高通量卫星资源管控系统现状与趋势研究

秦鹏飞 衣龙腾 周业军 张程 董赞扬 戚凯强 曾令超

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094)(2 国家航天局卫星通信系统创新中心,北京 100094)

高通量通信卫星(High Throughput Satellite,HTS),也称高吞吐量通信卫星,相对于传统宽波束广域覆盖的通信卫星来说,HTS可提供比常规通信卫星高出数倍甚至数十倍的容量,传统通信卫星容量不到10Gbit/s,HTS通信容量可达数百Gbit/s甚至Tbit/s量级。HTS通过采用多点波束和频率复用技术、使用Ka、Q/V等高频段、以及采用更大口径天线等方式,提升系统容量[1]。大容量HTS的典型代表是美国卫讯(Viasat)公司的Viasat-2卫星,通过采用5m口径天线和Ka频段高通量载荷,单星容量达到300Gbit/s。2022年欧洲通信卫星组织(Eutelsat)公司发射的甚高通量(Konnect-VHTS)卫星采用Q/V频段,容量达到了500Gbit/s;卫讯公司的Viasat-3卫星采用了比Viasat-2卫星更大口径的天线,单星设计容量达到1Tbit/s。随着高通量卫星系统容量的增加,面对覆盖区内用户需求难以预测、用户分布与需求时变的情况,在大容量的基础上发展系统的灵活性成为运营商普遍追求的方向[2-3]。典型的灵活卫星包括2021年10月欧洲卫星(SES)公司发射的SES-17卫星,搭载了五代数字透明处理器(Digital Transparent Processor,DTP),可实现近200个波束容量的灵活调整;2021年7月Eutelsat公司发射的量子卫星(Quantum),搭载了全灵活的数字化载荷,实现波束覆盖、容量、路由等灵活能力的在轨验证。

随着灵活载荷产品的发展与应用,如何调度星上资源满足用户通信需求使卫星资源利用效率最大,同时尽量不影响已经建立的通信连接是HTS面临的一大挑战。国外多家运营商和制造商开发了星地一体的资源管控产品,利用资源管控技术[4],将整星频率、功率资源根据时间、区域动态调整,适应用户动态的需求,实现卫星资源的高效复用,充分发挥卫星资源的价值。本文在系统梳理和研究国外相关研发成果与应用情况的基础上,对HTS星地一体资源管控系统的需求、效果以及实现途径、运营模式等进行客观剖析,分析资源管控系统后续的发展趋势,为后续国内开展灵活高通量卫星的论证和研制、以及国际竞标提供技术参考。

1 资源管控系统概述

1.1 系统灵活性的发展

根据任务类型和需求的不同,卫星的灵活性设计主要包括灵活覆盖、灵活功率、灵活频率以及灵活的路由等[5]。图1为通信卫星资源分配的技术路线图,传统的通信卫星各波束资源平均分配或根据用户需求在系统设计时进行预先分配,但卫星上天后资源不做在轨调整,系统的灵活性较低。跳波束技术(Beam Hopping)通过星上开关或波束形成网络实现一个波束在不同波位跳变,各波位按照时隙分配容量资源。波束资源池化技术(Beam Shining)代表了波束容量的灵活调整能力,利用DTP、灵活放大器实现波束功率带宽、频率、路由的灵活调整。波束控制技术(Beam Steering)在波束容量优化的基础上增加了波束覆盖能力的灵活性,利用有源阵列天线和波束成形网络(Beam Forming Network,BFN)实现波束位移、形变及数量调节。

