一种卫星多波束中的波束选择构架及实现方法*

(中国空间技术研究院 西安分院，西安710100)

一种卫星多波束中的波束选择构架及实现方法*

陈 鹏**,李艺霞,王 宇

(中国空间技术研究院 西安分院，西安710100)

为了以少量卫星载荷设备在广阔的服务区内提供高增益的通信链路，针对多波束通信卫星提出了一种星上收发波束选择的载荷构架及其实现方法。载荷构架分为波束分组与选择模块，实现方法则利用了收发无源设备的频率响应。通过控制前后端有源设备的混频本振，使上行接收波束和下行发射波束能够工作于多波束天线覆盖区内的任意位置。通过波束指向轮循，以低于波束数量的转发器实现了卫星在广大覆盖区内的高增益通信。分析结果表明，相比同样波束规模的多波束卫星，采用所提载荷架构的多波束卫星能够大幅降低载荷重量、功耗及热耗，提高转发器使用效率；相比同样承载规模的多波束卫星，能够大幅提高每个波束的传输性能及整星的吞吐量。

卫星通信;多波束卫星;波束选择构架;转发器数量

1 引 言

随着宽带互联网业务的发展，飞机、轮船、火车等移动用户，以及偏远地区用户也迫切需要视频会议、电视点播、网页浏览等宽带信息传输业务，而这些用户往往随机地分布在广袤的区域，依托地面有线/无线网络满足其业务需求显然成本过高。在空间网络中[1]，由低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星组网[2]固然能够满足其业务需求，然而过多的组网卫星带来了高额的建设成本和复杂的管理体系。

基于地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)的多波束通信卫星[3]能够以多个高性能点波束在广阔的范围内提供大吞吐量的通信链路。近年来围绕如何更加优化地使用多波束卫星的研究也呈现出多个发展方向，诸如采用预编码的方式改善波束间的相互干扰[4],采用编码[5]或调整功率[6]的方法提高系统容量等，其针对卫星实现方式均为多波束透明转发。

另外，星上以处理交换的手段实现星状网、网状网等天地立体组网通信[7]，能够满足使用者点对点、点对多点的“一跳式”通信，有效节省了使用者的通信时延，同时增强了天地通信的灵活性，因而成为目前各国宽带卫星通信的研究热点[8]。

在GEO通信卫星上，将多波束和处理交换结合，能够提供“一跳式”灵活组网通信，改善用户体验，然而却意味着卫星具有信号解析和交换的功能；单个高性能波束固然能够提高链路传输性能，然而却意味着需要数十个乃至数百个波束拼接完成对地广域覆盖。在现有的卫星承载能力上，如何满足以上功能和性能成为目前亟待解决的问题。

本文从卫星有效载荷系统设计的角度，以现有多波束卫星载荷为基础，根据星地业务特点，针对以上问题提出了一种星上多波束收发波束选择与路由的系统构架和实现方法，分析结果表明该方法具有足够的服务能力，在满足不同地区的不同通信需求的同时还能够节省卫星成本，充分利用卫星的每一份资源。

2 系统构架及现有问题

2.1业务特点分析

(1)使用者的地域分布具有随机性

卫星覆盖区域广，尤其是静止轨道卫星，能够覆盖三分之一的地表面积，因此，对于单颗卫星而言，其使用者往往随机地分布在广阔的地域内。

(2)使用者的通信需求具有突发性

与地面通信系统类似，出于费用或是系统资源优化的考虑，对于某一个使用者，总是希望在业务来临时才需要有效的通信服务，而并非全时占据通信资源。

(3)使用者的用户体验具有时效性

使用者总是希望在最短的时间内完成自身的业务传输与交互。

(4)使用者的通信方式具有灵活性

随着地面网络化建设，人们越来越习惯于灵活的组网通信，将卫星作为一个信息交换节点而并非一条透明传输链路。

2.2现有系统架构

通常，为了满足“一跳式”灵活组网、单通道高吞吐量的业务需求，卫星的有效载荷通常采用多波束天线+再生式转发器的配置。其中，多波束天线以多个高增益波束拼接形成卫星覆盖区；再生式转发器则完成数据解析和灵活交换的功能，让使用者能够完成“一跳式”组网通信，灵活地服务于各项业务。

