一种基于非相邻七馈源组合的波束成形技术

王 冰，蔡燕双，罗 勇，程宇新，吴建军

(北京大学 信息科学技术学院 现代通信研究所，北京 100871)

一种基于非相邻七馈源组合的波束成形技术

王 冰，蔡燕双，罗 勇，程宇新，吴建军

(北京大学 信息科学技术学院 现代通信研究所，北京 100871)

多波束卫星通信系统逐渐向以用户为中心的波束合成体制转变，用户位置的随机性使得目标波束的中心指向应具有任意性，以保证用户服务质量。针对传统的7馈源选择方案波束间干扰较大的问题，设计了一种基于非相邻7馈源组合的馈源选择方案，在满足波束中心指向任意性的同时，通过波束成形算法加权求解，找到均方误差达到最小，实现最佳馈源组合方案，并通过仿真对方案性能进行了分析。

多波束卫星；波束合成；非相邻；中心指向

0 引言

卫星移动通信因其有覆盖面积大、通信距离远、通信方式灵活多样等多方面优势，在抗震救灾、军事国防等许多重要领域发挥着不可替代的重要作用。近些年来，其发展越来越受到国家的重视[1]。为了获得更好的服务性能，进而提升卫星通信的信号质量，多波束卫星通信系统于20世纪70年代被提出，随后经过快速的发展，应用十分广泛。虽然多波束卫星通信现阶段发展迅速，但是也面临着比较大的挑战。

由于合成波束是通过单馈源波束互相加权叠加而形成[2-3]，所以不可避免会出现不同程度的同频干扰。波束中心间隔越小，同频干扰越严重，会使信道质量急剧下降，甚至影响正常的通信。因此这就对合成波束的性能，特别是主瓣宽度与旁瓣抑制要求非常高；其次，随着用户的需求不断苛刻，单纯的全覆盖波束已经不能满足要求，随着波束数目的增多，波束成形网络的复杂度会大大提升，硬件资源的消耗会不断增大，成本会越来越高[4-5]。不仅如此，对波束成形算法的性能也有了新的要求。

随后，为提高原波束边缘用户的通信质量，单用户单波束的概念被提出，卫星不再仅仅满足于实现地面的全覆盖，逐渐追求如何提升对覆盖区域的服务性能。以用户为中心的一种服务机制开始得到重视，相应的自适应相控阵天线的技术也得到广泛的讨论，主要的研究点在于波束成型网络的具体实现方案，并常采用相邻馈源组合形式，对馈源组合的选择方案涉及较少，而不同的馈源组合对波束合成的性能有较大影响。本文的主要内容即对馈源选择的方案进行相应的设计与讨论。

1 系统模型

在多波束卫星通信中，为提高波束增益及有效控制波束的形状，常采用增强型多波束成形技术，目标波束由多个馈源的单波束加权合成。对于规则排布的馈源阵列来讲，最常用的馈源选择方式是相邻的7馈源[6-7]，如图1所示，其好处是既能保证在一定范围内波束合成的性能，又能够降低由于馈源组合选择带来的复杂度。

图1 传统波束合成相邻馈源组合

对以用户为中心的波束合成体制，由于用户的分布具有随机性，使得目标波束的中心位置也应满足任意性。在某些区域采用相邻馈源选择方案进行波束合成时，相邻馈源组合的方式由于馈源对称性的问题，使得波束主瓣与旁瓣电平无法得到良好的控制，从而相邻波束之间干扰变大，系统性能急剧下降。

考虑如下情景：馈源排列如图2所示，其在地面端的单馈源方向图亦如此。用户以坐标原点为起点，沿着与x轴夹角为150°的方向移动。每隔0.1°取一个参考点，作为合成波束的中心位置。由于馈源排布的对称性，只需考虑用户从坐标原点移动到波束1、2、3边缘交叠的位置即可，这里取4个点作为目标波束的中心点，分别为A、B、C、D，为等分间隔点。

图2 目标波束中心移动方位图

2 传统7馈源改进方案

2.1 传统7馈源方案性能分析

对于传统的7馈源选择方案来说，当波束中心位于AD之间任意位置时，由几何关系可知其与馈源1对应的波束中心距离最近，所以在进行波束合成时，选择以编号为1的馈源为中心，周围7馈源组合进行加权系数合成[8-10]，即编号1、2、3、4、5、6、7。

波束合成效果如图3所示，以D点为例，从几何位置来看，馈源1、4、5、6、7对D点右侧波形的影响相对较大，馈源2、3对D点左侧波形的作用相对明显。馈源个数越多，则合成波束效果越好，这也就造成了以D点为中心右侧的波束形状较好，旁瓣电平较低，而左侧的波束形状较差，旁瓣电平较高的现象，合成波束不对称，波束间干扰相对较大。

