基于低軌衛(wèi)星星座回傳的基站間組網(wǎng)

孫娉娉，張緯棟，甘 杰

(天地信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，北京 100041)

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)居民生活中日益普及，移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入了極速發(fā)展時(shí)期[1]。

然而，我國(guó)幅員遼闊、經(jīng)濟(jì)發(fā)展尚不均衡，面向信息普惠、應(yīng)急救援乃至熱點(diǎn)區(qū)域任務(wù)保障等場(chǎng)景，受目前基站間光纖敷設(shè)難、光纖毀壞等因素制約，用戶(hù)通過(guò)基站獲取、處理和轉(zhuǎn)發(fā)互連/物聯(lián)信息的能力大大降低，無(wú)法得到高效、實(shí)時(shí)、不間斷的信息保障。

第五代通信系統(tǒng)(5G)提出移動(dòng)基站的概念，并且基站間可以通過(guò)無(wú)線回傳，擺脫了第四代通信系統(tǒng)(4G)及傳統(tǒng)通信的傳輸網(wǎng)絡(luò)只能光纖互連的桎梏[2-3]。同時(shí)，空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)突破了“傳感器”、“轉(zhuǎn)發(fā)器”的概念，具備處理、交換、服務(wù)能力，并憑借其“高、遠(yuǎn)、廣”的優(yōu)勢(shì)，成為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息體系的核心。

通過(guò)構(gòu)建低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)，支撐地面移動(dòng)通信基站之間互聯(lián)互通，形成一個(gè)集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、信息提取、信息分發(fā)于一體的空間泛在融合網(wǎng)絡(luò)體系[4]。通過(guò)空間信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)、不間斷地獲取、處理和分發(fā)基站間的互連/物聯(lián)信息，保障信息普惠、應(yīng)急救援、熱點(diǎn)增強(qiáng)等各類(lèi)信息通信任務(wù)[5]。

基于低軌星座回傳的基站間組網(wǎng)需具備協(xié)同通信、統(tǒng)籌資源管理等能力，而網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、以及時(shí)空大跨度對(duì)低軌衛(wèi)星星座與地面基站之間的自組網(wǎng)與傳輸提出了很大的挑戰(zhàn)[6]。面向5G移動(dòng)基站無(wú)線回傳需求，履行新時(shí)期信息普惠、應(yīng)急處突等使命，對(duì)移動(dòng)基站與低軌衛(wèi)星協(xié)同自組網(wǎng)能力提出如下要求：

(1)面向任務(wù)按需服務(wù)

空間鏈路傳輸時(shí)延長(zhǎng)、誤碼率高、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，并且各類(lèi)移動(dòng)基站所處環(huán)境差異性較大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)互連/物聯(lián)提出不同需求。需要低軌衛(wèi)星星座具備面向各類(lèi)應(yīng)用任務(wù)的信息服務(wù)能力，支持跨區(qū)域間空間信息組網(wǎng)交換、遠(yuǎn)程高速中繼傳輸和綜合業(yè)務(wù)組網(wǎng)通信，以及面向應(yīng)急救援的遠(yuǎn)程寬帶可靠通信[7]。

(2)超大容量傳輸能力的要求

基站間互連的數(shù)據(jù)量很大，需要低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)回傳具備超大容量傳輸能力[8]。一方面保障信道高效利用，實(shí)時(shí)回傳海量數(shù)據(jù)；另一方面，有效地進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)，確保干擾環(huán)境下信息有效傳輸及分發(fā)。實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的快速響應(yīng)，提高干擾條件下的信息保障能力[9-10]。

(3)基于低軌星座回傳的基站間穩(wěn)定組網(wǎng)

空間信息網(wǎng)絡(luò)存在資源受限，干擾環(huán)境復(fù)雜，星地資源協(xié)調(diào)能力差等問(wèn)題。為保障數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、信息提取、信息分發(fā)的實(shí)時(shí)、不間斷，需要協(xié)同調(diào)度空、時(shí)、頻率等多域資源，使得低軌星座與地面基站組成互聯(lián)互通的空間信息網(wǎng)絡(luò)。需要保障如此規(guī)模巨大、異構(gòu)性強(qiáng)的空間信息網(wǎng)絡(luò)能夠高效運(yùn)行，尤其針對(duì)跨復(fù)雜區(qū)域、大地域的低軌節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)，從而提升對(duì)各類(lèi)應(yīng)用任務(wù)的組網(wǎng)支撐[11]。

綜上所述，根據(jù)各類(lèi)應(yīng)用需求，亟需基于低軌星座建設(shè)寬帶傳輸、面向任務(wù)按需服務(wù)、組網(wǎng)穩(wěn)定的基站間回傳網(wǎng)絡(luò)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

