CN100347970C - 使用天线波束形成的系统优化 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于增大卫星通信系统的系统容量的方法，所述卫星系统包含多个通信卫星，其中卫星包括用于提供多个波束的阵列天线和波束形成器，所述方法包括下述步骤：确定所述卫星的位置，通过利用纬度确定所述位置，所述纬度是利用度数量度的距离赤道的角距离；根据所述位置，形成所述多个波束；识别所述多个波束中的第一波束；根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束；确定对于所述第一波束，是否需要修改小区大小；和修改小区直径，实现所述小区大小修改。

Description

使用天线波束形成的系统优化

技术领域

本发明涉及卫星通信系统，更具体地说，涉及在卫星通信系统中，利用天线波束形成，来提高系统容量的方法和设备。

背景技术

通信系统具有与之相关的服务区域。在卫星通信系统中，这种覆盖区域由多个卫星提供。必须设计单个卫星的覆盖区域，以便在使重叠区域减至最小，并消除覆盖空隙的情况下，完成整个系统覆盖。对以最低的费用提供完整的覆盖范围来说，该问题的优化是必不可少的。

从而，始终需要用于管理卫星通信系统中的卫星天线方向图的改进技术。具体地说，所需要的是建立天线方向图，同时提高卫星通信系统中卫星的功率效率和信道复用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于增大卫星通信系统的系统容量的方法以及一种在通信系统中执行基于位置的波束形成进程的卫星。本发明提高了卫星通信系统中卫星的功率效率和信道复用效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于增大卫星通信系统的系统容量的方法，所述卫星系统包含多个通信卫星，其中卫星包括用于提供多个波束的阵列天线和波束形成器，所述方法包括下述步骤：

确定所述卫星的位置，通过利用纬度确定所述位置，所述纬度是利用度数量度的距离赤道的角距离；

根据所述位置，形成所述多个波束；

识别所述多个波束中的第一波束；

根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束；

确定对于所述第一波束，是否需要修改小区大小；和

修改小区直径，实现所述小区大小修改。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在通信系统中执行基于位置的波束形成进程的卫星，所述通信系统具有多个用户设备以及多个通信卫星，所述卫星包括：

形成多个波束的主任务天线，所述波束提供与至少一个所述用户设备的通信链路；

与所述主任务天线耦接的天线于系统；

提供与地面通信设备的链路的地面链路收发器；

提供与其它卫星的交叉链路的交叉链路收发器；

与所述天线于系统、所述地面链路收发器以及所述交叉链路收发器耦接的控制器，所述控制器用于确定所述卫星的纬度位置，处理所述多个波束，并且利用所述纬度位置，确定小区大小及波束控制角；

修改小区直径的装置，所述修改装置与所述控制器以及所述主任务天线耦接；和

与所述控制器以及所述主任务耦接的、用于修改波束控制角的装置。

附图说明

通过结合附图，参考详细说明和权利要求，可更完整地理解本发明，附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1根据本发明的优选实施例，图解说明了卫星通信系统的高度简化方框图；

图2根据本发明的优选实施例，图解说明了卫星所形成的许多航迹及覆盖区的简化顶视图；

图3根据本发明的优选实施例，图解说明了通信卫星的简化方框图；

图4根据本发明的优选实施例，图解说明了在卫星通信系统中执行的优化系统性能的方法的流程图；

图5根据本发明的优选实施例，图解说明了与卫星相关的例证天线方向图的顶视图。

具体实施方式

本发明的方法和设备提高了卫星通信系统中卫星的功率效率和信道复用效率。此外，本发明的方法和设备允许通过根据卫星的位置，确定卫星的天线方向图，提高功率效率，并且提高信道复用效率。

这里使用的术语“小区”、“波束”和“覆盖区”并不意图局限于任意特殊模式的产生，包括由地面或卫星蜂窝通信系统和/或它们的组合系统生成的那些产生。本发明适用于基于地面的通信系统及基于空间的通信系统。系统可包括具有近地轨道、中地轨道和地球同步轨道的卫星。

