張更新，王運峰，丁曉進，洪濤，劉子威，張晨

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學衛(wèi)星通信研究所，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學物聯(lián)網(wǎng)學院，江蘇 南京 210003）

1 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，它是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站向各類陸?？仗煊脩籼峁拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入等通信服務的新型網(wǎng)絡。國家發(fā)展和改革委員會在2020 年4 月20 日正式宣布將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起列入新型基礎設施建設范圍，這標志著我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設正式提上議程[1]。

早期提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務主要通過地球靜止軌道（GEO,geostationary earth orbit）衛(wèi)星來實現(xiàn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，以新一代高通量衛(wèi)星（HTS,high throughput satellite）為代表的GEO 衛(wèi)星通信（GEO-HTS）系統(tǒng)仍是提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主力[2]。與此同時，以O3b 系統(tǒng)為代表的中地球軌道（MEO,medium earth orbit）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和以第二代銥星系統(tǒng)（Iridium NEXT）、一網(wǎng)系統(tǒng)（OneWeb）和星鏈系統(tǒng)（StarLink）等為代表的低地球軌道（LEO,low earth orbit）星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域正發(fā)揮越來越重要的作用，具有低時延、低成本、廣覆蓋、寬帶化等優(yōu)點，代表著衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向[3]。

GEO-HTS 系統(tǒng)的單星覆蓋范圍廣，少量衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球覆蓋。由于衛(wèi)星數(shù)少且相對地面靜止，其組網(wǎng)和頻率協(xié)調(diào)相對容易，系統(tǒng)建設和維護成本較低，但同時存在傳輸時延大、傳播損耗高、不能覆蓋南北極區(qū)等不足。提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務的代表性GEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括早期面向企業(yè)級用戶的IPSTAR、Spaceway-3 等，以及后期快速發(fā)展的HTS，如美國Viasat 系列、EchoStar 17、EchoStar 19以及我國的中星16 號、亞太6D 等衛(wèi)星。

O3b 星座系統(tǒng)是目前全球唯一一個成功投入商業(yè)運營的MEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)。第一代O3b 星座有20 顆衛(wèi)星在軌運營，可為亞非拉及中東地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入。目前，已計劃發(fā)射第二代22 顆O3bmPOWER 衛(wèi)星，組成42 顆衛(wèi)星的中軌道衛(wèi)星星座，這些新增衛(wèi)星將會兼用傾斜和赤道軌道，把O3b 星座覆蓋范圍從目前的南北緯50°之間擴展到地球兩極，成為一個真正的全球通信系統(tǒng)。

OneWeb 系統(tǒng)是美國OneWeb 公司建設的寬帶LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，于2020 年7 月被英國政府和印度Bharti公司聯(lián)合收購。根據(jù)其向FCC提出的申請，OneWeb 系統(tǒng)大致由三部分組成。第一部分由648 顆工作于Ku/Ka 頻段的LEO 衛(wèi)星構成，分布在軌道高度為1 200 km、傾角為87.9°的18 個軌道面上，每個軌道面部署40 顆OneWeb 衛(wèi)星，星座容量達到7 Tbit/s[4]。第二部分將添加1 280 顆V 頻段MEO衛(wèi)星，分布在軌道高度為8 500 km、傾角為45°的中軌軌道上。2020 年5 月28 日，OneWeb 公司向FCC 提交申請再次增加近4.8 萬顆衛(wèi)星。目前，OneWeb 在軌衛(wèi)星數(shù)量已達110 顆。

StarLink 系統(tǒng)是美國太空探索（SpaceX）公司建設的一個低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務。目前，SpaceX系統(tǒng)向ITU共申報了約4.2 萬顆衛(wèi)星，截至2021 年2 月18 日，SpaceX 已經(jīng)進行了21 批衛(wèi)星的發(fā)射，總共發(fā)射了1 145 顆衛(wèi)星，其中在軌1 082 顆（運行1 004 顆）衛(wèi)星，再入燒毀63 顆衛(wèi)星。

我國的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設也在進行中，具有代表性的有航天科技集團的“鴻雁”系統(tǒng)、航天科工集團的“虹云”和“行云”系統(tǒng)，以及中國電科主導的“天地一體化信息網(wǎng)絡”工程等。這幾個系統(tǒng)都是面向互聯(lián)網(wǎng)接入而設計的且都完成了首顆衛(wèi)星的發(fā)射。

然而，大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的爆炸式發(fā)展也引發(fā)了頻率軌道資源的爭奪[5]，同時衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)本身的大時空尺度、業(yè)務分布不均勻性等特點又會引起空時頻資源利用的忙閑不均，造成資源浪費，這對網(wǎng)絡體系架構的設計帶來了嚴峻挑戰(zhàn)[6]?；诖?，本文首先梳理了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究現(xiàn)狀以及體系架構的組成要素，分析了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)場景下的寬帶和窄帶業(yè)務模型，以及由于采用星間頻譜共享而造成的同頻干擾問題；然后重點研究了適合低軌衛(wèi)星的波束成形技術、適合高軌衛(wèi)星的跳波束技術，分別提出了多星協(xié)作波束成形輔助的隨機接入算法和業(yè)務驅(qū)動跳波束算法，并對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來的幾個主要技術發(fā)展方向進行了展望。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構