多波束天线通过增加馈源数目和扩大天线口径能够提高波束增益，对于同一卫星覆盖区，波束数量越多，则每个波束覆盖越小，相应地，波束越窄、增益越高，但却意味着天线体积与重量的增加、实现成本的提高。关于多波束天线的理论与计算参见文献[9]。同时，为节省频率资源并考虑同频波束之间的隔离，通常多波束均采用数色的频率复用，典型值为4-色复用或7-色复用[10]。

2.3现有问题

按照传统方式，多波束天线所形成的多个波束与转发器一一对应，即每个波束配置一路转发器。该方式存在一个不可调和的矛盾：为提高每波束的服务能力，则波束变窄，服务区变小，覆盖整个服务区的波束数量大幅增加，换言之，星上转发器的数量大幅增加，由此带来的重量、热耗会大幅提升，超出卫星承载能力[8]。

为满足现有卫星承载能力，需要从系统设计上进行折中，减少一定数量的转发器，即减少一定的波束数量，换言之，以少量的波束覆盖整个服务区，每个波束的服务区变大，波束变宽，增益变低，从而导致整个卫星的传输数量降低，服务能力变差，这与实际需求正好相悖。

针对这些矛盾，我们需要一种方法，在减少转发器配置的同时还能保障服务区的通信能力，降低转发器重量和热耗。

3 波束收发选择设计

针对2.3节中所述的矛盾，本节从物理层进行设计，通过增加少许无源模块完成上下行的波束选择，并给出实现框架及步骤。

3.1设计思路

在多波束中选取少量的工作波束，即在这些选取的工作波束上配置转发器，使这些波束能够提供卫星通信服务；使得这些可用波束能够在整个覆盖区内不断变换波束位置，达到所有可能波束位置均能被轮循到的目的，实现卫星覆盖区内的准实时常态覆盖。

为将该思路具体实现于实际的卫星载荷系统，本文将实现框架分为接收部分、交换与资源管理部分以及发射部分，下面详细介绍各部分实现框架及步骤。

3.2接收部分

多波束天线实现N个高增益对地覆盖的上行固定波束和L个下行固定波束，整星服务区由这些波束拼接而成，上、下行波束分别采用F-色和f-色的频率复用，N、L、F和f的取值在某颗卫星规划之初便会确定，为不失一般性，下文中依然将其视为变量。

接收部分由波束分组模块、接收波束选择模块及解调单元组成，如图1所示。

图1 接收部分架构图Fig.1 Framework of receiving part

(1)接收波束分组模块

多波束天线所形成的N个波束在转发器的入口端形成N路信号，根据频率复用的具体情况，将不同频率的波束通过多工器合为一组宽带信号，即将N路信号通过Q个多工器合并为Q路宽带信号，每路宽带信号包括F路原始上行波束信号，定义Q=N/F，符号·表示向上进位取整。

(2)接收波束选择模块

Q路宽带信号中，每路信号中的F路原始上行波束信号的以频分方式排布，图2给出了单路宽带信号的实现过程。波束合并模块所形成的宽带信号与本振链输出的本振频率混频后，经过带宽为b的滤波器，便可滤出宽带信号中F路原始波束信号中的某一路原始波束信号。通过对直接频率合成器(Direct Digital Sythesizer,DDS)的控制，可以任意改变本振链的输出频率。换言之，通过控制DDS可将F路原始波束信号中的任一路信号滤出。

图2 接收波束选择模块架构图Fig.2 Framework of beam-selecting module in receiving part

(3)解调单元

对送来的波束信号执行解调、译码等处理后送入交换与资源管理模块。

3.3交换与资源管理

该部分由交换模块与资源管理模块组成。

(1)交换模块

对解调后的信号进行信息交换，根据交换表将相应信息交换至相应出线组端口，完成M个上行工作波束与K个下行工作波束之间的信息交换，上下行工作波束数量对应了交换模块的端口数量，两者根据功耗、热耗、重量的约束条件确定。

