寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的跳波束技術(shù)綜述

方應(yīng)勇何輝【Summary】近些年來(lái)，在衛(wèi)星通信市場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律下，出現(xiàn)了寬帶衛(wèi)星通信這一必然的產(chǎn)物，為了滿足寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運(yùn)行需求，需要借助跳波束技術(shù)應(yīng)用，靈活分配星上功率和寬帶資源等。跳波束技術(shù)中的關(guān)鍵部件復(fù)雜，值得業(yè)內(nèi)人士不斷的深入探索其技術(shù)特點(diǎn)，推動(dòng)寬帶衛(wèi)星通信的長(zhǎng)足發(fā)展。本文對(duì)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，結(jié)合發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要注意的問題，詳細(xì)分析了跳波束技術(shù)使用的關(guān)鍵部件及跳波束系統(tǒng)建模的相關(guān)研究。【Key】寬帶;衛(wèi)星;通信系統(tǒng);跳波束;技術(shù)：TN92

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：1673-0348（2020）017-013-03Abstract：Inrecentyears，underthedevelopmentlawofsatellitecommunicationmarket，broadbandsatellitecommunicationhasemergedasaninevitableproduct，inordertomeettheoperationneedsofbroadbandsatellitecommunicationsystem，itisnecessarytousetheapplicationofbeam-jumpingtechnology，flexibledistributionofon-boardpowerandbroadbandresources.Thekeycomponentsinthebeamjumpingtechnologyarecomplex，whichisworththeindustry'scontinuousin-depthexplorationofitstechnicalcharacteristics，andpromotetherapiddevelopmentofbroadbandsatellitecommunication.Thispaperdiscussesthecurrentsituationofbroadbandsatellitecommunicationsystem，combinestheproblemsthatneedattentiontothedevelopmentofbroadbandsatellitecommunication，andanalyzesindetailthekeycomponentsoftheuseofbeam-jumpingtechnologyandtherelatedresearchonthemodelingofthebeam-jumpingbeamsystem.Keywords：broadband;satellite;communicationssystem;beamjump;technology.在科技創(chuàng)新2030項(xiàng)目中，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為其中首個(gè)啟動(dòng)的重大工程項(xiàng)目，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，在國(guó)家的十三五規(guī)劃綱要及十三五國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，均納入了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目。這一網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)構(gòu)成部分共同組合，構(gòu)建起全球覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。此背景下的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，應(yīng)用跳波束技術(shù)是提高中國(guó)全球時(shí)空連續(xù)通信能力、高安全可靠通信能力的必要手段。1.寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)現(xiàn)狀1.1寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的使用情況寬帶衛(wèi)星通信是立足于衛(wèi)星系統(tǒng)，處理和傳送語(yǔ)音、圖像、視像、數(shù)據(jù)的一個(gè)系統(tǒng)，寬帶衛(wèi)星通信的適用范圍隨著地面光纜網(wǎng)的建設(shè)，體現(xiàn)出了其穩(wěn)定性、地域性較強(qiáng)的特殊性能，但是距離預(yù)期中的發(fā)展目標(biāo)之間仍舊存在較大的差距。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在世界性因特網(wǎng)發(fā)展中，作為一個(gè)關(guān)鍵的構(gòu)成部分，被廣泛普及和應(yīng)用，逐漸呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。在2016年的11月，為了提高全球的網(wǎng)絡(luò)速度，太空探索技術(shù)公司提出了關(guān)于發(fā)射4425顆衛(wèi)星的計(jì)劃，到了2018年2月，太空探索技術(shù)公司向軌道送入了兩顆互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，將人們對(duì)于寬帶衛(wèi)星的希望和熱情點(diǎn)燃。寬帶衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性和地域性特征在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都發(fā)揮了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)作用，但是受到帶寬過窄、成本投入較大等因素的影響，寬帶衛(wèi)星通信的發(fā)展受到了一定程度的限制。現(xiàn)有的通信技術(shù)手段中，衛(wèi)星通信是實(shí)現(xiàn)全球、無(wú)縫覆蓋的重要載體，寬帶衛(wèi)星通信以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，向地面網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和嵌入，寬帶衛(wèi)星通信是人們建立全球化無(wú)縫寬帶通信的必然應(yīng)用。