2.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般組成

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖1 所示?？臻g段是指提供信息中繼服務的衛(wèi)星星座，少則一顆衛(wèi)星，多則成千上萬顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星可以工作在GEO、MEO 或LEO 軌道，也可以同時包括2 種或2 種以上軌道類型的衛(wèi)星，衛(wèi)星之間可以有或沒有星間鏈路。用戶段是指供用戶使用的手持機、便攜站、機（船、車）載站等各種陸海空天通信終端。地面段一般包括衛(wèi)星測控中心及相應的衛(wèi)星測控網(wǎng)絡、系統(tǒng)控制中心及各類信關站（Gateway）等，其中衛(wèi)星測控中心及相應的測控網(wǎng)絡負責保持、監(jiān)視和管理衛(wèi)星的軌道位置和姿態(tài)，控制衛(wèi)星的星歷表等；系統(tǒng)控制中心負責處理用戶登記、身份確認、計費和其他的網(wǎng)絡管理功能等；信關站負責呼叫處理、交換及與地面通信網(wǎng)的接口等。其他通信系統(tǒng)是指地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)或其他各種專用網(wǎng)絡，用戶信息通過衛(wèi)星中繼，經(jīng)饋電鏈路連接到地面信關站，然后接入地面通信網(wǎng)。不同地面通信網(wǎng)要求信關站具有不同的網(wǎng)關功能。

2.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)方式與衛(wèi)星工作模式有關。當衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)工作模式時，用戶終端只能通過衛(wèi)星一跳與信關站建立連接，再經(jīng)信關站連接到地面互聯(lián)網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式要求系統(tǒng)中設置非常多的信關站，各信關站可以獨立工作，沒有信關站覆蓋的地方，用戶終端無法接入互聯(lián)網(wǎng)，如圖2 所示。

當衛(wèi)星采用處理轉(zhuǎn)發(fā)工作模式時，衛(wèi)星具備星上處理和交換能力及星間通信能力。系統(tǒng)中不需要部署很多的信關站，用戶終端可通過多顆衛(wèi)星的中繼建立與信關站的連接，從而訪問地面互聯(lián)網(wǎng)，組網(wǎng)方式如圖3 所示。

2.3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的工作過程

用戶終端開機后首先進行注冊申請，注冊成功后，如果用戶有通信要求，就通過控制信道申請建立連接；如果連接申請被接受，系統(tǒng)就通過控制信道向用戶終端分配資源，包括使用的衛(wèi)星和信關站標識碼、上下行點波束號、時隙、頻率或碼字信息等；收到資源分配命令后用戶終端即可建立連接；由于用戶和衛(wèi)星都可能是移動的，通信過程中還需要進行星間或波束間切換；連接結束后，用戶終端釋放信道，系統(tǒng)收回分配的網(wǎng)絡資源。

2.4 高軌與低軌星座組網(wǎng)的對比

低軌星座與GEO-HTS 代表著利用衛(wèi)星通信提供互聯(lián)網(wǎng)服務的2 種實現(xiàn)思路：低軌星座通過發(fā)射數(shù)百上千顆小衛(wèi)星，形成一個大規(guī)模星座來實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高容量；而GEO-HTS 則通過發(fā)射超大型衛(wèi)星在一個區(qū)域內(nèi)形成數(shù)百上千個點波束來實現(xiàn)高容量。表1 給出了代表性GEO-HTS 系統(tǒng)（美國ViaSat-3）和低軌星座系統(tǒng)（OneWeb 和StarLink）在工作頻率、頻譜效率、單星容量等方面的對比[7]。低軌衛(wèi)星通常是小衛(wèi)星，其波束數(shù)目和單星容量遠低于GEO-HTS，但由于GEO-HTS 系統(tǒng)通常只由一顆或有限的幾顆衛(wèi)星組成，而低軌星座系統(tǒng)通常由大量的衛(wèi)星組成，如 OneWeb 系統(tǒng)第一期包括648 顆衛(wèi)星，StarLink 系統(tǒng)第一期則包括4 425 顆衛(wèi)星，因此，低軌星座系統(tǒng)的總?cè)萘恳菺EO-HTS系統(tǒng)高很多。

表1 不同衛(wèi)星波束參數(shù)對比

相比GEO-HTS 系統(tǒng)，低軌星座系統(tǒng)在傳輸時延、路徑損耗、入軌成本方面有優(yōu)勢。具體來說，GEO-HTS 系統(tǒng)往返時延約為480 ms，而低軌星座系統(tǒng)一般只需30 ms 左右，GEO-HTS 系統(tǒng)的路徑損耗約為210 dB，低軌星座系統(tǒng)只需180 dB 左右；另外，低軌衛(wèi)星單位質(zhì)量入軌成本大概只有GEO-HTS 的1/10～1/5。但是在衛(wèi)星壽命、地面終端和容量利用效率等方面，低軌星座系統(tǒng)的性能就不如GEO-HTS 系統(tǒng)，GEO-HTS 系統(tǒng)的使用壽命一般為15 年，而低軌星座系統(tǒng)受大氣阻力等影響使用壽命為5～8 年；同時低軌衛(wèi)星的地面終端必須使用自動跟蹤天線，制造成本高，并且地球表面70%以上為海洋和荒野等無人區(qū)域，低軌衛(wèi)星全球覆蓋的特點造成系統(tǒng)容量利用效率較低，反觀GEO-HTS 系統(tǒng)，其可通過對覆蓋區(qū)域進行預先設計，容量利用效率較高。

