低軌衛星跳波束：從靜態分配到動態按需

低軌（Low-Earth Orbit, LEO）衛星星座正成為全球寬帶通信基礎設施的重要組成部分。與高軌衛星相比，低軌衛星具有軌道高度低、傳播時延短、路徑損耗小等優勢，單顆衛星的往返時延通常可控制在100毫秒以內。然而，低軌衛星通信系統面臨一個根本性的矛盾：衛星的星上功率和通信帶寬資源嚴重受限，而用戶的地理分布卻高度不均勻——城市等熱點區域需求密集，海洋、沙漠等廣闊區域需求稀疏。如果衛星波束像探照燈一樣固定照射所有區域，不僅造成能源浪費，也無法在熱點區域集中資源滿足峰值需求。這就引出一個問題：波束能否“跳”起來，按需照亮真正需要服務的地方？跳波束（Beam Hopping）技術正是為解決這一問題而發展起來的關鍵手段。

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什么是跳波束

跳波束是一種讓衛星波束指向在不同地面小區之間快速切換的技術機制。與傳統衛星將所有波束固定指向特定區域不同，跳波束允許衛星在不同時間片內將波束指向不同的地面小區。具體而言，衛星將時間劃分為極短的時隙，在每個時隙內僅激活部分波束服務于選定的地面小區，隨后在下一個時隙快速將波束指向切換到另一組小區。由于切換速度極快（每秒可達一千次），地面用戶感知不到服務的中斷，體驗上與連續連接無異。

圖1. 低軌衛星跳波束系統示意圖

圖2. 低軌衛星跳波束通信系統波束點覆蓋分布圖

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。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之間快速切換。這種變化的本質是相控陣天線（Phased-Array Antenna）各輻射單元相位關系的重新配置。

跳波束的實現依賴于兩個核心硬件支撐。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，無需機械轉動即可實現波束指向的快速重構，讓波束指向能夠在不同方向間毫秒級切換。其二是多端口功率放大器（Multi-Port Amplifier, MPA），它通過集成多個獨立放大通道和智能功率分配網絡，實現對各個波束發射功率的動態調控，必要時可將整星功率集中分配到單個波束上。這兩項技術的結合，使得波束指向的“跳動”不僅快速，而且精準高效。

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。在傳統固定波束模式下，衛星需要同時為所有覆蓋區域提供連續服務，即使某個區域沒有用戶，波束也必須保持點亮狀態。采用跳波束后，衛星只在實際有需求的時隙和區域激活波束，據工程實踐統計，相比全區域連續覆蓋可節省約40%的能耗。

其次是靈活應對業務需求的時空非均勻分布。系統可以根據各地面小區的實時數據流量需求，動態調整波束在每個小區的駐留時間——需求大的小區分配更多時隙，需求小的小區分配較少時隙。這種按需分配機制使得有限的星上資源能夠精準匹配動態變化的用戶需求，顯著提升系統的服務容量。

最后是針對外部的惡意干擾，有良好的抗干擾能力。由于波束指向在不同時隙間快速變化，信號難以被持續追蹤和惡意干擾。同時，系統可以通過調度算法主動避開被干擾的頻段或角度，選擇“干凈”的時頻資源進行通信，增強了鏈路的安全性和可靠性。

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跳波束的關鍵技術

跳波束系統的核心在于資源調度算法的設計。這是一個典型的動態資源分配優化問題：衛星需要在每個時隙內決定哪些小區被服務、每個波束分配多少功率、使用哪個頻段，同時還要滿足用戶的服務質量（Quality of Service, QoS）需求并避免波束間的同頻干擾。從數學角度看，這是一個NP-hard（Non-deterministic Polynomial-time hard）問題，無法在多項式時間內求得全局最優解。

針對這一問題，學術界和產業界發展出多種調度算法路線。傳統分配算法如輪詢（Round Robin, RR）算法和隨機算法實現簡單、計算復雜度低，但資源利用率不高。啟發式優化算法（如遺傳算法、模擬退火算法）能夠獲得較好的單目標優化結果，但在大規模動態場景下面臨計算復雜度高的問題。凸優化算法通過將原問題分解為若干子問題并分別求解，在單星場景下能夠取得良好效果。近年來，基于深度強化學習（Deep Reinforcement Learning, DRL）的智能調度方法逐漸成為研究熱點——智能體可以根據實時的隊列長度和信道狀態學習最優調度策略，在動態環境中展現出優異的適應能力。

