王 冰，蔡燕雙，羅 勇，程宇新，吳建軍

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

一種基于非相鄰七饋源組合的波束成形技術(shù)

王 冰，蔡燕雙，羅 勇，程宇新，吳建軍

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代通信研究所，北京 100871)

多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸向以用戶為中心的波束合成體制轉(zhuǎn)變，用戶位置的隨機(jī)性使得目標(biāo)波束的中心指向應(yīng)具有任意性，以保證用戶服務(wù)質(zhì)量。針對傳統(tǒng)的7饋源選擇方案波束間干擾較大的問題，設(shè)計(jì)了一種基于非相鄰7饋源組合的饋源選擇方案，在滿足波束中心指向任意性的同時(shí)，通過波束成形算法加權(quán)求解，找到均方誤差達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)最佳饋源組合方案，并通過仿真對方案性能進(jìn)行了分析。

多波束衛(wèi)星；波束合成；非相鄰；中心指向

0 引言

衛(wèi)星移動(dòng)通信因其有覆蓋面積大、通信距離遠(yuǎn)、通信方式靈活多樣等多方面優(yōu)勢，在抗震救災(zāi)、軍事國防等許多重要領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用。近些年來，其發(fā)展越來越受到國家的重視[1]。為了獲得更好的服務(wù)性能，進(jìn)而提升衛(wèi)星通信的信號(hào)質(zhì)量，多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)于20世紀(jì)70年代被提出，隨后經(jīng)過快速的發(fā)展，應(yīng)用十分廣泛。雖然多波束衛(wèi)星通信現(xiàn)階段發(fā)展迅速，但是也面臨著比較大的挑戰(zhàn)。

由于合成波束是通過單饋源波束互相加權(quán)疊加而形成[2-3]，所以不可避免會(huì)出現(xiàn)不同程度的同頻干擾。波束中心間隔越小，同頻干擾越嚴(yán)重，會(huì)使信道質(zhì)量急劇下降，甚至影響正常的通信。因此這就對合成波束的性能，特別是主瓣寬度與旁瓣抑制要求非常高；其次，隨著用戶的需求不斷苛刻，單純的全覆蓋波束已經(jīng)不能滿足要求，隨著波束數(shù)目的增多，波束成形網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度會(huì)大大提升，硬件資源的消耗會(huì)不斷增大，成本會(huì)越來越高[4-5]。不僅如此，對波束成形算法的性能也有了新的要求。

隨后，為提高原波束邊緣用戶的通信質(zhì)量，單用戶單波束的概念被提出，衛(wèi)星不再僅僅滿足于實(shí)現(xiàn)地面的全覆蓋，逐漸追求如何提升對覆蓋區(qū)域的服務(wù)性能。以用戶為中心的一種服務(wù)機(jī)制開始得到重視，相應(yīng)的自適應(yīng)相控陣天線的技術(shù)也得到廣泛的討論，主要的研究點(diǎn)在于波束成型網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)方案，并常采用相鄰饋源組合形式，對饋源組合的選擇方案涉及較少，而不同的饋源組合對波束合成的性能有較大影響。本文的主要內(nèi)容即對饋源選擇的方案進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)與討論。

1 系統(tǒng)模型

在多波束衛(wèi)星通信中，為提高波束增益及有效控制波束的形狀，常采用增強(qiáng)型多波束成形技術(shù)，目標(biāo)波束由多個(gè)饋源的單波束加權(quán)合成。對于規(guī)則排布的饋源陣列來講，最常用的饋源選擇方式是相鄰的7饋源[6-7]，如圖1所示，其好處是既能保證在一定范圍內(nèi)波束合成的性能，又能夠降低由于饋源組合選擇帶來的復(fù)雜度。

圖1 傳統(tǒng)波束合成相鄰饋源組合

對以用戶為中心的波束合成體制，由于用戶的分布具有隨機(jī)性，使得目標(biāo)波束的中心位置也應(yīng)滿足任意性。在某些區(qū)域采用相鄰饋源選擇方案進(jìn)行波束合成時(shí)，相鄰饋源組合的方式由于饋源對稱性的問題，使得波束主瓣與旁瓣電平無法得到良好的控制，從而相鄰波束之間干擾變大，系統(tǒng)性能急劇下降。