2.5 基于SDN 的柔性體系架構設計

實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)的融合是通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢，基于此，本文借鑒地面5G/B5G網(wǎng)絡體系架構的設計思想，設計了一個天地融合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)柔性體系架構，如圖4 所示。按照衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般組成，該架構同樣包括空間段、用戶段和地面段3 個部分。與傳統(tǒng)體系架構不同的是，為實現(xiàn)天地融合，其用戶終端可以是一種多模態(tài)終端，支持多種空口波形，能夠根據(jù)可用鏈路自主選擇與各類衛(wèi)星節(jié)點或地面基站進行通信。該融合架構中地面核心網(wǎng)利用SDN、NFV 技術實現(xiàn)控制面和數(shù)據(jù)面的分離、軟硬件解耦，完成融合網(wǎng)絡的資源調(diào)度和管理控制[8]。

數(shù)據(jù)面功能主要完成業(yè)務信息的傳輸和交換，并通過天地融合數(shù)據(jù)網(wǎng)關接入地面核心網(wǎng)。控制面功能主要負責網(wǎng)絡業(yè)務的實時控制，保障業(yè)務數(shù)據(jù)的高效交換，同時上報全網(wǎng)狀態(tài)信息至管理面并接收管理面的管理策略?？紤]到空間段衛(wèi)星節(jié)點需要負責用戶尋址、用戶接入控制、調(diào)度、管控方式等功能，將核心網(wǎng)的接入與移動性管理功能（AMF,access and mobility management function）和會話管理功能（SMF,session management function）這2 個功能節(jié)點延伸到衛(wèi)星控制平面。管理面對衛(wèi)星狀態(tài)、地面節(jié)點狀態(tài)、網(wǎng)絡狀態(tài)、路由、安全、業(yè)務、資源等方面進行管理，將管理指令下發(fā)至控制面和數(shù)據(jù)面。地面段管控設備和地面核心網(wǎng)通過天地融合控制網(wǎng)關進行命令交互。

在邏輯功能上對整體架構進行劃分，分為感知層、功能層和應用層，如圖5 所示。其中，感知層利用底層硬件資源，分析衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務模型和干擾場景，所獲得的數(shù)據(jù)資源為上層各項功能的實現(xiàn)提供支撐。功能層作為整體系統(tǒng)架構的核心部分，對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行管理與控制，主要完成資源調(diào)度、組網(wǎng)協(xié)議、干擾協(xié)調(diào)等功能。本文以衛(wèi)星資源調(diào)度為例，提出針對低軌衛(wèi)星的空時頻資源的高效利用技術和針對高軌衛(wèi)星的跳波束技術。功能層所生成的資源調(diào)度策略都會提交到圖4 中的衛(wèi)星控制器和地面控制器，由其進行天地融合網(wǎng)絡的具體資源分配操作。限于篇幅，SDN 架構設計[8]、資源控制器的優(yōu)化部署[9]和資源管理[10]等方面未深入展開。應用層主要分為寬帶互聯(lián)業(yè)務和窄帶物聯(lián)業(yè)務，利用功能層相關決策的部署，滿足其網(wǎng)絡服務需求。

整個系統(tǒng)架構采用模塊化設計模式，通過“功能組件”的組合，構建滿足不同應用場景需求的專用邏輯網(wǎng)絡。在不改變底層物理設備的前提下，通過功能層下發(fā)控制指令指導底層設備支撐衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務，實現(xiàn)整體網(wǎng)絡的集中管理、資源按需分配和負載均衡。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模型

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣、終端數(shù)量多、QoS 差異大。對于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于衛(wèi)星的高動態(tài)，在一個軌道周期內(nèi)星下點要在海洋與陸地、山區(qū)與平原、城市與農(nóng)村之間進行多次轉(zhuǎn)換，衛(wèi)星業(yè)務量表現(xiàn)出很強的突發(fā)性。研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務量的分布規(guī)律，對于天地融合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構設計具有重要意義。下面，分別針對寬帶業(yè)務模型和窄帶業(yè)務模型進行建模研究。

3.1 寬帶業(yè)務模型

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務主要是指人與人（H2H,human to human）之間通信產(chǎn)生的語音或數(shù)據(jù)業(yè)務，因此其業(yè)務模型主要取決于人口密度和時間這2 個因素，其原因在于：1) H2H 通信的業(yè)務分布與人口密度或GDP 呈顯著的正相關；2) H2H 業(yè)務的通信時段具有較強的周期性。由此，可從業(yè)務空間分布和時間變化2 個維度對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務進行建模。

1) 業(yè)務空間分布建模

對波束覆蓋區(qū)域按照經(jīng)緯度進行網(wǎng)格劃分，以我國為例，可對波束覆蓋范圍按經(jīng)度每隔1.5°、緯度每隔1.25°劃分為559 個網(wǎng)格。業(yè)務量強度[11]計算式為

其中，ρ(i) 表示第i個網(wǎng)格的業(yè)務量強度，λi,j表示第i個網(wǎng)格中第j種業(yè)務平均達到率，Ti,j表示第i個網(wǎng)格中第j種業(yè)務平均服務時長，ni,j表示第i個網(wǎng)格內(nèi)的第j種業(yè)務用戶數(shù)量。假設各省份內(nèi)的用戶均勻分布，因此可以通過面積比計算每個網(wǎng)格內(nèi)的用戶數(shù)量，具體計算式為

其中，Ni,j,k表示第i個網(wǎng)格所在省份k的第j種業(yè)務用戶數(shù)量，Ai,k表示省份k的第i個網(wǎng)格面積。各省份的用戶數(shù)量的計算式為

