Ka高通量卫星通信系统波束切换技术的研究

陈拓　刘海客　王大印　郝晓强

【摘 要】目前我国地面通信网建设齐全，但机载宽带通信发展缓慢，而Ka频段高通量卫星通信系统的发展为我国机载宽带通信带来了新的契机。本文基于机载终端移动性的特点，针对Ka高通量卫星通信系统波束切换特性进行分析研究，提出了一种终端在高速移动状态下的波束切换策略。

【关键词】高通量卫星通信;机载通信终端;波束切换

中图分类号： V474.21文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）21-0219-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.102

Research on Airborne Satellite Communication Technology Based on Ka High-throughput

Satellite Communication System

CHEN Tuo LIU Hai-ke WANG Da-yin HAO Xiao-qiang

（Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100095，China）

【Abstract】At present， China's ground communication network is well established，but the development of airborne broadband communication is slow. The development of Ka-band high-throughput satellite communication system brings new opportunities for airborne broadband communication in China. Based on the mobility characteristics of airborne terminals， the beam switching characteristics of Ka high-throughput satellite communication system are analyzed and studied in this paper， and a beam switching strategy of terminal in high-speed mobile state is proposed.

【Key words】High-throughput satellite communications; Airborne Communication Terminal; Beam switching

0 引言

目前，卫星通信系统已成为世界电信结构中的重要部分，为世界各国提供电话、数据和视频等服务。卫星通信技术在国际通信、国内通信、移动通信和广播电视等领域都得到了广泛的应用。在我国，尤其是在山区、海岛等边远地区或灾区及远洋舰队等陆地通信不易覆盖的地区，卫星通信技术一直拥有着无可替代的作用。但在机载通信方面，我国目前刚处于起步的阶段，其普及率远低于北美、中东及欧洲地区，并且目前已具备通信功能的民航客机，因为可用带宽较窄，使乘客无法拥有较好的上网体验。

过去我国通信卫星主要覆盖到C频段和Ku频段，可用带宽比较窄，昂贵的频率资源使卫星通信很难应用在民航上。Ka频段大容量多媒体通信卫星较传统的C频段、Ku频段通信卫星具有多点波束、可用频带宽、频率复用、单点波束增益高等技术特点优势，系统容量高于传统系统十倍到百倍。基于Ka频段大容量多媒体通信卫星的Ka高通量卫星通信系統，能够使得卫星通信单位带宽的使用成本大幅降低。应用在民航通信上，可使用户在合理的经济开销内，拥有较好的上网体验[1]。

1 Ka高通量卫星通信系统简介

Ka高通量卫星通信系统由信关站和各类终端站组成。系统组成示意图如图1所示。

图1 Ka高通量卫星通信系统示意图

Ka频段大容量多媒体通信卫星一般为大容量多波束卫星，其有效载荷需包括1个或多个馈电波束和多个用户波束;信关站位于馈电波束覆盖下，信关站之间通过地面光纤网互联，每个信关站管理多个用户波束覆盖下的终端;主控站负责对全网资源和业务流量等的分配和管理，并配置交换设备或网关设备，通过光纤或有线链路与Internet等地面网相连。信关站主要分为网络管理器（简称网管，负责全网通信模式的配置及终端管理）、网络控制器（简称网控，负责全网的资源管理与分配）、基带子系统（负责信关站端的基带与中频信号的处理）、射频子系统（负责射频收发与变频）。

终端站位于用户波束覆盖下，根据所在区域不同，从覆盖该区域的用户波束所属的信关站获取服务。终端站支持终端站之间以及终端站和Internet等地面网用户之间的话音、视频、数据通信。

Ka频段大容量多媒体通信卫星的每个点波束只覆盖区域空间，相邻的点波束会有部分区域重叠。飞机在飞行过程中，必定会跨多个波束覆盖区域，所以在通信业务不中断的情况下跨波束切换，是机载卫星通信终端的核心技术点。