為破解我國(guó)幅員遼闊、經(jīng)濟(jì)發(fā)展尚不均衡環(huán)境下的移動(dòng)基站回傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)應(yīng)用任務(wù)的快速響應(yīng)，必須構(gòu)建寬帶傳輸、面向任務(wù)按需服務(wù)、組網(wǎng)穩(wěn)定的空間信息網(wǎng)絡(luò)。因此，需要研究傳輸、面向任務(wù)的資源調(diào)度、組網(wǎng)三方面問(wèn)題。

1.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的資源管理

各類(lèi)移動(dòng)基站所處環(huán)境差異性較大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)互連、物聯(lián)提出不同需求，需要空間網(wǎng)絡(luò)具備面向各類(lèi)應(yīng)用任務(wù)的信息服務(wù)能力。軟件定義資源和網(wǎng)絡(luò)資源池化技術(shù)的提出和發(fā)展為空間網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)和資源的靈活調(diào)度提供了解決途徑[12]。可以根據(jù)具體的任務(wù)目標(biāo)和需求，抽象出底層設(shè)施多維度(如波束、功率、載波等)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限資源最大限度的綜合利用[13]。

1.2 通信傳輸

近年來(lái)陸續(xù)發(fā)射的新一代高軌高吞吐量衛(wèi)星(HTS)衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束結(jié)構(gòu)，通過(guò)重復(fù)使用有線的頻率資源而具備更大的通信容量。HTS衛(wèi)星采用類(lèi)似于地面蜂窩網(wǎng)的技術(shù)，各個(gè)點(diǎn)波束采用不同頻率和計(jì)劃的組合而彼此獨(dú)立工作。近年來(lái)，上述技術(shù)更加成熟地應(yīng)用于衛(wèi)星設(shè)計(jì)，波束更小，波束數(shù)量更多，頻率復(fù)用程度更高。

在低軌衛(wèi)星方面，銥星系統(tǒng)采用Ka頻段實(shí)現(xiàn)寬帶大容量接入。oneweb 設(shè)計(jì)了720顆低軌衛(wèi)星，18個(gè)軌道面，軌高1200 km。采用Ku頻段單星大于6 Gbps，傳輸速率50 Mbps，總?cè)萘考s5 Tbps。目前我國(guó)低軌系列衛(wèi)星逐步在采用Ka/Ku頻段，通過(guò)可移點(diǎn)波束、固定點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)寬帶接入，單波束覆蓋范圍超過(guò)100平方公里。另外，全球管理波束和信標(biāo)波束實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)控制管理。

1.3 空間組網(wǎng)

在組網(wǎng)體制方面，低軌星座網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)星間鏈路組網(wǎng)，形成單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，也可以同高軌衛(wèi)星混合組網(wǎng)，形成多層空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。參考[14-15]，我國(guó)面向2030年，提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程，并將其列入了“十三五”規(guī)劃綱要以及《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。

2 發(fā)展趨勢(shì)分析

綜合分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)分析如下：

(1)針對(duì)不同基站的不同應(yīng)用任務(wù)，通過(guò)資源虛擬化及切片隔離能夠確保服務(wù)質(zhì)量。

在解決業(yè)務(wù)感知與資源適配的基礎(chǔ)上，抽象出底層設(shè)施多維度(如波束、功率、載波等)資源，構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)資源池，在合理的資源隔離基礎(chǔ)上進(jìn)行多維資源統(tǒng)籌調(diào)度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用任務(wù)的服務(wù)保障，有效提升用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)度。

(2)在采用合理的頻段、軌道、波束等通信體制前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)超大容量傳輸。

低軌衛(wèi)星通過(guò)計(jì)算獲取合理的軌道、星座參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍的持續(xù)覆蓋。采用Ka/Ku寬帶頻段、頻率復(fù)用、波束賦型等方式，設(shè)計(jì)固定點(diǎn)波束、信標(biāo)波束，并通過(guò)機(jī)械式、相控陣等方式實(shí)現(xiàn)可移點(diǎn)波束，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶超大容量傳輸。

(3)在充分研究低軌星座系統(tǒng)拓?fù)淝疤嵯?，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)基站組網(wǎng)。

國(guó)內(nèi)外均已完成低軌衛(wèi)星之間通過(guò)星間鏈互聯(lián)，低軌衛(wèi)星之間通過(guò)高軌星互聯(lián)。事實(shí)證明，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面光纖骨干傳輸?shù)墓δ?，基于低軌衛(wèi)星星座回傳的基站間組網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展前景。另外，針對(duì)空間資源受限，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間干擾復(fù)雜等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已著手研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)空動(dòng)力學(xué)特性，為開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及全網(wǎng)信息通信優(yōu)化提供支撐。

3 基于低軌衛(wèi)星星座的基站間組網(wǎng)研究方案

3.1 研究目標(biāo)