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)建，推動(dòng)衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源到可用寬帶資源的轉(zhuǎn)變，受到了越來(lái)越高度的重視。1.2寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍早期的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)為全球性及部分地面系統(tǒng)應(yīng)用下無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信的偏遠(yuǎn)部門，提供有效的視頻會(huì)議等服務(wù)，而隨著時(shí)代的進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)范圍逐漸發(fā)生了變化，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的有機(jī)融合下，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中接入了因特網(wǎng)，拓展了寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的空間。天地一體化網(wǎng)絡(luò)是由三個(gè)部分組成的，包括天基骨干網(wǎng)、地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)、天基接入網(wǎng)，天基骨干網(wǎng)是由在地球同步軌道布設(shè)的不同骨干節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的，骨干節(jié)點(diǎn)則具備多種功能，例如寬帶接入、路由交換、信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中繼、處理和融合等。以建設(shè)下一代高吞吐衛(wèi)星系統(tǒng)為例，將Ka波段點(diǎn)波束綜合應(yīng)用到同步軌道上，在中低軌道衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，促進(jìn)系統(tǒng)容量的綜合提升，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)下的IP業(yè)務(wù)。由此可見，未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，寬帶衛(wèi)星通信的主要業(yè)務(wù)中均以向互聯(lián)網(wǎng)提供接入業(yè)務(wù)為主要核心。1.3寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在了衛(wèi)星廣闊的覆蓋面積方面，寬帶衛(wèi)星通信具有較強(qiáng)的廣播能力和無(wú)縫連接能力，實(shí)現(xiàn)了通過衛(wèi)星連接外太空的航天通信功能。全新的時(shí)代背景下，通信話語(yǔ)權(quán)在信息時(shí)代占據(jù)著關(guān)鍵的位置，強(qiáng)調(diào)通信話語(yǔ)權(quán)的自主性和可控性，我國(guó)在3G時(shí)代即提出了第一項(xiàng)國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn)要求，到了5G時(shí)代，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的成本、時(shí)延、寬帶相較，優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此應(yīng)從寬帶衛(wèi)星通信的廣播能力和無(wú)縫連接能力優(yōu)勢(shì)方面大力挖掘和探索，發(fā)揮寬帶衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用。1.4寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展前景寬帶衛(wèi)星通信受到多種因素的影響，未來(lái)呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，包括當(dāng)前的國(guó)際環(huán)境、市場(chǎng)規(guī)模、應(yīng)用前景等。寬帶衛(wèi)星通信發(fā)揮著必要的寬帶多媒體衛(wèi)星通信作用，實(shí)現(xiàn)了全球的信息化，同時(shí)推動(dòng)了全球經(jīng)濟(jì)一體化的建設(shè)進(jìn)程。在全球范圍內(nèi)，因特網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，用戶更加希望互聯(lián)網(wǎng)的接入方式可以打破時(shí)間和空間的限制，這一需求是地面系統(tǒng)無(wú)法滿足的，只有借助寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)才能夠逐漸實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可被應(yīng)用到自然災(zāi)害中，發(fā)生各種自然災(zāi)害時(shí)，無(wú)線通信的通信能力最強(qiáng)，可達(dá)到其它的通信系統(tǒng)無(wú)法完成的效果，寬帶衛(wèi)星通信的多種優(yōu)勢(shì)，包括其較強(qiáng)的可靠性、組網(wǎng)性能、用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)范圍等優(yōu)勢(shì)，是無(wú)線通信市場(chǎng)中必備的先進(jìn)技術(shù)手段。隨著軍事領(lǐng)域和外太空的不斷開發(fā)應(yīng)用，寬帶衛(wèi)星通信在其中發(fā)揮了不可或缺的重要作用，促進(jìn)了人類對(duì)于外太空的進(jìn)一步探索和研究，建設(shè)寬帶衛(wèi)星通信，優(yōu)化武器導(dǎo)航、單兵通信等系列功能。2.發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要注意的問題2.1合理規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)范圍廣泛、業(yè)務(wù)種類多、用戶數(shù)量大，其中有著豐富的頻帶資源，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的規(guī)劃。以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提高用戶資源管理的有效性，結(jié)合用戶的實(shí)際需求，選用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)可靠性和提供負(fù)載均衡能力的提升，借助網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化冗余度。