卫星移动通信中波束切换模型和方法研究

胡俊祥，贺翔，唐劲夫

（广州海格通信集团股份有限公司，广州510663)

0 引言

（1）研究背景

随着“一带一路”国家战略的推进，中国军队、政府、企业等都期待“一带一路”沿途能有覆盖陆地、海洋甚至是空中的宽带通信。卫星通信以覆盖范围广、链路稳定、通信带宽大为特点，目前是一种较理想的解决方案。但单颗卫星的覆盖范围也无法实现完整覆盖，而且通信容量也无法支撑日渐庞大的通信需求，因此我们需要将不同区域上空的卫星联合起来，共同为用户提供便捷的宽带接入服务。这些卫星在地面上形成了部分重叠的通信波束，移动载体必然面临跨越波束的问题。

以多波束为关键技术的高通量卫星技术正逐步成熟，单一卫星就能产生几十个的通信波束，波束间采用频率复用技术来提升通信容量，在这些波束间移动也将面临同样的问题。

当卫星地球站离开自己的波束进入另一个卫星的波束时即发生了波束切换，由新的服务提供商来提供服务，这和手机出国漫游非常类似。

（2）国内外研究现状

国外已有成熟的卫星波束切换解决方案，目前几个洲际卫星网络也由国外运营，包括大家熟知的Im⁃marsat、Intelsat、Eutelsat等。其采用的卫星通信主要包括摩托罗拉、iDirect、Hughs、Gilat、ViaSat等厂家的产品，个别系统已经做到全球漫游。

图1 跨波束切换模型

国内卫星通信起步较晚，目前固定业务（主要是电视广播）仍然是主流，移动业务近年来也在逐步增长，但大部分移动应用仍集中在一个较大的波束内，无需考虑波束切换的问题。随着我国第一颗高通量卫星的投入使用和国家海外政策的引导，越来越多的国内科研单位和院校投入到卫星波束切换的研究中。

1.3 研究内容

目前主流的宽带卫星通信系统设计都是遵循IPoS（TIA-1008）标准[1]，见图2所示。地面设备主要由信关站、网管中心、后端系统和远端站组成，卫星抽象成各种频段的转发器。和波束切换紧密相关的包括切换模型、切换管理等方面，下面围绕这三方面展开论述。

图2 卫星系统典型架构

2 切换模型

2.1 卫星网络拓扑

图3 典型卫星网络拓扑

常见的卫星通信网络大多为星状结构或星网混合状结构，每一个远端站（固定站或移动站）均处于某一个卫星广播分发网络中（后面简称卫星网络），由一个信关站进行管理，所有星地数据交互均由信关站完成，这类网络又称为VSAT（甚小口径天线终端）网络。一个卫星网络定义为信关站和一组远端站之间的交互链路，远端站的多址方式包括FDMA、TDMA、ALOHA、CD⁃MA等等。星状网和网状网区别在于远端站之间是否存在单跳卫星链路。卫星链路的设计，决定了卫星网络的主要拓扑结构，卫星网络常见的拓扑关系如下图所示，主要包含了宽波束拓扑和多波束拓扑两种类型。独立的卫星网络包括以下几个层级。至上而下最上面一层是卫星，这里的卫星指的是卫星某个通信频段的一个或多个透明转发器。第二层是该卫星的信关站，信关站主要完成远端站管理、地面网络接入、卫星资源分配等。第三层是信关站所管理的波束，信关站工作在多波束卫星不同的波束中，互相通过地面网络连接。第四层是波束内的卫星网络，一个波束内可以建立多个通信链路，这些相互关联的通信链路便组成一个卫星网络。最后一层是卫星网络中的各种类型的远端站，包括固定站和移动站两类。“卫星>信关站>波束>网络>远端站”的归属关系对于固定卫星业务（FSS）来说是一直不变的，但对于移动卫星业务（MSS）来说归属关系就会随时移动站的物理位置变化而变化。

