摘要：针对异构卫星网络中跳波束资源分配导致的复杂干扰问题，提出了一种按需分配的发送端功率/带宽资源联合分配策略，结合毫米波信道环境及用户干扰分析，在设计系统优化函数模型的基础上，改进了凸优化求解算法。在不同用户场景下，充分检验了该策略在异构星座中的分配性能。仿真结果
【6G卫星互联网】专题
面向异构卫星网络的跳波束资源联合分配方法
2221（1.上海卫星工程研究所，上海 201109；
2.上海航天空间技术有限公司，上海 201100）
【摘 要】针对异构卫星网络中跳波束资源分配导致的复杂干扰问题，提出了一种按需分配的发送端功率/带宽资源联合分配策略，结合毫米波信道环境及用户干扰分析，在设计系统优化函数模型的基础上，改进了凸优化求解算法。在不同用户场景下，充分检验了该策略在异构星座中的分配性能。仿真结果表明，该算法相较于改进前，使用户供需差值降低至10-3 Gbit量级，分配时间缩短至约1/5。这种策略在保有分配性能的同时，大大提高了资源调度速度。
【关键词】毫米波；跳波束；资源分配；凸优化；干扰抑制
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20250426-0002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)07-0113-06
引用格式：贺文正,周必磊,刘培,等. 面向异构卫星网络的跳波束资源联合分配方法[J]. 移动通信, 2025,49(7): 113-118.
HE Wenzheng, ZHOU Bilei, LIU Pei, et al. Joint Resource Allocation for Beam Hopping in Heterogeneous Satellite Networks[J]. Mobile Communications, 2025,49(7): 113-118.
0 引言
传统卫星通信系统大多采用固定波束分配方式，这种方式在资源分配上缺乏灵活性，难以适应不同地面小区的业务需求变化。特别在低轨卫星（LEO, Low Earth Orbit）系统中，由于卫星高速移动，过顶时间短暂，不同小区间业务量差异显著，固定波束分配方式往往导致资源利用效率低下。跳波束技术与传统的多波束卫星相比，具有其独特的优势，它使得通信系统能够使用一个载波支持多种业务，从而使转发器吞吐量获得显著提高，同时，时间周期、空间分布可进行动态调整，便于适应变化的业务请求以及不均匀的业务分布，通过动态调整波束的覆盖和接入方式，可以实现对资源的灵活分配，满足不同区域的业务需求，提高系统整体性能，被广泛应用于现有的卫星系统中。
同时，现有卫星通信网络的发展趋势具有混合异构的系统特点，这一组网方式可以有效解决单一轨道卫星系统存在的不足。从卫星通信角度看，高轨通信卫星采用地球静止轨道，其时延大，无法覆盖两极地区，通信容量有限；中低轨通信卫星星座对地运动，其链路不够稳定，用户终端成本较高，卫星网络组网成本高昂，各自存在单层星座的局限性；从实际运营来看，因低轨星座规模较大，而我国卫星频率、轨位等网络资料国际协调处于后发地位，卫星轨位和频率资源紧张。中高轨卫星广覆盖的特点能够一定程度上弥补低轨卫星星座通信不稳定的问题，而数量繁多的低轨通信卫星则能够提供较大的通信容量。因此，异构星座中，不同轨道高度间卫星相互结合，优势互补，容纳通信、导航、遥感等卫星类型，可在灾害救援、应急通讯、航空航天、测控观察等多个关键应用领域内展现出重大实用价值[1]，具备超远程且可靠的通信传输能力，多种类型卫星协同完成地面任务[2-3]。图1给出了一个异构卫星星座模型示意图：值得注意的是，星座规模的扩大及多层异构的特点使得这一系统中的跳波束资源分配问题变得尤为复杂。因此，基于多层异构卫星网络，开展跳波束资源的高效调度分配设计，成为近年来研究的热点。
1 异构星座与跳波束技术研究现状
1.1 异构星座研究现状