图1图解说明了根据本发明的优选实施例的卫星通信系统的高度简化方框图。在优选实施例中，卫星通信系统100包括至少一个第一通信卫星110，至少一个第二通信卫星120，至少一个用户设备(SU)130，以及至少一个地面站140。

为了清楚起见，图1图解说明了一个第一通信卫星110，一个第二通信卫星120，一个SU130，及一个地面站140。这样做是为了简化本发明的说明。可使用不同数目的通信卫星、地面站和SU。虽然当使用大量的卫星时，采用本发明是有利的，不过本发明也适用于少至一个卫星的情况。

在优选实施例中，第一通信卫星110和第二通信卫星120是相同类型的卫星。在备选实施例中，第一通信卫星110和第二通信卫星120可以不同。例如，第一通信卫星110可以是近地轨道(LEO)卫星，第二通信卫星120可以是中地轨道(MEO)卫星。另外，通信卫星可以是非地球静止(Non-GEO)卫星和地球静止(GEO)卫星。

在优选实施例中，通信卫星110和120利用交叉链路115，与其它通信卫星110和120通信。最好使用许多通信卫星和交叉链路，并且每个卫星支持与其它卫星的多个交叉链路。在备选实施例中，可使用各种数目的通信卫星和交叉链路。

通信卫星110和120利用通信链路145，与地面站140通信。通信卫星110和120利用通信链路135，与SU 130通信。在备选实施例中，通信卫星110和120可利用与地面站140的弯管链路，与其它卫星110和120通信。

在优选实施例中，至少一个地面站140被用作系统控制中心，或者与一个或多个系统控制中心相连。另外，地面站140也可以是网关(GW)，或者与一个或多个网关相连，所述网关提供对至少一个地面通信网络，例如公共交换电话网络(PSTN)或其它通信设施(图1中未示出)的接入。在备选实施例中，地面站140可以是移动和固定通信设备，所述通信设备把数据传输给卫星110和120，并从卫星110和120接收数据。

在优选实施例中，第一通信卫星110包括至少一个阵列天线(图中未示出)。最好，在第一通信卫星110上，每个阵列天线可产生许多离散天线波束，如图1中112所示。波束112以许多不同的角度从卫星110投射出。波束112被用于在地球表面上形成小区114。图1中，第一通信卫星110投射在地球表面上的小区图案被图解表示为第一覆盖区116。

在优选实施例中，第二通信卫星120包括至少一个阵列天线(图中未示出)。最好，在第二通信卫星120上，每个阵列天线可产生许多离散天线波束，如图1中122所示。波束122以许多不同的角度从卫星120投射出。波束122被用于在地球表面上形成小区124。图1中，第二通信卫星120投射在地球表面上的小区图案被图解表示为第二覆盖区126。

在优选实施例中，第一覆盖区116和第二覆盖区126在第一时段内，包含相同数目的小区，在第二时段内，包含不同数目的小区。为了方便起见，图1把小区114和124图解表示为分离的圆形形状。但是，本领域的技术人员要理解由卫星投射出的波束产生的小区可具有不同于圆形的形状。

图1中，图解说明了许多重叠区域160。在优选实施例中，在蜂窝级控制并优化重叠区160。在备选实施例中，利用单个天线上的一个或多个天线，可形成一个重叠区。在越区切换过程中，SU 130最好驻留在某一重叠区中。另外，重叠区域可包括两个或多个小区的多个部分。

图1中，单个覆盖区域是覆盖区内的区域，在所述覆盖区内，SU只可看到一个波束。最好，既在单个覆盖区域内，又在重叠区域内，优化功率效率和信道复用效率。

本发明适用于使用指向地球的单个波束或多个波束的通信卫星110和120，并且最好适用于沿着确定的航迹，跨越地表移动小区的卫星。在优选实施例中，航迹由与卫星相关的轨道参数所确定。本发明还适用于没有完全覆盖地球的系统。

