秦鵬飛 衣龍騰 周業(yè)軍 張程 董贊揚(yáng) 戚凱強(qiáng) 曾令超

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 國家航天局衛(wèi)星通信系統(tǒng)創(chuàng)新中心,北京 100094)

高通量通信衛(wèi)星(High Throughput Satellite,HTS),也稱高吞吐量通信衛(wèi)星,相對于傳統(tǒng)寬波束廣域覆蓋的通信衛(wèi)星來說,HTS可提供比常規(guī)通信衛(wèi)星高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的容量,傳統(tǒng)通信衛(wèi)星容量不到10Gbit/s,HTS通信容量可達(dá)數(shù)百Gbit/s甚至Tbit/s量級(jí)。HTS通過采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用技術(shù)、使用Ka、Q/V等高頻段、以及采用更大口徑天線等方式,提升系統(tǒng)容量[1]。大容量HTS的典型代表是美國衛(wèi)訊(Viasat)公司的Viasat-2衛(wèi)星,通過采用5m口徑天線和Ka頻段高通量載荷,單星容量達(dá)到300Gbit/s。2022年歐洲通信衛(wèi)星組織(Eutelsat)公司發(fā)射的甚高通量(Konnect-VHTS)衛(wèi)星采用Q/V頻段,容量達(dá)到了500Gbit/s;衛(wèi)訊公司的Viasat-3衛(wèi)星采用了比Viasat-2衛(wèi)星更大口徑的天線,單星設(shè)計(jì)容量達(dá)到1Tbit/s。隨著高通量衛(wèi)星系統(tǒng)容量的增加,面對覆蓋區(qū)內(nèi)用戶需求難以預(yù)測、用戶分布與需求時(shí)變的情況,在大容量的基礎(chǔ)上發(fā)展系統(tǒng)的靈活性成為運(yùn)營商普遍追求的方向[2-3]。典型的靈活衛(wèi)星包括2021年10月歐洲衛(wèi)星(SES)公司發(fā)射的SES-17衛(wèi)星,搭載了五代數(shù)字透明處理器(Digital Transparent Processor,DTP),可實(shí)現(xiàn)近200個(gè)波束容量的靈活調(diào)整;2021年7月Eutelsat公司發(fā)射的量子衛(wèi)星(Quantum),搭載了全靈活的數(shù)字化載荷,實(shí)現(xiàn)波束覆蓋、容量、路由等靈活能力的在軌驗(yàn)證。

隨著靈活載荷產(chǎn)品的發(fā)展與應(yīng)用,如何調(diào)度星上資源滿足用戶通信需求使衛(wèi)星資源利用效率最大,同時(shí)盡量不影響已經(jīng)建立的通信連接是HTS面臨的一大挑戰(zhàn)。國外多家運(yùn)營商和制造商開發(fā)了星地一體的資源管控產(chǎn)品,利用資源管控技術(shù)[4],將整星頻率、功率資源根據(jù)時(shí)間、區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)整,適應(yīng)用戶動(dòng)態(tài)的需求,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源的高效復(fù)用,充分發(fā)揮衛(wèi)星資源的價(jià)值。本文在系統(tǒng)梳理和研究國外相關(guān)研發(fā)成果與應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上,對HTS星地一體資源管控系統(tǒng)的需求、效果以及實(shí)現(xiàn)途徑、運(yùn)營模式等進(jìn)行客觀剖析,分析資源管控系統(tǒng)后續(xù)的發(fā)展趨勢,為后續(xù)國內(nèi)開展靈活高通量衛(wèi)星的論證和研制、以及國際競標(biāo)提供技術(shù)參考。