对于构建异构卫星星座，国外较早起步了相关概念研究，普遍结合宽带互联网技术，将不同轨道、多种类型卫星进行集合，有机构成系统优化、功能完备的互联网络，并与新一代互联网、地面移动通信网等互联互通。美国方面，提出了多项概念，如全球信息栅格（GIG, Global Information Grid）[4]，以建立全球性信息网为目标，将全球范围内互联的端到端的信息能力、相关程序及人员集合起来，对战斗人员、指挥人员和后勤支援人员所需的信息进行收集、处理、存储、分发和管理，形成一个公共网络信息环境。近年来，异构星座在国内也得到了进一步的研究发展。目前，我国已初步建成了数据通信、对地观测、导航定位三大卫星应用系统，多种轨道卫星优势互补，共同为全球用户提供高质量服务。我国大力发展的天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并能够与地面互联网和移动通信网进行互联互通，实现“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”[5-6]，是未来异构星座的重点应用方向之一。针对混合异构星座构建的关键技术。文献[7-9]开展了对于多星座架构兼容策略研究，目前对于混合异构星座的计划及设计方向，集中于利用不同轨道高度的卫星，以平衡全球覆盖、低延迟和稳定性三者之间的需求。它们通常与地面基础设施结合使用，以提供各种通信服务，在卫星通信领域的多样性和创新方面存在可能性的进展，以满足不同用途、不同侧重的复杂通信需求场景。除私营企业外，各个国家和地区的航天机构及国际标准组织也在制定相关标准，以便不同系统之间的互操作性和卫星网络的可持续发展。
1.2 跳波束技术研究现状
目前，跳波束技术开展了多个方向的研究。理论模型和算法优化方面，致力于建立更精确的跳波束通信模型，研究波束跳变的优化算法，以提高通信系统的性能；硬件设计和实现方面，以高效的硬件设备来支持高速数据流处理为主，例如多波束天线、高速信号处理器的研究生产等；应用场景方面，主要研究了跳波束技术在5G、物联网、智能交通等领域的应用。
从跳波束技术的研究现状来看，文献[10]对于跳波束技术的优势及应用给出了详细的分析，介绍了跳波束概念、基于跳波束技术的卫星及其概况、使用的关键技术以及功率和带宽联合的分配模型，从较为全面的方向介绍了跳波束技术在卫星中的应用场景及优化问题。跳波束技术的一个重大优势在于星上资源的有效利用，因此国内外许多学者对资源分配做了深入的研究，提出了一种从时域对卫星资源进行优化的跳波束技术，其资源分配算法和跳跃的波束图案设计也成为研究的热点。文献[11]介绍了在联合优化的高通量卫星通信系统背景下，针对于跳波束图案设计进行优化的研究问题，相比于传统方法，提出了一种有效消除系统内部同频干扰，兼顾系统同步，大幅度提高系统吞吐量，满足业务的动态变化和不均性分布的图案设计方法。文献[12]针对卫星移动通信系统中波束不均匀的情况，进行了跳波束的效率分析，对跳波束技术的应用及资源分配提供了数据参考。文献[13]研究了在采取跳波束技术的卫星系统中，对于更高效的波束跳跃的学习及优化，给出了一种提高系统资源利用率的优化方法。文献[14-15]则是给出了在跳波束卫星通信系统中，设计动态波束位置优化方法的研究成果。文献[16]介绍了频谱共享场景下，低轨道跳波束卫星的资源分配方法及研究。文献[17-18]都是在基于跳波束的高通量卫星系统中进行资源分配的研究。文献[19]主要针对于卫星通信的下行链路，研究了其中资源分配的方法及优化策略。文献[20]主要进行了GEO/LEO双层卫星通信网络同频干扰避免技术研究，研究重点在于GEO/LEO双层卫星通信网络下行链路同频干扰分析和干扰避免技术的研究，提出了使用认知跳波束算法来进行干扰避免，在避免对GEO卫星网络干扰的同时，提高LEO卫星系统波束容量分配的灵活性，在资源分配的算法设计可行性及分配性能上有着良好的借鉴意义。
2 机理分析及模型设计
在现有的卫星通信网络中，双层卫星通信模型更加贴合实际，且在卫星技术应用上较为全面，为简便起见，拟在双层GEO/LEO卫星通信网络的下行链路中研究毫米波信道特性。图2给出了本文所研究的简化系统模型图：
2.1 信道特性模型
2.2 用户干扰分析
2.3 资源分配模型
3 仿真结果分析
为对本文所提出的改进算法进行性能检验，表1给出了星座通信环境仿真参数设置：
为对算法性能进行对比检验，本文对原有算法及改进后的算法进行了仿真分析，原有算法通过凸优化方式求解，采用功率平均分配，控制带宽以调整系统容量，本文改进算法则将功率、带宽联合考虑进行分配。仿真结果如图3、4所示：
仿真结果表明，功率分配算法存在一定的通信供应量缺口，无法充分满足用户需求，本文所提出的改进算法差值缺口极小，充分满足了用户通信需求。
