向。面向地面資源管控系統(tǒng)與星載資源管控系統(tǒng),國內(nèi)外分別開展了相關的人工智能算法研究,如表2所示[5,7-9]。

表2 資源管控算法發(fā)展現(xiàn)狀
地面資源管控系統(tǒng)架構中,通常采用在線學習算法(例如強化學習算法、深度強化學習算法等),地面資源管控系統(tǒng)根據(jù)返向鏈路接收到的每個時刻的容量需求變化,動態(tài)更新資源管控算法模型參數(shù),強化學習模型的重點是判斷執(zhí)行哪些資源調(diào)整會使獎勵最大化。在深度強化學習中,模型做出資源管控方案調(diào)整決策并評估決策的收益。如果該決策有益,資源管控系統(tǒng)就會自動學會在未來重復該決策,如果結果有害,資源管控系統(tǒng)就會避免再次做出同樣決策。通過與生物類似的條件學習過程,資源管控系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求情況做出最合適的決定,制定出收益最大化的長期決策。資源管控系統(tǒng)的目標不是最大化即時回報,而是累計回報。
星載資源管控系統(tǒng)架構中,星上通常采用離線監(jiān)督學習算法(例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、深度神經(jīng)網(wǎng)絡算法),在地面根據(jù)訓練數(shù)據(jù)庫進行模型訓練,并保存在地面,訓練好的模型發(fā)送到星上完成用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置等過程。因為模型是預先訓練好的,所以星上處理時只需要調(diào)用模型進行計算,處理延時較低,但模型對于訓練數(shù)據(jù)和所用模型有很大依賴性,需要配合流量預測進行模型參數(shù)的更新,當實際系統(tǒng)發(fā)生劇烈的變化需要重新訓練模型。
星地一體資源管控系統(tǒng)預期效果包括:①優(yōu)化衛(wèi)星容量,為最大數(shù)量的衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶提供最好的服務質(zhì)量;②在多衛(wèi)星環(huán)境下協(xié)調(diào)規(guī)劃和優(yōu)化地面和有效載荷資源; ③運營商收入最大化;④對實時的通信服務要求達到有效和快速的響應;⑤提供通信業(yè)務的實時監(jiān)控;⑥對故障進行預防和快速反應。
2018年,泰雷茲公司完成了歐洲航天局“先進通信載荷任務與資源優(yōu)化”項目,在這個項目中,泰雷茲公司提出了新一代任務控制中心(Mission Control Center,MCC)產(chǎn)品——空間運行站點(Space Operation Sites,Space OPS)[10]。Space OPS根據(jù)用戶請求信息,優(yōu)化載荷和地面系統(tǒng)的資源,為未來的靈活衛(wèi)星提供完整和優(yōu)化的解決方案,以簡化操作,并最大限度地提高靈活有效載荷的能力。Space OPS優(yōu)化的星地資源包括:衛(wèi)星接收/發(fā)射天線配置、轉發(fā)器鏈路增益、路由連接關系、放大器增益、地面設備(信關站、調(diào)制解調(diào)器)配置等。
MCC的主要功能包括載荷管理、業(yè)務需求分析、頻譜監(jiān)視等,擴展功能包括頻率干擾(威脅)管理、地理定位等。MCC與衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Center,SCC)開放接口,進行載荷配置方案的傳輸;與網(wǎng)絡管理系統(tǒng)(Network Management System,NMS)開放接口進行地面系統(tǒng)的配置,如圖3所示[10]。

圖3 任務控制中心主要功能
Space OPS產(chǎn)品是一個基于模塊化架構的綜合衛(wèi)星管理解決方案,資源管理與任務規(guī)劃的功能包括:任務規(guī)劃、有效載荷配置和監(jiān)視、頻譜及通信監(jiān)察、干擾/抗干擾管理、任務監(jiān)督、系統(tǒng)動態(tài)資源管理。Space OPS產(chǎn)品動態(tài)資源分配模塊可以支持民用業(yè)務和軍用業(yè)務的調(diào)度,對于兩種業(yè)務具有不同的鏈路優(yōu)化模型,同時對于星地鏈路傳輸數(shù)據(jù)量大的問題,采用高速鏈路專門傳輸星地配置方案。針對Q/V頻段饋電鏈路對天氣變化敏感的問題,通過信關站分集技術和Q/V頻段管理來提高饋線鏈路的可用性。Space OPS具備通用化的外部接口,方便與用戶的原有系統(tǒng)兼容,另外,Space OPS在系統(tǒng)段級別考慮網(wǎng)絡安全問題,支持特種用戶的通信安全。