在优选实施例中，卫星110和120通过诸如链路135之类链路，与位于其波束之一范围内的SU 130通信。可在位于彼此通信范围内的卫星和SU之间，建立用户链路135。

如图1中所示，SU 130最好是从通信卫星110接收数据，并把数据传输给通信卫星110的通信设备。例如，SU 130可以是适于与卫星110和120通信的蜂窝电话或双向寻呼设备。SU 130可位于地表上任意地方，或者位于地球大气层中的任意位置。本发明适用于改变位置的SU，以及不改变位置的SU。

在优选实施例中，诸如由链路115、135和145图解说明的通信路径包含有限的一部分电磁频谱，所述有限的一部分电磁频谱被分成多个信道。链路115、135和145可包含任何适宜的信道访问方案，例如频分多址访问(FDMA)和/或时分多址访问(TDMA)和/或码分多址访问(CDMA)通信信道或它们的组合。

在优选实施例中，卫星110和120保存波速112、122；小区114、124；及覆盖区116和126的数据记录。例如，数据记录可包括位置信息，大小信息及信道分配信息。位置信息可包括波束定心信息和和到达角信息。大小信息可包括空间信息和形状信息。信道分配信息可包括可用信道和已分配信道。在优选实施例中，至少一个地面站140也保存波束112、122；小区114、124；及覆盖区116和126的数据记录。

图2图解说明了根据本发明的实施例形成的许多航迹和覆盖区的简化视图。在地球210上图解表示了赤道290和纬度线260。最好，赤道290把地球210分成两个基本相等并且对称的部分。

在优选实施例中，纬度线260被用于确定与赤道的角距离。特定时刻的卫星位置最好包含利用从地心到卫星的假想线与地表的交点所确定的纬度分量。当卫星绕轨道飞行一周时，在该点在地表绘出的假想线可用作卫星的航迹。在备选实施例中，可使用不以纬度和经度为基础的其它坐标系。

图2还图解说明了北极270和南极280。赤道被用于确定零度纬度线。北极270代表90度纬度；南极280代表负90度的纬度。图中没有表示本领域技术人员熟知的经线。

在优选实施例中，卫星通信系统100(图1)包含近地轨道(LEO)卫星。在优选实施例中，使用66个卫星，不过也可使用更多或更少的卫星。例如，66个卫星位于六个轨道平面中，所述六个轨道平面在赤道间隔相同的距离围绕地球210。

在优选实施例中，卫星位于极地轨道中，不过这不是必需的。例如，极地轨道平面可具有90±5°的倾斜角。在备选实施例中，卫星轨道平面可在90°-70°到90°+70°之间变化。

图2还图解说明了航迹220、230和240。航迹说明卫星相对于天体表面上某一点的相对运动，所述卫星绕所述天体运行。在优选实施例中，使卫星分阶段进入它们的轨道中，从而沿航迹220、230和240，在变化的地点分布这些卫星。例如，可使卫星间距相等地进入它们的轨道。这意味着在轨道平面内，使卫星彼此间隔360°除以轨道平面中的卫星数目得到的相位值。

图2中，天线方向图222、231、2333和242被表示为呈圆形形状。在优选实施例中，天线方向图222与第一卫星相关；天线方向图231与第二卫星相关；天线方向图233与第三卫星相关；天线方向图242与第四卫星相关。在备选实施例中，多个卫星可与单个天线方向图相关，如图2中所示，并且单个卫星可与许多天线方向图相关，如图2中所示。

图2中还图解说明了天线方向图222、232、233和242的许多重叠区域。在优选实施例中，利用本发明的方法和设备优化重叠区。最好使重叠区足够大，从而SU可利用重叠区域实现从一个波束到多个波束，以及从一个卫星的天线方向图到另一卫星的天线方向图的切换。