考慮如下情景：饋源排列如圖2所示，其在地面端的單饋源方向圖亦如此。用戶以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著與x軸夾角為150°的方向移動(dòng)。每隔0.1°取一個(gè)參考點(diǎn)，作為合成波束的中心位置。由于饋源排布的對稱性，只需考慮用戶從坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)到波束1、2、3邊緣交疊的位置即可，這里取4個(gè)點(diǎn)作為目標(biāo)波束的中心點(diǎn)，分別為A、B、C、D，為等分間隔點(diǎn)。

圖2 目標(biāo)波束中心移動(dòng)方位圖

2 傳統(tǒng)7饋源改進(jìn)方案

2.1 傳統(tǒng)7饋源方案性能分析

對于傳統(tǒng)的7饋源選擇方案來說，當(dāng)波束中心位于AD之間任意位置時(shí)，由幾何關(guān)系可知其與饋源1對應(yīng)的波束中心距離最近，所以在進(jìn)行波束合成時(shí)，選擇以編號(hào)為1的饋源為中心，周圍7饋源組合進(jìn)行加權(quán)系數(shù)合成[8-10]，即編號(hào)1、2、3、4、5、6、7。

波束合成效果如圖3所示，以D點(diǎn)為例，從幾何位置來看，饋源1、4、5、6、7對D點(diǎn)右側(cè)波形的影響相對較大，饋源2、3對D點(diǎn)左側(cè)波形的作用相對明顯。饋源個(gè)數(shù)越多，則合成波束效果越好，這也就造成了以D點(diǎn)為中心右側(cè)的波束形狀較好，旁瓣電平較低，而左側(cè)的波束形狀較差，旁瓣電平較高的現(xiàn)象，合成波束不對稱，波束間干擾相對較大。

圖3 合成波束中心位置不同條件下合成波束效果圖

2.2 一種非相鄰7饋源選擇方案

以目標(biāo)波束中心位于D點(diǎn)時(shí)為例，設(shè)被選中的饋源集合為φ，非相鄰7饋源的選擇方案如下：

(1) 首先，計(jì)算得到與目標(biāo)波束中心距離最近的3個(gè)饋源波束，通常為相鄰饋源。對D點(diǎn)來說，其編號(hào)為1、2、3，將其納入到φ中，此饋源對合成波束作用最大。

(2) 以(1)中選出的三饋源作為中心，周圍共有9個(gè)相鄰饋源，其對合成波束的作用效果僅次于位于中心的3饋源。所以從此9個(gè)饋源中選出N個(gè)饋源并納入到φ中，完成相應(yīng)饋源組合，其中0≤N≤9。

(3) 被選中的饋源組合φ需要滿足2個(gè)條件：

① 必須達(dá)到系統(tǒng)對合成波束的性能指標(biāo)要求，包括波束指向精度、主瓣-3 dB寬度、旁瓣抑制電平；

② 為了減小波束成形網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，防止饋源放大器工作于非線性區(qū)，饋源選擇的數(shù)目應(yīng)盡量小。

其流程圖如圖4所示。

圖4 非相鄰7饋源選擇方案流程圖

為此，饋源選擇具體選擇步驟如下：首先將饋源個(gè)數(shù)N設(shè)為1，遍歷所有可能的饋源組合，利用波束成形算法對每一種饋源組合進(jìn)行加權(quán)系數(shù)求解，找到最小均方誤差和最小的饋源組合。判斷此饋源組合下的合成波束在主瓣寬度、波束指向、旁瓣抑制性能上是否滿足要求。如果滿足，則將饋源組合加入φ中；否則，將饋源個(gè)數(shù)變?yōu)镹+1，重復(fù)以上步驟，直到合成波束性能達(dá)到指標(biāo)要求為止。

3 仿真結(jié)果及分析

以波束中心位于D點(diǎn)為例。仿真發(fā)現(xiàn)，在饋源總數(shù)低于7個(gè)時(shí)，不管饋源組合如何選擇，都無法滿足系統(tǒng)對旁瓣電平的要求。所以下面針對7饋源的情形，對非相鄰7饋源的饋源組合方案進(jìn)行仿真分析。