西班牙GMV公司提出了基于智能載荷控制系統(tǒng)(Smart Payload Control System,Smart PCS)的資源管控系統(tǒng)方案,系統(tǒng)架構如圖4所示[11],該系統(tǒng)能夠連接衛(wèi)星運營商和載荷制造商的需求,與衛(wèi)星控制系統(tǒng)(Satellite Control System,SCS)和容量預算工具(Satellite Capacity Tool,SCT)集成,完成從用戶業(yè)務統(tǒng)計到靈活載荷配置方案生成的過程,并進行上行信令的發(fā)送和載荷監(jiān)測,實現(xiàn)基于靈活載荷的星地一體資源管控[11]。

圖4 智能載荷控制系統(tǒng)產(chǎn)品架構
GMV提出的資源管控系統(tǒng)包含用戶需求分析、資源管控方案生成、載荷配置及實時監(jiān)控3部分,其中,SCT負責根據(jù)終端請求信息進行用戶需求分析,優(yōu)化波束與信關站的映射關系、衛(wèi)星轉發(fā)器上下行的連接關系等,輸出可實現(xiàn)的上行/下行連接計劃以及每個信道/波束的路徑信息。
Smart PCS負責根據(jù)SCT的用戶需求分析結果,完成資源管控方案的生成,包括:
(1)上/下行鏈路覆蓋區(qū)域,根據(jù)用戶需求分布,對波束數(shù)量、波束寬度、波束中心位置進行優(yōu)化,輸出波束覆蓋的信息,對于靈活的有效載荷,上行與下行鏈路的覆蓋范圍可以分開設計;
(2)上/下行波束容量資源,根據(jù)波束覆蓋范圍與用戶需求分析結果,計算各波束功率與帶寬分配結果;
(3)干擾分析,根據(jù)波束覆蓋情況與容量資源分配結果,評估波束的系統(tǒng)內(nèi)干擾情況并反饋迭代波束容量資源分配方案;
(4)地面站資源,計算輸出地面系統(tǒng)的配置方案,包含符號速率、發(fā)射功率等。
SCS負責根據(jù)PCS設計的方案生成載荷配置并根據(jù)指示的時間表執(zhí)行有效載荷重新配置。在有效載荷配置生成方案發(fā)送到衛(wèi)星前,有必要驗證有效載荷配置的可行性。在定義配置方案時不僅考慮初始配置和可實現(xiàn)配置之間的增量生成,而且還要考慮幾個約束條件。默認情況下會考慮幾個標準,比如最小化命令的數(shù)量(最常見的一個),最小化所有波束/通道的總停機時間,或者最小化最高優(yōu)先級的通道/波束的停機時間。
GMV公司的解決方案支持高通量通信衛(wèi)星有效載荷的操作和重新配置管理,與相關的外部系統(tǒng)集成,從接收來自SCT的有效載荷重新配置請求到與SCS協(xié)調(diào)執(zhí)行重新配置,從而提供端到端的操作自動化能力。借助此工具,有效載荷工程師將能夠更高效、更可靠地執(zhí)行有效載荷重新配置,特別是復雜的靈活有效載荷。
SES公司在2018年發(fā)射的SES-12和SES-14衛(wèi)星上驗證了DTP資源分配系統(tǒng),將開源軟件架構SPELL擴展至DTP運營,并嵌入由航天器制造商提供的DTP運營所需的專用有效載荷控制軟件(Payload Control Software,PCS)中[12]。以此為基礎,SES公司聯(lián)合Kythera空間解決方案公司(Kythera Space Solutions)為SES-17衛(wèi)星開發(fā)了自適應資源分配系統(tǒng)。
SES公司的DTP資源分配系統(tǒng)采用地面資源管控系統(tǒng)架構,DTP有一個低級的命令接口,這些命令定義了每個ASIC的配置,產(chǎn)生新的路由通道。PCS的主接口通過TCP/IP發(fā)送命令,生成了一個GUI,該GUI使用相同的界面作為測試界面,模擬地面站軟件,并為運營商提供DTP狀態(tài)的完整視圖。
最終的DTP資源分配系統(tǒng)如圖5所示[12],藍色部分表示傳統(tǒng)衛(wèi)星的遙測遙控功能,紅色部分表示DTP資源分配系統(tǒng)的功能。DTP資源分配與傳統(tǒng)遙測遙控系統(tǒng)兼容,接收衛(wèi)星和DTP下傳的遙測參數(shù),并生成DTP配置方案通過遙控鏈路(或高速鏈路)發(fā)送到星上,完成星地一體的資源分配過程。
衛(wèi)訊公司面向未來高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng),提出了支持更靈活的覆蓋區(qū)域和空間容量分配的資源管控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括:終端、信關站、資源管控系統(tǒng)、用于定義每個幀的時隙分配、通過跳波束技術實現(xiàn)系統(tǒng)前、返向容量分配等功能[13]。
