低轨卫星跳波束：从静态分配到动态按需|低轨卫星|信号|卫星通信|天线|相控阵|跳波束

低轨（Low-Earth Orbit, LEO）卫星星座正成为全球宽带通信基础设施的重要组成部分。与高轨卫星相比，低轨卫星具有轨道高度低、传播时延短、路径损耗小等优势，单颗卫星的往返时延通常可控制在100毫秒以内。然而，低轨卫星通信系统面临一个根本性的矛盾：卫星的星上功率和通信带宽资源严重受限，而用户的地理分布却高度不均匀——城市等热点区域需求密集，海洋、沙漠等广阔区域需求稀疏。如果卫星波束像探照灯一样固定照射所有区域，不仅造成能源浪费，也无法在热点区域集中资源满足峰值需求。这就引出一个问题：波束能否“跳”起来，按需照亮真正需要服务的地方？跳波束（Beam Hopping）技术正是为解决这一问题而发展起来的关键手段。

什么是跳波束

跳波束是一种让卫星波束指向在不同地面小区之间快速切换的技术机制。与传统卫星将所有波束固定指向特定区域不同，跳波束允许卫星在不同时间片内将波束指向不同的地面小区。具体而言，卫星将时间划分为极短的时隙，在每个时隙内仅激活部分波束服务于选定的地面小区，随后在下一个时隙快速将波束指向切换到另一组小区。由于切换速度极快（每秒可达一千次），地面用户感知不到服务的中断，体验上与连续连接无异。

图1. 低轨卫星跳波束系统示意图

图2. 低轨卫星跳波束通信系统波束点覆盖分布图

需要说明的是，波束本身并没有像手电筒的光柱那样在空中物理移动。真正“跳”起来的是波束指向——通过改变天线阵元的馈电相位，电磁波能量的集中方向在不同小区之间快速切换。这种变化的本质是相控阵天线（Phased-Array Antenna）各辐射单元相位关系的重新配置。

跳波束的实现依赖于两个核心硬件支撑。其一是相控阵天线，它通过精确控制阵列中各辐射单元的馈电相位，无需机械转动即可实现波束指向的快速重构，让波束指向能够在不同方向间毫秒级切换。其二是多端口功率放大器（Multi-Port Amplifier, MPA），它通过集成多个独立放大通道和智能功率分配网络，实现对各个波束发射功率的动态调控，必要时可将整星功率集中分配到单个波束上。这两项技术的结合，使得波束指向的“跳动”不仅快速，而且精准高效。

那么，让波束这样“跳”起来，到底能带来哪些好处？首先是资源利用效率的显著提升。在传统固定波束模式下，卫星需要同时为所有覆盖区域提供连续服务，即使某个区域没有用户，波束也必须保持点亮状态。采用跳波束后，卫星只在实际有需求的时隙和区域激活波束，据工程实践统计，相比全区域连续覆盖可节省约40%的能耗。

其次是灵活应对业务需求的时空非均匀分布。系统可以根据各地面小区的实时数据流量需求，动态调整波束在每个小区的驻留时间——需求大的小区分配更多时隙，需求小的小区分配较少时隙。这种按需分配机制使得有限的星上资源能够精准匹配动态变化的用户需求，显著提升系统的服务容量。

最后是针对外部的恶意干扰，有良好的抗干扰能力。由于波束指向在不同时隙间快速变化，信号难以被持续追踪和恶意干扰。同时，系统可以通过调度算法主动避开被干扰的频段或角度，选择“干净”的时频资源进行通信，增强了链路的安全性和可靠性。

跳波束的关键技术

跳波束系统的核心在于资源调度算法的设计。这是一个典型的动态资源分配优化问题：卫星需要在每个时隙内决定哪些小区被服务、每个波束分配多少功率、使用哪个频段，同时还要满足用户的服务质量（Quality of Service, QoS）需求并避免波束间的同频干扰。从数学角度看，这是一个NP-hard（Non-deterministic Polynomial-time hard）问题，无法在多项式时间内求得全局最优解。

针对这一问题，学术界和产业界发展出多种调度算法路线。传统分配算法如轮询（Round Robin, RR）算法和随机算法实现简单、计算复杂度低，但资源利用率不高。启发式优化算法（如遗传算法、模拟退火算法）能够获得较好的单目标优化结果，但在大规模动态场景下面临计算复杂度高的问题。凸优化算法通过将原问题分解为若干子问题并分别求解，在单星场景下能够取得良好效果。近年来，基于深度强化学习（Deep Reinforcement Learning, DRL）的智能调度方法逐渐成为研究热点——智能体可以根据实时的队列长度和信道状态学习最优调度策略，在动态环境中展现出优异的适应能力。

