基于用戶位置的低軌衛星波束關閉方法分析

張家芳

（國家廣播電視總局二O二二臺，新疆 喀什 844000）

1 低軌衛星系統結構與特點

目前，低軌衛星系統多采用多波束天線，具有良好的覆蓋性能，已經成為多用戶高通量衛星通信的關鍵技術。不過，近地軌道衛星在運行時相應軌道具有固定的特征，且所有的軌道衛星位置都遵循特定規律，當衛星的實際飛行方向為低緯度到高緯度狀態時，必然會導致兩個衛星的間距減少，重復覆蓋的范圍擴大，部分區域的波束出現重疊應用的現象，不僅會造成資源浪費，而且也會帶來波束間互相干擾的問題，嚴重影響衛星通信質量和衛星系統性能。與普通的衛星系統一樣，低軌衛星系統的結構也具有三個組成部分；控制中心、地面段以及空中段，如圖1所示。

圖1 低軌衛星系統的組成結構

該系統的顯著特征就是全球范圍內都覆蓋了低軌衛星群，只要處于地球圍著的用戶，都可以借助于衛星群實現即時通信，即在任何地點或時間與地球上任何位置其他用戶進行通信。低軌衛星系統通信設計的主要特點如下。

（1）低軌衛星系統的星座是由多顆在軌衛星按照特定設計組成的，以便于低軌衛星系統能夠對用戶進行多方位的覆蓋。

（2）低軌衛星系統相較于中軌或高軌，其與地面的距離相對較小，因而衛星在進行信號傳輸時的延時更短，信號的傳輸也不會產生過大衰弱，更容易實現用戶定位。

（3）低軌衛星系統的衛星體積小，制造成本低，有利于在通信功能上的簡化。

（4）系統衛星群規模較大，衛星的數量比較多且各衛星都處于快速運行狀態，因而產生的衛星間交換運動比較頻繁，其多普勒頻移十分明顯，這會讓衛星控制的難度大幅提升。

2 低軌衛星及多波束天線建模

2.1 低軌衛星建模

低軌衛星星座系統在現階段主要有銥星系統和全球星系統兩種。銥星系統由空間段、系統控制段、用戶段、關口站段4部分組成。全球星系統由衛星星座、衛星控制中心、地面關口站、用戶組成，基本與銥星系統相同，主要區別是全球星系統融合了衛星網絡和地面網絡，切實實現了在全球范圍內的個體用戶移動通信。本文研究基于用戶位置的低軌衛星波束關閉方法，銥星系統能夠為模擬分析提供更加精準的結果。使用STK仿真軟件建模，采用近圓極軌道星座，由66顆衛星開展通信服務就可實現對地球的全面覆蓋，并均勻分布在6個軌道面上，可設置6顆備用衛星，為降低軟件計算量，不進行備用衛星的設置。設計軌道高度780km，軌道傾角86.4°，除了第一與第六軌道面外，其他相鄰軌道面間隔為31.6°，相鄰軌道內衛星相位差為16.36°。在STK仿真軟件中建立LEO衛星星座模型，生成各個衛星的軌道數據文件，再將這些軌道數據導入OPNET網絡仿真軟件中，確保衛星軌道布局的合理性[1]。

2.2 多波束天線建模

在低軌衛星的銥星系統完成建模工作后，為每個衛星配備3副相控陣天線設施，其中每一副相控陣天線產生的點波束量都為16個左右。在實際建模中參考過往記錄中的銥星系統波束特征，以使多波束天線更符合實際情況。多波束天線與的功能與一般的衛星網絡相同，也包含了對尋呼并更新用戶位置的主要功能，在模擬中依然需要克服用戶移動性帶來的衛星系統用戶位置管理難點。另外，在實際情況下低軌衛星系統進行用戶位置更新與尋呼都會占用一定的網絡資源，衛星會產生功率消耗，在多波束模型中降低了用戶位置的信令代價，也將相鄰波束的重疊覆蓋面積進一步減小，能夠更為客觀準確地反映出衛星個體的多波束覆蓋狀況。在OPNET軟件中各波束用φ和θ符號表示，φ符號表示單個二維圓錐的表面值，這種表面需要被轉換為坐標系的二維函數形式，而函數的橫坐標就是θ，縱坐標為天線增益。不過，銥星系統的天線增益數值是保密的，只能根據實際情況分析，近似擬合的方式獲得天線增益。OPNET天線建模方式分為圖形化與文本化兩種，圖形化比較直觀，但不夠精準，而在部分天線模型上會有數千個點位需要刻畫，會產生較大工作量。因此，在多波束衛星天線建模中采取文本方式。