图2中，天线方向图222和天线方向图242被图解表示成使它们的中心位于赤道上。对于本发明来说，这不是必需的。方向图222的中心可偏离方向图242的中心。另外，方向图的大小可不同于图中图解说明的。此外，天线方向图231和天线方向图233被图解表示成使它们的中心位于相同的航迹上。对于本发明来说，这不是必需的。通过利用不同轨道平面中的，具有不同航迹的卫星可形成重叠的天线方向图。

图2中，天线方向图224、234和244被表示为呈椭圆形。在优选实施例中，天线方向图224与第一卫星相关；天线方向图234与第六卫星相关；天线方向图244与第七卫星相关。图中表示了天线方向图224、234和244的许多重叠区域。

在优选实施例中，利用水平尺寸和垂直尺寸描述小区。图2中描述了例证小区235和245。对于诸如小区245之类的圆形小区，当小区位于赤道290附近时，水平尺寸246和垂直尺寸247大体相等。对于诸如小区235之类的椭圆形小区，水平尺寸236和垂直尺寸237不相等。圆形小区和椭圆形小区由卫星投射到地球表面上的不同地点。

如图2中所示，天线方向图234以如纬度线260所示的特定纬度为中心。距离265图解说明天线方向图234和赤道290的位置之间的差值。在优选实施例中，距离265是天线方向图和赤道之间的角度差的量度。最好，利用纬度度数(θ)确定该角度差。另外，诸如小区235和245之类的小区相对于纬度线260定位。

在优选实施例中，水平尺寸236和246是至少第一组纬度内的纬度的函数。当由于纬度计算的缘故，卫星不支持所需的小区变化时，最好改变小区计数，改变小区位置，改变小区大小，改变小区形状。

在备选实施例中，水平尺寸和垂直尺寸可以是纬度的函数。在其它实施例中，水平尺寸和/或垂直尺寸可以是经度的函数。例如，在具有位于倾斜轨道中的卫星的系统中，水平尺寸和垂直尺寸可以同时是纬度和经度的函数。

图3图解说明了根据本发明的优选实施例的通信卫星的简化方框图。最好，系统100(图1)内的许多或全部卫星110和120包括由图3的简化方框图图解说明的设备。卫星110和120包括主任务天线(MMA)310，天线子系统320，地面链路接收器330，交叉链路接收器340和控制器350。

MMA 310和天线子系统320确定由卫星投射的波束。另外，MMA 310和天线子系统320支持与地面用户设备，例如SU 130(图1)的链路。在优选实施例中，每个卫星包含至少一个MMA和支持许多波束，以便与许多SU通信的多信道收发器。

地面链路收发器330和相关天线(图中未示出)支持与地面通信设备，例如地面站140(图1)的链路。在优选实施例中，每个卫星支持至少一个地面链路，以便与至少一个地面站通信。另外，地面通信设备可包括网关及控制中心。

交叉链路收发器340和相关天线(图中未示出)支持与其它卫星110和120(图1)的交叉链路。在优选实施例中，每个卫星支持至少一个交叉链路，以便与同轨道平面内或相邻轨道平面内的至少一个其它卫星通信。

最好，每个卫星可同时支持许多交叉链路，许多地面链路，以及许多用户链路。

控制器350与天线子系统320、地面链路接收器330及交叉链路340耦接。可利用一个或多相处理器实现控制器350。控制器350控制交叉链路115(图1)的形成。另外，控制器350控制地面链路145(图1)的形成。

在优选实施例中，控制器350通过确定小区大小、小区位置、波束控制角、卫星位置、SU位置、覆盖区大小、重叠区域、重叠位置以及切换状态，控制波束112和122(图1)的形成。另外，控制器350被用于确定可用用户链路资源，用于确定所需的用户链路资源；以及用于确定需要用户链路的时间长短。另外，控制器350把控制信息发送给用户链路收发器，从而可在适当的时刻切换用户链路。另外，控制器350把控制信息发送给天线子系统320，从而可在适当的时刻，分配或解除分配用户链路资源。