面向信息惠普、應(yīng)急救援、熱點(diǎn)增強(qiáng)等各類(lèi)信息通信任務(wù)需求，針對(duì)低軌衛(wèi)星星座拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、傳輸延時(shí)長(zhǎng)、間歇連接等特點(diǎn)，開(kāi)展基于低軌衛(wèi)星星座回傳的基站間組網(wǎng)研究，突破面向任務(wù)的資源管理、協(xié)作波束通信、基于天基時(shí)變圖的拓?fù)浣M網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，形成能夠保障不同任務(wù)，實(shí)現(xiàn)寬帶大容量、穩(wěn)定傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)回傳低軌星座網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體視圖

3.2 研究?jī)?nèi)容

(1)面向任務(wù)驅(qū)動(dòng)的資源管理技術(shù)

面向不同應(yīng)用任務(wù)，解決業(yè)務(wù)感知與資源適配問(wèn)題，設(shè)計(jì)衛(wèi)星的軌道和波束參數(shù)，針對(duì)任務(wù)規(guī)劃和資源調(diào)度進(jìn)行技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)功率、載波和波束角三維聯(lián)合調(diào)度，優(yōu)化移動(dòng)基站回傳容量。

(2)基于時(shí)變圖的天基網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)浣?/p>

天基網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模，是在天基網(wǎng)絡(luò)功能組成及功能劃分的基礎(chǔ)上，研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)空動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)合節(jié)點(diǎn)功能、網(wǎng)絡(luò)資源、任務(wù)需求以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)空變化等因素進(jìn)行拓?fù)浣！?/p>

(3)試驗(yàn)驗(yàn)證與系統(tǒng)評(píng)估技術(shù)

通過(guò)構(gòu)建盡可能包含全部要素的最小原型系統(tǒng)，利用有限試驗(yàn)資源，設(shè)計(jì)多維、分層次的空間等效試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文所提資源管理技術(shù)進(jìn)行效能分析。

3.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

為保障不同應(yīng)用任務(wù)，構(gòu)建寬帶大容量傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)回傳低軌星座網(wǎng)絡(luò)，采用層次化的研究方法，首先解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題，接著解決接入網(wǎng)容量?jī)?yōu)化的問(wèn)題，最后實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)的高效組網(wǎng)傳輸。反過(guò)來(lái)，高效組網(wǎng)傳輸方案又進(jìn)一步推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究，如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵問(wèn)題解決流程圖

(1)通過(guò)衛(wèi)星軌道、波束參數(shù)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足一定區(qū)域內(nèi)基站數(shù)據(jù)有效回傳

一方面，低軌衛(wèi)星軌道一般為500～2000 km，為了避開(kāi)1500～5000 km的范艾倫輻射帶，選擇軌道高度范圍為500～1500 km。Ka/Ku波束分為窄波束(波束寬度1度左右)、寬波束(波束寬度約2度左右)兩類(lèi)。波束配置包括機(jī)械可移點(diǎn)波束、相控陣波束、“凝視”波束、信標(biāo)波束和全球管理波束等?？紤]基站回傳數(shù)據(jù)量大，需要設(shè)計(jì)合理的軌道、波束參數(shù)，既能保障單星的區(qū)域覆蓋范圍，又能保障基站大量數(shù)據(jù)能有效回傳。

(2)針對(duì)不同應(yīng)用任務(wù)，研究功率、載波、波束角三維聯(lián)合調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)單星容量?jī)?yōu)化。

較之傳統(tǒng)無(wú)線資源管理，在功率和載波二維聯(lián)合優(yōu)化基礎(chǔ)上，增加了波束角調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源受限條件下，以衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的不同應(yīng)用任務(wù)數(shù)據(jù)速率為約束條件，聯(lián)合優(yōu)化三維變量，提高系統(tǒng)的傳輸效率。

(3)引入天基時(shí)變圖，解決接入數(shù)據(jù)的高效組網(wǎng)傳輸問(wèn)題

接入數(shù)據(jù)可以通過(guò)低軌星間鏈或低軌-高軌-低軌星間鏈組網(wǎng)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空大區(qū)域的移動(dòng)基站間互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。空間網(wǎng)絡(luò)涉及多種異構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的節(jié)點(diǎn)連接，具有可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，通過(guò)天基時(shí)變圖，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)、能力可伸縮特征的大時(shí)空尺度下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型刻畫(huà)，從而解決高效組網(wǎng)傳輸問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

面向信息惠普、應(yīng)急救援、熱點(diǎn)增強(qiáng)等各類(lèi)信息通信任務(wù)需求，開(kāi)展基于低軌衛(wèi)星星座回傳的基站間組網(wǎng)研究，突破面向任務(wù)的資源管理、協(xié)作波束通信、基于天基時(shí)變圖的拓?fù)浣M網(wǎng)技術(shù)，支撐構(gòu)建能夠保障不同任務(wù)，實(shí)現(xiàn)寬帶大容量、穩(wěn)定傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)回傳低軌星座網(wǎng)絡(luò)。