2 波束切换策略

2.1 波束切换基本方法

如图2所示，当终端在波束1的覆盖区域内移动过程中，从飞机的惯导系统中获取当前的位置信息，并实时向信关站发送移动性位置参数（经纬度，高度），当终端检测到相邻波束2时，发送登录波束和候选波束数据给网控，网控会记录终端当前的位置。当终端移动到波束1和波束2的边界切换点时，终端发送切换请求给网控，网控在预留资源同时将切换请求发送给网管，由网管根据波束负载决策切换[2]。飞机飞行速度一般为340m/s，波束重叠区域一般为几十公里，一般波束边缘区域表示其EIRP值比中心区域低5dB，出该区域其也可保持上线通信，因此为了避免乒乓切换，在切换判决上会在地理位置上留有一定余量。

为保证终端在波束切换过程中业务不中断，一方面终端要具备同时接收两个波束下载波的能力，另一方面，当飞机进入波束重叠区域时，网控要提前为终端规划候选波束的资源，待飞机飞过切换点时为终端及时分配资源。

2.2 波束切换流程

2.3 终端波束位置获取算法

由于在同一系统中，波束的大小并不是尺寸一致的，且对于不同波束，其G/T值和EITP值均有不同，则反映在模型中应为波束的尺寸不同，波束覆盖及尺寸的模型会在系统建设之初输入，因此对于终端所处位置的判定需考虑上述情况。

2.3.1 终端波束位置定位算法概述

（1）将波束建模为多边形，该多边形尺寸在覆盖范围上应比卫星系统所给波束（所给波束范围一般为中心点EIRP值跌落3～5dB）范围略大，而多边形的边界即可定义为切换边界，该方法可防止出现乒乓切换情况出现;

（2）考虑主站侧存储能力和计算能力可远超终端，因此在终端中模拟波束的多边形边数可定义为边数较少的多边形，即模拟精度略低，存储值较少，计算处理时间较短，而在主站中可用较多边数的多边形，尽量逼近波束覆盖范围[4];

（3）终端初步、快速的判定当前所处波束，向主站给出切换建议，由主站进行核准与精确计算，并反馈确认信息，如主站不建议却换，可给出不切换建议;

（4）波束位置确认算法采用PNPoly算法。

2.3.2 PNPoly算法原理

在实际中，切换波束会根据实际情况进行微调，并不是标准的正方形，此时，为了接近真实情况，切换波束应为不规则的多边形，所以规划的波束边缘由多个点组成。此时，不能够简单的使用临界经纬度来判断终端所在波束中。

利用W.Randolph Franklin提出的PNPoly算法，只需少量代码就可解决该问题。计算终端上报的经纬度点是否在当前波束范围内（由多个点组成的区域），此时的波束点数组为lng[N]={};lat[N]={}。如，d1区域：lng[4]={0，0，20000，20000};lat[4]={0，20000，20000，0}。把数组的值，赋给对应的结构体里面的经度和纬度。

根据Jordan曲线定理，多边形将平面分为内外两个区域，假设待测点在多边形内部，从待测点引出一条射线必然会与多边形有至少一个交点。该射线与多边形第一次相交时将“冲出”多边形，第二次相交将“进入”多边形，依此类推，若射线与多边形有奇数数量的交点，则该点在多边形内部，反之则在外部，此算法的优点是能够适应如凹边形等特殊情况，但是不能适用于同心圆等多边形内含多边形的情况[5]。PNPoly算法正是从待测点引出一条水平向右的射线，并计算与多边形的交点个数。

如图4所示，七边形之外的点，由于7-1，1-2，3-4，4-5，5-6这5条边都不符合（verty[i]>testy）！=（verty[j]>testy），所以需要验证6-7，2-3这两条边的（testx<（vertx[j]-vertx[i]）*（testy-verty[i]）/（verty[j]-verty[i]）+vertx[i]。通过验证可知，两条边都符合此条件，点在多边形外。

