一种多波束通信设备的设计与实现

任 鹏，董志伟，高景涛

(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081；2.赵光农场，黑龙江 北安 164021； 3.中国人民解放军31401部队，辽宁 大连 116021)

0 引言

地空通信系统是构建空天地通信网络的重要一环，相比卫星通信具有成本低、时延小的优势，相比地面通信具有覆盖用户多、可快速组网的优势。随着无人机、多用途飞艇等升空平台的快速发展，大容量、高速率数据如高清航拍影像的回传等空空、空地间数据链不断增长的带宽需求对地空间通信信道提出更高的要求[1]。

传统大容量地空微波通信设备通常在升空平台上使用全向天线或扇区天线进行广域的覆盖，实现较多用户的接入，如应用移动通信。或者使用方向性更好的高增益定向天线实现特定地面用户与升空平台间的远距离通信，如无人机测控。两种方式均存在一定的局限性，全向天线增益较低导致传输速率不高，定向天线覆盖范围有限且需要复杂笨重的机械式跟踪扫描装置[2]。

本文介绍一种新型多波束通信设备的设计和实现方法，通过设备使用OFDM与SC-FDE相结合的调制解调体制，采用TDD/TDMA的双工/多址方式，选用具备波束快速切换的智能天线，在实现较大区域覆盖的同时有效的提升了带宽利用率。

1 技术特点和基本组成

多波束通信设备由信号处理单元和多波束智能天线两部分构成，为了保证数据的高速传输，二者之间通过光纤进行连接。

图1 多波束通信设备系统应用示意

该型多波束通信设备是工作在C频段、通过波束快速扫描发现地面用户、采用TDMA技术实现组网通信的微波通信设备。设备可装载在无人机等升空平台上，作为网络中的通信转发节点，构建大容量、多用途的地空通信平台。

设备使用多波束智能天线对地面区域进行覆盖，在数个地面节点间构建立体的通信网络，其应用示意如图1所示。通过多波束智能天线对覆盖区域进行高速扫描，发现用户并接入网络，用户间组成自组织网络，根据协议进行数据传输。

多波束通信设备具备的技术优势主要包括：

无中心自组网：多波束通信设备具有较强的组网能力，可构成无需设置中心节点的自组织网络，允许网络拓扑保持动态变化，节点间相对独立，各节点智能感知网络拓扑的变化，及时调整最佳路由[3]。

通信速率高：设备采用时分双工和时分多址组合的方式，可实现数据的突发传输，使各接入用户都能以较高的速率进行数据传输。

波束切换阵列天线：多波束天线由天线阵列构成，天线阵列包含数个天线单元，通过精确的仿真和计算按照特定的结构组成，无需复杂的机械传动装置，通过开关控制数个天线单元实现阵列的快速扫描，相比普通天线方向性更强、增益更高[4]。

2 信号处理单元的设计实现

2.1 组成和主要功能

信号处理单元组成主要包括：晶振、调制解调器、协议控制器、定位信息处理器和电源模块等。

主要功能是进行信息的调制解调、构成传输的波形以及传输速率和网络的协议控制，并实现自组织网络的传输和自愈功能。

调制解调器：完成数据的调制与解调，并实现速率自适应的功能[5]。

协议控制器：提供多种业务的接入端口以及监控信息的输入输出接口并完成协议的处理。选用FPGA和PPC作为协议与监控单元的主要处理芯片，FPGA和PPC共同完成MAC协议的处理，时敏信号的MAC协议通过FPGA进行处理，非时敏信号的协议和路由协议通过PPC进行处理。FPGA、PPC支持标准RapidIO高速接口，协议控制器具有GPIO和LVDS接口，GPIO接口用于数据的高速传输，LVDS接口用于时敏信号的传输。

监控程序在PPC中工作，通过设置监控，PPC向FPGA发出控制命令，FPGA将控制命令转化成动作信号，实现切换波束、数据发收等操作。FPGA还负责收集多波束天线射频单元各模块上报的状态信息，汇总后通过数据总线连同调制解调器的状态参数一起传送回PPC，PPC接收状态参数后和网络参数汇总通过监控接口一起发送到计算机，通过监控和管理软件显示设备和网络的状态。

图2 信号处理单元原理框图

定位信息处理器：通过GPS或北斗定位定向模块，为设备提供时间基准信息和地理位置信息。

电源模块：为信号处理单元各功能模块提供工作电压以及为多波束智能天线供电。

信号处理单元原理框图如图2所示。

2.2 信号处理单元结构布局

信号处理单元内部各功能模块采用平铺组合式结构摆放，由信号流向确定各功能模块的邻接关系，通过连接电缆实现各功能模块之间的信号互连。通过信号处理单元前面板的指示灯可观察设备的基本状态信息，包括：数据收发状态指示、通信协议指示、信号处理指示、光纤连接状态指示等。