3 基于用戶位置的低軌衛星波束關閉方法

3.1 確定用戶覆蓋

以低軌衛星系統的衛星網絡實際運行為參考，在進行用戶覆蓋確定時，以全面覆蓋為基礎，進一步探析適合低軌衛星通信的關閉波束手段，從而減少系統的干擾作用，盡可能節省波束資源，降低用戶切換情況。

在衛星三維坐標中，低軌衛星本體可被看作是原點，其X軸表示實際運行方向，Z軸則表示衛星面向地球的方向，Y軸運用左手定則來進一步確定。需要注意，低軌衛星通信系統與地面通信系統不同，不同軌道層面產生的波束會以不規則橢圓形狀來呈現覆蓋區域，因而不可將其看作圓形波束覆蓋區域來計算低軌衛星通信網絡。還需進行空間關系的構建，主要依據用戶實際位置及衛星朝向用戶的波束指朝向方向，充分結合波束指向的方位角、俯仰角以及半波束角等來呈現出空間覆蓋關系與范圍，具體示意情況圖見圖2。其中，α角表示衛星位置S與用戶U之間從北向東偏離的角度值。同時，其星座軌道之間傾角用β來表示，若是對衛星運行方向及相對于用戶位置進行計算，還需考慮衛星與用戶之間所夾的地心角，從而得到用戶相對衛星的仰角[2]。

圖2 用戶方位角示意圖

在實驗過程中會不斷模擬波束指向衛星與用戶之間的空間夾角變化。若是波束具體指向和波束到達用戶的指向之間所形成夾角與該波束實際寬度的一半數值相比較小，那么就可認定該用戶位于波束的實際覆蓋區域，反之則不處于覆蓋區域。

3.2 基于用戶位置的波束關閉

波束關閉方法應當是動態式的，衛星可以根據通信網絡中用戶覆蓋的情況以及衛星通信網絡中其他衛星波束覆蓋狀況，對開關重疊部分的波束進行選擇，就可能進一步節省波束，也能降低乒乓切換頻率，從而提高衛星系統的性能。為了確保用戶在波束的覆蓋范圍內，應對網絡中重疊波束盡可能完全關閉，讓網絡服務波束的數量向著最小化變化。這就需要模擬可關閉波束集合來得出最優解，而且要清楚在衛星網絡中存在一個用戶被多個波束覆蓋的情況，在這種情況下，最優解并非唯一解，可能存在兩種或多種選擇方案。為了避免方案選擇的沖突，依然要求解出最優解，也就是增加極小碰撞集問題。簡單來說可將解決較小碰撞集問題看作衛星通信系統在用戶覆蓋上得到的局部最優解，避免關閉波束存最優解迅速確定難度較大的現象出現。

在此基礎上，對波束進行關閉的集合進一步運用貪婪算法來計算，將集合組成為集合簇，對集合中出現次數最多的元素進行查詢，隨機選擇一個元素進行計算，之后更新集合簇，反復重復此循環直至得出當前衛星網絡可以關閉的波束集合。此計算循環還需注意得出決策時間的間隔，同軌道中相鄰衛星經過同一緯度時存在一個間隔周期，且統一軌道上均勻分布11顆衛星，需要根據用戶被波束覆蓋的時間來將整個軌道波束覆蓋周期進行劃分，用戶在不同波束覆蓋情況下的進入和移出波束覆蓋區的時刻為計算時間，其中計算時間的間隔取決于用戶被覆蓋狀態改變的時刻，而且周期必須被劃分為有限個時域，用戶被覆蓋狀態改變的時刻必須是時域內的任意數值，才能得到準確的波束關閉決策時刻。

