高通量卫星网络动中通用户站越区切换技术

孙 斐，程 敏，马培博

(1.中国人民解放军32381部队，北京 101121；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星通信具有覆盖范围广、建网灵活、不受地理条件限制等优势，在国家应急通信、远程教育、远程医疗、村村通、电视广播、数据采集与监控、行业应用等领域有着广泛应用[1-2]。高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)通信系统采用多点波束、极化复用、频率复用、高波束增益等技术，可提供比常规卫星高出数十倍的容量，目前已成为主流方向[3-4]。

动中通系统很好地解决了车辆、船舶、飞机等移动载体在运动中，通过地球同步轨道卫星实时、不间断传递语音、数据、高清晰动态视频图像等多媒体信息的难题，是当前很多国家和地区需求旺盛、发展迅速的卫星通信应用领域。

由于高通量卫星具有多点波束、多信关站、多星覆盖等特点，动中通站型移动过程中，利用高通量卫星资源进行通信时存在波束切换、信关站切换等问题，影响用户业务通信质量[5]。

本文针对动中通用户在高通量卫星网络中越区切换场景进行分析的基础上，提出了越区切换解决方案，包括切换实际选择、切换控制策略等。

1 切换场景分析

高通量卫星波束设置一般分为用户波束和馈电波束两类，用户波束为多点波束，馈电波束根据系统容量的不同可设置多个。针对卫星波束的设置，一般在每个馈电波束设置一个信关站，这样多个馈电波束将对应多个信关站[6]。多个信关站间使用地面网络进行互连，从而将多波束星状网络连接为一体。典型高通量卫星通信网络结构如图1所示。

图1 典型高通量卫星通信网络示意Fig.1 Typical high-throughput satellite communication network

高通量系统中当动中通用户站从一个波束移动到另外一个波束时，需要对点波束通信链路进行切换。动中通站型移动过程中，切换场景包括波束切换、信关站切换以及卫星切换3种。其中，卫星切换总是伴随着波束切换和信关站切换；信关站切换也总是伴随着波束切换[7]。因此，所有移动过程的切换场景均是在跨波束切换的基础上实现的。波束切换示意如图2所示。

图2 动中通用户越区切换示意图Fig.2 Schematic diagram of mobile communication user switching over area

2 跨波束切换方案

动中通用户跨波束切换包含跨波束切换时机选择、跨波束切换处理和跨波束资源调度三部分。

跨波束切换时机选择在用户站进行，根据本站的地理位置信息，结合卫星波束覆盖信息，计算是否处于波束边缘，若处于波束边缘则计算最近的目的波束，并向信关站发起越区切换[8]。

跨波束切换处理由用户站和信关站协同进行，通过对目的波束下信号强度的比较，决策是否进行切换[9]。

跨波束资源调度由信关站进行，将该站在源波束下的资源释放并在目的波束下为其分配卫星信道资源[10]。

完成以上过程后，用户站在收到波束切换指令后，切换调制解调器参数，在目的波束下进行信号发送与接收，维持原有通信链路不中断。

2.1 切换时机选择

跨波束切换时，用户站需要获知多点波束的边界信息和自身的位置信息，然后根据位置的比对判断所处波束，用户获知点波束边界信息可采用预存储或在线下载方式。

卫星天线多波束中每波束宽度约1°，根据卫星设计及指标数据，整个寿命周期内天线指向精度误差小于0.1°，因此天线抖动引起波束边界指向增益变化为1.1°和0.9°波束宽度间的增益差值[11]。多点波束0.1°的边界位置抖动范围约60 km，在波束边界引起的增益波动约1.7 dB。

考虑到波束抖动引起的指向误差，越区切换的位置边界判断以波束最大抖动点即约1.1°为基准进行使用。系统进行最低传输能力设计与估算时，也同样以1.1°波束边缘为基准进行。越区切换使用的波束边界示意如图3所示。

图3 多点波束越区切换使用的波束边界示意Fig.3 Beam boundary indication used for multi-point beam over-zone switching

由于同步轨道卫星位于赤道平面，我国大部分地区均为倾斜覆盖，点波束在地面的覆盖非圆型，在进行波束边缘判断时，为了精确判断波束边缘位置，需要考虑波束覆盖的实际情况，卫星点波束覆盖如图4所示[12-13]。

图4 波束覆盖与卫星关系示意图Fig.4 Diagram of relationship between beam coverage and satellite

以地球圆心为坐标系原点(0,0,0)，地球半径为R，卫星坐标为(h,0,0)，h为卫星到地心的距离。h≈43 117 km,R≈6 371 km。

假设卫星在东经110.5°上空，波束中心点在东经115.78°，北纬20.76°，那么波束中心点坐标为：

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

波束以圆锥状投射到地球表面，该圆锥的中轴线是波束中心点到卫星的直线，假设中轴线与圆锥母线偏移角为t。圆锥体的方程为：

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z]≤0,(0≤x≤h)。

(1)

波束覆盖在地球的曲面S为图中阴影部分，方程表达式为：

(2)

