高通量衛星網絡動中通用戶站越區切換技術

孫 斐，程 敏，馬培博

(1.中國人民解放軍32381部隊，北京 101121；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛星通信具有覆蓋范圍廣、建網靈活、不受地理條件限制等優勢，在國家應急通信、遠程教育、遠程醫療、村村通、電視廣播、數據采集與監控、行業應用等領域有著廣泛應用[1-2]。高通量衛星(High Throughput Satellite,HTS)通信系統采用多點波束、極化復用、頻率復用、高波束增益等技術，可提供比常規衛星高出數十倍的容量，目前已成為主流方向[3-4]。

動中通系統很好地解決了車輛、船舶、飛機等移動載體在運動中，通過地球同步軌道衛星實時、不間斷傳遞語音、數據、高清晰動態視頻圖像等多媒體信息的難題，是當前很多國家和地區需求旺盛、發展迅速的衛星通信應用領域。

由于高通量衛星具有多點波束、多信關站、多星覆蓋等特點，動中通站型移動過程中，利用高通量衛星資源進行通信時存在波束切換、信關站切換等問題，影響用戶業務通信質量[5]。

本文針對動中通用戶在高通量衛星網絡中越區切換場景進行分析的基礎上，提出了越區切換解決方案，包括切換實際選擇、切換控制策略等。

1 切換場景分析

高通量衛星波束設置一般分為用戶波束和饋電波束兩類，用戶波束為多點波束，饋電波束根據系統容量的不同可設置多個。針對衛星波束的設置，一般在每個饋電波束設置一個信關站，這樣多個饋電波束將對應多個信關站[6]。多個信關站間使用地面網絡進行互連，從而將多波束星狀網絡連接為一體。典型高通量衛星通信網絡結構如圖1所示。

圖1 典型高通量衛星通信網絡示意Fig.1 Typical high-throughput satellite communication network

高通量系統中當動中通用戶站從一個波束移動到另外一個波束時，需要對點波束通信鏈路進行切換。動中通站型移動過程中，切換場景包括波束切換、信關站切換以及衛星切換3種。其中，衛星切換總是伴隨著波束切換和信關站切換；信關站切換也總是伴隨著波束切換[7]。因此，所有移動過程的切換場景均是在跨波束切換的基礎上實現的。波束切換示意如圖2所示。

圖2 動中通用戶越區切換示意圖Fig.2 Schematic diagram of mobile communication user switching over area

2 跨波束切換方案

動中通用戶跨波束切換包含跨波束切換時機選擇、跨波束切換處理和跨波束資源調度三部分。

跨波束切換時機選擇在用戶站進行，根據本站的地理位置信息，結合衛星波束覆蓋信息，計算是否處于波束邊緣，若處于波束邊緣則計算最近的目的波束，并向信關站發起越區切換[8]。

跨波束切換處理由用戶站和信關站協同進行，通過對目的波束下信號強度的比較，決策是否進行切換[9]。

跨波束資源調度由信關站進行，將該站在源波束下的資源釋放并在目的波束下為其分配衛星信道資源[10]。

完成以上過程后，用戶站在收到波束切換指令后，切換調制解調器參數，在目的波束下進行信號發送與接收，維持原有通信鏈路不中斷。

2.1 切換時機選擇

跨波束切換時，用戶站需要獲知多點波束的邊界信息和自身的位置信息，然后根據位置的比對判斷所處波束，用戶獲知點波束邊界信息可采用預存儲或在線下載方式。

衛星天線多波束中每波束寬度約1°，根據衛星設計及指標數據，整個壽命周期內天線指向精度誤差小于0.1°，因此天線抖動引起波束邊界指向增益變化為1.1°和0.9°波束寬度間的增益差值[11]。多點波束0.1°的邊界位置抖動范圍約60 km，在波束邊界引起的增益波動約1.7 dB。

考慮到波束抖動引起的指向誤差，越區切換的位置邊界判斷以波束最大抖動點即約1.1°為基準進行使用。系統進行最低傳輸能力設計與估算時，也同樣以1.1°波束邊緣為基準進行。越區切換使用的波束邊界示意如圖3所示。

圖3 多點波束越區切換使用的波束邊界示意Fig.3 Beam boundary indication used for multi-point beam over-zone switching

由于同步軌道衛星位于赤道平面，我國大部分地區均為傾斜覆蓋，點波束在地面的覆蓋非圓型，在進行波束邊緣判斷時，為了精確判斷波束邊緣位置，需要考慮波束覆蓋的實際情況，衛星點波束覆蓋如圖4所示[12-13]。

圖4 波束覆蓋與衛星關系示意圖Fig.4 Diagram of relationship between beam coverage and satellite

以地球圓心為坐標系原點(0,0,0)，地球半徑為R，衛星坐標為(h,0,0)，h為衛星到地心的距離。h≈43 117 km,R≈6 371 km。

假設衛星在東經110.5°上空，波束中心點在東經115.78°，北緯20.76°，那么波束中心點坐標為：

(Rcos 20.76°cos(115.78°-110.5°),Rcos 20.76°sin(115.78°-110.5°),Rsin 20.76°)，以下簡稱(x0,y0,z0)。

波束以圓錐狀投射到地球表面，該圓錐的中軸線是波束中心點到衛星的直線，假設中軸線與圓錐母線偏移角為t。圓錐體的方程為：

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z]≤0,(0≤x≤h)。

(1)