其中，GPM 表示區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度，Pr表示衛(wèi)星服務的普及程度，Tp為衛(wèi)星服務在通信業(yè)務中的市場占有率。以上參數(shù)可根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒-2019》[12]等獲得。

另一方面，單個網(wǎng)格面積計算式為

其中，la表示每個網(wǎng)格沿經(jīng)度方向長度，lb表示每個網(wǎng)格沿緯度方向長度，θc表示每個網(wǎng)格中心緯度值，RE表示地球半徑。綜上，可求得各波束覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)格業(yè)務強度之和，并參考不同業(yè)務所需的帶寬、速率等，最終可得業(yè)務量的空間分布模型。

2) 時間變化模型

業(yè)務量不僅具有區(qū)域差異性，還存在隨時間的周期變化性。為分析業(yè)務量變化受時間因素的影響，描述其在一天之內(nèi)的相對變化情況，文獻[13]提出了一個歸一化業(yè)務量時間加權因子，在一天之內(nèi)（24 h），根據(jù)人們?nèi)粘５幕顒右?guī)律，在不同的時間段，給業(yè)務量分配一個時間加權系數(shù)作為業(yè)務量的時間變化模型。

將時間加權因子與業(yè)務需求峰值加權，便可得到業(yè)務量時間變化模型，本文以一個GEO 衛(wèi)星點波束為例，仿真其業(yè)務量隨時間變化的情況，如圖6所示。

3.2 窄帶業(yè)務模型

窄帶業(yè)務以物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務作為典型代表進行分析?？紤]物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務時空二維分布不均，探索物聯(lián)網(wǎng)海量接入業(yè)務空時隨機變化的特征，初步設計了如圖7 所示的空時二維業(yè)務模型產(chǎn)生方法。空間維度模型從不同地理區(qū)域的終端部署密度出發(fā)獲得終端位置，用來刻畫終端空間維度隨機分布特征，具體步驟如下[14]。

1) 設Z(x,y) 為目標區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)終端部署密度，其中y和x通過相應的仿射變換對應于實際的地理經(jīng)緯度坐標，計算歸一化的二維節(jié)點概率密度函數(shù)。

2) 計算X的邊緣累積概率分布函數(shù)。

3) 采用一維逆變化采樣方法，利用上述分布函數(shù)生成X軸上的一個隨機數(shù)，其中，U1表示一個服從均勻分布的隨機數(shù)。

4) 將Z(x,y)中的第x'行提取出來，記為，計算給定X'條件下Y的累積條件概率分布函數(shù)。

5) 類似地，獲得Y軸上的一個隨機數(shù)，將生成的x'和y'通過仿射變化轉(zhuǎn)換成實際的緯度坐標λ和經(jīng)度坐標和，其中，λstart和φstart分別表示緯度和經(jīng)度最小的參考坐標，λstep和φstep分別表示緯度和經(jīng)度的劃分間隔。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務主要分為周期驅(qū)動型和事件驅(qū)動型2 種業(yè)務，分別具有平穩(wěn)和突發(fā)特性。對于周期驅(qū)動型業(yè)務，當節(jié)點數(shù)超過一定數(shù)量時，可認為在高終端密度下，異步同周期業(yè)務源疊加在時間維度可近似為泊松過程。對于事件驅(qū)動型業(yè)務，異步非同周期業(yè)務源聚合可根據(jù)業(yè)務種類及到達強度，將其分為多個異步同周期業(yè)務源疊加，得到具有不同強度的多個疊加泊松過程[15]。根據(jù)泊松過程的可加性，單個區(qū)域內(nèi)的疊加業(yè)務強度可通過各類不同強度的疊加過程近似得到。此外，考慮事件驅(qū)動業(yè)務造成的突發(fā)流量具有激增或銳減特性，在時間維度可通過貝塔分布或中斷式泊松分布進行建模。

本文以一個采用walker 構型的低軌星座為例，分別用2 種業(yè)務量產(chǎn)生方法仿真星座中某一顆衛(wèi)星的集總業(yè)務量隨時間變化的情況，如圖8 所示。從圖8 可以發(fā)現(xiàn)，單星集總業(yè)務量隨時間發(fā)生劇烈變化，具有顯著的高峰均比特征。

4 星間頻譜干擾分析

隨著非靜止軌道衛(wèi)星星座的飛速發(fā)展，對于星地/星間頻率兼容性研究已從GEO 與NGSO 間拓展至NGSO 星座間。依靠衛(wèi)星載荷與信號處理技術的發(fā)展，通信衛(wèi)星平臺和地面站的特點都在發(fā)生變化，星上的有源數(shù)字相控陣將成為主要發(fā)展趨勢、信關站必將支持多星連續(xù)跟蹤、終端形態(tài)也將延伸至個人移動、車輛、艦船、飛行器等動中通終端和固定站點。同時，由于頻率軌位資源緊張，典型NGSO 系統(tǒng)間工作頻段存在重疊（如表2 所示），開展新的頻率兼容性分析勢在必行。

本節(jié)將簡要介紹同頻干擾場景、GEO 與NGSO星座間以及NGSO 星座間的頻率兼容性分析過程與結果。

4.1 同頻干擾場景分析

相較于GEO 衛(wèi)星的干擾環(huán)境靜態(tài)、干擾呈現(xiàn)周期性等特點，低軌星座間的同頻干擾場景具有特殊性。根據(jù)表2 給出的代表性低軌星座系統(tǒng)用頻情況，在低軌星座系統(tǒng)用戶鏈路間、饋電鏈路間和用戶與饋電鏈路間均可能存在干擾，下面，著重梳理NGSO 星座間干擾場景，GEO 可看作其簡化形式。