图1 通信卫星资源分配技术路线图

1.2 资源管控系统架构

对于传统卫星来说,星上转发器是固定的,星上资源不可调整,地面系统可以调整波束内载波大小、时隙等资源。而对于搭载灵活载荷的卫星,除了地面系统资源,卫星的转发器资源可以通过配置星上灵活载荷状态来实现,面向灵活高通量卫星的星地一体资源管控系统具有用户需求信息分析、资源分配和星地一体配置等功能,与传统通信卫星的地面控制系统配合共同完成高通量卫星的资源管控。典型的资源管控系统架构分为地面资源管控系统和星载资源管控系统两类[6]。对于地面资源管控系统架构,如图2(a)所示,用户需求处理、资源分配、灵活载荷配置和地面系统配置均在地面生成,与原有地面控制系统进行数据交互,并完成地面系统的配置;载荷配置方案通过馈电链路传到星上后由资源管控系统星上部分执行对灵活载荷的配置。星载资源管控系统架构如图2(b)所示,用户需求处理、资源分配、灵活载荷配置、地面系统配置方案生成、载荷配置方案生成在星上完成,资源管控系统地面部分接收星上部分的地面系统配置方案并执行。

两种资源管控系统架构的对比如表1所示,地面资源管控系统架构的稳定性和灵活性更高,系统开销小,但传输时延较大;星载资源管控系统架构传输时延更小,但对星载计算处理能力要求较高。目前国外研究的资源管控系统以地面资源管控系统为主,星载资源管控系统作为未来发展的方向。

表1 两种资源管控系统架构性能对比

1.3 资源管控算法发展现状

近年来,随着人工智能的飞速发展,通过人工智能算法建立高通量卫星资源管控模型,快速准确地解决星地一体资源管控难题成为重要的发展方向。面向地面资源管控系统与星载资源管控系统,国内外分别开展了相关的人工智能算法研究,如表2所示[5,7-9]。

表2 资源管控算法发展现状

地面资源管控系统架构中,通常采用在线学习算法(例如强化学习算法、深度强化学习算法等),地面资源管控系统根据返向链路接收到的每个时刻的容量需求变化,动态更新资源管控算法模型参数,强化学习模型的重点是判断执行哪些资源调整会使奖励最大化。在深度强化学习中,模型做出资源管控方案调整决策并评估决策的收益。如果该决策有益,资源管控系统就会自动学会在未来重复该决策,如果结果有害,资源管控系统就会避免再次做出同样决策。通过与生物类似的条件学习过程,资源管控系统可以根据不同需求情况做出最合适的决定,制定出收益最大化的长期决策。资源管控系统的目标不是最大化即时回报,而是累计回报。

星载资源管控系统架构中,星上通常采用离线监督学习算法(例如卷积神经网络、深度神经网络算法),在地面根据训练数据库进行模型训练,并保存在地面,训练好的模型发送到星上完成用户需求处理、资源分配、灵活载荷配置等过程。因为模型是预先训练好的,所以星上处理时只需要调用模型进行计算,处理延时较低,但模型对于训练数据和所用模型有很大依赖性,需要配合流量预测进行模型参数的更新,当实际系统发生剧烈的变化需要重新训练模型。

1.4 资源管控系统预期效果

星地一体资源管控系统预期效果包括:①优化卫星容量,为最大数量的卫星通信系统用户提供最好的服务质量;②在多卫星环境下协调规划和优化地面和有效载荷资源; ③运营商收入最大化;④对实时的通信服务要求达到有效和快速的响应;⑤提供通信业务的实时监控;⑥对故障进行预防和快速反应。

2 国外高通量卫星资源管控系统的研究进展

2.1 泰雷兹公司资源管控系统

2018年,泰雷兹公司完成了欧洲航天局“先进通信载荷任务与资源优化”项目,在这个项目中,泰雷兹公司提出了新一代任务控制中心(Mission Control Center,MCC)产品——空间运行站点(Space Operation Sites,Space OPS)[10]。Space OPS根据用户请求信息,优化载荷和地面系统的资源,为未来的灵活卫星提供完整和优化的解决方案,以简化操作,并最大限度地提高灵活有效载荷的能力。Space OPS优化的星地资源包括:卫星接收/发射天线配置、转发器链路增益、路由连接关系、放大器增益、地面设备(信关站、调制解调器)配置等。