(2)资源管理模块

负责控制DDS，不同波束对应不同本振频率。另外，还需根据解调出的信令信息对波束和用户实施控制管理，包括每一上行、下行波束的驻留时间等。

3.4发射部分

发送部分由调制单元、发送波束分组模块、发送波束选择模块组成，如图3所示。

图3 发送部分架构图Fig.3 Framework of transmitting part

(1)调制单元

对交换后的信息执行编码、组帧、调制成型等，每路信号都被调制到统一的中频，之后进入发送选择模块。

(2)发射波束分组模块

K路调制中频信号即为下行有效工作的波束信号，与接收部分原则一致，依然按照f-色不同频率将下行L个波束进行分组，P=L/f，即每f个不同频率的原始下行波束分为一组，共分出P组，每组对应一路宽带信号。按照图4给出的单路宽带信号具体实现过程，首先通过对直接频率合成器的控制，根据不同时刻对应的不同波束，输出不同的本振频率，将某一路下行行中频信号变频至原始下行波束所对应的射频上，之后在组内将工作波束信号在发送波束选择模块中进行合路并放大，形成P路宽带信号。

图4 发送波束分组模块及选择模块架构图Fig.4 Framework of beam-grouping module and beam-selecting module in transmitting part

(3)发送波束选择模块

由P个子模块构成，每个子模块可由中心频率固定的无源输出型多工器实现，多工器每个输出端口对应一个波束下行的天线端口。每路宽带信号经过发送波束路由模块，根据不同时刻输入的不同频率，可以将不同频率信号路由至相应输出端，该输出端对应相应的下发波束，通过多波束天线发送至地面。

4 应用流程

(1)将卫星M个上行波束和L个下行波束分别进行分组，每组上行波束包括F个不同频波束，每组下行波束包括f个同频波束。

(2)资源管理模块分别控制接收和发送波束选择模块的DDS，使两者分别在F个频点和f个频点跳变，使上下行工作波束可以驻留在每个上下行覆盖区。

(3)在每个频点驻留期，通过对应的下行广播信道向地面站发送同步及网络管理(包括登记、鉴权，各时隙占用状态等)信息。

(4)地面站获取时间基准，进行帧同步、载波同步的捕获。

(5)地面站对帧同步、载波同步进行跟踪及保持。

(6)资源管理模块对接收波束进行轮询，查询地面站是否有接入申请。

(7)对每一波束解调解析出请求信息、地址信息等送入资源管理模块，资源管理模块识别请求信息，由资源管理模块与地面网管根据优先级信道状态等决定是否允许其接入。

(8)允许接入则分配地面站业务信道，资源管理模块控制相应的DDS输出，使地面站上行信号变为中频信号进入解调模块。

(9)经解调处理后业务信息在交换机交换至需要下发的下行链路组端口。

(10)组帧调制后在资源管理模块的控制下，上变频到需要发送的波束频率并放大，经输出多工器路由到发射波束。

5 性能分析

本文方法基于多波束形成对地拼接覆盖，假定多波束上行由N个波束、下行由L个波束完成对地覆盖，从上行波束中选取M个工作波束、下行波束中选取K个工作波束完成所有波束的轮循覆盖，对于单个波束而言，其传输性能与多波束通信卫星的单波束传输性能一致；对于整星而言，其吞吐量将会减少，具体减少量视N、M、K、L的取值而定，而这些参数将取决于卫星的承载能力。

为分析简便，本文假设GEO卫星整个对地视场±8.7°覆盖，覆盖区以200个上下行对称波束拼接而成，即N=K=200个，上下行各选取50个工作波束，即M=K=50个，上下行波束均采用4色频率复用。选取同样具备200个波束的多波束通信卫星和具备50个波束的多波束通信卫星作为比较对象，并假设200波束通信卫星每波束上下行增益为G，波束上下行传输速率均为T/h，根据卫星通信相关原理[11]，T正比于G。

两种多波束卫星相比而言，50个波束方案中，每个波束宽度略多于2.5°，以2.5°波束计，扣除波导插损等，峰值增益约为34 dB，考虑合路器插损、多工器插损后，波束边缘增益为29左右；200个波束方案中，每波束宽度略少于1.25°，以1.25°波束计，扣除波导插损等，峰值增益约为40 dB，考虑合路器插损、多工器插损等工程实测值后，波束边缘增益为35左右，较50个波束覆盖提高了6 dB，增益真值满足数学式G200beam=4×G50beam。

5.1业务满足度分析

假设业务用户为1 000个，平均散落于卫星覆盖区内，每个用户白天以0.1的概率发生通信业务，夜晚以0.05的概率发生通信业务。以用户所获得的服务时长和卫星波束的使用时长作为指标，将多波束通信卫星与本文方法进行比较。此处需注意，由于50多波束方法较其他方法每个波束覆盖区增加了4倍，用户数量相应增加4倍，比较结果见表1。

