【深度】基于低轨卫星星座回传的基站间组网
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今日荐文的作者为天地信息网络有限公司专家孙娉娉，张纬栋，甘杰。本篇节选自论文《基于低轨卫星星座回传的基站间组网》，发表于《中国电子科学研究院学报》第14卷第5期。
摘 要：5G通信系统提出移动基站的概念，基站间可以通过无线回传数据。并且随着卫星通信系统的发展，低轨卫星星座系统已逐渐具备海量数据的处理、交换和服务能力，通过低轨卫星星座系统能够实现基站间的无线组网传输。面向信息惠普、应急救援、热点增强等各类信息通信任务需求，开展基于低轨卫星星座回传的基站间组网研究，针对低轨卫星星座拓扑动态变化、传输延时长、间歇连接等特点，突破面向任务的资源管理、协作波束通信、基于天基时变图的拓扑组网技术，支撑构建能够保障不同任务，实现宽带大容量、稳定传输的基站数据回传低轨星座网络。
关键词: 天地一体化网络；低轨卫星星座系统；基站回传网络；协作波束通信；时变图
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论文全文摘编如下
仅供学术交流与参考
1. 引言
随着移动互联网、物联网在我国居民生活中日益普及，移动通信已经进入了极速发展时期[1]。
然而，我国幅员辽阔、经济发展尚不均衡，面向信息普惠、应急救援乃至热点区域任务保障等场景，受目前基站间光纤敷设难、光纤毁坏等因素制约，用户通过基站获取、处理和转发互连/物联信息的能力大大降低，无法得到高效、实时、不间断的信息保障。
第五代通信系统（5G）提出移动基站的概念，并且基站间可以通过无线回传，摆脱了第四代通信系统（4G）及传统通信的传输网络只能光纤互连的桎梏[2][3]。同时，空间网络节点已经突破了“传感器”、“转发器”的概念，具备处理、交换、服务能力，并凭借其“高、远、广”的优势，成为构建网络信息体系的核心。
通过构建低轨卫星星座系统，支撑地面移动通信基站之间互联互通，形成一个集数据获取、数据处理、信息提取、信息分发于一体的空间泛在融合网络体系[4]。通过空间信息网络实现高效实时、不间断地获取、处理和分发基站间的互连/物联信息，保障信息普惠、应急救援、热点增强等各类信息通信任务[5]。
基于低轨星座回传的基站间组网需具备协同通信、统筹资源管理等能力，而网络的动态性、以及时空大跨度对低轨卫星星座与地面基站之间的自组网与传输提出了很大的挑战[6]。面向5G移动基站无线回传需求，履行新时期信息普惠、应急处突等使命，对移动基站与低轨卫星协同自组网能力提出如下要求：
综上所述，根据各类应用需求，亟需基于低轨星座建设宽带传输、面向任务按需服务、组网稳定的基站间回传网络。
2. 国内外现状分析
为破解我国幅员辽阔、经济发展尚不均衡环境下的移动基站回传，实现对各类应用任务的快速响应，必须构建宽带传输、面向任务按需服务、组网稳定的空间信息网络。因此，需要研究传输、面向任务的资源调度、组网三方面问题。
2.1 任务驱动的资源管理
各类移动基站所处环境差异性较大，对网络互连、物联提出不同需求，需要空间网络具备面向各类应用任务的信息服务能力。软件定义资源和网络资源池化技术的提出和发展为空间网络的动态重构和资源的灵活调度提供了解决途径[12]。可以根据具体的任务目标和需求，抽象出底层设施多维度(如波束、功率、载波等)资源，实现对有限资源最大限度的综合利用[13]。
2.2 通信传输
近年来陆续发射的新一代高轨高吞吐量卫星（HTS）卫星采用多点波束结构，通过重复使用有线的频率资源而具备更大的通信容量。HTS卫星采用类似于地面蜂窝网的技术，各个点波束采用不同频率和计划的组合而彼此独立工作。近年来，上述技术更加成熟地应用于卫星设计，波束更小，波束数量更多，频率复用程度更高。
在低轨卫星方面，铱星系统采用Ka频段实现宽带大容量接入。oneweb 设计了720颗低轨卫星，18个轨道面，轨高1200km。采用Ku频段单星大于6Gbps，传输速率50Mbps，总容量约5Tbps。目前我国低轨系列卫星逐步在采用Ka/Ku频段，通过可移点波束、固定点波束实现宽带接入，单波束覆盖范围超过100平方公里。另外，全球管理波束和信标波束实现全网控制管理。
2.3 空间组网