2.2 波束切换场景

通过对站点移动行为的分析，我们归纳波束切换有三种典型场景。由于卫星设计，信关站一般会管理若干个不同覆盖的波束，从信关站中的一个波束跨越到另一个波束，我们称为一类切换；二是从一个信关站管理的波束跨越到另一个信关站管理的波束但仍使用同一颗卫星，称为二类切换；三是超出了某一卫星所有波束的服务范围，需要另一颗卫星提供服务，称为三类切换。切换模型如图4所示。

图4 切换模型

由于信关站管理的波束一般是成片区分布的，通过切换发生的层级，我们看出一类切换最为常见，三类切换发生概率则较低。对于一类切换，只需要在信关站内部进行资源重新分配就可以实现切换。对于二类切换，则需要信关站之间进行交互，移动站的工作参数有可能需要作出较大的调整。对于三类切换，往往还会涉及到服务提供商之间的协商，过程更加复杂。

3 切换管理

3.1 移动站管理

几乎所有的卫星通信系统都会配置一个网管中心，移动站需要在网管中心完成注册后才能正常通信，并接受其管理。移动站需要某个网络中发起通信，首先该网络要登记有该移动站，并通过信关站给移动站分配一定的通信资源。对移动站的登记方法有两种，一种是当移动站注册时，在移动站可能出现的所有卫星网络中均进行登记；另一种则是移动站注册时不在任何一个网络中登记，当移动站开机入网或进入某一个网络时再进行临时登记。第一种方式我们称为预登记方式，这种方式的优点是能更迅速地完成入网并有利于各网络对该移动站的管理，缺点是需要各网络中维护一份该移动站的数据；第二种方式称为动态登记，优点是除了移动站正在漫游的网络，其余网络无需感知该移动站的存在（后面提到的家代理除外），缺点是移动站每次进入一个新网络时均需要重新登记，更占用网络资源。

从两种登记方式的优缺点来看，针对三类切换场景可以有不同的选取。对于一类切换，由于切换会较为频繁，推荐采用预登记方式。对于三类切换，由于移动站需要跨越多个管理层级，推荐采用动态登记方式。对于二类切换，则两种切换方式都可以选取，建议通过网络规模来选取，网络规模越大越适合采用动态登记的方式。

3.2 波束管理

卫星信号覆盖情况一般由EIRP（等效全向辐射功率）图和G/T值（品质因素）图来共同表示，其中EIRP表示卫星发射能力，G/T值表示卫星接收能力。一般情况下个两个指标越大越好，这两个指标也决定了卫星地球站发射和接收能力的要求。这两个类似等高线一样的闭合曲线代表了卫星信号的地区覆盖强弱。对于同步轨道卫星，由于其相对于地面是静止的，因此其波束的覆盖情况一般不会改变。但对于Ku甚至更高的通信频段，容易受到天气和雨衰的影响。

系统首先需要记录每颗卫星不同频段不同波束的ERIP图和G/T值图，并绘制出一张全局的波束覆盖图，作为移动站波束选择的基础数据。然后根据移动站的能力和特点选择一个能同时满足移动站上行和下行链路要求的最佳波束。选择的依据包括但不限于移动站的工作频段、上行链路余量、下行链路余量、天线仰角、波束边缘距离、安装平台等。

图5 卫星波束的EIRP分布图

3.3 切换过程

卫星波束切换有两种方式，分别是信关站切换和移动站切换，两类切换方式主要区别是发起切换主体不同。对于信关站切换，当信关站发现了移动站进入波束边缘时，通过信令让移动站进行切换。对于移动站切换，则由移动站根据自己的通信情况主动申请切换。下面分别介绍两种切换方式的工作方式和优缺点。

信关站切换的流程图如图6所示。切换过程中最关键的切换判决和波束选择都由信关站完成，判决的依据包括移动站在波束中的位置以及通信链路质量。信关站主动切换可以有效地减少对移动站的要求，但信号丢失后无法做到自动回复，另外切换的实时性相对较差，不利于频繁切换的场景。