MCC的主要功能包括载荷管理、业务需求分析、频谱监视等,扩展功能包括频率干扰(威胁)管理、地理定位等。MCC与卫星控制中心(Satellite Control Center,SCC)开放接口,进行载荷配置方案的传输;与网络管理系统(Network Management System,NMS)开放接口进行地面系统的配置,如图3所示[10]。

图3 任务控制中心主要功能

Space OPS产品是一个基于模块化架构的综合卫星管理解决方案,资源管理与任务规划的功能包括:任务规划、有效载荷配置和监视、频谱及通信监察、干扰/抗干扰管理、任务监督、系统动态资源管理。Space OPS产品动态资源分配模块可以支持民用业务和军用业务的调度,对于两种业务具有不同的链路优化模型,同时对于星地链路传输数据量大的问题,采用高速链路专门传输星地配置方案。针对Q/V频段馈电链路对天气变化敏感的问题,通过信关站分集技术和Q/V频段管理来提高馈线链路的可用性。Space OPS具备通用化的外部接口,方便与用户的原有系统兼容,另外,Space OPS在系统段级别考虑网络安全问题,支持特种用户的通信安全。

2.2 GMV公司资源管控系统

西班牙GMV公司提出了基于智能载荷控制系统(Smart Payload Control System,Smart PCS)的资源管控系统方案,系统架构如图4所示[11],该系统能够连接卫星运营商和载荷制造商的需求,与卫星控制系统(Satellite Control System,SCS)和容量预算工具(Satellite Capacity Tool,SCT)集成,完成从用户业务统计到灵活载荷配置方案生成的过程,并进行上行信令的发送和载荷监测,实现基于灵活载荷的星地一体资源管控[11]。

图4 智能载荷控制系统产品架构

GMV提出的资源管控系统包含用户需求分析、资源管控方案生成、载荷配置及实时监控3部分,其中,SCT负责根据终端请求信息进行用户需求分析,优化波束与信关站的映射关系、卫星转发器上下行的连接关系等,输出可实现的上行/下行连接计划以及每个信道/波束的路径信息。

Smart PCS负责根据SCT的用户需求分析结果,完成资源管控方案的生成,包括:

(1)上/下行链路覆盖区域,根据用户需求分布,对波束数量、波束宽度、波束中心位置进行优化,输出波束覆盖的信息,对于灵活的有效载荷,上行与下行链路的覆盖范围可以分开设计;

(2)上/下行波束容量资源,根据波束覆盖范围与用户需求分析结果,计算各波束功率与带宽分配结果;

(3)干扰分析,根据波束覆盖情况与容量资源分配结果,评估波束的系统内干扰情况并反馈迭代波束容量资源分配方案;

(4)地面站资源,计算输出地面系统的配置方案,包含符号速率、发射功率等。

SCS负责根据PCS设计的方案生成载荷配置并根据指示的时间表执行有效载荷重新配置。在有效载荷配置生成方案发送到卫星前,有必要验证有效载荷配置的可行性。在定义配置方案时不仅考虑初始配置和可实现配置之间的增量生成,而且还要考虑几个约束条件。默认情况下会考虑几个标准,比如最小化命令的数量(最常见的一个),最小化所有波束/通道的总停机时间,或者最小化最高优先级的通道/波束的停机时间。

GMV公司的解决方案支持高通量通信卫星有效载荷的操作和重新配置管理,与相关的外部系统集成,从接收来自SCT的有效载荷重新配置请求到与SCS协调执行重新配置,从而提供端到端的操作自动化能力。借助此工具,有效载荷工程师将能够更高效、更可靠地执行有效载荷重新配置,特别是复杂的灵活有效载荷。

2.3 SES公司DTP资源分配系统

SES公司在2018年发射的SES-12和SES-14卫星上验证了DTP资源分配系统,将开源软件架构SPELL扩展至DTP运营,并嵌入由航天器制造商提供的DTP运营所需的专用有效载荷控制软件(Payload Control Software,PCS)中[12]。以此为基础,SES公司联合Kythera空间解决方案公司(Kythera Space Solutions)为SES-17卫星开发了自适应资源分配系统。