在组网体制方面，低轨星座网络可以通过星间链路组网，形成单层卫星网络，也可以同高轨卫星混合组网，形成多层空间网络系统。参考[14] -[15]，我国面向2030年，提出了天地一体化信息网络重大工程，并将其列入了“十三五”规划纲要以及《“十三五”国家科技创新规划》。
3. 发展趋势分析
综合分析国内外现状，发展趋势分析如下：
（1）针对不同基站的不同应用任务，通过资源虚拟化及切片隔离能够确保服务质量。
在解决业务感知与资源适配的基础上，抽象出底层设施多维度(如波束、功率、载波等)资源，构建虚拟网络资源池，在合理的资源隔离基础上进行多维资源统筹调度，能够实现对不同应用任务的服务保障，有效提升用户的服务体验度。
（2）在采用合理的频段、轨道、波束等通信体制前提下，能够实现超大容量传输。
低轨卫星通过计算获取合理的轨道、星座参数，能够实现一定范围的持续覆盖。采用Ka/Ku宽带频段、频率复用、波束赋型等方式，设计固定点波束、信标波束，并通过机械式、相控阵等方式实现可移点波束，能够实现宽带超大容量传输。
（3）在充分研究低轨星座系统拓扑前提下，能够实现移动基站组网。
国内外均已完成低轨卫星之间通过星间链互联，低轨卫星之间通过高轨星互联。事实证明，低轨卫星星座系统可以实现地面光纤骨干传输的功能，基于低轨卫星星座回传的基站间组网具有广阔的发展前景。另外，针对空间资源受限，各网络节点间干扰复杂等问题，国内外已着手研究网络时空动力学特性，为开展技术攻关、网络服务以及全网信息通信优化提供支撑。
4. 基于低轨卫星星座的基站间组网研究方案
4.1研究目标
面向信息惠普、应急救援、热点增强等各类信息通信任务需求，针对低轨卫星星座拓扑动态变化、传输延时长、间歇连接等特点，开展基于低轨卫星星座回传的基站间组网研究，突破面向任务的资源管理、协作波束通信、基于天基时变图的拓扑组网技术，构建天地一体化网络试验验证系统进行评估，形成能够保障不同任务，实现宽带大容量、稳定传输的基站数据回传低轨星座网络，如图2所示。
图2 系统总体视图
4.2研究内容
（1）面向任务驱动的资源管理技术
面向不同应用任务，解决业务感知与资源适配问题，设计卫星的轨道和波束参数，针对任务规划和资源调度进行技术研究，实现功率、载波和波束角三维联合调度，优化移动基站回传容量。
（2）基于时变图的天基网络动态拓扑建模
天基网络拓扑结构建模，是在天基网络功能组成及功能划分的基础上，研究网络时空动力学特性，结合节点功能、网络资源、任务需求以及网络时空变化等因素进行拓扑建模。
（3）试验验证与系统评估技术
通过构建尽可能包含全部要素的最小原型系统，利用有限试验资源，设计多维、分层次的空间等效试验平台，对本文所提资源管理技术进行效能分析。
4.3拟解决的关键问题
图3 关键问题解决流程图
为保障不同应用任务，构建宽带大容量传输的基站数据回传低轨星座网络，采用层次化的研究方法，首先解决网络覆盖的问题，接着解决接入网容量优化的问题，最后实现接入数据的高效组网传输。反过来，高效组网传输方案又进一步推进网络覆盖的研究，如图3所示。
（1）通过卫星轨道、波束参数设计，满足一定区域内基站数据有效回传
一方面，低轨卫星轨道一般为500-2000km，为了避开1500km—5000km的范艾伦辐射带，选择轨道高度范围为500-1500km。Ka/Ku波束分为窄波束（波束宽度1度左右）、宽波束（波束宽度约2度左右）两类。波束配置包括机械可移点波束、相控阵波束、“凝视”波束、信标波束和全球管理波束等。考虑基站回传数据量大，需要设计合理的轨道、波束参数，既能保障单星的区域覆盖范围，又能保障基站大量数据能有效回传。
（2）针对不同应用任务，研究功率、载波、波束角三维联合调度算法，实现单星容量优化。
较之传统无线资源管理，在功率和载波二维联合优化基础上，增加了波束角调整，实现在网络资源受限条件下，以卫星覆盖范围内的不同应用任务数据速率为约束条件，联合优化三维变量，提高系统的传输效率。
（3）引入天基时变图，解决接入数据的高效组网传输问题
接入数据可以通过低轨星间链或低轨-高轨-低轨星间链组网传输，从而实现跨时空大区域的移动基站间互联互通、数据流转。空间网络涉及多种异构动态变化的节点连接，具有可预测性等特点，通过天基时变图，能够实现网络可重构、能力可伸缩特征的大时空尺度下的网络结构模型刻画，从而解决高效组网传输问题。
结 语
面向信息惠普、应急救援、热点增强等各类信息通信任务需求，开展基于低轨卫星星座回传的基站间组网研究，突破面向任务的资源管理、协作波束通信、基于天基时变图的拓扑组网技术，支撑构建能够保障不同任务，实现宽带大容量、稳定传输的基站数据回传低轨星座网络。