控制器350包括用于存储数据的存储器(图中未示出)，所述数据用作控制器350的指令，并且当被控制器350执行时，使卫星实现本发明方法的特殊方面，这将在下面详细说明。另外，控制器350最好包括在卫星工作过程中处理的变量，表格，列表及数据库。

在备选实施例中，卫星可包括GPS接收器，所述GPS接收器可用于确定卫星的地理位置。例如，GPS接收器可提供更准确的位置信息。在备选实施例中，用户设备和地面站也可包含GPS装置。

在优选实施例中，控制器350用于存储与由特定卫星投射的小区的位置，以及与由相邻卫星投射的小区的位置相关的数据。例如，当卫星决定使用特殊模式的小区时，该信息被存储在所述卫星中，并被发送给和存储在其它相邻卫星中。于是，如果特定卫星上的某一波束失效时，该信息可被发送给相邻的卫星，所述相邻卫星可使用该信息修改它们的小区模式，从而降低失效的影响。

为了更清楚、更容易地理解本发明，图3图解说明了一个MMA 310、一个天线子系统320、一个地面链路收发器330、一个交叉链路收发器340、以及一个控制器350。在备选实施例中，可使用这些组件中的几个组件。

天线子系统320把接收的信号处理成数字数据。另外，天线子系统320把从控制器350获得的数字数据处理成发射信号。

控制器350控制并管理用户接口、消息接收和传输、信道建立、无线电调谐、频率和时隙分配、以及其它用户设备通信和控制功能。最好，控制器350执行下面例证并在相关文本中描述的程序。

在备选实施例中，地面网络控制器(图中未示出)与多个卫星通信，以便优化系统小区模式。在该实施例中，网络控制器根据所有卫星的当前状态，修改小区模式。例如，如果特定卫星出现硬件故障或者电力不足，则该卫星的覆盖区域被减少，相邻卫星的覆盖区域被增大。

图4图解说明了优化根据本发明的优选实施例实现的卫星通信系统中系统性能的方法的流程图。程序400开始于步骤402。在步骤402中，可确定位置信息的当前值和准确度。为了优化并维持系统性能，在卫星通信系统中，当前及准确的位置信息是重要的。

在步骤404中，识别特定卫星上的某一波束，并且使计数变量(N)与该波束相关。在优选实施例中，波束被单独处理。在备选实施例中，可检查成组的波束，可确定各组及各组内的小区的计数变量。在其它实施例中，波束形成可以取决于卫星位置的列表和表格为基础。

在步骤406中，确定卫星的位置。在优选实施例中，卫星可利用内部导航信息或者从通信系统接收的信息，确定其位置。在备选实施例中，卫星可从机载GPS接收器获得位置信息。位置信息被用于确定卫星相对于赤道的位置。

另外，确定卫星相对于纬度线的位置，这里纬度线被用于确定到赤道的角距离。最好，利用从地心到卫星的假想线与地球表面的交点所确定的纬度的形式，给出卫星的位置。当卫星位于赤道以北或者赤道上方时，最好利用正度数确定卫星的位置。当卫星位于赤道以南或者赤道下方时，利用负度数确定卫星的位置。

在步骤408中，根据卫星的当前纬度，询问是否需要修改特定波束。在备选实施例中，卫星的当前经度，卫星相对于其相邻卫星的当前负载，卫星及其相邻卫星的当前状态也可用于确定是否需要修改某一波束。当需要修改该特定波束时，程序400转到步骤410。当不需要修改该特定波束时，程序400转到步骤430。

在步骤410中，询问是否需要修改小区大小。当不需要修改小区大小时，程序400转到步骤412。当需要修改小区大小时，程序400转到步骤420。

在优选实施例中，在三维空间中确定波束控制角(BSA)，并确定方位角和仰角。从卫星到地心形成第一条直线。该直线与任意平面的交点代表卫星航迹上的一点。当卫星绕地球飞行时，该交点绕地球移动，从而产生称为航迹的假想线。从卫星到所检查小区的中心形成第二条直线。这两条直线确定一个二维平面。这二条直线在卫星处相交，并且所述二维平面中，这两条直线所形成的角度被定义为波束控制角。

