针对GEO卫星宽带网络管控的波束跳变策略

邹永庆，章仁飞，张正宇，胡树楷，姚艳军，贺 超

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天地一体化信息网络可以为陆、海、空、天各类用户提供网络接入与数据传输服务[1-4]，其服务区域跨度大，区域内需要规划的波位数目多[5-7]，因此需要为其设计单独的管控链路。若同时为各区域内用户提供服务，则需要大量的管控波束通道，对星上处理能力、资源需求等提出了较高的要求[8-10]，因此可以考虑以相控阵跳波束的方式来承载网络中控制类信息的有效传输，完成高效的网络管理与控制，以控制与业务分离的形式完成相应的业务工作流程[11-14]。本文针对GEO卫星宽带网管控的特点，研究波束跳变策略。考虑到各类用户的时间和空间分布存在不均匀性，以及管控需要服务的用户运动轨迹变化规律等，需要研究波束分簇和构形策略，使得分簇尺寸与分簇构型均可根据业务分布灵活调整，簇间资源根据业务需求按需分配流动。GEO卫星宽带网络管控波束前返向存在波位和波束不均衡问题，为保证用户高效接入，通过利用前向波束引导终端用户接入，根据用户分布及需求实现前返向波束的灵活配合，因此需要研究跳波束时间分片机制，确定波束和资源调度的时间间隔、跳变周期等关键参数；此外，需要研究波束跳变策略，设计波束跳变图案，实现管控功能的按需覆盖和系统资源的高效利用。

本文讨论了面向业务需求的波束分簇构形策略与面向资源全局调度的跳波束时间分片机制，介绍了面向资源高效利用的波束跳变策略，对GEO卫星宽带网络波束跳变策略进行总结和展望。

1 波束分簇构型策略

1.1 跳波束系统模型

在跳波束卫星系统中，每个波束覆盖范围内的业务需求各不相同。为获得灵活可变的系统容量，使用“时分+空分”的方法对卫星时频和功率资源等进行调度，将覆盖区域分簇管理，在空间上分成互相独立分离的簇；再根据业务的需求不同，对各簇内覆盖范围划分成子区域，每一个子区域为一个波位，其模型如图1所示。

图1 覆盖分簇模型Fig.1 Coverage clustering model

对于簇内波位，每个时隙让一个波位被点亮，在该时隙内，被点亮的波位可以使用分给该簇上的全部星上资源。

1.2 簇间带宽功率资源灵活分配方法

根据频率复用方式的不同，跳波束系统可以分为全频率复用和部分频率复用。全频率复用是指每个簇内能够使用的频率资源是星上转发器的全部带宽，簇间波束通过空间隔离来实现复用，如图2所示。在每个跳波束时间窗口周期内，同时工作的跳波束簇通过空间隔离避免同频干扰，达到全频率复用的目标。

图2 簇间全频率复用Fig.2 Inter-cluster full-frequency multiplexing

部分频率复用方案是指每个簇使用所有星上转发器带宽的一部分，同时工作的跳波束簇不需要空间隔离；另一方面可通过极化复用，提高系统频谱利用效率。如图3所示，系统等效频谱复用因子为3，假设系统总可用频带为B，则分配给每个簇的频带B/3，在提高频谱资源利用率的同时，最大限度避免簇间波束的同频干扰。

图3 簇间部分频率复用Fig.3 Inter-cluster partial-frequency multiplexing

由于全频率复用实现简单、资源利用率高，且可以通过空间分离的方式避免簇间的同频干扰，所以当前跳波束系统中通常采用全频率复用的方式，以充分发挥跳波束系统的优势。

除确定频率复用方式外，还需要确定功率的使用方式。在现有的跳波束卫星系统设计中，出于简化系统考虑，通常采用簇间均匀功率分配方法，也就是说每个簇分配的功率都是一致且不可调的。但是由于GEO卫星宽带网络管控波束服务区域范围非常广，不同的波束覆盖区域信道条件可能会产生较大的差距。因此需要结合具体的分簇结果，设计对应的簇间灵活功率分配方法，来提高星上的功率利用效率。