遍歷所有7饋源組合之后，找到均方誤差和最小的饋源組合為1、2、3、4、6、9、19，如圖5所示。

(a) 相鄰饋源組合

(b) 相鄰7饋源與非相鄰7饋源組合方案仿真效果圖圖5 非相鄰7饋源組合D點(diǎn)波束合成效果圖

圖5可以看出，使用編號(hào)為1、2、3、4、6、9、19的饋源組合進(jìn)行波束合成，旁瓣抑制效果有了明顯的提高，電平低于-20dB，有效降低了對相鄰波束的干擾。同時(shí)，主瓣寬度約為0.6°，滿足系統(tǒng)對主瓣性能的要求。

分析波束合成性能變好的原因，對于1、2、3、4、6、9、19號(hào)饋源，從幾何合排布來講位置較為對稱，饋源對其兩邊旁瓣的影響較為一致。除饋源1、2、3之外，饋源9、19對波束的左側(cè)賦形起較大作用，從解決了原相鄰7饋源組合的波束左側(cè)旁瓣抑制較差的問題。取C點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得到如圖6所示的結(jié)果。

由波形圖可以看出，此非相鄰7饋源的選擇方案要比傳統(tǒng)方案旁瓣抑制上效果好，波形對稱性更好，滿足性能需求，所以本方案是有效的。

對于組合中饋源個(gè)數(shù)的問題，由于存在數(shù)目為7的饋源組合，使得合成波束性能滿足系統(tǒng)要求。為了降低波束成形復(fù)雜度，選擇7個(gè)以上饋源組合方案雖然能使合成波束更精確，但是意義不大，不再進(jìn)行相關(guān)討論。

(a) 相鄰饋源組合

(b) 相鄰7饋源與非相鄰7饋源組合方案仿真效果圖圖6 非相鄰7饋源組合C點(diǎn)波束合成效果圖

4 結(jié)束語

本文分析了傳統(tǒng)相鄰7饋源組合在某些區(qū)域波束合成效果較差的原因，設(shè)計(jì)了非相鄰7饋源組合方案，在保證波束合成性能的前提下，使得波束中心具有任意性，有效擴(kuò)大波束可達(dá)范圍，降低了旁瓣的電平與相鄰波束間的干擾，滿足了以用戶為中心的波束合成體制需求。

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[3] 周樂柱,李斗,郭文嘉.衛(wèi)星多波束天線綜述[J].電子學(xué)報(bào),2001,29(4):824-828.

[4] 王華芝,夏文.衛(wèi)星多波束天線技術(shù)的發(fā)展[J].電信快報(bào),1997(11) :7-11.

[5] 謝崇進(jìn),王華芝.衛(wèi)星多波束天線綜述[J].中國空間科學(xué)技術(shù),1995(5) :37-44.

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[8] 李斌.多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信聯(lián)合發(fā)送接收技術(shù)研究[D].北京:北京大學(xué),2013.

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[10] Tantaratans S.Mininum P-error Design of Nonuniformly Spaced Liner Array[J].Proceedings of IEEE,1984,72(11):1654-1655.

ABeamformingTechnologyBasedonNon-adjacent7-feedCombination

WANG Bing,CAI Yan-shuang,LUO Yong,CHENG Yu-xin,WU Jian-jun

(Modern Communications Research Institute,School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University,Beijing 100871,China)

Multi-beam satellite communication system is gradually adopting user-centered beam forming system.The randomness of the users’ position requires the beam pointing target to be arbitrary to qualify the users service.The traditional 7 feed options face the problem of significant interference among beams,the beam-forming option of non-adjacent 7-feed combination provides the best option,which realizes the arbitrariness of the beam pointing center and works out a minimum mean square error through weighted beam-forming algorithm.The performance of the solution is analyzed by simulation.

multi - beam satellite;beamforming;non - adjacent;pointing center

TN927

A

1003-3114(2017)06-28-3

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.07

王冰,蔡燕雙,羅勇,等.一種基于非相鄰七饋源組合的波束成形技術(shù)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(6):28-30,36.

[WANG Bing,CAI Yanshuang,LUO Yong,et al.A Beamforming Technology Based on Non-adjacent 7-feed Combination.[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):28-30,36.]

2017-07-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371073)

王冰(1991—)，男，碩士，主要研究方向：衛(wèi)星通信、無線通信、資源分配。吳建軍(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術(shù)、同軸寬帶有線接入技術(shù)、3G/4G移動(dòng)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超寬帶通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)。