宽带卫星通信系统的跳波束技术综述

方应勇 何辉

【摘要】近些年来，在卫星通信市场的发展规律下，出现了宽带卫星通信这一必然的产物，为了满足宽带卫星通信系统的运行需求，需要借助跳波束技术应用，灵活分配星上功率和宽带资源等。跳波束技术中的关键部件复杂，值得业内人士不断的深入探索其技术特点，推动宽带卫星通信的长足发展。本文对宽带卫星通信系统现状进行了探讨，结合发展宽带卫星通信需要注意的问题，详细分析了跳波束技术使用的关键部件及跳波束系统建模的相关研究。

【关键词】宽带;卫星;通信系统;跳波束;技术

中图分类号：TN92                 文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）017-013-03

Abstract： In recent years， under the development law of satellite communication market， broadband satellite communication has emerged as an inevitable product， in order to meet the operation needs of broadband satellite communication system， it is necessary to use the application of beam-jumping technology， flexible distribution of on-board power and broadband resources. The key components in the beam jumping technology are complex， which is worth the industry's continuous in-depth exploration of its technical characteristics， and promote the rapid development of broadband satellite communication. This paper discusses the current situation of broadband satellite communication system， combines the problems that need attention to the development of broadband satellite communication， and analyzes in detail the key components of the use of beam-jumping technology and the related research on the modeling of the beam-jumping beam system.

Keywords： broadband; satellite; communications system; beam jump; technology.

在科技創新2030项目中，天地一体化信息网络作为其中首个启动的重大工程项目，受到了社会各界的广泛关注，在国家的十三五规划纲要及十三五国家科技创新规划中，均纳入了天地一体化信息网络项目。这一网络由多个构成部分共同组合，构建起全球覆盖的信息网络体系，实现地面互联网和移动通信网之间的互联互通。此背景下的宽带卫星通信系统中，应用跳波束技术是提高中国全球时空连续通信能力、高安全可靠通信能力的必要手段。

1. 宽带卫星通信系统现状

1.1 宽带卫星通信系统的使用情况

宽带卫星通信是立足于卫星系统，处理和传送语音、图像、视像、数据的一个系统，宽带卫星通信的适用范围随着地面光缆网的建设，体现出了其稳定性、地域性较强的特殊性能，但是距离预期中的发展目标之间仍旧存在较大的差距。宽带卫星通信系统在世界性因特网发展中，作为一个关键的构成部分，被广泛普及和应用，逐渐呈现出了良好的发展态势。在2016年的11月，为了提高全球的网络速度，太空探索技术公司提出了关于发射4425颗卫星的计划，到了2018年2月，太空探索技术公司向轨道送入了两颗互联网实验卫星，将人们对于宽带卫星的希望和热情点燃。宽带卫星通信的稳定性和地域性特征在很长一段时间内都发挥了强大的优势作用，但是受到带宽过窄、成本投入较大等因素的影响，宽带卫星通信的发展受到了一定程度的限制。现有的通信技术手段中，卫星通信是实现全球、无缝覆盖的重要载体，宽带卫星通信以互联网为基础，向地面网络开发和嵌入，宽带卫星通信是人们建立全球化无缝宽带通信的必然应用。宽带卫星通信系统的构建，推动卫星宽带互联网建设的进程，实现卫星资源到可用宽带资源的转变，受到了越来越高度的重视。

1.2 宽带卫星通信系统的业务范围

早期的宽带卫星通信系统为全球性及部分地面系统应用下无法实现通信的偏远部门，提供有效的视频会议等服务，而随着时代的进步，互联网技术快速发展，宽带卫星通信系统的业务范围逐渐发生了变化，在移动网络、物联网、互联网等技术的有机融合下，宽带卫星通信系统中接入了因特网，拓展了宽带卫星通信业务的空间。天地一体化网络是由三个部分组成的，包括天基骨干网、地基节点网、天基接入网，天基骨干网是由在地球同步轨道布设的不同骨干节点联网构成的，骨干节点则具备多种功能，例如宽带接入、路由交换、信息存储、数据中继、处理和融合等。以建设下一代高吞吐卫星系统为例，将Ka波段点波束综合应用到同步轨道上，在中低轨道卫星的基础上，促进系统容量的综合提升，实现卫星系统下的IP业务。由此可见，未来的一段时间内，宽带卫星通信的主要业务中均以向互联网提供接入业务为主要核心。

1.3 宽带卫星通信系统的优势

宽带卫星通信的优势体现在了卫星广阔的覆盖面积方面，宽带卫星通信具有较强的广播能力和无缝连接能力，实现了通过卫星连接外太空的航天通信功能。全新的时代背景下，通信话语权在信息时代占据着关键的位置，强调通信话语权的自主性和可控性，我国在3G时代即提出了第一项国际化的标准要求，到了5G时代，宽带卫星通信系统与地面通信网络的成本、时延、宽带相较，优势并不明显，因此应从宽带卫星通信的广播能力和无缝连接能力优势方面大力挖掘和探索，发挥宽带卫星通信的优势应用。

1.4 宽带卫星通信系统的发展前景

宽带卫星通信受到多种因素的影响，未来呈现出了良好的发展态势，包括当前的国际环境、市场规模、应用前景等。宽带卫星通信发挥着必要的宽带多媒体卫星通信作用，实现了全球的信息化，同时推动了全球经济一体化的建设进程。在全球范围内，因特网技术快速发展，在实际的应用过程中，用户更加希望互联网的接入方式可以打破时间和空间的限制，这一需求是地面系统无法满足的，只有借助宽带卫星通信系统的应用和开发才能够逐渐实现该目标。宽带卫星通信系统可被应用到自然灾害中，发生各种自然灾害时，无线通信的通信能力最强，可达到其它的通信系统无法完成的效果，宽带卫星通信的多种优势，包括其较强的可靠性、组网性能、用户数量、业务范围等优势，是无线通信市场中必备的先进技术手段。随着军事领域和外太空的不断开发应用，宽带卫星通信在其中发挥了不可或缺的重要作用，促进了人类对于外太空的进一步探索和研究，建设宽带卫星通信，优化武器导航、单兵通信等系列功能。

