基于波束跳變的地球同步軌道衛星網絡管理策略研究

葉 磊

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050000）

1 系統模型的構建

1.1 跳波束的時隙模型分析

在處于多波束衛星系統中，波束賦形天線在這個區域內會形成K個點波束，Btot為總帶寬，可使用跳波束將系統總帶寬以實際作為單位均勻分配給各波束，總長度為W，Ts為最小時隙分布單元，系統能夠根據各部分波束業務需求為其分配對應的時隙。通用跳波束允許Nmax個波束在同一時隙內工作。為簡化該系統需要均勻進行分簇，第i簇頻譜效率為ηi，則分配給該處的容量如下公式所示。

利用跳波束系統實際分配矩陣T能夠用于表示波束與時隙之間的關系，在該公式中T（i，j）=1可表示時隙j分配給波束i，而T（i，j）=0則表示時隙j未分配給波束i。

1.2 同頻復用距離

在系統中跳波束系數能夠分為全頻率復用以及部分頻率復用，在使用部分頻率復用過程中，衛星總帶寬能夠被分段，每個不簇只有部分帶寬處于工作狀態，這種方法是以犧牲頻譜利用率作為代價，進而能夠避免同頻率干擾。而在使用全頻率復用的基礎上，每個簇處于工作狀態的用戶波束可使用衛星整個可用帶頻，其能夠顯著提升頻帶利用率。因此本研究使用全頻率方案。為能夠減輕同頻因素的干擾，對于較遠距離波束可使用空間隔離的方式實現復用，對于較近距離波束可通過時間隔離的方式實現復用，并引入了左、右旋極化，結合國際電信標準要求信噪比與頻譜效率曲線為分段函數，表示不同信噪比對應相同頻譜效率。

使用相同頻率波束處于工作狀態時不可避免會出現同頻干擾的問題，但有同頻干擾的基礎上能夠確保系統頻譜效率保持不變，進而計算同頻復用距離是切實可行的。假設功率足夠的基可滿足業務需求，且各波數分配功率一致。根據文獻同頻率的干擾增益因子如下公式所示。

在該公式中J1和J3分別能夠代表第1節和第3階第1類貝塞爾函數，信號入射與波束中心指向夾角為R=H為各點波束半徑，λ為信號波長，RD為同頻復用波束圓心距離，衛星軌道高度為H，上下行鏈路的SINR，可分別將其表示為SINRup和SINRdown，如下公式所示。

通過對該公式進行計算可獲得信噪比，從距離較遠波束增加同極化波束，結合國際電信標準中信噪比和頻譜效率的關系，可以發現在距離為2R位置時增加同極化同頻波束，會減少頻譜效率。對于距離較近波束能夠通過左、右旋極化的方式能夠防止同頻干擾，但無法避免由于中心波束位置錯開時隙分配的干擾。

2 跳波束時間分片機制

跳波束時間分片以及波束駐留，構建高效時間分配結構，明確具體參數是跳波束系統目前急需解決的問題，結合全局資源實現高效調度的目的，并將提出基于時間分片機制，可通過動目標優化以明確關鍵參數。

下列參數中跳波束時隙即BHS，是指波束駐留時間，是分配給某一波的最小持續時間。根據容量需求以及qos給各波束對應時間實際個數，跳波束時隙是物理幀時間載體，其通常是以毫秒為單位的。跳波束周期即BHP，是指一次電力分配的跳波束時隙序列需花費的時間，各個波束所處突簇集合是通過動態分組策略來獲取，所分配的各跳波束時隙個數以及周期順序是由波束跳變策略來獲得的。時隙切換時間即SS，是指保護時間，從一個波束切換到另一個波束需要耗費的時間延遲，可在一個或多個跳波束之后開展。波束重訪時間即RVT，是指各波束將所分配的跳波束時隙資源塊彼此之間的間隔時間，由于波束重訪的時間通常比較大，會從一定程度上影響用戶終端同步，即便在特定跳波束周期中某波束無業務需求，但需要在該周期分配一個跳波束值，并且在該時隙中進行廣播、同步等信令。跳序號即HN，是指跳波束實際序號，其也是跳波束時隙數字標識符，通常第一個跳序號為1，在每個波束結束之后可重新初始化為1。當其與波束標識符成對使用情況下，跳序號作為惟一標識符。跳波束時間計劃即BHTP，是指資源動態分配時間，分別闡述計劃包含各部波束所分配的跳序號以及帶寬、載波頻率等相關參數。跳波束時間計劃需要結合用戶的申請業務，感知系統資源等多個因素，是根據網控中心提前生成的，能夠發送給地面系統以及衛星系統等。