除了资源调度算法，另一个关键技术是波束间的干扰管理。跳波束系统普遍采用全频复用以提升频谱效率，但相邻波束同时激活时会产生严重的同频干扰（Co-Channel Interference, CCI）。工程实践中通常采用空间隔离策略：在调度时确保同一时隙内激活的波束所对应的小区之间保持足够的空间距离（如80公里以上），使干扰水平降至可接受范围。在波束密度较高或可用频带受限的场景下，还可采用波束分簇方式——将波束划分为若干簇，簇内采用全频率复用但同一时隙仅激活一个波束，从而规避同频干扰。

值得关注的是，卫星在每个时隙应该同时服务多少个小区，这是一个需要仔细权衡的设计参数。理论分析表明，随着同时服务的小区数量增加，每个小区的覆盖概率和单时隙数据速率会下降（因为波束间干扰随之增大），但系统的整体容量会先上升后趋于饱和。

图3. 周期内跳波束的系统模型

图4. 跳波束智能体深度强化学习的框架

因此，存在一个最优的服务小区数量——在满足单个小区最低通信质量要求的前提下，使系统总容量最大化的那个值。这一发现为跳波束系统的工程设计提供了一个可供参考的数值依据。

此外，跳波束的资源管理还需要在时域、频域和功率域三个维度上联合优化。

时域上，波束在不同时隙间切换以实现广域覆盖；
频域上，通过动态子带分配来缓解共信道干扰；
功率域上，根据区域需求和干扰条件自适应调整波束发射功率。

三个维度的联合优化是提升跳波束系统整体性能的关键。

技术挑战与难点

跳波束系统的工程实现面临多重挑战。首先是星地高精度同步问题。跳波束本质上是时分系统，地面网关站发送的业务信号必须与卫星的波束指向切换节奏严格对齐。如果同步出现偏差，卫星波束切换时间与前向业务信号不匹配，将直接影响用户终端的正常接收。这一时间同步误差需要控制在微秒级，对星地链路的定时精度提出了极高要求。

其次是波束指向的快速切换能力。虽然相控阵天线的电子扫描速度极快，但实际系统还需考虑频率锁定、协议交互等环节的开销。在波束指向切换瞬间，通信链路在物理层面会经历短暂中断（通常在10至50毫秒量级），需要通过数据缓冲区和协议层重传机制来掩盖这一中断对用户体验的影响。

最后是大规模星座带来的干扰管理复杂性。随着多个低轨星座的密集部署，干扰来源从单星内的波束间干扰扩展到星座间的同频干扰，以及低轨卫星对高轨卫星的共线干扰。以Starlink对OneWeb用户下行链路的干扰分析为例，地面用户在24小时内均受到不同程度的干扰影响，I/N（Interference-to-Noise Ratio, 干扰与噪声比）在部分时段显著超过国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）建议的-12.2 dB门限值。这要求跳波束调度算法必须将多系统频谱共存作为核心约束条件。

应对挑战的技术路径

针对星地高精度同步问题，工程上采用“开环预补偿加闭环精调”的双模机制。地面网关站根据卫星星历和本地定位信息，预先计算多普勒频移和时间提前量（Timing Advance, TA）的初值，在波束切换前主动设置本地参数，将初始偏差压缩到很小范围。随后，系统通过闭环跟踪算法动态微调残余误差，确保微秒级的同步精度。这种开环与闭环相结合的方式，既利用了卫星运动轨迹可预测的特点，又保持了对抗实时扰动的能力。

针对波束切换瞬间的物理层中断，可从多个层面加以应对。

在物理层，相控阵天线的电子扫描速度可达纳秒级，尽可能缩短波束指向切换的空档期。
在数据链路层，终端内置数据缓冲区，在中断期间维持数据收发流程的连续性，避免因瞬时中断导致的数据丢失。
在传输层，自动重传机制可以弥补可能丢失的数据包。