【参考文献】
[1]IMT-2020（5G）推进组白皮书. 5G愿景与需求. http://www.IMT-2020.cn. 2014.[2]J.G. Andrews, S. Buzzi, W. Choi, et al. What will 5G be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2014, 32(6): 1065–1082.[3]Afif Osseiran, etc. 5G Mobile and Wireless Communications Technology. Cambridge University Press. Oct. 2016.[4]IMT-2020推进组: “5G概念白皮书” “ 5G无线技术架构白皮书”. 2016.[5]IMT-2020推进组: “ 5G网络架构设计白皮书” “ 5G经济社会影响白皮书”. 2017.[6]Zhili Sun. Satellite Networking: Principles and Protocols. John Wiley & Sons. 2014. [7]X. Zhang, X. Tao, Y. Li, J. Lu, “QoS Provisioning Scheduling with Joint Optimization of Base Station and Relay Power Allocation in Cooperative OFDMA Systems,” IEEE International Conference on Communications (ICC), pp. 5453-5457, June 2013.[8]潘申富等. 宽带卫星通信技术. 国防工业出版社. 2015.[9]Vaze R, Heath R. Transmission capacity of ad-hoc networks with multiple antennas using transmit stream adaptation and interference cancellation [J]. Information Theory, IEEE Transactions on, 2012,58 (2): 780–792.[10]Feng D, Jiang C, Lim G, et al. A survey of energy-efficient wireless communications [J]. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2013, 15 (1): 167–178.[11]ABSOLUTE (Aerial Base Stations with Opportunistic Links for Unexpected and Temporary Events). EU FP7 Integrated Project, Available at http://www.absolute-project.eu/.[12]A. Tizghadam and A. Leon-Garcia, Autonomic Traffic Engineering for Network Robustness, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol. 28, no. 1, pp. 1-12, Jan. 2010.[13]Fernando N, Loke S W, Rahayu W. Mobile cloud computing: A survey[J]. Future Generation Computer Systems, 2013, 29(1): 84-106.[14]张乃通,赵康僆,刘功亮. 对建设我国“天地一体化信息网络”的思考[J]. 中国电子科学研究院学报,2015,10(03):223-230.[15]姜会林,刘显著,胡源,等. 天地一体化信息网络的几个关键问题思考[J]. 兵工学报,2014,35(S1):96-100.
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