1 資源管控系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)靈活性的發(fā)展

根據(jù)任務(wù)類型和需求的不同,衛(wèi)星的靈活性設(shè)計(jì)主要包括靈活覆蓋、靈活功率、靈活頻率以及靈活的路由等[5]。圖1為通信衛(wèi)星資源分配的技術(shù)路線圖,傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星各波束資源平均分配或根據(jù)用戶需求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行預(yù)先分配,但衛(wèi)星上天后資源不做在軌調(diào)整,系統(tǒng)的靈活性較低。跳波束技術(shù)(Beam Hopping)通過星上開關(guān)或波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)波束在不同波位跳變,各波位按照時(shí)隙分配容量資源。波束資源池化技術(shù)(Beam Shining)代表了波束容量的靈活調(diào)整能力,利用DTP、靈活放大器實(shí)現(xiàn)波束功率帶寬、頻率、路由的靈活調(diào)整。波束控制技術(shù)(Beam Steering)在波束容量優(yōu)化的基礎(chǔ)上增加了波束覆蓋能力的靈活性,利用有源陣列天線和波束成形網(wǎng)絡(luò)(Beam Forming Network,BFN)實(shí)現(xiàn)波束位移、形變及數(shù)量調(diào)節(jié)。

圖1 通信衛(wèi)星資源分配技術(shù)路線圖

1.2 資源管控系統(tǒng)架構(gòu)

對于傳統(tǒng)衛(wèi)星來說,星上轉(zhuǎn)發(fā)器是固定的,星上資源不可調(diào)整,地面系統(tǒng)可以調(diào)整波束內(nèi)載波大小、時(shí)隙等資源。而對于搭載靈活載荷的衛(wèi)星,除了地面系統(tǒng)資源,衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器資源可以通過配置星上靈活載荷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn),面向靈活高通量衛(wèi)星的星地一體資源管控系統(tǒng)具有用戶需求信息分析、資源分配和星地一體配置等功能,與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星的地面控制系統(tǒng)配合共同完成高通量衛(wèi)星的資源管控。典型的資源管控系統(tǒng)架構(gòu)分為地面資源管控系統(tǒng)和星載資源管控系統(tǒng)兩類[6]。對于地面資源管控系統(tǒng)架構(gòu),如圖2(a)所示,用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置和地面系統(tǒng)配置均在地面生成,與原有地面控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,并完成地面系統(tǒng)的配置;載荷配置方案通過饋電鏈路傳到星上后由資源管控系統(tǒng)星上部分執(zhí)行對靈活載荷的配置。星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2(b)所示,用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置、地面系統(tǒng)配置方案生成、載荷配置方案生成在星上完成,資源管控系統(tǒng)地面部分接收星上部分的地面系統(tǒng)配置方案并執(zhí)行。

兩種資源管控系統(tǒng)架構(gòu)的對比如表1所示,地面資源管控系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性更高,系統(tǒng)開銷小,但傳輸時(shí)延較大;星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)傳輸時(shí)延更小,但對星載計(jì)算處理能力要求較高。目前國外研究的資源管控系統(tǒng)以地面資源管控系統(tǒng)為主,星載資源管控系統(tǒng)作為未來發(fā)展的方向。

表1 兩種資源管控系統(tǒng)架構(gòu)性能對比

1.3 資源管控算法發(fā)展現(xiàn)狀

近年來,隨著人工智能的飛速發(fā)展,通過人工智能算法建立高通量衛(wèi)星資源管控模型,快速準(zhǔn)確地解決星地一體資源管控難題成為重要的發(fā)展方向。面向地面資源管控系統(tǒng)與星載資源管控系統(tǒng),國內(nèi)外分別開展了相關(guān)的人工智能算法研究,如表2所示[5,7-9]。

表2 資源管控算法發(fā)展現(xiàn)狀

地面資源管控系統(tǒng)架構(gòu)中,通常采用在線學(xué)習(xí)算法(例如強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法等),地面資源管控系統(tǒng)根據(jù)返向鏈路接收到的每個(gè)時(shí)刻的容量需求變化,動(dòng)態(tài)更新資源管控算法模型參數(shù),強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型的重點(diǎn)是判斷執(zhí)行哪些資源調(diào)整會(huì)使獎(jiǎng)勵(lì)最大化。在深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)中,模型做出資源管控方案調(diào)整決策并評(píng)估決策的收益。如果該決策有益,資源管控系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)學(xué)會(huì)在未來重復(fù)該決策,如果結(jié)果有害,資源管控系統(tǒng)就會(huì)避免再次做出同樣決策。通過與生物類似的條件學(xué)習(xí)過程,資源管控系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求情況做出最合適的決定,制定出收益最大化的長期決策。資源管控系統(tǒng)的目標(biāo)不是最大化即時(shí)回報(bào),而是累計(jì)回報(bào)。

