高通量卫星网络动中通用户站越区切换技术

　　摘要：针对高通量卫星多点波束组网下动中通站型跨波束、跨信关站以及跨星切换中存在的影响通信质量的问题，研究了可行的切换实现方案，提升了用户使用时的质量。在动中通应用场景中，用户站基于地理位置信息发起越区切换，介绍了越区切换解决方案，采用了信关站结合信号质量和目的波束资源分配情况进行切换控制的方法，对切换过程中的通信质量保障技术进行了研究和优化，达到了良好的用户体验。

　　关键词：高通量卫星;多点波束组网;越区切换;动中通

　　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[12]。高通量卫星(HighThroughputSatellite,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[34]。

　　动中通系统很好的解决了车辆、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。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。

　　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60km，在波束边界引起的增益波动约1.7dB。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。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。

　　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≈43117km,R≈6371km。假设卫星在东经110.5º上空，波束中心点在东经115.78º，北纬20.76º，那么波束中心点坐标为：(

　　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。

　　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]。

　　信关站收到用户站跨波束切换请求后：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。

　　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。

　　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[1617]。

　　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并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

　　本文在考虑到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、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1s左右才可完成极化切换，造成通信的短时间中断;同时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。

　　参考文献

　　[1]KODHELIO,LAGUNASE,MATURON,etal.Satellitecommunicationsinthenewspaceera:ASurveyandFutureChallenges[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,2021,23(1):70109.

　　[2]宋奕辰,徐小涛,宋文婷.国内外卫星移动通信系统发展现状综述[J].电信快报,2019(8):3741.

　　[3]VAZQUEZMA,PEREZNEIRAA,CHRISTOPOULOSD,etal.PrecodinginMultibeamSatelliteCommunications:PresentandFutureChallenges[J].IEEEWirelessCommunications,2016,23(6):8895.

　　[4]GAUDENZIRD,ANGELETTIP,PETROLATID,etal.FutureTechnologiesforveryHighThroughputSatelliteSystems[J].InternationalJournalofSatelliteCommunicationsandNetworking,2020,38(2):141161.

　　[5]VASAVADAY,GOPALR,RAVISHANKARC,etal.ArchitecturesforNextGenerationHighThroughputSatelliteSystems[J].InternationalJournalofSatelliteCommunicationsandNetworking,2016,34(4):523546.

　　[6]AlHRASHWWIH,LAGUNASE,CHATZINOTASS.TrafficSimulatorforMultibeamSatelliteCommunicationSystems[C]//202010thAdvancedSatelliteMultimediaSystemsConferenceandthe16thSignalProcessingforSpaceCommunicationsWorkshop.Graz:IEEE,2020:18.

　　[7]KUMARPA,SRAVANIKG,SAILAJABVS,etal.PerformanceanalysisofSeries:ShuntConfigurationBasedRFMEMSSwitchforSatelliteCommunicationApplications[J].MicrosystemTechnologies,2018,24(12):49094920.

　　作者：孙斐1，程敏1，马培博2