基于以上考虑，本文采取邻近波束分簇方法，即同一个簇内的波束在空间上基本都在一个比较集中的地区，可以近似认为信道特性是相近的。综合考虑波束分簇、信道特性及链路预算等因素，提出一种基于频谱效率的簇间功率分配构想，通过最优化设计，实现簇间功率的灵活分配。

采用全频带复用的方式，每个簇内可用带宽是星上整个带宽资源，用Bt表示。若星上总功率为Pt,由于采用的是均匀分簇方式，所以簇间功率通常是平均分配给各个簇，也就是说，若系统总的分簇数目为Nc，则每个簇的可用功率资源为Pt/Nc。因此可以选取未满足系统容量作为优化目标函数，若第i个分簇内所有波束的业务需求量为Rci，每个簇内所分配得到的总容量为CT，建立以下分簇优化模型：

s.t.1≤Nc≤Ntot，

(1)

式中，Ntot=NcMb为系统总的波束数目，Mb为簇内的波位数量。

最优化f(Pi)

式中，f(pi)是要优化的目标函数。

簇间功率分配算法流程如下所示：

① 计算所有阈值功率值；

② 根据式(2a)获取每个簇间的可用功率值；

③ 设置f(Pi)的初始值fintal和组合索引Pindex=0；

则fintal=fj;Pindex=j;

⑦ 输出fintal和Pindex，根据Pindex查找最佳的簇间功率分配组合。

图4为分簇优化前后的系统性能对比图，纵坐标为业务未满意量(各簇的实际链路容量与所需业务容量的差值)，说明所提出的分簇策略能够随业务需求动态调整，一定程度上解决了管控业务分布的空间不均性。

图4 分簇优化对比图Fig.4 Comparison result of clustering optimization

2 跳波束时间分片机制

2.1 跳波束时间分片和波束驻留

建立高效的时间分片结构、明确关键参数的定义是跳波束系统中需要解决的另一大问题。根据全局资源高效调度的目标，本文提出一系列的时间分片机制，通过分层多目标优化明确其关键参数。

图5为波束跳变周期和波束驻留时间工作机制示意图，具体参数如下：

图5 波束跳变周期和波束驻留时间工作机制Fig.5 Beam-hopping period and beam-dwelling time work mechanism

① 跳波束时隙(Beam Hopping Slot，BHS)：BHS为波束驻留时间，是指分配给一个波束的最小持续时间。可根据QoS和容量需求分配给各波束相应的时隙个数。BHS作为物理帧的时间载体，一般为毫秒量级。

② 跳波束周期(Beam Hop Period，BHP)：完成一次遍历所分配的BHS序列所需的时间。各波束所处的簇集合由动态分簇策略得到，分配的各波束BHS个数和跳波束周期中的顺序，由波束跳变策略得到。

③ 时隙切换时间(Slot Switch,SS)：为保护时间，其物理意义为一个波束切换到另一个波束所需的时间延迟，一般是微秒量级。切换可以在一个或多个BHS(一个波束可能有多个BHS)之后进行。

④ 波束重访时间：某个波束所分配的BHS资源块之间的间隔时间。由于波束重访时间过大，会影响用户终端的同步。所以即使某个波束在特定的跳波束周期内无业务需求(非热点区域的波束)，也应当在周期内分配一个BHS，在该时隙中发送同步、广播等信令。

⑤ 跳序号(Hop Number，HN)：为跳波束时隙序号，HN是BHS的数字标识符，BHP开始处的第一个BHS的HN值为1；在每个BHP结束时，HN重新初始化为1；当与波束标识符成对使用时，HN可用作唯一的标识符。

⑥ 跳波束时间计划(Beam Hopping Time Plan，BHTP)：资源动态分配的时间分片传输计划，包括BHS、BHP、RVT、各波束分配的HN序号和带宽、载波频率等参数。BHTP需要考虑用户申请、业务感知及系统资源等综合因素，由网控中心提前生成，并发送给卫星和地面系统。