为对算法性能进行充分检验，选定4个用户进行不同信噪比的误码率图像进行分析。误码率作为衡量数据在传输过程中精确性的重要指标，在算法性能评估中需额外注意，误码率越低，代表传输精确性越好，自然也意味着资源的更加充分利用。如何控制误码率，对增强卫星通信系统性能、合理分配星上资源有着重大意义。
如图5、6所示，给出了在双层GEO/LEO卫星通信网络模型下，选定四个用户时实施的改进算法在不同信噪比下的误码率，同时对本文算法、平均分配算法、注水算法改进的算法性能进行对比。
从图5中可以看出，随着信噪比的不断增大，误码率量级已达到相当低的水平，在卫星通信的正常工作信噪比下，还会有更良好的表现，可以满足用户通信中的准确性需求。
上图中，四个用户随信噪比增大，整体误码率均为下降趋势，但用户1的整体误码率最高，用户3的整体误码率最低，出现这种现象的主要原因是用户1通信需求最大，用户3需求最小，随着用户需求的增大，在信噪比不变的情况下，会导致误码率出现一定程度的增加，因此在图5中，用户1、3之间出现了误码率差值。
由图6可知，本文算法供需差值均值为0.006 3 Gbit，算法运行时间为0.04 2 s。在不考虑恶劣干扰的条件下，若功率进行平均分配，较低需求用户实际供给超出了用户需求，而较高需求用户供给则存在一定不足，供需差值（超额）绝对值均值为1.574 5 Gbit，且用户需求越高或越低时，供给缺口越明显，这是由于功率平均分配时，只能依靠带宽进行调节，高低需求之间不可避免地会出现浪费的功率资源。但平均算法优势在于，其运行时间得到了极大缩短，在仿真中，运行时间约为0.019 s，在某些更加注重通信速度的场景中可能会有应用，但随着实际环境中各类衰减的增加，该算法性能会存在极大衰落，因此，相比于平均分配算法，本文提出的算法有着更加良好的稳定性。
文献[14]提出了一种在平均分配算法基础上改进的组合算法，其思路是对功率进行平均分配后，收集星上碎片化的功率再次进行注水算法的按需分配。由图6可知，在不考虑恶劣干扰的条件下，若功率平均分配后再次进行注水算法分配后，算法性能得到了一定提升，供需差值绝对值平均值为0.002 8 Gbit，分配性能略优于本论文所提出的改进算法。在算法运行时间上，由于算法步骤增多，复杂度提高，导致运行速度大幅降低，相同场景下运行时间约为0.814 s，在实际通信环境中，由于用户的增多及复杂的信道环境，会导致分配时间更加冗长。
因此，相比于该算法，本论文提出的算法在保有此算法按需分配性能的基础上，一定程度改善了这个问题，有着更加迅捷的运行速度。面向实际通信环境中，有着更好的综合性能表现。
表2给出了三种算法间的供需差值比较图，并将供需差值绝对值的平均值和算法平均运行时间由表格形式进行对比。
由表2可以更加直观地看出，平均分配算法性能明显劣于其他两种算法，不能充分满足按需分配的原则，存在大量的资源浪费，而本文所提出的改进算法同文献[14]中的算法相比，性能不相上下，但在运行速度上有着明显优势，因此，结合仿真内容，充分证明了本论文算法的优越性。
4 结束语
本文在双层GEO/LEO毫米波卫星通信网络下，以跳波束技术为背景，建立了在相应约束条件下最大化信道容量的目标函数模型，并在此基础上给出了面向地面用户的一种功率/带宽联合分配算法，算法设计严格遵循了充分利用资源，确保按需分配两个原则，经过仿真检验，该算法在多个场景下均有着良好的表现。但实际的卫星通信网络中元素更为复杂全面，通信背景也更加完善，在用户干扰方面，实际用户间干扰互相影响，会导致算法性能发生变化，需结合实际进行优化修改。
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引用格式：贺文正,周必磊,刘培,等. 面向异构卫星网络的跳波束资源联合分配方法[J]. 移动通信, 2025,49(7): 113-118.
HE Wenzheng, ZHOU Bilei, LIU Pei, et al. Joint Resource Allocation for Beam Hopping in Heterogeneous Satellite Networks[J]. Mobile Communications, 2025,49(7): 113-118.
作者简介贺文正：硕士，现任职于上海卫星工程研究所，主要研究方向为卫星波束调度及构型设计。
周必磊：研究员，现任职于上海航天空间技术有限公司，主要研究方向为卫星总体设计及应用。
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来源：移动通信编辑部