三层协作作用，可将切换中断对用户体验的影响降至最低，用户几乎感知不到通信链路的短暂中断。

针对大规模星座带来的复杂干扰，当前主要有三种解决思路。

其一是空间隔离，在调度时确保同时激活的波束对应的小区之间保持足够距离，使干扰水平降至可接受范围。
其二是波束分簇，将波束划分为若干簇，簇内全频率复用但同一时隙仅激活一个波束，从源头上规避同频干扰。
其三是认知无线电（Cognitive Radio）方法，卫星通过频谱感知实时监测干扰分布，动态选择干净的频段进行通信。对于低轨星座对高轨卫星的共线干扰，还可采用规避角机制——当低轨卫星与高轨卫星地面站的夹角小于设定阈值时，低轨卫星暂停在该方向的发射，以保护高轨卫星的正常通信。

跳波束的应用场景

跳波束技术已成为全球主要低轨卫星星座的标配。Starlink在Ku频段部署多波束相控阵天线，每颗卫星可同时形成48个下行链路波束和16个上行链路波束，采用跳波束覆盖技术，并于2019年实现了在轨应用。在航空互联网领域，Starlink的波束可跟随飞机航线移动，为跨洋航班提供稳定连接，单架飞机终端可获得高达500Mbps的理论峰值带宽。在海事通信领域，Starlink系统可根据区域业务密度动态分配波束资源，在繁忙航道集中更多通信容量，实测海上延迟可低至29-45毫秒，峰值吞吐量达325Mbps。在应急通信场景下，Starlink可将多个波束临时集中指向灾害现场，2022年汤加火山爆发和2023年夏威夷野火中，均作为关键通信链路发挥了重要作用。

OneWeb与欧洲航天局（European Space Agency, ESA）合作开发的JoeySat卫星搭载了全数字跳波束技术，可实现波束每秒切换超过1000次。Kuiper星座同样采用跳波束技术，以预编程方式实现波束与虚拟点波束的映射。Telesat的“光速”星座也明确采用跳波束作为核心技术方案。企业服务方面，欧洲电信运营商Orange已与Telesat达成合作，利用其Lightspeed星座为偏远地区企业提供专线连接。这些星座的跳波束能力主要服务于企业专线、政府应急通信和全球宽带覆盖等场景。

图5. 欧洲区域卫星跳波束足迹规划图

我国在跳波束领域同样取得重要进展。实践二十号卫星搭载了国内首个跳波束转发器，于2020年成功完成在轨验证，全面验证了跳波束转发器对星上功率资源的灵活分配能力和地面用户终端的快速同步能力。鸿雁星座首发星也成功验证了跳波束宽带通信技术，为我国后续高通量卫星的工程应用奠定了技术基础。目前，多波束相控阵天线及跳波束技术是我国“中国星网GW星座”和“千帆星座”等低轨卫星星座的核心载荷之一。

在第六代移动通信（6G）空天地海一体化网络的框架下，跳波束还将发挥更广泛的作用。手机直连卫星场景要求跳波束适配小型化终端天线，对波束增益和跟踪精度提出了更高要求。同时，跳波束技术正从单星独立调度向多星协作调度演进，通过星间链路实现多颗卫星间的负载均衡和干扰协调，使星座整体资源利用效率得到进一步提升。

结语

低轨卫星跳波束技术，本质上是将有限的星上资源从静态分配转变为动态按需分配。

当前跳波束调度以单星独立决策为主，多星间的频谱协作与负载均衡仍处探索阶段。在星座规模持续扩张的背景下，构建真正意义上的分布式协作跳波束网络，已成为星地融合的关键挑战。跳波束所代表的“按需分配”逻辑，有望与认知无线电、动态频谱共享等地面成熟技术协同，推动星地频谱资源的一体化调度。这一技术的演进，折射出卫星通信从“资源受限下的被动适应”向“智能调度下的主动配置”的深层转型。面向6G空天地海一体化网络，跳波束将与星间激光链路、星上边缘计算、AI驱动的动态调度深度融合。这项技术能走多远，不仅取决于波束跳得多快、算法解得多优，更取决于我们能否在复杂约束中持续追问更优解。

研究团队介绍

研究团队为宁波东方理工大学6G空天地海一体化网络实验室。团队负责人为尚博东，现为宁波东方理工大学助理教授、博士生导师。研究团队深耕于6G空天地海一体化网络研究领域，研究方向包括星地融合网络、低轨卫星通信与组网、非地面网络等。

宁波东方理工大学目前与上海交通大学、中国科学技术大学、香港理工大学进行博士生联合培养（满足学位和毕业要求，将发放联培院校学位证和毕业证）。研究团队目前招博士后、博士生、实习生。

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本文转载自6G空天地海一体化网络 ”，原标题《低轨卫星跳波束：从静态分配到动态按需》。

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