2. 发展宽带卫星通信需要注意的问题

2.1 合理规划网络结构

宽带卫星通信网络的业务范围广泛、业务种类多、用户数量大，其中有着丰富的频带资源，为了提高系统的稳定性和有效性，有必要对网络结构进行合理的规划。以拓扑结构为基础，提高用户资源管理的有效性，结合用户的实际需求，选用星状拓扑结构，促进网络可靠性和提供负载均衡能力的提升，借助网状网络强化冗余度。宽带卫星通信系统和互联网等地面通信系统，借助网状结构实现了综合互通，建立起星际链路，缩短时延，将卫星信号之间的干扰消除，降低对系统稳定性的影响。

2.2 正确运用先进技术手段

地面网络中应用到了TCP/IP等技术，这是根据地面网络的特点设计而来，将其应用到卫星信道中，可引起多种缺陷问题的发生，包括时延较长、差错率升高、前/反向信道非对称等，出现错误的时候需要重新上传，将直接对系统的吞吐量造成不利影响，限制了慢启动的顺利展开。针对这一问题，发展宽带卫星通信需要对先进的技术加强运用，改进协议，消除大窗口、长时延、高误码等问题，设置合适的网关，优化卫星链路的起始端功能，选择适合卫星信道的算法，转变原有的TCP/IP协议。提高处理技术应用的合理性，通过放大信号、转换频率等，强调其中的纠错、检错、解调等功能，降低误码率，促进信噪比的升高。

3. 跳波束技术使用的关键部件

3.1 多端口放大器

跳波束技术具有较强的灵活性，这是由其中使用的多端口放大器、相控阵天线技术等决定的，多端口放大器提高了星上功率分配的合理性，促进了整体功率利用率的提升。多端口放大器主要是由输入矩阵、输出矩阵、高功率放大器几个组件构成的，输入信号向所有的输入矩阵分布，再通过高功率放大器的分发后，将其重新组合在输出矩阵。必要的时候所有的功率均可以在一个输出端口映射，高功率放大器的活跃数量直接决定了多端口放大器的大小。通常在传统的卫星通信中，不同的波束所占据的星上资源是固定的，转发器只需要完成对应功率池和波束宽带的相关工作。以典型的宽波束卫星为例，其中的宽带转发器都是由140瓦行波管放大器进行供电的，应用到的36MHz宽带转发器有数十个，以此达到馈送波束的目的，此工作模式背景下，不同的转发器获取的星上功率固定，符合用户的使用需求。分配星上功率的时候若是按照峰值功率进行，当发生用户需求空闲的情况时，分配功率的利用率较低，造成严重的资源浪费。针对传统功率分配模式，为了打破这一限制，要在非高峰时向其它用户分配未能被充分利用的功率，有效促进功率利用率的提升。跳波束技术应用中借助多端口放大器，解决了这一缺陷问题，实现了卫星资源低需求波束向高需求波束的移动和转换。多端口放大器汇集了卫星功率，结合流量的匹配需求，提高了波束移动的动态性，实现了一个波束到另一个波束的移动。

3.2 相控阵天线技术

相控阵天线对馈电相位进行控制，实现了波束横扫，通过对阵列天线中辐射单元的馈电相位进行控制，以此改变方向图形状。相控阵天线的波束汇聚能力较强，在该天线的覆盖范围内，不仅实现了随需分配，大大提高了功率分配的灵活性，针对其它各项指标，包括波束的覆盖区域位置、波束覆盖面积大小、波束个数等，均实现了高灵活度的优化配置，体现出了相控阵天线技术较强的抗干扰能力和干扰侦测能力。相控阵天线技术下的方案具有较高的复杂度，并且需要投入昂贵的造价成本。

4. 跳波束系统建模分析

不同的波束在多波束的卫星系统中，覆盖范围不同、其业务需求也各有不同，针对跳波束系统建模，为了提高系统可用容量的灵活性，调度卫星频率和功率资源，采取空分+时分的方式，实现对地面站的分簇管理。根据地面业务的不同需求，在空间上划分出不同的、互相相切的簇，通过簇内划分的方式，获取每一个区域内的单独波位。按照分簇的结果划分星上功率和频率，簇内的一个时隙之内，仅点亮一个波位，并且分给该簇的全部星上资源均可被点亮的波位使用。分配簇间频率时，需要结合相邻簇的相邻波位同频干扰等因素综合考虑，对于全频段的资源，每个簇不能全部使用，但是随着频率约束的增加，时隙分配的复杂性也会随之增加，因此采取部分频率复用方案是最合理的。

结论：综上所述，基于跳波束技术的宽带衛星通信系统，其中应用到了跳波束的技术优势，提高了星上资源分配的合理性和有效性，是我国宽带卫星通信系统中必不可少的先进技术手段。目前针对跳波束技术的研究和应用，仍旧存在较大的发展空间，应将降低跳波束技术应用的复杂性和提高其应用效率作为关键目标，促进宽带卫星通信系统的不断完善和优化，推动我国卫星通信市场未来的长足发展。

参考文献：

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