表2 幾個代表性低軌星座系統(tǒng)用頻情況

1) 饋電鏈路間干擾。衛(wèi)星與信關站工作于凝視方式，且波束連續(xù)跟蹤通信對端。同時，由于衛(wèi)星星座規(guī)模大，信關站大多具備多幅收發(fā)天線，能夠同時服務可視范圍內(nèi)的多顆NGSO 衛(wèi)星。當不同系統(tǒng)的信關站距離較近時，各自星座內(nèi)衛(wèi)星的相對運動造成波束指向時變。因此，對饋電鏈路間干擾場景來說，信關站可看作一個波束指向時變的廣義多波束平臺，集總干擾復雜。

2) 用戶鏈路間干擾。NGSO 星座的用戶鏈路大多采用多點波束的方式實現(xiàn)服務區(qū)域的覆蓋，波束調(diào)度方式有固定指向型、凝視型和靈活指向型，實現(xiàn)復雜度逐漸增加。而用戶端可分為固定站點、動中通終端和移動通信終端等多種，其中固定站點和動中通終端能力較強，能夠提供指向性波束，可凝視通信衛(wèi)星，而移動通信終端受體積等實際因素限制，大多以弱指向性天線作為收發(fā)天線。因此，用戶鏈路間干擾是最復雜的物理干擾場景，對于下行干擾，需要考慮不同衛(wèi)星系統(tǒng)間頻段、多色復用、衛(wèi)星下行多波束體制、動態(tài)性、地面終端類型等因素，而上行干擾需要考慮地面終端類型、分布、數(shù)量以及衛(wèi)星的動態(tài)性，是典型的集總干擾場景。

3) 用戶鏈路與饋電鏈路間干擾。用戶鏈路與饋電鏈路間的干擾可以看作2 個多波束平臺間的干擾。其場景特點需要考慮衛(wèi)星與地面間的相對運動，以及多波束的變化。這一場景可以看作用戶鏈路間干擾的一種簡化情況。

4.2 GEO 與NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節(jié)主要針對GEO 和典型NGSO 系統(tǒng)之間的干擾情況進行分析。以銥星系統(tǒng)（Iridium）上行鏈路為例[16]，其工作在L 頻段，主要提供窄帶移動業(yè)務?？臻g段由66 顆LEO 衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在6 個軌道面上，每個軌道面上部署11 顆衛(wèi)星，LEO 衛(wèi)星軌道高度為780 km，軌道傾角為86.4°，當波束邊緣通信仰角為8°時，可實現(xiàn)對全球的無縫覆蓋。GEO 衛(wèi)星系統(tǒng)由3 顆GEO 衛(wèi)星組成，可實現(xiàn)對中低緯度地區(qū)的無縫覆蓋。

圖9 和圖10 分別為一天范圍內(nèi)上行鏈路中GEO 和LEO 衛(wèi)星接收到的信號質(zhì)量變化情況?？梢钥吹剑捎陬l率較低，波束較寬，受到干擾的影響很大。其中，由于GEO 衛(wèi)星覆蓋范圍廣，GEO衛(wèi)星接收到的信號質(zhì)量下降了約30 dB，且一直遭受干擾；LEO 衛(wèi)星也受到干擾的影響，除了南北極區(qū)，信號質(zhì)量也下降了20 dB 左右。由此可以看出，LEO 由于全球覆蓋，且窄帶應用波束較寬，導致干擾在所有時間范圍內(nèi)均存在，因此必須要采用多維聯(lián)合的干擾規(guī)避措施。

4.3 NGSO 星座間頻率兼容性分析

本節(jié)以Starlink 對OneWeb 星座的下行用戶鏈路干擾為例[17]，分析NGSO 星座間頻率兼容性情況。OneWeb 用戶波束采用16 個高橢圓波束，覆蓋1 100 km2的正方形區(qū)域，Starlink 采用靈活波束，四色復用，建模為4 個同頻波束。同時，由于Starlink采用靈活波束，在對熱點地區(qū)進行仿真時，將靈活波束視為短時間內(nèi)的凝視波束。波束示意如圖11所示。地面用戶考慮多個用戶，建模為均勻分布在119°E～120°E、29°N～30°N 內(nèi)的40 個不同的用戶終端。星座參數(shù)按照真實系統(tǒng)參數(shù)設置。

載干噪比累積分布曲線如圖12 所示。從圖12可以進一步得到干擾發(fā)生的概率為99.8%，系統(tǒng)的可用時間百分比為73.3%。

對有效功率通量密度（EPFD,effective power flux density）超過限值的時間百分比進行統(tǒng)計，可以得到如圖13 所示的時間百分比曲線。

當EPFD 的限值設置為-162 dBW·(m2·4 kHz)-1時，對應的超過限值的時間占比為24%，要大于饋電鏈路間的干擾場景。

基于上述對用戶鏈路間指標的分析可以看到，未來NGSO 星座間同頻干擾十分嚴重，同時由于地面用戶分布的全球性和不確定性，無法通過空間隔離來減緩干擾，需要在星座申報階段進行更詳細的頻率兼容性分析，并在系統(tǒng)設計時考慮穩(wěn)健的抗同頻干擾手段。

