摘要：針對高通量衛星多點波束組網下動中通站型跨波束、跨信關站以及跨星切換中存在的影響通信質量的問題，研究了可行的切換實現方案，提升了用戶使用時的質量。在動中通應用場景中，用戶站基于地理位置信息發起越區切換，介紹了越區切換解決方案，采用了信關站結合信號質量和目的波束資源分配情況進行切換控制的方法，對切換過程中的通信質量保障技術進行了研究和優化，達到了良好的用戶體驗。

　　關鍵詞：高通量衛星;多點波束組網;越區切換;動中通

　　0引言

　　衛星通信具有覆蓋范圍廣、建網靈活、不受地理條件限制等優勢，在國家應急通信、遠程教育、遠程醫療、村村通、電視廣播、數據采集與監控、行業應用等領域有著廣泛應用[12]。高通量衛星(HighThroughputSatellite,HTS)通信系統采用多點波束、極化復用、頻率復用、高波束增益等技術，可提供比常規衛星高出數十倍的容量，目前已成為主流方向[34]。

　　動中通系統很好的解決了車輛、船舶、飛機等移動載體在運動中，通過地球同步軌道衛星實時、不間斷傳遞語音、數據、高清晰動態視頻圖像等多媒體信息的難題，是當前很多國家和地區需求旺盛、發展迅速的衛星通信應用領域。由于高通量衛星具有多點波束、多信關站、多星覆蓋等特點，動中通站型移動過程中，利用高通量衛星資源進行通信時存在波束切換、信關站切換等問題，影響用戶業務通信質量[5]。本文針對動中通用戶在高通量衛星網絡中越區切換場景進行分析的基礎上，提出了越區切換解決方案，包括切換實際選擇、切換控制策略等。

　　1切換場景分析

　　高通量衛星波束設置一般分為用戶波束和饋電波束兩類，用戶波束為多點波束，饋電波束根據系統容量的不同可設置多個。針對衛星波束的設置，一般在每個饋電波束設置一個信關站，這樣多個饋電波束將對應多個信關站[6]。多個信關站間使用地面網絡進行互連，從而將多波束星狀網絡連接為一體。高通量系統中當動中通用戶站從一個波束移動到另外一個波束時，需要對點波束通信鏈路進行切換。動中通站型移動過程中，切換場景包括波束切換、信關站切換以及衛星切換3種。其中，衛星切換總是伴隨著波束切換和信關站切換;信關站切換也總是伴隨著波束切換[7]。因此，所有移動過程的切換場景均是在跨波束切換的基礎上實現的。

　　2跨波束切換方案

　　動中通用戶跨波束切換包含跨波束切換時機選擇、跨波束切換處理和跨波束資源調度三部分。跨波束切換時機選擇在用戶站進行，根據本站的地理位置信息，結合衛星波束覆蓋信息，計算是否處于波束邊緣，若處于波束邊緣則計算最近的目的波束，并向信關站發起越區切換[8]。

　　跨波束切換處理由用戶站和信關站協同進行，通過對目的波束下信號強度的比較，決策是否進行切換[9]。跨波束資源調度由信關站進行，將該站在源波束下的資源釋放并在目的波束下為其分配衛星信道資源[10]。完成以上過程后，用戶站在收到波束切換指令后，切換調制解調器參數，在目的波束下進行信號發送與接收，維持原有通信鏈路不中斷。

　　2.1切換時機選擇

　　跨波束切換時，用戶站需要獲知多點波束的邊界信息和自身的位置信息，然后根據位置的比對判斷所處波束，用戶獲知點波束邊界信息可采用預存儲或在線下載方式。

　　衛星天線多波束中每波束寬度約1°，根據衛星設計及指標數據，整個壽命周期內天線指向精度誤差小于0.1°，因此天線抖動引起波束邊界指向增益變化為1.1°和0.9°波束寬度間的增益差值[11]。多點波束0.1°的邊界位置抖動范圍約60km，在波束邊界引起的增益波動約1.7dB。考慮到波束抖動引起的指向誤差，越區切換的位置邊界判斷以波束最大抖動點即約1.1°為基準進行使用。系統進行最低傳輸能力設計與估算時也同樣以1.1°波束邊緣為基準進行。由于同步軌道衛星位于赤道平面，我國大部分地區均為傾斜覆蓋，點波束在地面的覆蓋非圓型，在進行波束邊緣判斷時，為了精確判斷波束邊緣位置，需要考慮波束覆蓋的實際情況。

　　以地球圓心為坐標系原點(0,0,0)，地球半徑為R，衛星坐標為(h,0,0)，h為衛星到地心的距離。h≈43117km,R≈6371km。假設衛星在東經110.5º上空，波束中心點在東經115.78º，北緯20.76º，那么波束中心點坐標為：(