SES公司的DTP资源分配系统采用地面资源管控系统架构,DTP有一个低级的命令接口,这些命令定义了每个ASIC的配置,产生新的路由通道。PCS的主接口通过TCP/IP发送命令,生成了一个GUI,该GUI使用相同的界面作为测试界面,模拟地面站软件,并为运营商提供DTP状态的完整视图。

最终的DTP资源分配系统如图5所示[12],蓝色部分表示传统卫星的遥测遥控功能,红色部分表示DTP资源分配系统的功能。DTP资源分配与传统遥测遥控系统兼容,接收卫星和DTP下传的遥测参数,并生成DTP配置方案通过遥控链路(或高速链路)发送到星上,完成星地一体的资源分配过程。

2.4 卫讯公司容量自适应调整系统

卫讯公司面向未来高通量卫星通信系统,提出了支持更灵活的覆盖区域和空间容量分配的资源管控系统。整个系统包括:终端、信关站、资源管控系统、用于定义每个帧的时隙分配、通过跳波束技术实现系统前、返向容量分配等功能[13]。

资源管控系统架构示意图如图6所示,地面部分根据用户需求进行时隙的划分和BFN配置参数的生成与上传,星上部分为一个独立单机,名为权重处理器(Beam Weight Processor,BWP),负责接收所有波束和所有时隙的波束权重并按照时间表执行权重配置方案,包括波束权值、驻留时间、路径增益等信息,另外,BWP向地面反馈执行情况。在实际使用过程中,波束跳变的时隙非常短,通常为毫秒量级,传输权值系数矩阵可能会造成时延过大的问题,卫讯公司采用预先计算几十个权重集的方法,并将其上传到卫星的BWP中。通过地面上的一个简单命令,指示在什么时间使用哪个权重设置,这些权重设置可以随时切换到操作状态。这允许在不需要上传大量信息到BWP的情况下切换权重集。

图6 卫讯公司的资源管控系统架构

在传统的通信卫星系统中,前向链路和返向链路是两个独立的传输系统,两个传输系统之间的容量分配是固定的。卫讯公司提出的基于数字BFN的有效载荷架构可以支持前、返向容量任意配比,这是因为馈电链路上行的信号与用户侧上行的信号进入同一台数字BFN,通过波束赋形可实现用户波束数量与馈电波束数量的调整,馈电下行和用户下行的波束同理。通过资源管控系统对波束、时隙、信关站、路径信息的优化更新有效载荷的权值系数,灵活地将信关站映射到用户波束,实现每个时隙前返向容量的优化调整。

2.5 ETS-9资源管控系统

工程试验卫星-9(Engineering Test Satellite-9,ETS-9)的有效载荷分为两部分,一部分是灵活波束载荷,指HTS的波束位置与形状可根据用户需求灵活调整,对应的灵活载荷为数字BFN;另一部分为固定波束载荷,指HTS的波束带宽与频率计划可根据用户需求灵活调整,对应的灵活载荷为DTP。ETS-9卫星的资源管控系统如图7所示[14],地面系统的网络运行中心(Network Operation Center,NOC)中包含了“运行调度”和“卫星通信系统控制”模块,“运行调度”模块考虑通信业务量和天气变化,计划上行/下行波束参数(包括灵活波束的激励系数)和上行/下行波束与波束之间的路由关系。“卫星通信系统控制”模块生成地面系统与载荷的资源分配方案。卫星运行中心(Satellite Operation Center,SOC)根据NOC的方案,生成关于通信任务有效载荷配置的指令,并将其发送到卫星上。SOC还接收关于通信任务有效载荷状态的卫星遥测数据,并在合适的情况下告知NOC。在“任务(固定/灵活)SOC”中,定义了各种卫星运行程序(Satellite Operation Program,SOP),以实现运行调度的频繁变化。SOP是卫星指令的宏观指令。通过选择、调度和设置每个SOP的参数,可以很方便地创建于所需任务运行相对应的命令程序。