5 低軌衛(wèi)星空間域資源高效利用技術

多輸入多輸出（MIMO,multiple input multiple output）系統(tǒng)是提升地面4G/5G 網(wǎng)絡容量的主要手段，但衛(wèi)星信道是直射分量占主體的欠散射信道，并不能取得理想的分集增益，只能探索提升MIMO系統(tǒng)空間復用增益的方法。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中的波束成形技術就提供了這樣的空間復用解決方案，但需要借鑒5G 網(wǎng)絡大規(guī)模MIMO 的設計理念來研究分別利用同一顆衛(wèi)星的天線陣列（星內(nèi)）和不同衛(wèi)星天線間協(xié)作組陣（星間）進行波束成形設計，實現(xiàn)單星和多星覆蓋區(qū)域內(nèi)空域資源的高效分割復用，從而實現(xiàn)波束間的負載均衡和系統(tǒng)容量提升，并解決傳統(tǒng)固定多點波束系統(tǒng)在多星覆蓋區(qū)內(nèi)多址干擾嚴重、影響系統(tǒng)容量的問題。

5.1 面向負載均衡的單星多波束成形傳輸

針對單星多波束場景下多波束空間域資源的高效利用問題，本文根據(jù)不同區(qū)域地理特征，如海洋、沙漠、山區(qū)、平原等進行柵格劃分并采用機器學習的方法提取區(qū)域化的信道信息[18]。在單星多波束場景下研究星上多波束成形傳輸，通過控制波束的數(shù)量、指向以及成形將多波束覆蓋范圍內(nèi)的激活用戶數(shù)盡量均勻地分配在不同的波束中，降低同一波束內(nèi)終端的碰撞概率。

假設星載陣列天線產(chǎn)生 7 個波束Fi(φ,θ),i=1,2,…,7，覆蓋一定的地理面積，波束間的總交疊面積用SI表示，每個波束范圍內(nèi)激活用戶的總業(yè)務量用Bi,i=1,2,…,7表示。某個時刻由于激活用戶數(shù)的增長，波束F1(φ,)θ區(qū)域內(nèi)時頻資源緊張，而鄰近的波束（用Fi(φ,θ),i=2,…,7表示）中有n個波束由于用戶數(shù)量少，波束覆蓋范圍內(nèi)時頻資源得不到充分的利用。本文采用星載陣列天線通過增加/減少子陣的方式來控制波束覆蓋范圍，設計加權向量的相位實現(xiàn)波束指向的控制，充分發(fā)揮星上多波束相控陣載荷波束數(shù)量可控制、波束指向可變、波束能成形的優(yōu)勢均衡不同波束內(nèi)業(yè)務量，如圖14 所示。

本文建立式(5)所示的優(yōu)化問題來控制單星多波束成形設計

其中，m表示第m次波束參數(shù)控制，表示第i個波束調(diào)整波束大小需要的陣列口徑，D表示星載陣列天線總口徑上限約束，表示第i個波束的第m次調(diào)整波束指向，K(2n)表示包含nbit 數(shù)字式相位控制器的波束指向最小精度，mll 表示最高干擾門限。式(5)中目標函數(shù)表示均衡不同波束內(nèi)的業(yè)務量；約束C1 表示多波束覆蓋地面總面積的約束，約束C2 表示多波束交疊區(qū)大小上限的約束，約束C3 表示覆蓋大小參數(shù)的調(diào)節(jié)不能超過星載陣列天線的分辨率（口徑約束），約束C4 表示星載陣列天線主瓣指向調(diào)整的最小精度約束，約束C5 表示調(diào)整波束參數(shù)后的波束旁瓣對于其他波束的干擾上限約束。在低軌衛(wèi)星高動態(tài)下，對式(5)優(yōu)化問題進行迭代求解以形成適合當前衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務特征的多波束成形參數(shù)。

5.2 面向多址干擾抑制的多星協(xié)作波束成形設計

針對傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)共視區(qū)內(nèi)多址干擾嚴重問題，本文研究多星協(xié)作波束成形方法，將共視多星構造為稀疏分布陣列，挖掘星間聯(lián)合處理增益，抑制多址干擾，提升系統(tǒng)容量。多星空間域資源高效利用場景如圖15 所示。在多星多波束場景下，利用多星覆蓋的空間域資源，設計多星協(xié)作波束成形輔助的隨機接入（CBA,cooperative beamforming aided ALOHA）方案，方案包括前導碼檢測、數(shù)據(jù)分組競爭檢測、多星協(xié)作波束成形、協(xié)作串行干擾消除4 個步驟，能消除共視區(qū)內(nèi)多址干擾，提高系統(tǒng)吞吐量。假設數(shù)據(jù)在一個接收窗口內(nèi)到達衛(wèi)星的概率服從參數(shù)為λ的泊松分布，假設每個數(shù)據(jù)分組的長度固定且其傳輸時間為T0，則系統(tǒng)歸一化負載可以表示為[19]

CBA 方案具體步驟如下。

步驟1前導碼檢測。信關站利用數(shù)據(jù)分組前導碼的相關性檢測多星接收信號中未發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)分組前導碼，并利用未發(fā)生碰撞的前導碼完成數(shù)據(jù)分組的時頻同步和信道估計功能，時頻同步確保參加協(xié)作處理的數(shù)據(jù)分組來自同一終端，信道估計為步驟3 中協(xié)作波束成形優(yōu)化問題提供期望方向約束。