資源管控系統(tǒng)架構示意圖如圖6所示,地面部分根據(jù)用戶需求進行時隙的劃分和BFN配置參數(shù)的生成與上傳,星上部分為一個獨立單機,名為權重處理器(Beam Weight Processor,BWP),負責接收所有波束和所有時隙的波束權重并按照時間表執(zhí)行權重配置方案,包括波束權值、駐留時間、路徑增益等信息,另外,BWP向地面反饋執(zhí)行情況。在實際使用過程中,波束跳變的時隙非常短,通常為毫秒量級,傳輸權值系數(shù)矩陣可能會造成時延過大的問題,衛(wèi)訊公司采用預先計算幾十個權重集的方法,并將其上傳到衛(wèi)星的BWP中。通過地面上的一個簡單命令,指示在什么時間使用哪個權重設置,這些權重設置可以隨時切換到操作狀態(tài)。這允許在不需要上傳大量信息到BWP的情況下切換權重集。

圖6 衛(wèi)訊公司的資源管控系統(tǒng)架構
在傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星系統(tǒng)中,前向鏈路和返向鏈路是兩個獨立的傳輸系統(tǒng),兩個傳輸系統(tǒng)之間的容量分配是固定的。衛(wèi)訊公司提出的基于數(shù)字BFN的有效載荷架構可以支持前、返向容量任意配比,這是因為饋電鏈路上行的信號與用戶側上行的信號進入同一臺數(shù)字BFN,通過波束賦形可實現(xiàn)用戶波束數(shù)量與饋電波束數(shù)量的調(diào)整,饋電下行和用戶下行的波束同理。通過資源管控系統(tǒng)對波束、時隙、信關站、路徑信息的優(yōu)化更新有效載荷的權值系數(shù),靈活地將信關站映射到用戶波束,實現(xiàn)每個時隙前返向容量的優(yōu)化調(diào)整。
工程試驗衛(wèi)星-9(Engineering Test Satellite-9,ETS-9)的有效載荷分為兩部分,一部分是靈活波束載荷,指HTS的波束位置與形狀可根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整,對應的靈活載荷為數(shù)字BFN;另一部分為固定波束載荷,指HTS的波束帶寬與頻率計劃可根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整,對應的靈活載荷為DTP。ETS-9衛(wèi)星的資源管控系統(tǒng)如圖7所示[14],地面系統(tǒng)的網(wǎng)絡運行中心(Network Operation Center,NOC)中包含了“運行調(diào)度”和“衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制”模塊,“運行調(diào)度”模塊考慮通信業(yè)務量和天氣變化,計劃上行/下行波束參數(shù)(包括靈活波束的激勵系數(shù))和上行/下行波束與波束之間的路由關系。“衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制”模塊生成地面系統(tǒng)與載荷的資源分配方案。衛(wèi)星運行中心(Satellite Operation Center,SOC)根據(jù)NOC的方案,生成關于通信任務有效載荷配置的指令,并將其發(fā)送到衛(wèi)星上。SOC還接收關于通信任務有效載荷狀態(tài)的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù),并在合適的情況下告知NOC。在“任務(固定/靈活)SOC”中,定義了各種衛(wèi)星運行程序(Satellite Operation Program,SOP),以實現(xiàn)運行調(diào)度的頻繁變化。SOP是衛(wèi)星指令的宏觀指令。通過選擇、調(diào)度和設置每個SOP的參數(shù),可以很方便地創(chuàng)建于所需任務運行相對應的命令程序。
隨著HTS有效載荷越來越復雜,波束數(shù)量越來越多,國外各衛(wèi)星運營商和制造商均意識到,必須有一些工具來幫助運營商使用他們的新的載荷。高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)能夠支持靈活有效載荷的操作和重新配置管理,它與相關的外部系統(tǒng)集成,包括NMS、NOC、SOC等地面控制系統(tǒng)。借助資源管控系統(tǒng),運營商能夠更好的使用衛(wèi)星資源,提升資源利用率。根據(jù)國外發(fā)展情況的調(diào)研,總結資源管控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下。
