低軌衛(wèi)星跳波束：從靜態(tài)分配到動(dòng)態(tài)按需

低軌（Low-Earth Orbit, LEO）衛(wèi)星星座正成為全球?qū)拵ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。與高軌衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星具有軌道高度低、傳播時(shí)延短、路徑損耗小等優(yōu)勢(shì)，單顆衛(wèi)星的往返時(shí)延通?？煽刂圃?00毫秒以內(nèi)。然而，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨一個(gè)根本性的矛盾：衛(wèi)星的星上功率和通信帶寬資源嚴(yán)重受限，而用戶的地理分布卻高度不均勻——城市等熱點(diǎn)區(qū)域需求密集，海洋、沙漠等廣闊區(qū)域需求稀疏。如果衛(wèi)星波束像探照燈一樣固定照射所有區(qū)域，不僅造成能源浪費(fèi)，也無法在熱點(diǎn)區(qū)域集中資源滿足峰值需求。這就引出一個(gè)問題：波束能否“跳”起來，按需照亮真正需要服務(wù)的地方？跳波束（Beam Hopping）技術(shù)正是為解決這一問題而發(fā)展起來的關(guān)鍵手段。

01

什么是跳波束

跳波束是一種讓衛(wèi)星波束指向在不同地面小區(qū)之間快速切換的技術(shù)機(jī)制。與傳統(tǒng)衛(wèi)星將所有波束固定指向特定區(qū)域不同，跳波束允許衛(wèi)星在不同時(shí)間片內(nèi)將波束指向不同的地面小區(qū)。具體而言，衛(wèi)星將時(shí)間劃分為極短的時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅激活部分波束服務(wù)于選定的地面小區(qū)，隨后在下一個(gè)時(shí)隙快速將波束指向切換到另一組小區(qū)。由于切換速度極快（每秒可達(dá)一千次），地面用戶感知不到服務(wù)的中斷，體驗(yàn)上與連續(xù)連接無異。

圖1. 低軌衛(wèi)星跳波束系統(tǒng)示意圖

圖2. 低軌衛(wèi)星跳波束通信系統(tǒng)波束點(diǎn)覆蓋分布圖

需要說明的是，波束本身并沒有像手電筒的光柱那樣在空中物理移動(dòng)。真正“跳”起來的是波束指向——通過改變天線陣元的饋電相位，電磁波能量的集中方向在不同小區(qū)之間快速切換。這種變化的本質(zhì)是相控陣天線（Phased-Array Antenna）各輻射單元相位關(guān)系的重新配置。

跳波束的實(shí)現(xiàn)依賴于兩個(gè)核心硬件支撐。其一是相控陣天線，它通過精確控制陣列中各輻射單元的饋電相位，無需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)波束指向的快速重構(gòu)，讓波束指向能夠在不同方向間毫秒級(jí)切換。其二是多端口功率放大器（Multi-Port Amplifier, MPA），它通過集成多個(gè)獨(dú)立放大通道和智能功率分配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)波束發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)調(diào)控，必要時(shí)可將整星功率集中分配到單個(gè)波束上。這兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，使得波束指向的“跳動(dòng)”不僅快速，而且精準(zhǔn)高效。

那么，讓波束這樣“跳”起來，到底能帶來哪些好處？首先是資源利用效率的顯著提升。在傳統(tǒng)固定波束模式下，衛(wèi)星需要同時(shí)為所有覆蓋區(qū)域提供連續(xù)服務(wù)，即使某個(gè)區(qū)域沒有用戶，波束也必須保持點(diǎn)亮狀態(tài)。采用跳波束后，衛(wèi)星只在實(shí)際有需求的時(shí)隙和區(qū)域激活波束，據(jù)工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，相比全區(qū)域連續(xù)覆蓋可節(jié)省約40%的能耗。

其次是靈活應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需求的時(shí)空非均勻分布。系統(tǒng)可以根據(jù)各地面小區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流量需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整波束在每個(gè)小區(qū)的駐留時(shí)間——需求大的小區(qū)分配更多時(shí)隙，需求小的小區(qū)分配較少時(shí)隙。這種按需分配機(jī)制使得有限的星上資源能夠精準(zhǔn)匹配動(dòng)態(tài)變化的用戶需求，顯著提升系統(tǒng)的服務(wù)容量。

最后是針對(duì)外部的惡意干擾，有良好的抗干擾能力。由于波束指向在不同時(shí)隙間快速變化，信號(hào)難以被持續(xù)追蹤和惡意干擾。同時(shí)，系統(tǒng)可以通過調(diào)度算法主動(dòng)避開被干擾的頻段或角度，選擇“干凈”的時(shí)頻資源進(jìn)行通信，增強(qiáng)了鏈路的安全性和可靠性。