图6 信关站主动切换流程

移动站主动切换的流程图如图7所示，移动站需要承担了切换判决和波束选择的工作。这样做的优点是可以做到快速切换，但需要移动站具备很高的数据存储、管理和运算能力，而且波束覆盖数据更新也是个难题。

图7 移动站主动切换流程

3.4 数据路由

信道切换完成后，移动站就具备了在新的网络中进行工作的条件，剩下就是数据重新路由的问题。大部分的卫星网络都是采用静态路由的机制，在移动站IP地址没有发生改变的情况下，即使移动站进入了新的波束，IP数据包仍按原路由关系进行投送到原有的波束中。需要更新数据路由我们有两个方法，一是在新的网络中重新为移动站分配一个该波束下的IP地址，第二种方法就是移动通信中常用的移动IP技术。对于第一种方式，比较适合PPPoE这类的拨号接入方式，每次切换则进行重新拨号。获取到新的IP地址后就可以在新波束下实现通信。

第二种方式是移动IP，移动IP包括移动IPv4和移动IPv6两个版本，其中移动IPv6是移动IPv4的升级版本，但目前广泛使用的仍是移动IPv4。移动IPv4中，使用了家代理、外地代理、转交地址和隧道封装技术来实现设备漫游。其中转交地址指明了该移动节点在外网中的当前位置，家代理为移动节点提供移动支持，它截获发往在外网中漫游的移动节点的数据报，将该数据报路由至该移动节点当前的转交地址。外地代理则为在外地网络中的移动节点提供接入、管理和报文转交功能[2]。

图8 移动IP技术示意

所有发往移动站的数据都会经过家代理，并由家代理进行转交地址的IP包头封装，在家代理和移动节点之间形成了一条单向的隧道。移动站的发出的数据可以直接使用数据真实的目的地址，这样数据就直接由漫游网络以最快的路径找到目标主机，但会造成“三角路由”的问题。通信主机发往移动主机的分组必须经过家代理，而从移动主机发往通信主机的分组是直接发送的，两个方向的通信不是同一路径，产生“三角路由”问题，这在移动主机远离家代理，通信主机与移动主机相邻的情况下效率尤其低下[3]。为了避免“三角路由”也可以采用返向的技术将数据通过隧道发给家代理，这对于加密传输、卫星性能增强应用方面有特殊的意义。

值得指出移动IPv4存在的几个问题：一是，移动切换过程中的数据包由于找不到转交地址，报文一般都会被丢弃导致重传频繁；二是，采用隧道封装会增加IP报头开销从而降低传输效率，在最坏的情况是数据需要分割成两个数据包以适应传输链路MTU（最大传输单元）从而牺牲系统吞吐量；三是，在较小区域的波束间频繁移切换的话，会导致网络中产生大量的代理间通信报文，造成网络性能下降；四是，漫游时QoS需要由多段链路共同完成，实现较为困难。五是、移动IPv4协议只支持单个节点的移动，并不支持整个子网的移动，要实现子网移动需要进行相应升级设计。

移动IPv6弥补了移动IPv4的部分不足，定义了移动节点、通信节点和归属代理三种操作实体，通过更多的机制来提高移动过程中数据传输灵活性和可靠性，一定程度上解决了移动IPv4的问题，是未来地面网络和卫星网络的发展趋势。

4 结语

本文从卫星移动通信的发展趋势和现阶段自主设备面临的问题提出了卫星波束切换的研究课题，然后通过对卫星网络拓扑的研究抽象出三类切换场景，最后对切换过程中的移动站管理、波束管理、切换过程和数据路由等关键环节进行了研究和论证。后续将针对具体的卫星和应用，对移动站登记的方式、切换判决算法、切换方式、数据路由优化等方面进行进一步研究。