如上图所示，七边形之内的点，由于7-1，1-2，3-4，4-5，5-6这5条边都不符合（verty[i]>testy）！=（verty[j]>testy），所以需要验证6-7，2-3这两條边的（testx<（vertx[j]-vertx[i]）*（testy-verty[i]）/（verty[j]-verty[i]）+vertx[i]。通过验证可知，只有一条边符合情况，点在多边形内。

2.4 波束切换算法

2.4.1 测量周期

移动终端的位置测量周期与反馈周期应于移动终端的移动速度相关，对于机载终端，其应具有较短的测量周期与反馈周期。

测量的反馈是携带在终端向信关站发送的信令中，因此考虑飞机飞行速度与波束重叠区覆盖范围，反馈时间应低于飞机在波束重叠区边缘到切换点的飞行时间。

2.4.2 何时切换

为了合理的触发切换动作，需对移动终端何时提出切换请求作出分析，为了方便表示，后面的图示中将波束描述成圆形，但在实际系统中波束将被建模成多边形。且在实际系统中，不同波束的大小可能不同，因此在考虑切换算法时还需不同大小波束之间切换的场景。

为了避免乒乓切换的情况并提高切换成功率，在波束模型中引入切换余量，即当前移动终端所处波束的半径比实际情况设定的略大一些，如图5所示：

在移动终端的切换过程中，余量区域永远只作用于终端所处的当前波束，而对于待切换的候选波束，不采用余量区域波束，而使用正常的波束区域形式。

波束切换时机可按如下思路考虑：

如图6所示，波束1为当前波束的迟滞余量波束，当终端飞离波束1的时刻，终端提出切换申请，即终端穿过曲线PQ即触发波束切换申请。

判断方法如下：记录当前终端所处位置，判断与上一次所处位置是否发生当前波束内或当前波束外的状态变化，如发生，则触发切换申请。

如果在多个波束覆盖的情况下，有可能出现当切换发生时，有多个备选的待切换波束，这些波束根据移动轨迹的不同，有的可能是更优的备选波束，有的可能较差，但其实对于切换而言，由于考虑了迟滞余量，因此即便第一次选择的是较差的波束，也可在足够的时间内再次进行切换，因此，该方案中，在切换时当有多个备选切换波束时，可随机选择一个最有第一备选切换波束即可。

2.4.3 波束位置信息存储形式

（1）波束信息在主站和移动终端中，主要以多边形的形式存储，这样存储多边形顶点即可;

（2）针对每一个波束，需存储两种波束模型，一种为常规模式，另一种为切换余量模式，切换余量模式在半径上略大于常规模式，具体值仿真验证时确定;

（3）根据不同的场景选用不同的波束模型进行计算。

3 结束语

目前国内民用Ka高通量卫星正处于高速发展中，按照目前趋势来看，Ka宽带多媒体卫星的波束将会覆盖全国，届时将会给中国民用卫星通信，尤其是机载卫星通信带来高速发展的契机。相信在不远的未来，机载移动通信服务，并成为运营商和民航公司的一个新的盈利模式。

【参考文献】

[1]黄松涛，李洲.机载互联网的通信卫星实现方式分析和展望 电信工程技术与标准化 2018 31（11）.

[2]ETSI TS 101 545-1 V1.1.1："Digital Video Broadcasting （DVB）;Second Generation DVB Interactive Satellite System（DVB-RCS2）;Part 1：Overview and System Level specification;DVB Document A155-1"，European Telecommunications Standards Institute ，2013-01.

[3]ETSI TS 101 545-3 V1.1.1： "Digital Video Broadcasting （DVB）; Second Generation DVB Interactive Satellite System（DVB-RCS2）;Part 3： Higher Layers Satellite Specification; DVB Document A155-3"，European Telecommunications Standards Institute ，2013-01.

[4]张佳乐，钱红燕，成翔，陈兵.一种软件定义卫星网络的多波束切换机制，北京航空航天大学学报 2018：44（12）.

[5]胡俊祥，贺翔，唐劲夫.卫星移动通信中波束切换模型和方法研究 现代计算机（专业版），2018（19）.