取地球上某点(波束中心点附近)，求出坐标带入方程式中，值为负则在区域范围内，值为正则在区域范围外，等于零则刚好在边界上，并且值越接近零距离边界越近。

[(x0-h)(x-h)+y0y+z0z],x≥0。

(3)

将该公式化简得，

(x0-h)(x-h)-y0y-z0z。

(4)

结合卫星波束抖动分析和波束覆盖分析，为动中通用户站发起越区切换提供更合适的切换时机，向信关站发起越区切换请求，越区请求中应包含用户站源波束和目的波束。

2.2 跨波束切换处理

在高通量中，每个波束的载波参数独立，用户站跨波束时，需要获取目的波束的载波参数和目的波束的链路状态，否则存在通信中断的问题。因此跨波束切换处理的主要工作是对用户站在源波束和目的波束下的链路状态进行比较，决策是否进行跨波束切换，核心是选择合适的两个波束下的比较信道[14]。

高通量卫星通信系统可分为前向大波束返向多波束高通量卫星通信系统和前返向均为多波束的高通量卫星通信系统，对于前者，在用户站跨波束切换时，前向大波束返向多波束系统的前向链路不变，返向链路切换；对于后者，前返向链路均需要切换。因此本文设计了一种基于返向链路接收状态的对比信道，用于用户站源目的波束下的链路状态比较。

图5为用户站跨波束切换帧结构示意图，分别为源波束前向载波和返向载波、目的波束前向载波和返向载波。用户站在跨波束前仅接收源波束前向载波，信关站在源波束前向载波中发送越区切换信息，越区切换信息中包含目的波束载波信息、越区切换控制信息等；用户站在源波束返向载波申请时隙发送申请突发，在目的波束返向载波探测时隙发送探测突发，信关站接收申请突发和探测突发，用于比较用户站在两个波束下的链路状态[15]。

图5 用户站跨波束切换帧结构示意图Fig.5 Schematic diagram of user station cross-beam switching frame structure

信关站收到用户站跨波束切换请求后，处理流程如图6所示：

① 信关站在用户站未越区前，处于等待用户站越区请求状态，为用户站在源波束返向载波分配申请时隙，接收用户站发送申请突发，并统计接收用户站在该波束的接收状态；

② 信关站收到用户站跨波束切换请求后，查询目的波束是否有可用资源，若无可用资源，则拒绝本次切换申请，若有可用资源则进入步骤③；

③ 信关站通过用户站源波束前向载波的越区辅助信息时隙向用户站发送目的波束载波配置参数；

④ 信关站为用户站在目的波束返向载波中分配探测时隙，并通过越区辅助信息时隙发送给用户站；

⑤ 用户站在探测时隙发送探测突发；

⑥ 信关站收到用户站探测突发后，与接收该站的申请突发的接收状态(接收信噪比)进行比较，若探测突发的信噪比更高，则进入允许该站进行越区切换，否则重复步骤④。

图6 信关站跨波束切换处理流程Fig.6 Processing flow of cross beam switching in signal station

2.3 跨波束资源调度

信关站在允许用户站进行跨波束切换后，需要统一调度源波束和目的波束的资源分配，保证用户站在切换前后的通信链路不中断，资源调度过程如图7所示。

图7 跨波束切换的资源调度Fig.7 Resource scheduling for cross-beam switching

信关站确认可进行越区切换后，在新波束内检测资源的可用性。如果新波束内可用资源充分，则在现有载波上进行时隙资源预留或扩展新的业务载波以供切换使用；若新波束内可用资源紧张，难以保证用户站的所有业务传输需求，则根据业务优先级进行调整，保证用户站高优先级业务的传输，无法保证资源时暂缓切换。在新波束资源检测过程中，用户站保持在原波束内的资源占用，保证业务传输的持续[16-17]。

资源检测完成后，信关站将切换命令下发至用户站等待手动确认的反馈信息，或信关站直接自动进行切换。信关站直接在新波束内进行时隙资源的分配，同时释放原波束内的资源占用，用户站接收并执行时隙资源分配结果，在新波束的载波频点上进行数据接收与发送，切换过程结束[18]。

整个波束切换过程由信关站统一管理，两个波束内的资源调度与业务分配优先级可同时执行。

3 结束语

本文在考虑高通量卫星多点波束使用特点的基础上，对跨星跨波束的切换场景进行了分析，设计了适用于波束切换的帧结构和切换流程，以及资源调度方案。该方案能够保证用户站在切换前后的通信不受影响，避免出现因切换而导致的通信中断现象。采用该方案能够保证用户使用过程中的流畅性和系统的稳定性。

由于高通量卫星为提高系统信道容量，采用两种极化方式，相邻波束的极化方式可能不同。动中通用户站波束切换时，切换前后的极化方式可能不同。极化切换分为手动极化切换和自动极化切换两种，均需要1 s左右才可完成极化切换，造成通信的短时间中断；由于高通量卫星网络可以同时利用多颗卫星构建，因此存在跨星切换问题。跨星切换时，机动站天线需要调整所跟踪的卫星，天线转星过程中通信暂时中断，为了获得更好的用户体验，建议在进行跨星切换时，用户站配置双天线。