3.3 用戶位置預測

在基于用戶位置的波束關閉方法中，衛星和用戶都存在移動性，對用戶位置進行預測，將提前且更加準確地得出用戶位置信息，從而使波束關閉方法的效果得到提升。在低軌衛星系統的用戶中，高速用戶占比較大，包括高鐵、飛機等，這些高速用戶具有速度快的特點，但是方向改變的幅度較小。先要針對高速用戶開展位置預測，根據用戶位置的尋呼架構以及速度方向和速度大小來預測用戶當前所處波束區域，并以此預測用戶后續進入的波束區域，以此來提前預測波束區域的開關，使部分波束可以長期關閉，部分波束也能夠提前啟動，來滿足高速用戶的通信網絡服務需求。而低中速用戶的移動速度較慢，用戶方向改變的隨機性很大，用戶移動變化不太顯著。因為要想精準預測用戶位置，可以基于馬爾卡夫預測模型的構建，在波束覆蓋范圍內提出“層”的概念，包波束覆蓋區域內會呈現出環狀用戶位置劃分，且在最中間區域的用戶位置被更新后單獨構成以環，之后以此向外層擴展環的數量，以此類推。在環形區域中模擬每層之間的轉移概率，將位于層邊的頂點用戶與非頂點用戶的轉移概率進行綜合分析，得到每層之間的轉移概率。將低軌衛星用戶在波束覆蓋區域內的移動模擬成一個二維的隨機移動模型，并根據每層情況以此計算出第n層轉移至第n+1層的概率，層內波束的關閉優先級應當按照用戶的優先級順序進行計算，這樣就可以采用波束關閉方法預測用戶位置變化，提高波束開關的效率。

4 模擬結果與分析

4.1 結果

使用OPNET網絡仿真軟件搭建模擬場景，再由STK仿真軟件生成星座軌道數據文件，并導入OPNET場景中，得知用戶在不斷波束區域、不同緯度分布，波束關閉方法能否有效實施，模擬總時長為3600 s。針對網絡中出現的切換次數進行計算，并在衛星網絡中落實波束間切換和星間切換，在衛星的支持下對相關切換請求進行發動與傳遞，同時落實對相應切換次數的精準記錄與保存。低軌衛星網絡的覆蓋特點決定了波束密度會隨著用戶緯度的升高而逐漸增加，相較于低緯度區域，高緯度用戶的切換頻率更明顯，而采用波束關閉方法后，切換頻率降低在高緯度地區的表現也更加明顯。

還需統計衛星網絡中乒乓切換次數，乒乓切換主要集中在波束覆蓋重疊區域，分析乒乓切換次數將得到用戶處在波束覆蓋重疊區域內的通信網路頻繁切換頻率。很顯然，在高緯度地區乒乓切換次數隨著波束密集程度而表現為低緯度區域的兩倍之多，波束資源浪費很嚴重。在采取波束關閉方法后，高緯度地區切換次數明顯減少，而且在用戶位置預測功能的支持下，高緯度地區可以避免不必要的乒乓切換情況發生。在未采用波束關閉方法前，高緯度地區乒乓切換率可達到10.95%，對實際通信的網絡質量產生不利影響。但若將波束關閉，則高緯度地區的乒乓切換率會進一步降低到7.05%，而采用基于用戶位置預測的波束關閉方法后，高緯度地區乒乓切換率降低至5.05%，規避掉了一部分無效乒乓切換，對于乒乓切換以及通信網絡質量都有著顯著改善。

4.2 分析

從波束關閉方法模擬仿真的結果來看，波束關閉方法有助于低軌衛星通信網絡的高質量發展，可顯著提升低軌衛星系統波束資源的利用率。不過，在模擬仿真過程中也存在兩方面對衛星系統性能影響的因素。一方面是仰角對衛星波束誤碼率的影響，在衛星仰角較小的時候，到達用戶的直射量與阻礙量都比較小，兩者的關系隨仰角的增加而不斷拉大，直至用戶離開波束范圍內進入其他波束范圍，這其中的過程存在用戶接受存在失真系數的情況，在衛星通信網絡中為了避免失真就要限定最大仰角，可以得到更高尋呼成功率。只是低軌衛星運動較快，仰角變化較快，波束位置更新頻率也較快，需要考慮最長的覆蓋時間。

另一方面是衛星系統采取預測用戶位置的方式將會增加系統分析計算的性能消耗。現階段，預測波束關閉與即時波束關閉相比并沒有顯著優勢，特別是針對高速用戶的位置預測將會增加尋呼開銷，是犧牲用戶位置預測的開銷，還是提升用戶位置的預測質量需要低軌衛星系統在構建時進行評估。

5 結束語

通過對基于用戶位置的低軌衛星波束關閉方法的模擬分析，可以明確得出低軌衛星波束關閉方法對衛星網絡通信和波束資源利用有著較大的提升，本文利用基于用戶位置預測的方法建立衛星系統模型，驗證了波束關閉方法的可行性與可靠性，從結果可知，波束關閉方法對于低軌衛星系統有著顯著提升。■