表1 服务时长&波束使用时长比较Tab.1 Comparison of time on service

可以看出，在白天业务较为繁忙时，本文方法对于单个用户的服务时长是200波束方法的一半，而与50多波束方法一致；在夜晚业务较为空闲时，本文方法与200波束方法所能提供的服务时长一致，而50波束方法则为其他方法的1/4。

对于波束使用效率而言，波束使用意味着转发器的业务运转，本文方法的工作波束在全天24 h内均得到充分利用，转发器能够全天候运转，全天能够获得24T的传输量；200波束方法的波束在白天利用率为50%，而在夜晚仅为25%，200波束方法的转发器累积运转时间为9小时/天，存在着转发器应用不足的现象，每个波束实际的传输量仅为9T；50波束方法尽管在全天能够充分使用波束，转发器能够全天候运转，然而由于波束增益下降，造成波束传输速率下降，每个波束全天的传输量仅为6T。

另外，通常用户主要分布于陆地区域，而地表面积大半为海洋区域，本文方法可将工作波束用于主要覆盖陆地区域，兼顾海洋区域，从而优化整星的波束资源，而200波束方法和50波束方法的转发器应用不足现象将进一步加深。

5.2卫星承载能力分析

通过上节分析可知，本文方法对于统计业务量的支持程度略逊于多波束方法，然而能够大幅降低转发器配置，从而实现卫星载荷与承载能力之间的匹配。载荷配置比较如表2所示。

表2 载荷配置比较Tab.2 Comparison of payload

可以看出，本文方法在天线方面和转发器无源设备方面与200波束方法一致，通过灵活的波束调配实现设计，将转发器路数降低到多波束方法的1/4，这带来了有源设备的大幅减少。换言之，相比于200波束方法，本文方法将卫星承载的重量将大幅降低，功耗、热耗将降至200波束方法的1/4。与50波束方法相比，本文方法仅增加了天线及转发器无源设备，换言之，仅少量增加了载荷的重量。

在本文假设条件下，结合目前常用的Ka频段行波管放大器的效率[12]，仅考虑放大器，以100 W行放作为卫星下行功放，200波束方法使用的放大器总功耗为20 000 W，而50波束和本文方法的放大器总功耗为5 000 W，在实际中更为可行。

综上，相比于200波束方法，本文方法以大幅减小的代价换取了略逊的通信性能；相比于50波束方法，本文方法能够将整星的服务质量大幅提升，所带来的代价仅为载荷重量上的少量增加。

5.3实现复杂度分析

本文方法基于目前相对成熟的设备及技术，在接收和发射两端通过增加无源多工器实现了波束的灵活调配与路径选择，资源管理模块可以通过相应的软件算法实现对DDS的控制，从而达到波束选择的目的，对目前卫星载荷的实现并未带来对工艺性、原理性等方面的复杂要求。

6 结束语

本文旨在提高多波束卫星载荷的灵活性，以目前现有技术为基础，在接收、发射端增加了少量无源设备，通过控制本振频率的方式完成了上行波束选择和下行波束路由的功能，实现了波束的灵活调配。在实际卫星通信工程中，本文方法以少的载荷数量实现了广域覆盖的高增益通信链路，是目前卫星承载能力和业务提供能力之间的高效匹配。

在今后发展中，单波束通信能力的增长意味着波束增益的提高，即单个波束覆盖区面积更小，卫星服务区所需要的波束数量更多，例如：在本文分析用例中200波束方法下若单波束传输量再提高5倍，则单个卫星波束宽度约为0.55°，对地全球覆盖需要1 000波束以上。这一点除了对多波束天线设计及工艺的要求提高之外，对转发器的数量的要求同样增多，对于此时卫星承载能力与业务能力如何折中的问题，本文方法依然适用。

[1] SUN Z. Satellite networking principles and protocols[M].England:Wiley,2005.

[2] ENRICO D R,FANTACCI R,GIAMBENE G. Characterization of user mobility in low earth orbiting mobile satellite systems[J].Wireless Networks,2000,6(3):165-179.

[3] LOUIS J，IPPOLITO J. 卫星通信系统工程[M].孙宝升，译.北京:国防工业出版社,2012.

[4] 宋高俊，曹寿国. 基于部分信道信息的卫星多波束联合预编码优化方法[J].电子学报，2015,43(11)：2232-2236.