2.2 跳波束周期和波束驻留时间优化设计

波束跳变周期中Tw代表系统资源全局调度的周期，波束驻留时间中Td确定了资源调度的最小单位，设置合理的波束跳变周期Tw和波束驻留时间Td是高效使用系统资源的基础。

Tw越大，能够支持的波束数越多，但是带来的是时延的增加；Td越小，系统资源分配越灵活，但由于每个波束驻留时间都要有同步捕获时间，Td越小将会造成资源利用效率的降低。综合考虑以上因素，可利用多目标优化的方法来对波束跳变周期Tw和波束驻留时间Td进行联合优化，在尽可能满足系统业务需求的同时，实现全局资源的高效调度。

多目标数学优化模型如式(3)所示：

(3)

目标函数中τi为第i个波束的通信时延间隔，Cj为第j个波束分配的系统容量，2个目标函数分别表示簇内波束的最大通信时延间隔以及分配得到的总吞吐量。约束条件中，Mb为簇内的波束数目，TD为系统同步的最大保持时间，Ts为波束同步捕获时间。针对以上的多目标优化问题，可利用最优化、整数规划及神经网络等优化方法，来确定最终的波束跳变周期Tw和波束驻留时间Td。

3 波束跳变准则

根据业务需求得到跳波束周期内各波束分配的跳波束时隙BHS个数后，更重要的是确定簇内波束跳变图案设计，该问题可等价转换为：跳波束周期BHP内各波束的跳波束时隙BHS的排序问题。在某个跳波束周期内，簇内的波束根据是否有业务传输的需求，可分为热点区域波束和非热点区域波束。各波束的跳变策略和工作流程要遵循如下准则：

① 热点区域波束：系统根据各用户的业务申请，依据资源分配算法，对热点区域的波束分配相应个数的BHS，以完成业务服务。

② 非热点区域的波束：要考虑波束重访时间的影响。这是因为重访时间过大时，会影响用户终端的同步，所以即使非热点区域的波束在特定的跳波束周期内无业务需求，也应当在周期内至少分配一个BHS，在该时隙中发送同步、广播等信令。

③ 热点区域波束的BHS和非热点区域的BHS可交替排序，使得波束重访时间TRV和终端用户同步的最大保持时间TD之间，满足TRV≤TD。

上述波束跳变策略原理如图7所示。

图7 波束跳变策略原理图Fig.7 Beam-hopping strategy schematic diagram

图8为各波束信道条件相同时的仿真结果，图9为信道条件不同时的仿真结果(40号波束的信道衰减较大，45号波束的信道衰减较小)。

图8 信道条件相同Fig.8 Same channel condition

图9 信道条件不同Fig.9 Different channel condition

在相同信道条件下，当系统波束业务请求较小，n阶差分目标函数会忽略这些请求较小的波束，而为高业务请求的波束分配更多的资源。而公平性目标函数则保证系统公平性，为低、高业务请求同样分配相应的资源。当信道条件发生变化时，公平性目标函数依然根据各波束的业务请求进行公平分配，保证每个波束业务请求的满足率相同；而n阶差分目标函数在信道条件不同的情况时，系统信道条件好的波束比信道条件差的波束可以获得更多的容量。因此必须根据实际系统参数和容量需求来选择具体的优化原则。

4 结束语

针对天基GEO卫星宽带网络中波束跳变策略进行了相关研究。GEO卫星宽带网络可采用跳波束策略实现用户控制类信息的传输，跳波束的应用改变了传统的信令接入方式。本文针对这一需求，在分析跳波束资源池化与信令接入需求的基础上，面向GEO卫星宽带网络随遇接入的需求，改变传统多波束卫星系统碎片化的资源配置方式，充分发挥了跳波束按需覆盖、灵活分簇的技术特点，研究了波束分簇和构形策略，使得分簇的尺寸与分簇构型均可根据业务分布灵活调整，簇间资源根据业务需求按需分配流动；提出了跳波束时间分片机制，分析了波束和资源调度的时间间隔、跳变周期等关键参数确定方法。此外，针对波束跳变策略，设计了波束跳变图案，实现管控功能的按需覆盖和系统资源的高效利用。上述跳波束工作机理和跳变策略的研究，实现了系统资源的全局调度和按需、灵活、高效的利用，最终提高天基GEO卫星宽带网络的管控能力和服务响应能力。