步驟2數(shù)據(jù)分組競爭檢測。對未發(fā)生碰撞前導碼所在數(shù)據(jù)分組進行循環(huán)冗余校驗（CRC,cyclic redundancy check），根據(jù)CRC 結果，可將競爭類型分為以下3 種情況：1) 所有協(xié)作接收機處的CRC結果均正確，即該數(shù)據(jù)分組未發(fā)生碰撞，則按照時間序列繼續(xù)捕獲下一個數(shù)據(jù)分組，并返回步驟1；2) 至少有一個接收機成功接收數(shù)據(jù)分組，其他協(xié)作接收機未成功接收，則根據(jù)傳統(tǒng)多星異步協(xié)同ALOHA（ACA,asynchronous cooperative ALOHA）方案[20]進行串行干擾消除解調(diào)數(shù)據(jù)分組，并返回步驟1；3) 所有接收機都未能成功接收數(shù)據(jù)分組，則根據(jù)步驟1 前導碼檢測的結果，進入步驟3。

步驟3多星協(xié)作波束成形。根據(jù)步驟1 中前導碼檢測結果，采用基于LCMV 準則的多星協(xié)作波束成形，波束成形器中約束前導碼未發(fā)生碰撞的期望數(shù)據(jù)分組功率，同時抑制干擾和噪聲，數(shù)學表達式為

其中，a(θ0)為前導碼未碰撞數(shù)據(jù)分組的導向矢量，為多星接收信號的協(xié)方差矩陣。對于式(7)，可以采用拉格朗日法求解最優(yōu)加權

經(jīng)過多星協(xié)作波束成形器后期望解調(diào)數(shù)據(jù)分組的信干噪比用γ表示，設信號成功接收的解調(diào)門限為，若，則成功接收數(shù)據(jù)分組，采用干擾消除的方法去除已正確解調(diào)數(shù)據(jù)分組，回到步驟1；若，則接收失敗。

步驟4協(xié)作串行干擾消除。如果步驟2 或步驟3 中有數(shù)據(jù)分組被成功解調(diào)，則采用多星協(xié)作的方式進行多星間的串行干擾消除方式解調(diào)數(shù)據(jù)分組。

吞吐量和數(shù)據(jù)分組丟失率是衡量隨機接入系統(tǒng)性能的重要指標，圖16 給出了CBA 方案、ACA方案[19]和CRDSA（contention resolution diversity slotted ALOHA）方案[20]的仿真性能對比。其中歸一化負載G如式(6)所示，系統(tǒng)吞吐量可以表示為，其中，PLR(G)表示在負載為G時的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分組丟失率。

圖16 中，Rx 表示接收機個數(shù)，Rep 表示發(fā)送的數(shù)據(jù)分組副本個數(shù)。從圖16 可以看到，在相同條件下，CBA 方案相比于ACA 方案，在吞吐量性能上提升了約16%，具有更好的吞吐量和數(shù)據(jù)分組丟失率性能，能有效緩解ACA 方案在高負載條件下的“死鎖”問題，同時CBA 方案沒有引入額外的數(shù)據(jù)分組副本，在高負載場景下比CRDSA 方案具有更好的性能，更適合未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)場景。

6 高軌跳波束技術

針對HTS-GEO 系統(tǒng)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分布的空間不均勻性和時變性會導致各波束頻繁出現(xiàn)“忙閑不均”的現(xiàn)象，不能滿足多樣化任務的隨需覆蓋和高效傳輸需求，造成通信資源的浪費。

與傳統(tǒng)的多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，跳波束技術能夠更好地滿足業(yè)務需求不均衡的應用場景，被認為是高通量衛(wèi)星的關鍵技術[21]。為此，需要對跳波束技術進行研究，本文給出了一種業(yè)務驅(qū)動的跳波束資源分配算法。在資源受限的條件下，為了使系統(tǒng)吞吐量盡可能滿足用戶需求，建立如下資源分配的目標函數(shù)[22]

其中，ωi為各波位的權重，當各波位權重相同時，該目標函數(shù)為公平目標函數(shù)，當權重不同時，該目標函數(shù)為權重目標函數(shù)，本文采用公平目標函數(shù)來求解；M為總波束數(shù)；Ri為系統(tǒng)提供給波位i的容量；為波位i需求的容量；Ni為系統(tǒng)分配給波位i的時隙數(shù)；Nc為波束簇的數(shù)目；Tij為時隙分配矩陣的元素，取值為0 或1，當Tij=1 時，表示j時隙波位i被波束照射。對目標函數(shù)進行對數(shù)運算后該問題轉(zhuǎn)化為一個凸優(yōu)化問題，該目標函數(shù)轉(zhuǎn)化后為

該凸優(yōu)化問題可用拉格朗日函數(shù)求解，其中γi表示波位i的信噪比，可得時隙數(shù)目的分配結果為

算法性能驗證以資源受限的Ka波段GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路為仿真場景，工作頻率為30 GHz，共M=21 個波束，平均分為3 個簇，每簇7 個波束。其他關鍵的仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真主要參數(shù)

圖17 給出了3 種資源分配算法的系統(tǒng)吞吐量仿真結果對比。其中，多波束均分算法是指均分信道帶寬等星上資源，非業(yè)務驅(qū)動跳波束算法是按照波位順序輪流訪問各波位，各波位駐留時間相同。業(yè)務驅(qū)動跳波束算法的服務時長由式(11)計算得到的時隙數(shù)目決定，同時引入了同頻復用距離來規(guī)避干擾。從圖17 中可以看出，業(yè)務驅(qū)動跳波束算法可以顯著提高系統(tǒng)的吞吐量性能，從仿真結果看，業(yè)務驅(qū)動跳波束算法相對傳統(tǒng)多波束均分算法能提升65.74%的吞吐量。

