基于人口密度分布的高通量衛(wèi)星覆蓋方案設計

趙 陽，王海龍，2，黃楷博，柏 京

（1.中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610000；2.電子科技大學電子科學與工程學院，成都 610054）

1 引言

1.1 高通量衛(wèi)星

高通量通信衛(wèi)星，就是在使用相同頻率資源的條件下，通信容量比常規(guī)通信衛(wèi)星高數(shù)倍甚至數(shù)十倍的通信衛(wèi)星。其主要特點是采用了頻率復用、多點波束等先進技術，可以同時為更多的用戶提供服務[1]。

常規(guī)衛(wèi)星采用單波束覆蓋某一區(qū)域，而高通量衛(wèi)星采用多點波束對區(qū)域或全球進行覆蓋。以中國國土為例，單波束和多點波束對某一區(qū)域的覆蓋方式對比如圖1所示。

由于高通量采用多點波束，同一頻率可以在不同的區(qū)域進行重復使用，這樣可以充分利用頻率資源。頻率復用意味著多次使用相同的頻率，不需要提高帶寬即可提高整個網(wǎng)絡的通信容量[2]。

圖1 國土單波束和多點波束覆蓋對比

此外，考慮到極化維度的隔離，衛(wèi)星通信采用極化復用和頻率復用相結(jié)合的方式來擴展系統(tǒng)通信容量。傳統(tǒng)單波束采用垂直或水平極化覆蓋，通信容量低。而多點波束可以采用不同極化和不同頻率同時覆蓋，如圖2所示，1R和1L分別表示同一頻率的兩種不同極化，2R和2L表示另一個頻率的兩種極化。相對于單一線極化，該多頻多極化共用方式能有效提高衛(wèi)星通信的容量。

圖2 單色復用和四色復用方案對比

1.2 國內(nèi)外高通量衛(wèi)星現(xiàn)狀

在高通量衛(wèi)星的發(fā)射和應用方面，以歐美國家為主，歐洲典型的高通量衛(wèi)星是2010年Eutelsat發(fā)射的Ka-Sat衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用四口徑多波束收發(fā)共用天線，通信容量為70 Gb/s。美國的高通量衛(wèi)星代表為ViaSat1，采用四副反射面天線，通信容量為100Gb/s，可同時滿足數(shù)百萬用戶的通信需求[3]。美國即將發(fā)射的ViaSat3，通信容量將達1Tb/s。

圖3 Ka-sat衛(wèi)星歐洲覆蓋圖

我國2017年4月發(fā)射首顆高通量衛(wèi)星——中星16號衛(wèi)星，通信總?cè)萘窟_20Gb/s。中星16號和即將發(fā)射的中星18號一起為中國本土提供Ka寬帶大容量雙向通信服務。

1.3 高通量衛(wèi)星特點總結(jié)

從國內(nèi)外高通量通信衛(wèi)星發(fā)展可以看出，衛(wèi)星都是通過極窄均勻多波束覆蓋工作區(qū)域，并通過頻率極化雙復用的方式來提高通信容量。

2 人口密度分布及區(qū)域劃分

2.1 出發(fā)點

以中國國土為例，中國人口密度分布不均，不同地區(qū)對通信業(yè)務的需求也有明顯差異，如果采用均勻波束覆蓋國土會導致部分區(qū)域覆蓋存在容量浪費，而另一區(qū)域則容量不足。為了實現(xiàn)業(yè)務量和覆蓋區(qū)域的均衡，本文采用大小混合的衛(wèi)星波束對區(qū)域進行照射，對于人口集中、用戶數(shù)量多、業(yè)務量大的地區(qū)采用窄波束高增益進行照射，提高多用戶多媒體通信的能力，對于人數(shù)稀少、用戶數(shù)量少、業(yè)務量少的區(qū)域，采用寬波束進行覆蓋，降低系統(tǒng)成本。

2.2 人口密度分布狀況

中國人口分布的大致趨勢可以通過騰沖黑河一線（胡煥庸線）描述[4]，如圖4所示，藍色區(qū)域位于騰沖黑河一線左側(cè)，為人口稀少區(qū)域；綠色區(qū)域位于騰黑河一線右側(cè)，為人口密集區(qū)域；紅色區(qū)域為人口波動區(qū)域，位于騰沖黑河一線兩側(cè)[5]。