從跳波束周期以及波束駐留的時間優化來看，在整個波束跳變周期中，系統資源全局調度周期可以用Tw表示，波束駐留時間中資源調度最小單位為Td，波束跳變周期為Tw以及波束駐留時間Td是系統資源高效利用的基礎。其中Tw表示能夠用于支持波波束數越多，但也會導致時延增加，Td越小表明系統資源的分配靈活性越強，但由于各波輸出的時間需同步捕獲時間，如果Td越小會導致資源利用率降低。綜合分析需要使用多目標優化的方式，以實現對波束跳變周期以及波束駐留時間實現同步優化，在滿足系統業務需求前提下，進一步實現全局資源的高效調度。如下公式所示為多目標數學優化模型。

在該目標函數中，第i個波束通信試驗間隔可以用τi表示，第j個波束分配系統容量用Cj表示。上述兩個目標函數能夠分別用于簇內波束最大通信時間間隔以及分配的總吞吐量。在處于約束條件下，簇內波束數目為Mb，系統同步最大保持時間為TD，波束同步捕獲時間為Ts，針對多目標優化的問題可采用整數規劃、神經網絡、最優化設計方法，進而確定復數跳變周期以及波束駐留時間。

3 波束跳變準則

結合業務需求可獲得跳波束周期范圍內各波束分配的跳波束時隙個數，尤其需要確定簇內部波束跳變條件圖案設計，該問題可轉換為跳波束周期中各波束的跳波束時隙排序問題。在處于某個跳波束周期范圍內，簇內波束可結合是否存在業務傳輸需求可將其分為非熱點和熱點區域波束，各個波束跳變策略以及具體流程需要遵循一定準則：

（1）對于熱點區域的波束系統其需要結合用戶的業務申請，并結合資源分配算法，能夠對熱點區域的波束分配情況和對應波束間隙完成業務服務。

（2）對于非熱點區域的波束則需要考慮波束重訪時間影響，主要是由于重返時間較大時會從一定程度上影響用戶終端同步，即便處于非熱點區域其波束在特定跳波周期范圍內無明顯的業務需求，這種情況下也應當在周期范圍內分配給一個時間波束時隙，且在該時隙中完成廣播、同步等相關信令。

（3）對于熱點區域的跳波束時隙以及非熱點區域的跳波束間隙可實現交替排序，進而能夠使終端用戶同步最大保持時間與波束重訪時間滿足下列公式。

在處于相同信道條件下，如果系統的波束業務需求較小，此時利用N階差分目標函數能夠忽略減少波束，而對于高業務需求波束來說，則能夠分配到更多的資源。公平性目標函數能夠確保整個系統的公平性，進一步為高業務需求分配相同資源。如果信道條件發生變化，則會結合各波束業務需求，利用公平性目標函數進行公平分配，以確保各波束業務需求能夠獲得相同滿足率。而在信道條件不同時，使用N階差分函數此時系統信道條件相對較好的波束相比信道較差的波束能夠獲得更多容量，因此需要結合實際系統參數和容量需求，選擇合理的優化原則。

4 結束語

總而言之，在本研究中針對地球同步軌道衛星網絡中波束跳變策略進行探究，利用該網絡采用跳波束策略進而實現用戶控制類信息傳輸，應用跳波束時能夠從一定程度上改變過去信令接入的方式，通過分析跳波束的運行壓力以及跳變策略，以實現系統資源的合理調度和高效利用，以期能夠提升地球同步軌道衛星網絡管理能力以及響應能力。