在备选实施例中，可在二维空间中计算波束控制角。在其它实施例中，不必利用小区中心确定波束控制角。例如，可使用圆周上的一点。

在步骤412中，改变波束控制角。在优选实施例中，通过修改与天线阵列和天线子系统相关的一组电学参数，改变波束控制角。在备选实施例中，可改变和天线相关的一个或多个机械性质。在其它实施例中，可修改电学性质及机械性质。程序400继续进行到步骤430。

在步骤420中，询问是否需要改变波束控制角。当不需要改变波速控制角时，程序400转到步骤422。当需要改变波束控制角时，程序400转到步骤424。

在步骤422中，改变小区大小。在优选实施例中，通过修改天线增益改变小区大小。程序400继续进行到步骤430。

在步骤424中，改变小区大小和波束控制角。在优选实施例中，通过修改天线增益改变小区大小。程序400继续进行到步骤430。

在步骤430中，使波束计数器加1(N＝N+1)。

在步骤432中，询问是否需要处理其它波束。当需要处理其它波束时，程序400转到步骤404，并且如图4中所示循环。当不需要处理其它波束时，程序400转到步骤434并结束。

本领域的技术人员将认识到不必按照上面列举的顺序执行上述步骤。对于本发明的本质来说，该顺序并不重要。本领域的技术人员还将认识到某些卫星在不同的时间执行不同的任务。

另外，本领域的技术人员将认识到地面控制器可用于执行上面描述的某些或全部步骤。地面控制器可把信息提供给卫星，并且从卫星获得信息。例如，控制器可从卫星获得卫星性能参数，并把波束控制角和小区大小信息提供给一个或多个卫星。

为了使星座(constellation)容量和覆盖率达到最大，以纬度函数的形式，改变与主任务天线(MMA)相关的天线方向图。在备选实施例中，经度、系统负载、以及卫星和相邻卫星的状态也可用于改变天线方向图。最好，确定卫星覆盖区，以便完全覆盖赤道。在更高的纬度，降低卫星覆盖区，以便节能。降低卫星覆盖区还可降低指定MMA孔径的波束(小区)的大小，从而增大波束增益，功率效率及频谱效率。通过封闭波束来降低卫星覆盖区的系统不便于优化频谱效率。在备选实施例中，还改变卫星覆盖区，以便在卫星间更均匀地分配通信负载，从而增大总的系统容量。在备选实施例中，可改变卫星覆盖区，以便恢复由出故障或局部出故障的卫星所服务区域内的覆盖率，从而提高系统的容错性及可靠性。

在优选实施例中，通过允许显著降低功率，改善频谱效率，提高容量及提高容错性，波束形成被用于优化系统性能。

当卫星从赤道移动到较高的纬度时，绕地球提供完全覆盖所需的区域减少。在优选实施例中，采用了一种通过提高受损内波束的增益，降低该区域的算法。天线增益的增大导致该天线覆盖区域的减少。另外，当卫星在低纬度下移向赤道时，绕地球提供完全覆盖所需的区域增大。

图5图解说明了根据本发明的优选实施例的，与卫星相关的例证天线方向图。在该例子中，天线方向图500被表示为小区505的图案，所述小区505可被分成如由510、520、530及540所示的环状图案。

在系统设计阶段中初始化与卫星的MMA相关的波束方向图，并在运行阶段中优化与卫星的MMA相关的波束方向图。在优选实施例中，根据卫星的纬度位置优化波束方向图。卫星的覆盖区被降低，以便保存功率并增大频谱效率。在备选实施例中，根据经度位置、系统负载和负载均匀性，以及卫星及其相邻卫星的状态，优化波束方向图。