圖4 中國人口分布及分界線

中國人口主要分布在黑河騰沖一線右側(cè)，其人口占中國人口總量的96%左右，左側(cè)區(qū)域雖然占地面積大，但人口數(shù)量僅占總?cè)丝诘?%左右。由于人口分布的不均衡，對于人口分界線兩側(cè)的地區(qū)采用相同大小的波束進行照射時不能有效利用衛(wèi)星資源。

本文基于中國人口密度分布的騰沖黑河一線，提出混合波束照射方案。其中該線左側(cè)人口稀少的區(qū)域采用大波束照射；該線右側(cè)人口密集的區(qū)域采用小波束照射；對于人口波動區(qū)域，在該線左側(cè)時，采用大波束照射，在該線右側(cè)時，采用小波束照射。

3 基于人口密度分布的高通量通信衛(wèi)星波束覆蓋方案設計

3.1 波束覆蓋優(yōu)化方法

多波束優(yōu)化的目標是在覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，優(yōu)化波束數(shù)量和照射位置，用最少的波束數(shù)量覆蓋所要求區(qū)域[6]～[8]。以同步地球軌道115°E作為照射衛(wèi)星的位置，本文采用粒子群智能優(yōu)化算法對中國國土的波束覆蓋進行優(yōu)化。粒子群算法優(yōu)化流程如圖5 所示。

（1）優(yōu)化目標：波束覆蓋整個國土。

（2）優(yōu)化參數(shù)：波束數(shù)目和波束照射位置。

（3）適應度函數(shù)：需要考慮國土內(nèi)未覆蓋區(qū)域的面積S1，波束交疊區(qū)域的面積S2，波束覆蓋國土外區(qū)域的面積S3等因素。每一部分都有自己的權(quán)值w1、w2、w3，根據(jù)優(yōu)化目標合理調(diào)整權(quán)值大小，建立適應性函數(shù)。

（4）初始位置：隨機生成。

（5）初始數(shù)量：取充足的數(shù)量，通過優(yōu)化精簡數(shù)量。

圖5 粒子群算法優(yōu)化流程

3.2 混合波束覆蓋設計結(jié)果

為實現(xiàn)混合波束的覆蓋目標。本文首先分別采用0.6°的小波束和1.2°的大波束對中國本土進行均勻覆蓋優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

可以看出，采用均勻波束覆蓋國土時，若采用小波束覆蓋國土，需要88個波束，能保證全國范圍內(nèi)都具有較好的通信質(zhì)量，但是在人口稀少區(qū)域存在通信資源的浪費，系統(tǒng)建設成本過高；若采用大波束覆蓋國土，需要23個波束，在人口密集區(qū)域會出現(xiàn)通信資源的不足，造成通信能力的下降。

為了降低衛(wèi)星開發(fā)成本，提高衛(wèi)星資源利用效率，本文根據(jù)中國國土人口密度分布的特點，采用不同大小的混合波束進行照射。其中人口稀少區(qū)域采用1.2°大波束照射，人口密集區(qū)域采用0.6°小波束照射。

本文最終設計的混合波束覆蓋方案優(yōu)化結(jié)果為：共采用55個波束，其中13個1.2°的大波束，42 個0.6°的小波束，如圖7所示。

該混合波束覆蓋方案根據(jù)人口密度對不同區(qū)域采用不同波束進行覆蓋，將傳統(tǒng)均勻波束以地理面積為依據(jù)的通信資源分配轉(zhuǎn)化為以人口密度為依據(jù)的通信資源分配，充分利用通信資源，提升用戶體驗，降低建設成本。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)區(qū)域人口密度分布，通過粒子群智能優(yōu)化算法，以中國國土為例，設計了一種混合波束的覆蓋方案。最終采用55個大小波束對中國國土進行覆蓋，和均勻大波束覆蓋相比，可以提高用戶通信能力；和均勻小波束覆蓋相比，可以降低系統(tǒng)建設成本。實現(xiàn)了業(yè)務、覆蓋和成本之間的均衡。

圖6 均勻波束覆蓋國土

圖7 混合波束覆蓋國土