星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)中,星上通常采用離線監(jiān)督學(xué)習(xí)算法(例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法),在地面根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型訓(xùn)練,并保存在地面,訓(xùn)練好的模型發(fā)送到星上完成用戶需求處理、資源分配、靈活載荷配置等過程。因?yàn)槟Ｐ褪穷A(yù)先訓(xùn)練好的,所以星上處理時(shí)只需要調(diào)用模型進(jìn)行計(jì)算,處理延時(shí)較低,但模型對于訓(xùn)練數(shù)據(jù)和所用模型有很大依賴性,需要配合流量預(yù)測進(jìn)行模型參數(shù)的更新,當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生劇烈的變化需要重新訓(xùn)練模型。

1.4 資源管控系統(tǒng)預(yù)期效果

星地一體資源管控系統(tǒng)預(yù)期效果包括:①優(yōu)化衛(wèi)星容量,為最大數(shù)量的衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶提供最好的服務(wù)質(zhì)量;②在多衛(wèi)星環(huán)境下協(xié)調(diào)規(guī)劃和優(yōu)化地面和有效載荷資源; ③運(yùn)營商收入最大化;④對實(shí)時(shí)的通信服務(wù)要求達(dá)到有效和快速的響應(yīng);⑤提供通信業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;⑥對故障進(jìn)行預(yù)防和快速反應(yīng)。

2 國外高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)的研究進(jìn)展

2.1 泰雷茲公司資源管控系統(tǒng)

2018年,泰雷茲公司完成了歐洲航天局“先進(jìn)通信載荷任務(wù)與資源優(yōu)化”項(xiàng)目,在這個(gè)項(xiàng)目中,泰雷茲公司提出了新一代任務(wù)控制中心(Mission Control Center,MCC)產(chǎn)品——空間運(yùn)行站點(diǎn)(Space Operation Sites,Space OPS)[10]。Space OPS根據(jù)用戶請求信息,優(yōu)化載荷和地面系統(tǒng)的資源,為未來的靈活衛(wèi)星提供完整和優(yōu)化的解決方案,以簡化操作,并最大限度地提高靈活有效載荷的能力。Space OPS優(yōu)化的星地資源包括:衛(wèi)星接收/發(fā)射天線配置、轉(zhuǎn)發(fā)器鏈路增益、路由連接關(guān)系、放大器增益、地面設(shè)備(信關(guān)站、調(diào)制解調(diào)器)配置等。

MCC的主要功能包括載荷管理、業(yè)務(wù)需求分析、頻譜監(jiān)視等,擴(kuò)展功能包括頻率干擾(威脅)管理、地理定位等。MCC與衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Center,SCC)開放接口,進(jìn)行載荷配置方案的傳輸;與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(Network Management System,NMS)開放接口進(jìn)行地面系統(tǒng)的配置,如圖3所示[10]。