02

跳波束的關(guān)鍵技術(shù)

跳波束系統(tǒng)的核心在于資源調(diào)度算法的設(shè)計(jì)。這是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)資源分配優(yōu)化問題：衛(wèi)星需要在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)決定哪些小區(qū)被服務(wù)、每個(gè)波束分配多少功率、使用哪個(gè)頻段，同時(shí)還要滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）需求并避免波束間的同頻干擾。從數(shù)學(xué)角度看，這是一個(gè)NP-hard（Non-deterministic Polynomial-time hard）問題，無法在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求得全局最優(yōu)解。

針對(duì)這一問題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界發(fā)展出多種調(diào)度算法路線。傳統(tǒng)分配算法如輪詢（Round Robin, RR）算法和隨機(jī)算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低，但資源利用率不高。啟發(fā)式優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火算法）能夠獲得較好的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，但在大規(guī)模動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下面臨計(jì)算復(fù)雜度高的問題。凸優(yōu)化算法通過將原問題分解為若干子問題并分別求解，在單星場(chǎng)景下能夠取得良好效果。近年來，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Deep Reinforcement Learning, DRL）的智能調(diào)度方法逐漸成為研究熱點(diǎn)——智能體可以根據(jù)實(shí)時(shí)的隊(duì)列長(zhǎng)度和信道狀態(tài)學(xué)習(xí)最優(yōu)調(diào)度策略，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)能力。

除了資源調(diào)度算法，另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是波束間的干擾管理。跳波束系統(tǒng)普遍采用全頻復(fù)用以提升頻譜效率，但相鄰波束同時(shí)激活時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾（Co-Channel Interference, CCI）。工程實(shí)踐中通常采用空間隔離策略：在調(diào)度時(shí)確保同一時(shí)隙內(nèi)激活的波束所對(duì)應(yīng)的小區(qū)之間保持足夠的空間距離（如80公里以上），使干擾水平降至可接受范圍。在波束密度較高或可用頻帶受限的場(chǎng)景下，還可采用波束分簇方式——將波束劃分為若干簇，簇內(nèi)采用全頻率復(fù)用但同一時(shí)隙僅激活一個(gè)波束，從而規(guī)避同頻干擾。

值得關(guān)注的是，衛(wèi)星在每個(gè)時(shí)隙應(yīng)該同時(shí)服務(wù)多少個(gè)小區(qū)，這是一個(gè)需要仔細(xì)權(quán)衡的設(shè)計(jì)參數(shù)。理論分析表明，隨著同時(shí)服務(wù)的小區(qū)數(shù)量增加，每個(gè)小區(qū)的覆蓋概率和單時(shí)隙數(shù)據(jù)速率會(huì)下降（因?yàn)椴ㄊg干擾隨之增大），但系統(tǒng)的整體容量會(huì)先上升后趨于飽和。

圖3. 周期內(nèi)跳波束的系統(tǒng)模型

圖4. 跳波束智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的框架

因此，存在一個(gè)最優(yōu)的服務(wù)小區(qū)數(shù)量——在滿足單個(gè)小區(qū)最低通信質(zhì)量要求的前提下，使系統(tǒng)總?cè)萘孔畲蠡哪莻€(gè)值。這一發(fā)現(xiàn)為跳波束系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可供參考的數(shù)值依據(jù)。

此外，跳波束的資源管理還需要在時(shí)域、頻域和功率域三個(gè)維度上聯(lián)合優(yōu)化。

• 時(shí)域上，波束在不同時(shí)隙間切換以實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋；

• 頻域上，通過動(dòng)態(tài)子帶分配來緩解共信道干擾；

• 功率域上，根據(jù)區(qū)域需求和干擾條件自適應(yīng)調(diào)整波束發(fā)射功率。

三個(gè)維度的聯(lián)合優(yōu)化是提升跳波束系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵。

03

技術(shù)挑戰(zhàn)與難點(diǎn)

跳波束系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)面臨多重挑戰(zhàn)。首先是星地高精度同步問題。跳波束本質(zhì)上是時(shí)分系統(tǒng)，地面網(wǎng)關(guān)站發(fā)送的業(yè)務(wù)信號(hào)必須與衛(wèi)星的波束指向切換節(jié)奏嚴(yán)格對(duì)齊。如果同步出現(xiàn)偏差，衛(wèi)星波束切換時(shí)間與前向業(yè)務(wù)信號(hào)不匹配，將直接影響用戶終端的正常接收。這一時(shí)間同步誤差需要控制在微秒級(jí)，對(duì)星地鏈路的定時(shí)精度提出了極高要求。