星座中的卫星被相互布置成使得在指定的时间内，一定数量的地表面积被覆盖。在某些情况下，始终覆盖全球。在其它情况下，提供局部覆盖。

在优选实施例中，形成N个轨道平面，在每个轨道平面中放置M个卫星。通过把地球圆周分成2*N段，确定每个圆形天线覆盖区的最佳直径。通常，该直径被用于确定完全覆盖赤道所需的小区的最大数目。当在赤道使用无重叠的圆形小区时，小区中心间的距离等于小区直径。当使用具有重叠区域的圆形小区时，则小区中心之间的距离小于小区直径。

例如，考虑图5中所示的情况，图5中，在赤道处，天线方向图500比8个小区的宽度稍小。如果使用6个轨道平面，并且假定地球周长为2*П*6378公里(km)，则每个小区的直径约为2*П*6378/(12*8)＝517km。

当天线方向图中的小区的大小基本相同时，由该特定天线产生的小区图案中的外波束(小区)具有与它们相关的最大增益。最好，内波束的增益被降低(损坏)，以便为每个小区提供基本相同的覆盖区域(大小)。对于指定数目的波束(小区)，这种方法使赤道处的由功率效率和频谱效率量度的性能达到最大。

当天线方向图被看作是一系列的4个小区环时，如图5中所示，则通过利用作为小区子集的环实现小区大小的改变，以及波束控制角的改变。

例如，当内环510中的波束使它们的增益增大时，则它们的小区大小及相关覆盖区域被减少。另外，与环510内的小区相关的波束控制角被改变。内环510中的小区的大小最好基本相同，不过对于本发明来说，并不要求必须如此。

当对内环中的小区做出改变时，调节下一环520中的小区的大小和/或位置，以补偿覆盖区域的变化。通过改变相关的波束控制角，改变小区位置。通常，如同程序400中所述一样，根据卫星的当前位置确定影响何时改变小区大小和何时改变波束控制角的决定。当与内环中的小区相关的覆盖区域被减小时，减小与环520中的小区相关的波束控制角，从而使环520中的小区更接近于中心，并且减小环520中的小区大小。

另外，当改变环510和环520中的小区时，调节环530中的小区的大小和/或位置，以便补偿覆盖区域的变化。当减小与内环中的小区相关的覆盖区域时，修改与环530中的小区相关的波束控制角，使环530中的小区更接近于中心，并且减小环530中的小区大小。

最后，当改变环510、环520和环530中的小区时，调节环540中的小区的大小和/或位置，以补偿覆盖区域的变化。当与内环中的小区相关的覆盖区域被减小时，修改与环540中的小区相关的波束控制角，使环540中的小区更接近于中心，并且减小环540中的小区大小。

在其它实施例中，天线方向图可被看作若干行小区。在这些实施例中，利用作为小区子集的各行实现小区大小的改变和波束控制角的改变。最好首先修改第一行中的小区，因为这些小区位于天线方向图的前沿。

在备选实施例中，可预先计算小区大小和波束控制角信息，并将其存储在表格中。例如，可以卫星纬度的函数的形式，访问预先计算的表格。通常，波束形成计算较为复杂，并且需要很多的计算资源。表格驱动的系统可减少卫星上的计算负载。这可减少大小，重量及功率。

在其它实施例中，小区大小和波束控制角可以同时依赖于纬度和经度。例如，可根据纬度和经度确定卫星位置；可根据纬度和经度确定小区位置；可根据纬度和经度确定小区大小；并且波束控制角可以纬度和经度为基础。

在另外的实施例中，表格可用于存储非均匀小区的大小，所述小区大小以纬度和用户密度为基础。例如，在市区中，用户密度较高，可使用较小的小区覆盖市区。

在另外的实施例中，小区大小和波束控制角可依赖于卫星及其相邻卫星的状态。例如，如果某一卫星局部出现故障，其覆盖区域会减小，而其相邻的无故障卫星的覆盖区域会增大，保持系统的总覆盖范围不变。