圖3 任務(wù)控制中心主要功能

Space OPS產(chǎn)品是一個(gè)基于模塊化架構(gòu)的綜合衛(wèi)星管理解決方案,資源管理與任務(wù)規(guī)劃的功能包括:任務(wù)規(guī)劃、有效載荷配置和監(jiān)視、頻譜及通信監(jiān)察、干擾/抗干擾管理、任務(wù)監(jiān)督、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)資源管理。Space OPS產(chǎn)品動(dòng)態(tài)資源分配模塊可以支持民用業(yè)務(wù)和軍用業(yè)務(wù)的調(diào)度,對于兩種業(yè)務(wù)具有不同的鏈路優(yōu)化模型,同時(shí)對于星地鏈路傳輸數(shù)據(jù)量大的問題,采用高速鏈路專門傳輸星地配置方案。針對Q/V頻段饋電鏈路對天氣變化敏感的問題,通過信關(guān)站分集技術(shù)和Q/V頻段管理來提高饋線鏈路的可用性。Space OPS具備通用化的外部接口,方便與用戶的原有系統(tǒng)兼容,另外,Space OPS在系統(tǒng)段級(jí)別考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題,支持特種用戶的通信安全。

2.2 GMV公司資源管控系統(tǒng)

西班牙GMV公司提出了基于智能載荷控制系統(tǒng)(Smart Payload Control System,Smart PCS)的資源管控系統(tǒng)方案,系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示[11],該系統(tǒng)能夠連接衛(wèi)星運(yùn)營商和載荷制造商的需求,與衛(wèi)星控制系統(tǒng)(Satellite Control System,SCS)和容量預(yù)算工具(Satellite Capacity Tool,SCT)集成,完成從用戶業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)到靈活載荷配置方案生成的過程,并進(jìn)行上行信令的發(fā)送和載荷監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)基于靈活載荷的星地一體資源管控[11]。

圖4 智能載荷控制系統(tǒng)產(chǎn)品架構(gòu)

GMV提出的資源管控系統(tǒng)包含用戶需求分析、資源管控方案生成、載荷配置及實(shí)時(shí)監(jiān)控3部分,其中,SCT負(fù)責(zé)根據(jù)終端請求信息進(jìn)行用戶需求分析,優(yōu)化波束與信關(guān)站的映射關(guān)系、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上下行的連接關(guān)系等,輸出可實(shí)現(xiàn)的上行/下行連接計(jì)劃以及每個(gè)信道/波束的路徑信息。

Smart PCS負(fù)責(zé)根據(jù)SCT的用戶需求分析結(jié)果,完成資源管控方案的生成,包括:

(1)上/下行鏈路覆蓋區(qū)域,根據(jù)用戶需求分布,對波束數(shù)量、波束寬度、波束中心位置進(jìn)行優(yōu)化,輸出波束覆蓋的信息,對于靈活的有效載荷,上行與下行鏈路的覆蓋范圍可以分開設(shè)計(jì);

(2)上/下行波束容量資源,根據(jù)波束覆蓋范圍與用戶需求分析結(jié)果,計(jì)算各波束功率與帶寬分配結(jié)果;

(3)干擾分析,根據(jù)波束覆蓋情況與容量資源分配結(jié)果,評(píng)估波束的系統(tǒng)內(nèi)干擾情況并反饋迭代波束容量資源分配方案;

(4)地面站資源,計(jì)算輸出地面系統(tǒng)的配置方案,包含符號(hào)速率、發(fā)射功率等。

SCS負(fù)責(zé)根據(jù)PCS設(shè)計(jì)的方案生成載荷配置并根據(jù)指示的時(shí)間表執(zhí)行有效載荷重新配置。在有效載荷配置生成方案發(fā)送到衛(wèi)星前,有必要驗(yàn)證有效載荷配置的可行性。在定義配置方案時(shí)不僅考慮初始配置和可實(shí)現(xiàn)配置之間的增量生成,而且還要考慮幾個(gè)約束條件。默認(rèn)情況下會(huì)考慮幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn),比如最小化命令的數(shù)量(最常見的一個(gè)),最小化所有波束/通道的總停機(jī)時(shí)間,或者最小化最高優(yōu)先級(jí)的通道/波束的停機(jī)時(shí)間。

GMV公司的解決方案支持高通量通信衛(wèi)星有效載荷的操作和重新配置管理,與相關(guān)的外部系統(tǒng)集成,從接收來自SCT的有效載荷重新配置請求到與SCS協(xié)調(diào)執(zhí)行重新配置,從而提供端到端的操作自動(dòng)化能力。借助此工具,有效載荷工程師將能夠更高效、更可靠地執(zhí)行有效載荷重新配置,特別是復(fù)雜的靈活有效載荷。