其次是波束指向的快速切換能力。雖然相控陣天線的電子掃描速度極快，但實(shí)際系統(tǒng)還需考慮頻率鎖定、協(xié)議交互等環(huán)節(jié)的開銷。在波束指向切換瞬間，通信鏈路在物理層面會(huì)經(jīng)歷短暫中斷（通常在10至50毫秒量級(jí)），需要通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和協(xié)議層重傳機(jī)制來掩蓋這一中斷對(duì)用戶體驗(yàn)的影響。

最后是大規(guī)模星座帶來的干擾管理復(fù)雜性。隨著多個(gè)低軌星座的密集部署，干擾來源從單星內(nèi)的波束間干擾擴(kuò)展到星座間的同頻干擾，以及低軌衛(wèi)星對(duì)高軌衛(wèi)星的共線干擾。以Starlink對(duì)OneWeb用戶下行鏈路的干擾分析為例，地面用戶在24小時(shí)內(nèi)均受到不同程度的干擾影響，I/N（Interference-to-Noise Ratio, 干擾與噪聲比）在部分時(shí)段顯著超過國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union, ITU）建議的-12.2 dB門限值。這要求跳波束調(diào)度算法必須將多系統(tǒng)頻譜共存作為核心約束條件。

04

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的技術(shù)路徑

針對(duì)星地高精度同步問題，工程上采用“開環(huán)預(yù)補(bǔ)償加閉環(huán)精調(diào)”的雙模機(jī)制。地面網(wǎng)關(guān)站根據(jù)衛(wèi)星星歷和本地定位信息，預(yù)先計(jì)算多普勒頻移和時(shí)間提前量（Timing Advance, TA）的初值，在波束切換前主動(dòng)設(shè)置本地參數(shù)，將初始偏差壓縮到很小范圍。隨后，系統(tǒng)通過閉環(huán)跟蹤算法動(dòng)態(tài)微調(diào)殘余誤差，確保微秒級(jí)的同步精度。這種開環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的方式，既利用了衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，又保持了對(duì)抗實(shí)時(shí)擾動(dòng)的能力。

針對(duì)波束切換瞬間的物理層中斷，可從多個(gè)層面加以應(yīng)對(duì)。

• 在物理層，相控陣天線的電子掃描速度可達(dá)納秒級(jí)，盡可能縮短波束指向切換的空檔期。

• 在數(shù)據(jù)鏈路層，終端內(nèi)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在中斷期間維持?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)流程的連續(xù)性，避免因瞬時(shí)中斷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

• 在傳輸層，自動(dòng)重傳機(jī)制可以彌補(bǔ)可能丟失的數(shù)據(jù)包。

三層協(xié)作作用，可將切換中斷對(duì)用戶體驗(yàn)的影響降至最低，用戶幾乎感知不到通信鏈路的短暫中斷。

針對(duì)大規(guī)模星座帶來的復(fù)雜干擾，當(dāng)前主要有三種解決思路。

• 其一是空間隔離，在調(diào)度時(shí)確保同時(shí)激活的波束對(duì)應(yīng)的小區(qū)之間保持足夠距離，使干擾水平降至可接受范圍。

• 其二是波束分簇，將波束劃分為若干簇，簇內(nèi)全頻率復(fù)用但同一時(shí)隙僅激活一個(gè)波束，從源頭上規(guī)避同頻干擾。

• 其三是認(rèn)知無線電（Cognitive Radio）方法，衛(wèi)星通過頻譜感知實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干擾分布，動(dòng)態(tài)選擇干凈的頻段進(jìn)行通信。對(duì)于低軌星座對(duì)高軌衛(wèi)星的共線干擾，還可采用規(guī)避角機(jī)制——當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星與高軌衛(wèi)星地面站的夾角小于設(shè)定閾值時(shí)，低軌衛(wèi)星暫停在該方向的發(fā)射，以保護(hù)高軌衛(wèi)星的正常通信。

05

跳波束的應(yīng)用場(chǎng)景

跳波束技術(shù)已成為全球主要低軌衛(wèi)星星座的標(biāo)配。Starlink在Ku頻段部署多波束相控陣天線，每顆衛(wèi)星可同時(shí)形成48個(gè)下行鏈路波束和16個(gè)上行鏈路波束，采用跳波束覆蓋技術(shù)，并于2019年實(shí)現(xiàn)了在軌應(yīng)用。在航空互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，Starlink的波束可跟隨飛機(jī)航線移動(dòng)，為跨洋航班提供穩(wěn)定連接，單架飛機(jī)終端可獲得高達(dá)500Mbps的理論峰值帶寬。在海事通信領(lǐng)域，Starlink系統(tǒng)可根據(jù)區(qū)域業(yè)務(wù)密度動(dòng)態(tài)分配波束資源，在繁忙航道集中更多通信容量，實(shí)測(cè)海上延遲可低至29-45毫秒，峰值吞吐量達(dá)325Mbps。在應(yīng)急通信場(chǎng)景下，Starlink可將多個(gè)波束臨時(shí)集中指向?yàn)?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，2022年湯加火山爆發(fā)和2023年夏威夷野火中，均作為關(guān)鍵通信鏈路發(fā)揮了重要作用。

