基于人口密度分布的高通量卫星覆盖方案设计

赵 阳，王海龙，2，黄楷博，柏 京

（1.中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610000；2.电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054）

1 引言

1.1 高通量卫星

高通量通信卫星，就是在使用相同频率资源的条件下，通信容量比常规通信卫星高数倍甚至数十倍的通信卫星。其主要特点是采用了频率复用、多点波束等先进技术，可以同时为更多的用户提供服务[1]。

常规卫星采用单波束覆盖某一区域，而高通量卫星采用多点波束对区域或全球进行覆盖。以中国国土为例，单波束和多点波束对某一区域的覆盖方式对比如图1所示。

由于高通量采用多点波束，同一频率可以在不同的区域进行重复使用，这样可以充分利用频率资源。频率复用意味着多次使用相同的频率，不需要提高带宽即可提高整个网络的通信容量[2]。

图1 国土单波束和多点波束覆盖对比

此外，考虑到极化维度的隔离，卫星通信采用极化复用和频率复用相结合的方式来扩展系统通信容量。传统单波束采用垂直或水平极化覆盖，通信容量低。而多点波束可以采用不同极化和不同频率同时覆盖，如图2所示，1R和1L分别表示同一频率的两种不同极化，2R和2L表示另一个频率的两种极化。相对于单一线极化，该多频多极化共用方式能有效提高卫星通信的容量。

图2 单色复用和四色复用方案对比

1.2 国内外高通量卫星现状

在高通量卫星的发射和应用方面，以欧美国家为主，欧洲典型的高通量卫星是2010年Eutelsat发射的Ka-Sat卫星，该卫星采用四口径多波束收发共用天线，通信容量为70 Gb/s。美国的高通量卫星代表为ViaSat1，采用四副反射面天线，通信容量为100Gb/s，可同时满足数百万用户的通信需求[3]。美国即将发射的ViaSat3，通信容量将达1Tb/s。

图3 Ka-sat卫星欧洲覆盖图

我国2017年4月发射首颗高通量卫星——中星16号卫星，通信总容量达20Gb/s。中星16号和即将发射的中星18号一起为中国本土提供Ka宽带大容量双向通信服务。

1.3 高通量卫星特点总结

从国内外高通量通信卫星发展可以看出，卫星都是通过极窄均匀多波束覆盖工作区域，并通过频率极化双复用的方式来提高通信容量。

2 人口密度分布及区域划分

2.1 出发点

以中国国土为例，中国人口密度分布不均，不同地区对通信业务的需求也有明显差异，如果采用均匀波束覆盖国土会导致部分区域覆盖存在容量浪费，而另一区域则容量不足。为了实现业务量和覆盖区域的均衡，本文采用大小混合的卫星波束对区域进行照射，对于人口集中、用户数量多、业务量大的地区采用窄波束高增益进行照射，提高多用户多媒体通信的能力，对于人数稀少、用户数量少、业务量少的区域，采用宽波束进行覆盖，降低系统成本。

2.2 人口密度分布状况

中国人口分布的大致趋势可以通过腾冲黑河一线（胡焕庸线）描述[4]，如图4所示，蓝色区域位于腾冲黑河一线左侧，为人口稀少区域；绿色区域位于腾黑河一线右侧，为人口密集区域；红色区域为人口波动区域，位于腾冲黑河一线两侧[5]。

图4 中国人口分布及分界线

中国人口主要分布在黑河腾冲一线右侧，其人口占中国人口总量的96%左右，左侧区域虽然占地面积大，但人口数量仅占总人口的4%左右。由于人口分布的不均衡，对于人口分界线两侧的地区采用相同大小的波束进行照射时不能有效利用卫星资源。

本文基于中国人口密度分布的腾冲黑河一线，提出混合波束照射方案。其中该线左侧人口稀少的区域采用大波束照射；该线右侧人口密集的区域采用小波束照射；对于人口波动区域，在该线左侧时，采用大波束照射，在该线右侧时，采用小波束照射。

3 基于人口密度分布的高通量通信卫星波束覆盖方案设计

3.1 波束覆盖优化方法

多波束优化的目标是在覆盖区域范围内，优化波束数量和照射位置，用最少的波束数量覆盖所要求区域[6]～[8]。以同步地球轨道115°E作为照射卫星的位置，本文采用粒子群智能优化算法对中国国土的波束覆盖进行优化。粒子群算法优化流程如图5 所示。

（1）优化目标：波束覆盖整个国土。

（2）优化参数：波束数目和波束照射位置。

（3）适应度函数：需要考虑国土内未覆盖区域的面积S1，波束交叠区域的面积S2，波束覆盖国土外区域的面积S3等因素。每一部分都有自己的权值w1、w2、w3，根据优化目标合理调整权值大小，建立适应性函数。

（4）初始位置：随机生成。

（5）初始数量：取充足的数量，通过优化精简数量。

图5 粒子群算法优化流程

3.2 混合波束覆盖设计结果

为实现混合波束的覆盖目标。本文首先分别采用0.6°的小波束和1.2°的大波束对中国本土进行均匀覆盖优化，优化结果如图6所示。

可以看出，采用均匀波束覆盖国土时，若采用小波束覆盖国土，需要88个波束，能保证全国范围内都具有较好的通信质量，但是在人口稀少区域存在通信资源的浪费，系统建设成本过高；若采用大波束覆盖国土，需要23个波束，在人口密集区域会出现通信资源的不足，造成通信能力的下降。

为了降低卫星开发成本，提高卫星资源利用效率，本文根据中国国土人口密度分布的特点，采用不同大小的混合波束进行照射。其中人口稀少区域采用1.2°大波束照射，人口密集区域采用0.6°小波束照射。

本文最终设计的混合波束覆盖方案优化结果为：共采用55个波束，其中13个1.2°的大波束，42 个0.6°的小波束，如图7所示。

该混合波束覆盖方案根据人口密度对不同区域采用不同波束进行覆盖，将传统均匀波束以地理面积为依据的通信资源分配转化为以人口密度为依据的通信资源分配，充分利用通信资源，提升用户体验，降低建设成本。

4 结束语

本文根据区域人口密度分布，通过粒子群智能优化算法，以中国国土为例，设计了一种混合波束的覆盖方案。最终采用55个大小波束对中国国土进行覆盖，和均匀大波束覆盖相比，可以提高用户通信能力；和均匀小波束覆盖相比，可以降低系统建设成本。实现了业务、覆盖和成本之间的均衡。

图6 均匀波束覆盖国土

图7 混合波束覆盖国土