2.3 SES公司DTP資源分配系統(tǒng)

SES公司在2018年發(fā)射的SES-12和SES-14衛(wèi)星上驗(yàn)證了DTP資源分配系統(tǒng),將開源軟件架構(gòu)SPELL擴(kuò)展至DTP運(yùn)營,并嵌入由航天器制造商提供的DTP運(yùn)營所需的專用有效載荷控制軟件(Payload Control Software,PCS)中[12]。以此為基礎(chǔ),SES公司聯(lián)合Kythera空間解決方案公司(Kythera Space Solutions)為SES-17衛(wèi)星開發(fā)了自適應(yīng)資源分配系統(tǒng)。

SES公司的DTP資源分配系統(tǒng)采用地面資源管控系統(tǒng)架構(gòu),DTP有一個(gè)低級(jí)的命令接口,這些命令定義了每個(gè)ASIC的配置,產(chǎn)生新的路由通道。PCS的主接口通過TCP/IP發(fā)送命令,生成了一個(gè)GUI,該GUI使用相同的界面作為測試界面,模擬地面站軟件,并為運(yùn)營商提供DTP狀態(tài)的完整視圖。

最終的DTP資源分配系統(tǒng)如圖5所示[12],藍(lán)色部分表示傳統(tǒng)衛(wèi)星的遙測遙控功能,紅色部分表示DTP資源分配系統(tǒng)的功能。DTP資源分配與傳統(tǒng)遙測遙控系統(tǒng)兼容,接收衛(wèi)星和DTP下傳的遙測參數(shù),并生成DTP配置方案通過遙控鏈路(或高速鏈路)發(fā)送到星上,完成星地一體的資源分配過程。

2.4 衛(wèi)訊公司容量自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)

衛(wèi)訊公司面向未來高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng),提出了支持更靈活的覆蓋區(qū)域和空間容量分配的資源管控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括:終端、信關(guān)站、資源管控系統(tǒng)、用于定義每個(gè)幀的時(shí)隙分配、通過跳波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前、返向容量分配等功能[13]。

資源管控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖6所示,地面部分根據(jù)用戶需求進(jìn)行時(shí)隙的劃分和BFN配置參數(shù)的生成與上傳,星上部分為一個(gè)獨(dú)立單機(jī),名為權(quán)重處理器(Beam Weight Processor,BWP),負(fù)責(zé)接收所有波束和所有時(shí)隙的波束權(quán)重并按照時(shí)間表執(zhí)行權(quán)重配置方案,包括波束權(quán)值、駐留時(shí)間、路徑增益等信息,另外,BWP向地面反饋執(zhí)行情況。在實(shí)際使用過程中,波束跳變的時(shí)隙非常短,通常為毫秒量級(jí),傳輸權(quán)值系數(shù)矩陣可能會(huì)造成時(shí)延過大的問題,衛(wèi)訊公司采用預(yù)先計(jì)算幾十個(gè)權(quán)重集的方法,并將其上傳到衛(wèi)星的BWP中。通過地面上的一個(gè)簡單命令,指示在什么時(shí)間使用哪個(gè)權(quán)重設(shè)置,這些權(quán)重設(shè)置可以隨時(shí)切換到操作狀態(tài)。這允許在不需要上傳大量信息到BWP的情況下切換權(quán)重集。

圖6 衛(wèi)訊公司的資源管控系統(tǒng)架構(gòu)

在傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星系統(tǒng)中,前向鏈路和返向鏈路是兩個(gè)獨(dú)立的傳輸系統(tǒng),兩個(gè)傳輸系統(tǒng)之間的容量分配是固定的。衛(wèi)訊公司提出的基于數(shù)字BFN的有效載荷架構(gòu)可以支持前、返向容量任意配比,這是因?yàn)轲侂婃溌飞闲械男盘?hào)與用戶側(cè)上行的信號(hào)進(jìn)入同一臺(tái)數(shù)字BFN,通過波束賦形可實(shí)現(xiàn)用戶波束數(shù)量與饋電波束數(shù)量的調(diào)整,饋電下行和用戶下行的波束同理。通過資源管控系統(tǒng)對波束、時(shí)隙、信關(guān)站、路徑信息的優(yōu)化更新有效載荷的權(quán)值系數(shù),靈活地將信關(guān)站映射到用戶波束,實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)隙前返向容量的優(yōu)化調(diào)整。

2.5 ETS-9資源管控系統(tǒng)

工程試驗(yàn)衛(wèi)星-9(Engineering Test Satellite-9,ETS-9)的有效載荷分為兩部分,一部分是靈活波束載荷,指HTS的波束位置與形狀可根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整,對應(yīng)的靈活載荷為數(shù)字BFN;另一部分為固定波束載荷,指HTS的波束帶寬與頻率計(jì)劃可根據(jù)用戶需求靈活調(diào)整,對應(yīng)的靈活載荷為DTP。ETS-9衛(wèi)星的資源管控系統(tǒng)如圖7所示[14],地面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心(Network Operation Center,NOC)中包含了“運(yùn)行調(diào)度”和“衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制”模塊,“運(yùn)行調(diào)度”模塊考慮通信業(yè)務(wù)量和天氣變化,計(jì)劃上行/下行波束參數(shù)(包括靈活波束的激勵(lì)系數(shù))和上行/下行波束與波束之間的路由關(guān)系。“衛(wèi)星通信系統(tǒng)控制”模塊生成地面系統(tǒng)與載荷的資源分配方案。衛(wèi)星運(yùn)行中心(Satellite Operation Center,SOC)根據(jù)NOC的方案,生成關(guān)于通信任務(wù)有效載荷配置的指令,并將其發(fā)送到衛(wèi)星上。SOC還接收關(guān)于通信任務(wù)有效載荷狀態(tài)的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù),并在合適的情況下告知NOC。在“任務(wù)(固定/靈活)SOC”中,定義了各種衛(wèi)星運(yùn)行程序(Satellite Operation Program,SOP),以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)度的頻繁變化。SOP是衛(wèi)星指令的宏觀指令。通過選擇、調(diào)度和設(shè)置每個(gè)SOP的參數(shù),可以很方便地創(chuàng)建于所需任務(wù)運(yùn)行相對應(yīng)的命令程序。

3 高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)發(fā)展趨勢研判

隨著HTS有效載荷越來越復(fù)雜,波束數(shù)量越來越多,國外各衛(wèi)星運(yùn)營商和制造商均意識(shí)到,必須有一些工具來幫助運(yùn)營商使用他們的新的載荷。高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)能夠支持靈活有效載荷的操作和重新配置管理,它與相關(guān)的外部系統(tǒng)集成,包括NMS、NOC、SOC等地面控制系統(tǒng)。借助資源管控系統(tǒng),運(yùn)營商能夠更好的使用衛(wèi)星資源,提升資源利用率。根據(jù)國外發(fā)展情況的調(diào)研,總結(jié)資源管控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下。

1)資源管控系統(tǒng)成為靈活高通量衛(wèi)星的標(biāo)配

隨著靈活放大器、DTP、多波束有源陣列天線等靈活載荷技術(shù)越來越多地被采用,HTS的覆蓋區(qū)域、頻率、轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬、放大器功率資源等都不再是固定的,而是形成可按需調(diào)配的“資源池”。資源管控系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌利用星上資源的能力,支持運(yùn)營商開展更加多樣化的業(yè)務(wù),能夠針對不同區(qū)域/用戶的需求提供更加定制化的服務(wù),成為未來靈活高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)配。