1)資源管控系統(tǒng)成為靈活高通量衛(wèi)星的標配
隨著靈活放大器、DTP、多波束有源陣列天線等靈活載荷技術越來越多地被采用,HTS的覆蓋區(qū)域、頻率、轉發(fā)器帶寬、放大器功率資源等都不再是固定的,而是形成可按需調(diào)配的“資源池”。資源管控系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌利用星上資源的能力,支持運營商開展更加多樣化的業(yè)務,能夠針對不同區(qū)域/用戶的需求提供更加定制化的服務,成為未來靈活高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的標配。
2)星地一體發(fā)展是資源管控系統(tǒng)的重要趨勢
資源管控系統(tǒng)管理的資源包括星上靈活載荷、地面信關站、終端等設備的配置,是系統(tǒng)級的關鍵技術。從國外發(fā)展情況來看,資源管控系統(tǒng)的通用功能包括:業(yè)務需求分析、任務規(guī)劃、資源分配解決方案、載荷配置與監(jiān)視、干擾分析等。目前,大多數(shù)的資源管控系統(tǒng)均采用地面資源管控系統(tǒng)架構,地面部分與地面系統(tǒng)交互,根據(jù)用戶需求生成地面信關站、終端、星上有效載荷的配置指令,星上部分開放指令接口,接收地面指令完成對有效載荷的配置。SES公司、Viasat公司等也提到,當星上存儲、計算的硬件能力不斷提升,資源管控地面部分的一些功能會移植到星上,采用星載資源管控系統(tǒng)架構來減少星地傳輸?shù)臅r延。
3)資源管控系統(tǒng)面向移動終端及特種用戶的資源分配成為新興發(fā)展方向
機載、船載等典型的高通量衛(wèi)星應用對衛(wèi)星容量隨時間、區(qū)域不同具有較大差異。這就需要實時的星地一體資源管控技術來滿足容量的實時、動態(tài)調(diào)配,以降低單位帶寬的成本,并保障用戶的通信質(zhì)量。對于軍事應用、政府企業(yè)類應用,如果客戶需要在任意覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)點對點連接、實現(xiàn)自組專用網(wǎng),且業(yè)務對安全性、可用度有較高要求的話,開放式架構的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的推出,將成為更加合理的選擇。
4)人工智能技術在資源管控系統(tǒng)中的應用越來越廣泛
對于衛(wèi)星運營商來說,星地一體資源管控系統(tǒng)具備對需求變化快速的響應能力、對服務應用快速的適應升級,越來越成為運營商之間角力的關鍵所在。隨著人工智能技術的發(fā)展,國外研究機構和運營商已開展基于人工智能的資源管控算法研究,分別適用于地面資源管控系統(tǒng)與星載資源管控系統(tǒng)架構。通過海量數(shù)據(jù)進行人工智能模型訓練,面向動態(tài)需求實現(xiàn)一段時間系統(tǒng)收益最大等目標,開展高通量衛(wèi)星系統(tǒng)功率、帶寬、波束寬度、頻率、時隙等多維資源的快速聯(lián)合優(yōu)化,提升系統(tǒng)使用效能與用戶服務滿足率。面向后續(xù)多系統(tǒng)多類型資源,人工智能技術將發(fā)揮更重要的作用。
本文對高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)的需求與發(fā)展進行了介紹,從地面資源管控系統(tǒng)和星載資源管控系統(tǒng)兩方面進行分類和總結,為后續(xù)國內(nèi)開展高通量衛(wèi)星資源管控技術的研究提供了技術支撐。同時,通過對國外高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)最新研究進展的分析研判,資源管控系統(tǒng)是高通量衛(wèi)星必不可少的組成部分;面向航空、航海等移動終端及特種用戶等新興市場,資源管控系統(tǒng)能夠提升系統(tǒng)資源利用率,是高通量衛(wèi)星不斷拓展應用場景的關鍵點;隨著星上處理能力與存儲能力的提升,星載資源管控系統(tǒng)架構也成為有潛力的發(fā)展方向而受到運營商的關注;同時,基于人工智能算法的資源管控系統(tǒng)成為后續(xù)發(fā)展的重要方向。