波束覆蓋在地球的曲面S為圖中陰影部分，方程表達式為：

(2)

取地球上某點(波束中心點附近)，求出坐標帶入方程式中，值為負則在區域范圍內，值為正則在區域范圍外，等于零則剛好在邊界上，并且值越接近零距離邊界越近。

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z],x≥0。

(3)

將該公式化簡得，

(x0-h)(x-h)-y0y-z0z。

(4)

結合衛星波束抖動分析和波束覆蓋分析，為動中通用戶站發起越區切換提供更合適的切換時機，向信關站發起越區切換請求，越區請求中應包含用戶站源波束和目的波束。

2.2 跨波束切換處理

在高通量中，每個波束的載波參數獨立，用戶站跨波束時，需要獲取目的波束的載波參數和目的波束的鏈路狀態，否則存在通信中斷的問題。因此跨波束切換處理的主要工作是對用戶站在源波束和目的波束下的鏈路狀態進行比較，決策是否進行跨波束切換，核心是選擇合適的兩個波束下的比較信道[14]。

高通量衛星通信系統可分為前向大波束返向多波束高通量衛星通信系統和前返向均為多波束的高通量衛星通信系統，對于前者，在用戶站跨波束切換時，前向大波束返向多波束系統的前向鏈路不變，返向鏈路切換；對于后者，前返向鏈路均需要切換。因此本文設計了一種基于返向鏈路接收狀態的對比信道，用于用戶站源目的波束下的鏈路狀態比較。

圖5為用戶站跨波束切換幀結構示意圖，分別為源波束前向載波和返向載波、目的波束前向載波和返向載波。用戶站在跨波束前僅接收源波束前向載波，信關站在源波束前向載波中發送越區切換信息，越區切換信息中包含目的波束載波信息、越區切換控制信息等；用戶站在源波束返向載波申請時隙發送申請突發，在目的波束返向載波探測時隙發送探測突發，信關站接收申請突發和探測突發，用于比較用戶站在兩個波束下的鏈路狀態[15]。

圖5 用戶站跨波束切換幀結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of user station cross-beam switching frame structure

信關站收到用戶站跨波束切換請求后，處理流程如圖6所示：

① 信關站在用戶站未越區前，處于等待用戶站越區請求狀態，為用戶站在源波束返向載波分配申請時隙，接收用戶站發送申請突發，并統計接收用戶站在該波束的接收狀態；

② 信關站收到用戶站跨波束切換請求后，查詢目的波束是否有可用資源，若無可用資源，則拒絕本次切換申請，若有可用資源則進入步驟③；

③ 信關站通過用戶站源波束前向載波的越區輔助信息時隙向用戶站發送目的波束載波配置參數；

④ 信關站為用戶站在目的波束返向載波中分配探測時隙，并通過越區輔助信息時隙發送給用戶站；

⑤ 用戶站在探測時隙發送探測突發；

⑥ 信關站收到用戶站探測突發后，與接收該站的申請突發的接收狀態(接收信噪比)進行比較，若探測突發的信噪比更高，則進入允許該站進行越區切換，否則重復步驟④。

圖6 信關站跨波束切換處理流程Fig.6 Processing flow of cross beam switching in signal station

2.3 跨波束資源調度

信關站在允許用戶站進行跨波束切換后，需要統一調度源波束和目的波束的資源分配，保證用戶站在切換前后的通信鏈路不中斷，資源調度過程如圖7所示。

圖7 跨波束切換的資源調度Fig.7 Resource scheduling for cross-beam switching

信關站確認可進行越區切換后，在新波束內檢測資源的可用性。如果新波束內可用資源充分，則在現有載波上進行時隙資源預留或擴展新的業務載波以供切換使用；若新波束內可用資源緊張，難以保證用戶站的所有業務傳輸需求，則根據業務優先級進行調整，保證用戶站高優先級業務的傳輸，無法保證資源時暫緩切換。在新波束資源檢測過程中，用戶站保持在原波束內的資源占用，保證業務傳輸的持續[16-17]。

資源檢測完成后，信關站將切換命令下發至用戶站等待手動確認的反饋信息，或信關站直接自動進行切換。信關站直接在新波束內進行時隙資源的分配，同時釋放原波束內的資源占用，用戶站接收并執行時隙資源分配結果，在新波束的載波頻點上進行數據接收與發送，切換過程結束[18]。

整個波束切換過程由信關站統一管理，兩個波束內的資源調度與業務分配優先級可同時執行。

3 結束語

本文在考慮高通量衛星多點波束使用特點的基礎上，對跨星跨波束的切換場景進行了分析，設計了適用于波束切換的幀結構和切換流程，以及資源調度方案。該方案能夠保證用戶站在切換前后的通信不受影響，避免出現因切換而導致的通信中斷現象。采用該方案能夠保證用戶使用過程中的流暢性和系統的穩定性。

由于高通量衛星為提高系統信道容量，采用兩種極化方式，相鄰波束的極化方式可能不同。動中通用戶站波束切換時，切換前后的極化方式可能不同。極化切換分為手動極化切換和自動極化切換兩種，均需要1 s左右才可完成極化切換，造成通信的短時間中斷；由于高通量衛星網絡可以同時利用多顆衛星構建，因此存在跨星切換問題。跨星切換時，機動站天線需要調整所跟蹤的衛星，天線轉星過程中通信暫時中斷，為了獲得更好的用戶體驗，建議在進行跨星切換時，用戶站配置雙天線。