2)星地一體發(fā)展是資源管控系統(tǒng)的重要趨勢

資源管控系統(tǒng)管理的資源包括星上靈活載荷、地面信關(guān)站、終端等設(shè)備的配置,是系統(tǒng)級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。從國外發(fā)展情況來看,資源管控系統(tǒng)的通用功能包括:業(yè)務(wù)需求分析、任務(wù)規(guī)劃、資源分配解決方案、載荷配置與監(jiān)視、干擾分析等。目前,大多數(shù)的資源管控系統(tǒng)均采用地面資源管控系統(tǒng)架構(gòu),地面部分與地面系統(tǒng)交互,根據(jù)用戶需求生成地面信關(guān)站、終端、星上有效載荷的配置指令,星上部分開放指令接口,接收地面指令完成對有效載荷的配置。SES公司、Viasat公司等也提到,當(dāng)星上存儲(chǔ)、計(jì)算的硬件能力不斷提升,資源管控地面部分的一些功能會(huì)移植到星上,采用星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)來減少星地傳輸?shù)臅r(shí)延。

3)資源管控系統(tǒng)面向移動(dòng)終端及特種用戶的資源分配成為新興發(fā)展方向

機(jī)載、船載等典型的高通量衛(wèi)星應(yīng)用對衛(wèi)星容量隨時(shí)間、區(qū)域不同具有較大差異。這就需要實(shí)時(shí)的星地一體資源管控技術(shù)來滿足容量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)配,以降低單位帶寬的成本,并保障用戶的通信質(zhì)量。對于軍事應(yīng)用、政府企業(yè)類應(yīng)用,如果客戶需要在任意覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)連接、實(shí)現(xiàn)自組專用網(wǎng),且業(yè)務(wù)對安全性、可用度有較高要求的話,開放式架構(gòu)的高通量衛(wèi)星系統(tǒng)的推出,將成為更加合理的選擇。

4)人工智能技術(shù)在資源管控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛

對于衛(wèi)星運(yùn)營商來說,星地一體資源管控系統(tǒng)具備對需求變化快速的響應(yīng)能力、對服務(wù)應(yīng)用快速的適應(yīng)升級(jí),越來越成為運(yùn)營商之間角力的關(guān)鍵所在。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,國外研究機(jī)構(gòu)和運(yùn)營商已開展基于人工智能的資源管控算法研究,分別適用于地面資源管控系統(tǒng)與星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)。通過海量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能模型訓(xùn)練,面向動(dòng)態(tài)需求實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間系統(tǒng)收益最大等目標(biāo),開展高通量衛(wèi)星系統(tǒng)功率、帶寬、波束寬度、頻率、時(shí)隙等多維資源的快速聯(lián)合優(yōu)化,提升系統(tǒng)使用效能與用戶服務(wù)滿足率。面向后續(xù)多系統(tǒng)多類型資源,人工智能技術(shù)將發(fā)揮更重要的作用。

4 結(jié)束語

本文對高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)的需求與發(fā)展進(jìn)行了介紹,從地面資源管控系統(tǒng)和星載資源管控系統(tǒng)兩方面進(jìn)行分類和總結(jié),為后續(xù)國內(nèi)開展高通量衛(wèi)星資源管控技術(shù)的研究提供了技術(shù)支撐。同時(shí),通過對國外高通量衛(wèi)星資源管控系統(tǒng)最新研究進(jìn)展的分析研判,資源管控系統(tǒng)是高通量衛(wèi)星必不可少的組成部分;面向航空、航海等移動(dòng)終端及特種用戶等新興市場,資源管控系統(tǒng)能夠提升系統(tǒng)資源利用率,是高通量衛(wèi)星不斷拓展應(yīng)用場景的關(guān)鍵點(diǎn);隨著星上處理能力與存儲(chǔ)能力的提升,星載資源管控系統(tǒng)架構(gòu)也成為有潛力的發(fā)展方向而受到運(yùn)營商的關(guān)注;同時(shí),基于人工智能算法的資源管控系統(tǒng)成為后續(xù)發(fā)展的重要方向。