OneWeb與歐洲航天局（European Space Agency, ESA）合作開發(fā)的JoeySat衛(wèi)星搭載了全數(shù)字跳波束技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)波束每秒切換超過1000次。Kuiper星座同樣采用跳波束技術(shù)，以預(yù)編程方式實(shí)現(xiàn)波束與虛擬點(diǎn)波束的映射。Telesat的“光速”星座也明確采用跳波束作為核心技術(shù)方案。企業(yè)服務(wù)方面，歐洲電信運(yùn)營商Orange已與Telesat達(dá)成合作，利用其Lightspeed星座為偏遠(yuǎn)地區(qū)企業(yè)提供專線連接。這些星座的跳波束能力主要服務(wù)于企業(yè)專線、政府應(yīng)急通信和全球?qū)拵Ц采w等場(chǎng)景。

圖5. 歐洲區(qū)域衛(wèi)星跳波束足跡規(guī)劃圖

我國在跳波束領(lǐng)域同樣取得重要進(jìn)展。實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星搭載了國內(nèi)首個(gè)跳波束轉(zhuǎn)發(fā)器，于2020年成功完成在軌驗(yàn)證，全面驗(yàn)證了跳波束轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)星上功率資源的靈活分配能力和地面用戶終端的快速同步能力。鴻雁星座首發(fā)星也成功驗(yàn)證了跳波束寬帶通信技術(shù)，為我國后續(xù)高通量衛(wèi)星的工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，多波束相控陣天線及跳波束技術(shù)是我國“中國星網(wǎng)GW星座”和“千帆星座”等低軌衛(wèi)星星座的核心載荷之一。

在第六代移動(dòng)通信（6G）空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的框架下，跳波束還將發(fā)揮更廣泛的作用。手機(jī)直連衛(wèi)星場(chǎng)景要求跳波束適配小型化終端天線，對(duì)波束增益和跟蹤精度提出了更高要求。同時(shí)，跳波束技術(shù)正從單星獨(dú)立調(diào)度向多星協(xié)作調(diào)度演進(jìn)，通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星間的負(fù)載均衡和干擾協(xié)調(diào)，使星座整體資源利用效率得到進(jìn)一步提升。

06

結(jié)語

低軌衛(wèi)星跳波束技術(shù)，本質(zhì)上是將有限的星上資源從靜態(tài)分配轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)按需分配。

當(dāng)前跳波束調(diào)度以單星獨(dú)立決策為主，多星間的頻譜協(xié)作與負(fù)載均衡仍處探索階段。在星座規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張的背景下，構(gòu)建真正意義上的分布式協(xié)作跳波束網(wǎng)絡(luò)，已成為星地融合的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。跳波束所代表的“按需分配”邏輯，有望與認(rèn)知無線電、動(dòng)態(tài)頻譜共享等地面成熟技術(shù)協(xié)同，推動(dòng)星地頻譜資源的一體化調(diào)度。這一技術(shù)的演進(jìn)，折射出衛(wèi)星通信從“資源受限下的被動(dòng)適應(yīng)”向“智能調(diào)度下的主動(dòng)配置”的深層轉(zhuǎn)型。面向6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)，跳波束將與星間激光鏈路、星上邊緣計(jì)算、AI驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度深度融合。這項(xiàng)技術(shù)能走多遠(yuǎn)，不僅取決于波束跳得多快、算法解得多優(yōu)，更取決于我們能否在復(fù)雜約束中持續(xù)追問更優(yōu)解。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

研究團(tuán)隊(duì)為寧波東方理工大學(xué)6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為尚博東，現(xiàn)為寧波東方理工大學(xué)助理教授、博士生導(dǎo)師。研究團(tuán)隊(duì)深耕于6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，研究方向包括星地融合網(wǎng)絡(luò)、低軌衛(wèi)星通信與組網(wǎng)、非地面網(wǎng)絡(luò)等。

寧波東方理工大學(xué)目前與上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、香港理工大學(xué)進(jìn)行博士生聯(lián)合培養(yǎng)（滿足學(xué)位和畢業(yè)要求，將發(fā)放聯(lián)培院校學(xué)位證和畢業(yè)證）。研究團(tuán)隊(duì)目前招博士后、博士生、實(shí)習(xí)生。

>End

本文轉(zhuǎn)載自6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò) ”，原標(biāo)題《低軌衛(wèi)星跳波束：從靜態(tài)分配到動(dòng)態(tài)按需》。

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