除了資源調度算法，另一個關鍵技術是波束間的干擾管理。跳波束系統普遍采用全頻復用以提升頻譜效率，但相鄰波束同時激活時會產生嚴重的同頻干擾（Co-Channel Interference, CCI）。工程實踐中通常采用空間隔離策略：在調度時確保同一時隙內激活的波束所對應的小區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景下，還可采用波束分簇方式——將波束劃分為若干簇，簇內采用全頻率復用但同一時隙僅激活一個波束，從而規避同頻干擾。

值得關注的是，衛星在每個時隙應該同時服務多少個小區，這是一個需要仔細權衡的設計參數。理論分析表明，隨著同時服務的小區數量增加，每個小區的覆蓋概率和單時隙數據速率會下降（因為波束間干擾隨之增大），但系統的整體容量會先上升后趨于飽和。

圖3. 周期內跳波束的系統模型

圖4. 跳波束智能體深度強化學習的框架

因此，存在一個最優的服務小區數量——在滿足單個小區最低通信質量要求的前提下，使系統總容量最大化的那個值。這一發現為跳波束系統的工程設計提供了一個可供參考的數值依據。

此外，跳波束的資源管理還需要在時域、頻域和功率域三個維度上聯合優化。

• 時域上，波束在不同時隙間切換以實現廣域覆蓋；

• 頻域上，通過動態子帶分配來緩解共信道干擾；

• 功率域上，根據區域需求和干擾條件自適應調整波束發射功率。

三個維度的聯合優化是提升跳波束系統整體性能的關鍵。

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技術挑戰與難點

跳波束系統的工程實現面臨多重挑戰。首先是星地高精度同步問題。跳波束本質上是時分系統，地面網關站發送的業務信號必須與衛星的波束指向切換節奏嚴格對齊。如果同步出現偏差，衛星波束切換時間與前向業務信號不匹配，將直接影響用戶終端的正常接收。這一時間同步誤差需要控制在微秒級，對星地鏈路的定時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，但實際系統還需考慮頻率鎖定、協議交互等環節的開銷。在波束指向切換瞬間，通信鏈路在物理層面會經歷短暫中斷（通常在10至50毫秒量級），需要通過數據緩沖區和協議層重傳機制來掩蓋這一中斷對用戶體驗的影響。

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

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應對挑戰的技術路徑

針對星地高精度同步問題，工程上采用“開環預補償加閉環精調”的雙模機制。地面網關站根據衛星星歷和本地定位信息，預先計算多普勒頻移和時間提前量（Timing Advance, TA）的初值，在波束切換前主動設置本地參數，將初始偏差壓縮到很小范圍。隨后，系統通過閉環跟蹤算法動態微調殘余誤差，確保微秒級的同步精度。這種開環與閉環相結合的方式，既利用了衛星運動軌跡可預測的特點，又保持了對抗實時擾動的能力。

針對波束切換瞬間的物理層中斷，可從多個層面加以應對。

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

• 在數據鏈路層，終端內置數據緩沖區，在中斷期間維持數據收發流程的連續性，避免因瞬時中斷導致的數據丟失。

• 在傳輸層，自動重傳機制可以彌補可能丟失的數據包。

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

針對大規模星座帶來的復雜干擾，當前主要有三種解決思路。

• 其一是空間隔離，在調度時確保同時激活的波束對應的小區之間保持足夠距離，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，簇內全頻率復用但同一時隙僅激活一個波束，從源頭上規避同頻干擾。

• 其三是認知無線電（Cognitive Radio）方法，衛星通過頻譜感知實時監測干擾分布，動態選擇干凈的頻段進行通信。對于低軌星座對高軌衛星的共線干擾，還可采用規避角機制——當低軌衛星與高軌衛星地面站的夾角小于設定閾值時，低軌衛星暫停在該方向的發射，以保護高軌衛星的正常通信。