7 未來的研究展望

盡管對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究已經(jīng)開展了很多年，但由于其大時空尺度、動態(tài)性強、拓撲結構復雜、業(yè)務種類繁多等特點，導致在體系架構、空域資源利用、組網(wǎng)協(xié)議和干擾協(xié)調(diào)等方面仍存在較大的挑戰(zhàn)。

7.1 天地一體化體系架構

未來的空天地一體化通信網(wǎng)絡，是以地面網(wǎng)絡為依托、以天基網(wǎng)絡為拓展的立體分層、融合協(xié)作的網(wǎng)絡，各星座衛(wèi)星（包括高、中、低軌）和地面節(jié)點共同形成多重覆蓋[23]。這樣一個系統(tǒng)具有網(wǎng)絡異質(zhì)異構、空間節(jié)點高度動態(tài)、拓撲結構時變、極大的時空尺度、空間節(jié)點資源受限和衛(wèi)星廣播傳輸鏈路易受攻擊等特點，這些特點對網(wǎng)絡架構、星地融合通信體制以及星間組網(wǎng)協(xié)議等方面的設計提出了更高的要求。

7.2 空時頻分割復用技術

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務具有空時二維不均及突發(fā)性強的特征，不同區(qū)域內(nèi)終端數(shù)量和業(yè)務QoS 需求差異性大，導致業(yè)務繁忙區(qū)域網(wǎng)絡資源緊張，而業(yè)務空閑區(qū)域網(wǎng)絡資源又得不到充分利用。衛(wèi)星信道是直射分量占主體的欠散射信道，采用地面5G 網(wǎng)絡中多天線收發(fā)的空時編碼技術并不能取得理想的分集增益，星地間長傳播時延導致難以獲得完美的實時信道信息，低軌衛(wèi)星的在軌高速運動和終端的隨機移動又造成統(tǒng)計信道信息準確度低、生存周期短。傳統(tǒng)固定多點波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)跨波束資源調(diào)度能力弱，并且在多星覆蓋區(qū)內(nèi)存在嚴重的多址干擾，不能滿足海量終端隨機接入對系統(tǒng)容量和資源調(diào)度能力的需求[24]。為此，需要基于信道與業(yè)務復雜隨機特征研究空時頻多域資源的分割復用，以進一步提升系統(tǒng)容量。

7.3 組網(wǎng)協(xié)議

TCP/IP 是地面互聯(lián)網(wǎng)采用的通信協(xié)議，但在空間數(shù)據(jù)傳輸領域則主要采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS,Consultative Committee for Space Data Systems）協(xié)議體系，而在深空通信及一些大時延應用領域采用的是延遲容忍網(wǎng)絡（DTN,delay tolerant network）協(xié)議體系。作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，為便于與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合，采用TCP/IP 可能是一種比較合適的選擇。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡的特殊性，必須要解決TCP/IP 在鏈路大時延和頻繁通斷場景下的低效率工作問題。此外，路由協(xié)議也是一個需要重點關注的方面，它是決定星座網(wǎng)絡部署和傳輸性能的關鍵因素，與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要采用單層星座不同，目前在建的大規(guī)模星座主要采用多層星座或混合軌道星座，其網(wǎng)絡拓撲變化連續(xù)頻繁發(fā)生且無規(guī)律性，會造成數(shù)據(jù)傳輸過程中路由頻繁發(fā)生變化，進而帶來難以承受的重路由開銷。因此，需要研究高效、穩(wěn)健的路由方法以應對持續(xù)、隨機、高動態(tài)性的拓撲變化以及業(yè)務流分布不均帶來的網(wǎng)絡擁塞和負載均衡問題。

7.4 干擾協(xié)調(diào)技術

由于頻譜資源嚴重不足，需要實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面無線通信系統(tǒng)之間、衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間（如GEO 系統(tǒng)與LEO 系統(tǒng)、LEO 系統(tǒng)與LEO 系統(tǒng)）的頻譜共享問題。由于LEO 衛(wèi)星的軌道運動，其干擾場景非常復雜，需要針對時變空變的干擾特性研究專門的頻譜共享與干擾協(xié)調(diào)技術。目前可用的實現(xiàn)方法主要有2 類，一是使用認知無線電技術，自動檢測周圍無線電環(huán)境，智能調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，在不對原有業(yè)務用戶造成干擾的前提下，從時間、空間、頻率等多維度利用空閑的頻譜資源；二是通過完善的數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)頻譜共享，通過查詢數(shù)據(jù)庫來獲得一定區(qū)域內(nèi)空閑頻譜的情況，從而使用相應頻譜資源。

8 結束語

本文重點針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系架構、業(yè)務特征建模、頻譜共享下的星間同頻干擾、低軌衛(wèi)星波束成形和高軌衛(wèi)星跳波束等內(nèi)容展開了研究，研究結果表明，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務具有明顯的空時分布不均特征，且未來NGSO 星座間同頻干擾十分嚴重，難以通過空間隔離來減緩干擾，需要從系統(tǒng)設計和頻率協(xié)調(diào)等方面開展工作以減緩干擾，基于業(yè)務分布進行空域資源高效利用，能夠提升系統(tǒng)吞吐量。最后對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來可能的技術發(fā)展方向進行了探討，希望對相關人員的研究工作能夠有所幫助。