3 多波束智能天线设计与实现

3.1 组成和主要功能

多波束智能天线各组成模块主要包括：功率放大器、低噪声放大器、室外信号处理卡、变频器以及电源模块等。

功率放大器主要包括功率放大模块、前置滤波器和低通滤波器。主要功能是放大射频信号，滤除光电转换模块的带外杂散，以及抑制发射杂散。原理框图如图3所示。

图3 功率放大器原理框图

低噪声放大器由信号放大模块、开关滤波、低噪声放大模块和前置滤波组成。

低噪声放大器原理框图如图4所示。

变频器由中频变频模块、射频变频模块、光收发模块组成，其原理框图如图5所示。

图4 低噪声放大器原理框图

图5 变频器原理框图

3.2 多波束智能天线结构布局

对波束切换阵列天线形式而言，微带面阵在共形方面具有明显的优越性，但副瓣太大，且要实现高定向增益时要对多个单元组阵，尺寸大、相应增加了射频电路的难度和复杂度。螺旋面阵具有较高的增益，但实现特定波束要单元组阵，也增加了设计的难度，并且由于近场耦合，组阵设计难度加大，角锥喇叭天线副瓣低、效率高、增益高，虽然天线体积和重量偏大，但可以由一个单元天线获得特定波束而不需要组阵，因此本设计中主要就截球面喇叭阵列天线展开研究[6]。

基于球面排列的波束切换天线阵是由顶部截去一部分的半球平面结构。为了使16个波束实现水平方位全方位覆盖，且单波束增益达到15dBi，天线阵列按圆环角度分析采用2层圆环分布，每一环的阵元分别为8元，整个半圆球型带形成16个单元子阵，并且交错布阵，喇叭天线阵列结构示意如图6所示。

多波束智能天线整体外形为半圆球型结构，内部主要包括：基于球面排列的喇叭天线单元组成的波束天线阵，以及射频单元和天线切换开关等部件组成。各部件按照功能分层布设，下层为散热片，在散热片上面放置部件安装座板，将射频单元和天线切换开关等部件固定在座板上，上层为喇叭天线阵列，最外层安装天线罩。多波束智能天线射频电路布局如图7所示，天线整体结构布局如图8所示。

图6 喇叭天线阵列结构示意

图7 多波束天线射频电路布局示意

图8 多波束智能天线结构

多波束智能天线的流线型结构外形设计可以与升空平台共形，尤其对飞行器的气动性能影响较小[7]。结构上，多波束天线舍弃了笨重的机械伺服对准机构，其流线型结构可以与升空平台共形，尤其对飞行器的气动性能影响较小。性能上，多波束天线通过快速切换开关进行扇区扫描，在不同的方向上均可以保持较高的天线增益。

4 软件架构

4.1 物理层

物理层可以进一步划分为天线与射频、基带处理。天线采用定向天线技术，其对系统的整体性能起到了确定性的作用，要求波束宽度窄、旁瓣抑制度高、EIRP高。基带处理部分采用合理的调制技术，能够实现远距离、多径通道、移动场景下的通信，可以支持多种数据传输速率，实现自适应编码调制，系统中任何两个节点间的通信都能够自动选择最合适的调制编码方式。

多波束通信设备需要其天线单元、射频单元、调制解调单元等组成部分协同工作，协议需要对波束进行控制。设备采用GPS授时的方式进行同步，由GPS给出秒脉冲信号，控制发送和中断信号。

系统设计时，基于时分双工和时分多址的双工与多址体制，需要在合理的时间内完成收发切换。为了能够保证收发不相互干扰，开关需要足够的隔离度保证，协议发出控制指令完成对收发开关的切换、功放开关的指令、调制发与解调收、本振等的开断。

4.2 MAC层

MANET网络是节点平等的无中心网络，网络中的各个节点呈动态分布，每个节点通过监听相邻节点，智能感知网络拓扑的变化，通过选取最佳路由进行数据的传递。优化链路状态路由协议OLSR适合动态拓扑的密集网络，通过路由选择提供最优数据传输路径。为了在资源紧张的环境中使各接入节点具备较高的带宽利用率，在OLSR算法的基础上，通过基于MANET网络的MAC层邻居节点发现，降低算法开销，另外通过设计算法转换接口，实现外部网络与MANET网络的相互结合[8]。

4.3 网络层

网络层基本功能为实现多跳传输，使得两个不能直接通信的节点可以通过中继节点的转发来交换数据。协议需要适应节点移动所带来的网络拓扑变化，及时更新各个节点掌握的全网拓扑信息，为传输数据包实时提供正确的转发路径[9]。同时为了兼顾效率，网络层信息维护所带来的带宽开销应限制在合理范围内，即不会导致传输数据吞吐量的大幅下降。

通过对外发送包含节点表信息的HELLO包和TC包，构建整个网络的拓扑结构，HELLO包的发送对象为邻近节点，TC包的发送对象为全部入网节点。为了减少网络中的广播包整体数量，降低洪泛发生的几率，TC包的发送具有选择性，并非所有节点在接受到TC包后都会再进行转发，仅有来自源节点的MPR节点会继续转发。通过分析网络拓扑结构进行，使用Dijkstra算法计算，告知节点下一跳数据转发的最佳路由[10]。

图9 网管和监控原理框图

4.4 网管和监控

该部分设计主要包括：节点管理控制软件、信号处理单元监控软件和多波束智能天线监控软件。节点管理控制软件属于上位机软件，通过该软件可以对设备的参数进行设置、对设备的状态进行监视和记录。信号处理单元监控软件和多波束智能天线监控软件属于嵌入式软件，通过自身的处理器实现。

网管和监控工作示意图如图9所示。

5 结束语

介绍了一种多波束通信设备的设计与实现。通过信号处理单元和多波束智能天线的设计实现可以发现新型多波束通信设备与目前广泛应用的定向微波设备在技术体制和设备结构上有较大不同，设备可以构成无中心自组织网络，传输速率高，设备集成度高，可以将多波束天线和射频电路很好的结合在一起，多波束智能天线重量轻、体积小，可降低对载体平台空气动力学性能的影响，适合装载在升空平台上。