SONG Gaojun,CAO Shouguo. Joint precoding optimization of multibeam satellite system based on partial channel information[J].Atca Electronica Sinica,2015,43(11)：2232- 2236.(in Chinese)

[5] 王杨，赵旦峰，廖希. 多波束卫星系统中低复杂度预编码技术[J].北京邮电大学学报,2015，38(1):97-102.

WANG Yang,ZHAO Danfeng,LIAO Xi. Low-complexity precoding for multi-beam satellite systems[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2015,38(1):97-102.(in Chinese)

[6] 杨柳，谢斯林，杨孔哲，等. 多波束卫星通信系统中功率和转发器增益联合优化算法[J].通信技术,2016，49(4):436-441.

YANG Liu,XIE Silin,YANG Kongzhe,et al.Joint optimization algorithm of power and repeater gain in multi-beam satellite communication systems[J]. Communications

Technology,2016，49(4):436-441.(in Chinese)

[7] 李怡，田斌，易克初，等. 基于多波束GEO卫星的宽带移动通信系统[J].系统工程与电子技术，2016,38(2)：400-408.

LI Yi,TIAN Bin,YI Kechu,et al.A broadband mobile communication system based on multi-beam GEO satellite[J].Systems Engineering and Electronics,2016,38(2)：400-408.(in Chinese)

[8] 易克初，李怡，孙晨华，等．卫星通信的近期发展与前景展望[J]．通信学报，2015,36(6):1-16.

YI Kechu，LI Yi，SUN Chenhua,et al.Recent development and its prospect of satellite communications[J].Journal on Communications,2015,36(6):1-16.(in Chinese)

[9] 叶云裳.航天器天线——理论与设计[M].北京：中国科学技术出版社，2007.

[10] 段玉虎.星载多波束天线设计[J].飞行器测控学报，2011,30(1)：16-21.

DUAN Yuhu. Design of multi-beam satellite antennas[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2011,30(1)：16-21.(in Chinese)

[11] PRATT T,BOSTIAN C W,ALLNUTT J E. 卫星通信[M].甘良才，译.2版.北京：电子工业出版社,2005.

[12] 郝保良，徐安玉，李虹，等. 中科院电子所Ka波段行波管及放大器[C]//中国电子学会真空电子学分会第十九届学术年会论文集.黄山：中国电子学会真空电子学分会，2013:46-47.

ABeam-selectingFrameworkandImplementationMethodBasedonMulti-beamSatellite

CHEN Peng,LI Yixia，WANG Yu
(China Academy of Space Technology-Xi′an Institute of Space Radio Technology,Xi′an 710100，China)

An onboard beam-selecting framework and corresponding implementation method for multi-beam satellite communication is proposed to provide high gain links for widely distributed users with small quantity of payloads. The framework is composed of beam grouping module and beam selecting module. During the process of implementation,the frequency response of multi-filter is used. For both uplink and downlink,by controlling the output of local oscillators,each beam can supply service to users located in any spot area . By periodically altering the direction of each beam,the high gain communication links in wide area can be supplied by small number of transponders. By comparison with the satellite configuring the same number of beams,analysis shows that the proposed framework can reduce the power consumption and the weight of payload substantially. By comparison with the satellite configuring the same payload weight and power consumption,the result shows that the proposed framework can increase the transmission performance of each beams and the throughput of satellite essentially.

satellite communication;multi-beam satellite;beam-selecting framework;number of transponders

date:2017-01-23；Revised date：2017-05-16

国家自然科学基金资助项目(91538109)

**通信作者：ertiao9912@126.com Corresponding author：ertiao9912@126.com

TN927.22

A

1001-893X(2017)10-1146-06

陈鹏(1981—)，男，陕西西安人，2013年于中国空间技术研究院获飞行器设计专业博士学位，现为工程师，主要研究方向为空间通信；

Email:ertiao9912@126.com

李艺霞(1967—)，女，陕西韩城人，硕士，高级工程师，主要研究方向为空间通信；

王宇(1973—)，男，陕西靖边人，硕士，研究员，主要研究方向为空间通信。

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.10.008

陈鹏,李艺霞,王宇.一种卫星多波束中的波束选择构架及实现方法[J].电讯技术，2017,57(10):1146-1151.[CHEN Peng,LI Yixia，WANG Yu.A beam-selecting framework and implementation method based on multi-beam satellite[J].Telecommunication Engineering,2017,57(10):1146-1151.]

2017-01-23；

2017-05-16