　　2.2跨波束切換處理

　　在高通量中，每個波束的載波參數獨立，用戶站跨波束時，需要獲取目的波束的載波參數和目的波束的鏈路狀態，否則存在通信中斷的問題。因此跨波束切換處理的主要工作是對用戶站在源波束和目的波束下的鏈路狀態進行比較，決策是否進行跨波束切換，核心是選擇合適的兩個波束下的比較信道[14]。

　　高通量衛星通信系統可分為前向大波束返向多波束高通量衛星通信系統和前返向均為多波束的高通量衛星通信系統，對于前者，在用戶站跨波束切換時，前向大波束返向多波束系統的前向鏈路不變，返向鏈路切換，對于后者，前返向鏈路均需要切換。因此本文設計了一種基于返向鏈路接收狀態的對比信道，用于用戶站源目的波束下的鏈路狀態比較。

　　分別為源波束前向載波和返向載波、目的波束前向載波和返向載波。用戶站在跨波束前僅接收源波束前向載波，信關站在源波束前向載波中發送越區切換信息，越區切換信息中包含目的波束載波信息、越區切換控制信息等;用戶站在源波束返向載波申請時隙發送申請突發，在目的波束返向載波探測時隙發送探測突發，信關站接收申請突發和探測突發，用于比較用戶站在兩個波束下的鏈路狀態[15]。

　　信關站收到用戶站跨波束切換請求后：①信關站在用戶站未越區前，處于等待用戶站越區請求狀態，為用戶站在源波束返向載波分配申請時隙，接收用戶站發送申請突發，并統計接收用戶站在該波束的接收狀態;②信關站收到用戶站跨波束切換請求后，查詢目的波束是否有可用資源，若無可用資源，則拒絕本次切換申請，若有可用資源則進入步驟③;③信關站通過用戶站源波束前向載波的越區輔助信息時隙向用戶站發送目的波束載波配置參數;④信關站為用戶站在目的波束返向載波中分配探測時隙，并通過越區輔助信息時隙發送給用戶站;⑤用戶站在探測時隙發送探測突發;⑥信關站收到用戶站探測突發后，與接收該站的申請突發的接收狀態(接收信噪比)進行比較，若探測突發的信噪比更高，則進入允許該站進行越區切換，否則重復步驟④。

　　2.3跨波束資源調度

　　信關站在允許用戶站進行跨波束切換后，需要統一調度源波束和目的波束的資源分配，保證用戶站在切換前后的通信鏈路不中斷。

　　信關站確認可進行越區切換后，在新波束內檢測資源的可用性。如果新波束內可用資源充分，則在現有載波上進行時隙資源預留或擴展新的業務載波以供切換使用;若新波束內可用資源緊張，難以保證用戶站的所有業務傳輸需求，則根據業務優先級進行調整，保證用戶站高優先級業務的傳輸，無法保證資源時暫緩切換。在新波束資源檢測過程中，用戶站保持在原波束內的資源占用，保證業務傳輸的持續[1617]。

　　資源檢測完成后，信關站將切換命令下發至用戶站等待手動確認的反饋信息，或信關站直接自動進行切換。信關站直接在新波束內進行時隙資源的分配并同時釋放原波束內的資源占用，用戶站接收并執行時隙資源分配結果，在新波束的載波頻點上進行數據接收與發送，切換過程結束[18]。整個波束切換過程由信關站統一管理，兩個波束內的資源調度與業務分配優先級可同時執行。

　　3結束語

　　本文在考慮到高通量衛星多點波束使用特點的基礎上，對跨星跨波束的切換場景進行了分析，設計了適用于波束切換的幀結構和切換流程、資源調度方案。該方案能夠保證用戶站在切換前后的通信不受影響，避免出現因切換而導致的通信中斷現象。采用該方案能夠保證用戶使用過程中的流暢性和系統的穩定性。由于高通量衛星為提高系統信道容量，采用兩種極化方式，相鄰波束的極化方式可能不同。

　　動中通用戶站波束切換時，切換前后的極化方式可能不同。極化切換分為手動極化切換和自動極化切換兩種，均需要1s左右才可完成極化切換，造成通信的短時間中斷;同時由于高通量衛星網絡可以同時利用多顆衛星構建，因此存在跨星切換問題。跨星切換時，機動站天線需要調整所跟蹤的衛星，天線轉星過程中通信暫時中斷，為了獲得更好的用戶體驗，建議在進行跨星切換時，用戶站配置雙天線。

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　　作者：孫斐1，程敏1，馬培博2