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)等地面通信系統(tǒng)，借助網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了綜合互通，建立起星際鏈路，縮短時(shí)延，將衛(wèi)星信號(hào)之間的干擾消除，降低對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。2.2正確運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)手段地面網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用到了TCP/IP等技術(shù)，這是根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)而來(lái)，將其應(yīng)用到衛(wèi)星信道中，可引起多種缺陷問題的發(fā)生，包括時(shí)延較長(zhǎng)、差錯(cuò)率升高、前/反向信道非對(duì)稱等，出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候需要重新上傳，將直接對(duì)系統(tǒng)的吞吐量造成不利影響，限制了慢啟動(dòng)的順利展開。針對(duì)這一問題，發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信需要對(duì)先進(jìn)的技術(shù)加強(qiáng)運(yùn)用，改進(jìn)協(xié)議，消除大窗口、長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼等問題，設(shè)置合適的網(wǎng)關(guān)，優(yōu)化衛(wèi)星鏈路的起始端功能，選擇適合衛(wèi)星信道的算法，轉(zhuǎn)變?cè)械腡CP/IP協(xié)議。提高處理技術(shù)應(yīng)用的合理性，通過放大信號(hào)、轉(zhuǎn)換頻率等，強(qiáng)調(diào)其中的糾錯(cuò)、檢錯(cuò)、解調(diào)等功能，降低誤碼率，促進(jìn)信噪比的升高。3.跳波束技術(shù)使用的關(guān)鍵部件3.1多端口放大器跳波束技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，這是由其中使用的多端口放大器、相控陣天線技術(shù)等決定的，多端口放大器提高了星上功率分配的合理性，促進(jìn)了整體功率利用率的提升。多端口放大器主要是由輸入矩陣、輸出矩陣、高功率放大器幾個(gè)組件構(gòu)成的，輸入信號(hào)向所有的輸入矩陣分布，再通過高功率放大器的分發(fā)后，將其重新組合在輸出矩陣。必要的時(shí)候所有的功率均可以在一個(gè)輸出端口映射，高功率放大器的活躍數(shù)量直接決定了多端口放大器的大小。通常在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信中，不同的波束所占據(jù)的星上資源是固定的，轉(zhuǎn)發(fā)器只需要完成對(duì)應(yīng)功率池和波束寬帶的相關(guān)工作。以典型的寬波束衛(wèi)星為例，其中的寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器都是由140瓦行波管放大器進(jìn)行供電的，應(yīng)用到的36MHz寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器有數(shù)十個(gè)，以此達(dá)到饋送波束的目的，此工作模式背景下，不同的轉(zhuǎn)發(fā)器獲取的星上功率固定，符合用戶的使用需求。分配星上功率的時(shí)候若是按照峰值功率進(jìn)行，當(dāng)發(fā)生用戶需求空閑的情況時(shí)，分配功率的利用率較低，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。針對(duì)傳統(tǒng)功率分配模式，為了打破這一限制，要在非高峰時(shí)向其它用戶分配未能被充分利用的功率，有效促進(jìn)功率利用率的提升。跳波束技術(shù)應(yīng)用中借助多端口放大器，解決了這一缺陷問題，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星資源低需求波束向高需求波束的移動(dòng)和轉(zhuǎn)換。多端口放大器匯集了衛(wèi)星功率，結(jié)合流量的匹配需求，提高了波束移動(dòng)的動(dòng)態(tài)性，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)波束到另一個(gè)波束的移動(dòng)。3.2相控陣天線技術(shù)相控陣天線對(duì)饋電相位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了波束橫掃，通過對(duì)陣列天線中輻射單元的饋電相位進(jìn)行控制，以此改變方向圖形狀。相控陣天線的波束匯聚能力較強(qiáng)，在該天線的覆蓋范圍內(nèi)，不僅實(shí)現(xiàn)了隨需分配，大大提高了功率分配的靈活性，針對(duì)其它各項(xiàng)指標(biāo)，包括波束的覆蓋區(qū)域位置、波束覆蓋面積大小、波束個(gè)數(shù)等，均實(shí)現(xiàn)了高靈活度的優(yōu)化配置，體現(xiàn)出了相控陣天線技術(shù)較強(qiáng)的抗干擾能力和干擾偵測(cè)能力。相控陣天線技術(shù)下的方案具有較高的復(fù)雜度，并且需要投入昂貴的造價(jià)成本。4.跳波束系統(tǒng)建模分析不同的波束在多波束的衛(wèi)星系統(tǒng)中，覆蓋范圍不同、其業(yè)務(wù)需求也各有不同，針對(duì)跳波束系統(tǒng)建模，為了提高系統(tǒng)可用容量的靈活性，調(diào)度衛(wèi)星頻率和功率資源，采取空分+時(shí)分的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站的分簇管理。根據(jù)地面業(yè)務(wù)的不同需求，在空間上劃分出不同的、互相相切的簇，通過簇內(nèi)劃分的方式，獲取每一個(gè)區(qū)域內(nèi)的單獨(dú)波位。按照分簇的結(jié)果劃分星上功率和頻率，簇內(nèi)的一個(gè)時(shí)隙之內(nèi)，僅點(diǎn)亮一個(gè)波位，并且分給該簇的全部星上資源均可被點(diǎn)亮的波位使用。分配簇間頻率時(shí)，需要結(jié)合相鄰簇的相鄰波位同頻干擾等因素綜合考慮，對(duì)于全頻段的資源，每個(gè)簇不能全部使用，但是隨著頻率約束的增加，時(shí)隙分配的復(fù)雜性也會(huì)隨之增加，因此采取部分頻率復(fù)用方案是最合理的。結(jié)論：綜上所述，基于跳波束技術(shù)的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中應(yīng)用到了跳波束的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高了星上資源分配的合理性和有效性，是我國(guó)寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中必不可少的先進(jìn)技術(shù)手段。目前針對(duì)跳波束技術(shù)的研究和應(yīng)用，