图3 合成波束中心位置不同条件下合成波束效果图

2.2 一种非相邻7馈源选择方案

以目标波束中心位于D点时为例，设被选中的馈源集合为φ，非相邻7馈源的选择方案如下：

(1) 首先，计算得到与目标波束中心距离最近的3个馈源波束，通常为相邻馈源。对D点来说，其编号为1、2、3，将其纳入到φ中，此馈源对合成波束作用最大。

(2) 以(1)中选出的三馈源作为中心，周围共有9个相邻馈源，其对合成波束的作用效果仅次于位于中心的3馈源。所以从此9个馈源中选出N个馈源并纳入到φ中，完成相应馈源组合，其中0≤N≤9。

(3) 被选中的馈源组合φ需要满足2个条件：

① 必须达到系统对合成波束的性能指标要求，包括波束指向精度、主瓣-3 dB宽度、旁瓣抑制电平；

② 为了减小波束成形网络的实现复杂度，防止馈源放大器工作于非线性区，馈源选择的数目应尽量小。

其流程图如图4所示。

图4 非相邻7馈源选择方案流程图

为此，馈源选择具体选择步骤如下：首先将馈源个数N设为1，遍历所有可能的馈源组合，利用波束成形算法对每一种馈源组合进行加权系数求解，找到最小均方误差和最小的馈源组合。判断此馈源组合下的合成波束在主瓣宽度、波束指向、旁瓣抑制性能上是否满足要求。如果满足，则将馈源组合加入φ中；否则，将馈源个数变为N+1，重复以上步骤，直到合成波束性能达到指标要求为止。

3 仿真结果及分析

以波束中心位于D点为例。仿真发现，在馈源总数低于7个时，不管馈源组合如何选择，都无法满足系统对旁瓣电平的要求。所以下面针对7馈源的情形，对非相邻7馈源的馈源组合方案进行仿真分析。

遍历所有7馈源组合之后，找到均方误差和最小的馈源组合为1、2、3、4、6、9、19，如图5所示。

(a) 相邻馈源组合

(b) 相邻7馈源与非相邻7馈源组合方案仿真效果图图5 非相邻7馈源组合D点波束合成效果图

图5可以看出，使用编号为1、2、3、4、6、9、19的馈源组合进行波束合成，旁瓣抑制效果有了明显的提高，电平低于-20dB，有效降低了对相邻波束的干扰。同时，主瓣宽度约为0.6°，满足系统对主瓣性能的要求。

分析波束合成性能变好的原因，对于1、2、3、4、6、9、19号馈源，从几何合排布来讲位置较为对称，馈源对其两边旁瓣的影响较为一致。除馈源1、2、3之外，馈源9、19对波束的左侧赋形起较大作用，从解决了原相邻7馈源组合的波束左侧旁瓣抑制较差的问题。取C点进行分析，可以得到如图6所示的结果。

由波形图可以看出，此非相邻7馈源的选择方案要比传统方案旁瓣抑制上效果好，波形对称性更好，满足性能需求，所以本方案是有效的。

对于组合中馈源个数的问题，由于存在数目为7的馈源组合，使得合成波束性能满足系统要求。为了降低波束成形复杂度，选择7个以上馈源组合方案虽然能使合成波束更精确，但是意义不大，不再进行相关讨论。

(a) 相邻馈源组合

(b) 相邻7馈源与非相邻7馈源组合方案仿真效果图图6 非相邻7馈源组合C点波束合成效果图

4 结束语

本文分析了传统相邻7馈源组合在某些区域波束合成效果较差的原因，设计了非相邻7馈源组合方案，在保证波束合成性能的前提下，使得波束中心具有任意性，有效扩大波束可达范围，降低了旁瓣的电平与相邻波束间的干扰，满足了以用户为中心的波束合成体制需求。

[1] Dennis.卫星通信[M].郑宝玉，译.北京：机械工业出版社,2011.

[2] Aston P S.Satellite Telephony for Field and Mobile Applications[C]∥Aerospace Conference Proceedings,2000 IEEE.Gaiehersburg,2000:179-190.

[3] 周乐柱,李斗,郭文嘉.卫星多波束天线综述[J].电子学报,2001,29(4):824-828.

[4] 王华芝,夏文.卫星多波束天线技术的发展[J].电信快报,1997(11) :7-11.

[5] 谢崇进,王华芝.卫星多波束天线综述[J].中国空间科学技术,1995(5) :37-44.

[6] 胡红芬,白晓红.多波束天线的应用及发展[J].现代雷达,2002(4):69-75.

[7] 谢丰奕.欧洲两大卫星公司拓展Ka波段宽带市场[J].卫星电视与宽带多媒体,2013(15):16-17.

[8] 李斌.多波束卫星移动通信联合发送接收技术研究[D].北京:北京大学,2013.

[9] 张亦希.卫星多波束天线的赋形方法[J].空间电子技术,2001(1-2):6-14.

[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,蔡燕双,罗勇,等.一种基于非相邻七馈源组合的波束成形技术[J].无线电通信技术,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

国家自然科学基金项目(61371073)

王冰(1991—)，男，硕士，主要研究方向：卫星通信、无线通信、资源分配。吴建军(1968—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：宽带卫星通信系统和技术、同轴宽带有线接入技术、3G/4G移动通信及网络技术、超宽带通信技术、嵌入式系统软硬件技术。