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跳波束的應用場景

跳波束技術已成為全球主要低軌衛星星座的標配。Starlink在Ku頻段部署多波束相控陣天線，每顆衛星可同時形成48個下行鏈路波束和16個上行鏈路波束，采用跳波束覆蓋技術，并于2019年實現了在軌應用。在航空互聯網領域，Starlink的波束可跟隨飛機航線移動，為跨洋航班提供穩定連接，單架飛機終端可獲得高達500Mbps的理論峰值帶寬。在海事通信領域，Starlink系統可根據區域業務密度動態分配波束資源，在繁忙航道集中更多通信容量，實測海上延遲可低至29-45毫秒，峰值吞吐量達325Mbps。在應急通信場景下，Starlink可將多個波束臨時集中指向災害現場，2022年湯加火山爆發和2023年夏威夷野火中，均作為關鍵通信鏈路發揮了重要作用。

OneWeb與歐洲航天局（European Space Agency, ESA）合作開發的JoeySat衛星搭載了全數字跳波束技術，可實現波束每秒切換超過1000次。Kuiper星座同樣采用跳波束技術，以預編程方式實現波束與虛擬點波束的映射。Telesat的“光速”星座也明確采用跳波束作為核心技術方案。企業服務方面，歐洲電信運營商Orange已與Telesat達成合作，利用其Lightspeed星座為偏遠地區企業提供專線連接。這些星座的跳波束能力主要服務于企業專線、政府應急通信和全球寬帶覆蓋等場景。

圖5. 歐洲區域衛星跳波束足跡規劃圖

我國在跳波束領域同樣取得重要進展。實踐二十號衛星搭載了國內首個跳波束轉發器，于2020年成功完成在軌驗證，全面驗證了跳波束轉發器對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。鴻雁星座首發星也成功驗證了跳波束寬帶通信技術，為我國后續高通量衛星的工程應用奠定了技術基礎。目前，多波束相控陣天線及跳波束技術是我國“中國星網GW星座”和“千帆星座”等低軌衛星星座的核心載荷之一。

在第六代移動通信（6G）空天地海一體化網絡的框架下，跳波束還將發揮更廣泛的作用。手機直連衛星場景要求跳波束適配小型化終端天線，對波束增益和跟蹤精度提出了更高要求。同時，跳波束技術正從單星獨立調度向多星協作調度演進，通過星間鏈路實現多顆衛星間的負載均衡和干擾協調，使星座整體資源利用效率得到進一步提升。

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結語

低軌衛星跳波束技術，本質上是將有限的星上資源從靜態分配轉變為動態按需分配。

當前跳波束調度以單星獨立決策為主，多星間的頻譜協作與負載均衡仍處探索階段。在星座規模持續擴張的背景下，構建真正意義上的分布式協作跳波束網絡，已成為星地融合的關鍵挑戰。跳波束所代表的“按需分配”邏輯，有望與認知無線電、動態頻譜共享等地面成熟技術協同，推動星地頻譜資源的一體化調度。這一技術的演進，折射出衛星通信從“資源受限下的被動適應”向“智能調度下的主動配置”的深層轉型。面向6G空天地海一體化網絡，跳波束將與星間激光鏈路、星上邊緣計算、AI驅動的動態調度深度融合。這項技術能走多遠，不僅取決于波束跳得多快、算法解得多優，更取決于我們能否在復雜約束中持續追問更優解。

研究團隊介紹

研究團隊為寧波東方理工大學6G空天地海一體化網絡實驗室。團隊負責人為尚博東，現為寧波東方理工大學助理教授、博士生導師。研究團隊深耕于6G空天地海一體化網絡研究領域，研究方向包括星地融合網絡、低軌衛星通信與組網、非地面網絡等。

寧波東方理工大學目前與上海交通大學、中國科學技術大學、香港理工大學進行博士生聯合培養（滿足學位和畢業要求，將發放聯培院校學位證和畢業證）。研究團隊目前招博士后、博士生、實習生。

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本文轉載自6G空天地海一體化網絡 ”，原標題《低軌衛星跳波束：從靜態分配到動態按需》。

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