3 高通量卫星资源管控系统发展趋势研判

随着HTS有效载荷越来越复杂,波束数量越来越多,国外各卫星运营商和制造商均意识到,必须有一些工具来帮助运营商使用他们的新的载荷。高通量卫星资源管控系统能够支持灵活有效载荷的操作和重新配置管理,它与相关的外部系统集成,包括NMS、NOC、SOC等地面控制系统。借助资源管控系统,运营商能够更好的使用卫星资源,提升资源利用率。根据国外发展情况的调研,总结资源管控系统的发展趋势如下。

1)资源管控系统成为灵活高通量卫星的标配

随着灵活放大器、DTP、多波束有源阵列天线等灵活载荷技术越来越多地被采用,HTS的覆盖区域、频率、转发器带宽、放大器功率资源等都不再是固定的,而是形成可按需调配的“资源池”。资源管控系统能够统筹利用星上资源的能力,支持运营商开展更加多样化的业务,能够针对不同区域/用户的需求提供更加定制化的服务,成为未来灵活高通量通信卫星系统的标配。

2)星地一体发展是资源管控系统的重要趋势

资源管控系统管理的资源包括星上灵活载荷、地面信关站、终端等设备的配置,是系统级的关键技术。从国外发展情况来看,资源管控系统的通用功能包括:业务需求分析、任务规划、资源分配解决方案、载荷配置与监视、干扰分析等。目前,大多数的资源管控系统均采用地面资源管控系统架构,地面部分与地面系统交互,根据用户需求生成地面信关站、终端、星上有效载荷的配置指令,星上部分开放指令接口,接收地面指令完成对有效载荷的配置。SES公司、Viasat公司等也提到,当星上存储、计算的硬件能力不断提升,资源管控地面部分的一些功能会移植到星上,采用星载资源管控系统架构来减少星地传输的时延。

3)资源管控系统面向移动终端及特种用户的资源分配成为新兴发展方向

机载、船载等典型的高通量卫星应用对卫星容量随时间、区域不同具有较大差异。这就需要实时的星地一体资源管控技术来满足容量的实时、动态调配,以降低单位带宽的成本,并保障用户的通信质量。对于军事应用、政府企业类应用,如果客户需要在任意覆盖范围内实现点对点连接、实现自组专用网,且业务对安全性、可用度有较高要求的话,开放式架构的高通量卫星系统的推出,将成为更加合理的选择。

4)人工智能技术在资源管控系统中的应用越来越广泛

对于卫星运营商来说,星地一体资源管控系统具备对需求变化快速的响应能力、对服务应用快速的适应升级,越来越成为运营商之间角力的关键所在。随着人工智能技术的发展,国外研究机构和运营商已开展基于人工智能的资源管控算法研究,分别适用于地面资源管控系统与星载资源管控系统架构。通过海量数据进行人工智能模型训练,面向动态需求实现一段时间系统收益最大等目标,开展高通量卫星系统功率、带宽、波束宽度、频率、时隙等多维资源的快速联合优化,提升系统使用效能与用户服务满足率。面向后续多系统多类型资源,人工智能技术将发挥更重要的作用。

4 结束语

本文对高通量卫星资源管控系统的需求与发展进行了介绍,从地面资源管控系统和星载资源管控系统两方面进行分类和总结,为后续国内开展高通量卫星资源管控技术的研究提供了技术支撑。同时,通过对国外高通量卫星资源管控系统最新研究进展的分析研判,资源管控系统是高通量卫星必不可少的组成部分;面向航空、航海等移动终端及特种用户等新兴市场,资源管控系统能够提升系统资源利用率,是高通量卫星不断拓展应用场景的关键点;随着星上处理能力与存储能力的提升,星载资源管控系统架构也成为有潜力的发展方向而受到运营商的关注;同时,基于人工智能算法的资源管控系统成为后续发展的重要方向。