在优选实施例中，卫星在极地轨道中绕地球飞行。对于极地轨道中的卫星来说，可用椭圆形近似卫星覆盖区。确定椭圆形的面积的方法众所周知(例如，面积＝П*a*b，这里“a”是长轴，“b”是短轴)。

在赤道处，长轴和短轴相同，并且覆盖区变成圆形。在优选实施例中，椭圆形的短轴随着卫星纬度的增大而减小。短轴由下式确定：

b＝a*cos(θ)，    θ≤θ₀

b＝b₀，          θ＞θ₀

这里θ是纬度，b₀由天线孔径将支持的最小波束宽度确定，并被假定为远远小于地球的周长。对于θ＞θ₀来说，获得最大的可实现增益(即，b₀＝a*cos(θ₀))。利用这些假设的情况下，覆盖区的面积则为：

A(θ)＝П*a*a*cos(θ)，    θ≤θ₀

A(θ)＝П*a*b₀，          θ＞θ₀

如果假定每个波束的面积相同，并且随着纬度的增大(最高可达θ＝θ₀)，在卫星覆盖区内，每个波束的面积被减小，则功率效率方面的增加由下式给出：

ΔP_eff(θ)＝A₀/A(θ)＝1/cos(θ)，θ≤θ₀

ΔP_eff(θ)＝a/b₀，               θ＞θ₀

如果卫星轨道被倾斜，使得覆盖区的大小随着纬度的增大而均匀地减小，则长轴和短轴都是纬度的函数。在该实施例中，在MMA孔径所允许的限度内，每个波束的大小被均匀减小。随着纬度的增大，这既增大了功率效率又增大了频谱效率。这种情况下，总的卫星覆盖区面积由下式给出：

A(θ)＝П*a*cos(θ)*a*cos(θ)，              θ≤θ₀

A(θ)＝П*b₀*b₀，                          θ＞θ₀

随着纬度的增大，功率效率方面的增大由下式给出：

ΔP_eff(θ)＝A₀/A(θ)＝1/[cos(θ)*cos(θ)]，  θ≤θ₀

ΔP_eff(θ)＝(a/b₀*a/b₀)，                   θ＞θ₀

当椭圆形的长轴和短轴都是纬度的函数时，功率效率方面的增大是当只有短轴是纬度函数时所获得的功率效率增大的平方。例如，当卫星在极地轨道中时，短轴是纬度的函数，当卫星在非极地(倾斜)轨道中时，短轴和长轴都是纬度的函数。

当椭圆形的长轴和短轴都是纬度的函数时，则波束覆盖区大小可被均匀减小，并且可实现频谱效率方面的相应增大。通过利用每个区域的波束数目，确定频谱效率。就这种方法来说，波束数目是固定的，并且覆盖区面积被减小。于是，频谱效率方面的增大也由下式给出：

ΔS_eff(θ)＝A₀/A(θ)＝1/[cos(θ)*cos(θ)]，θ≤θ₀

ΔS_eff(θ)＝(a/b₀*a/b₀)，                 θ＞θ₀

于是，对于功率有限和/或频谱有限的系统，实现了相应的容量增大。

本发明的方法和设备提供了一种在卫星通信系统中，根据纬度优化波束形状的手段。这种手段克服了与封闭波束，减小通信系统中的覆盖区域相关的问题。虽然上面已关于具体设备说明了本发明的原理，但是要明白上述说明只是对本发明的举例说明，而不是对本发明范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于增大卫星通信系统的系统容量的方法，所述卫星系统包含多个通信卫星，其中卫星包括用于提供多个波束的阵列天线和波束形成器，所述方法包括下述步骤：

确定所述卫星的位置，通过利用纬度确定所述位置，所述纬度是利用度数量度的距离赤道的角距离；

根据所述位置，形成所述多个波束；

识别所述多个波束中的第一波束；

根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束；

确定对于所述第一波束，是否需要修改小区大小；和

修改小区直径，实现所述小区大小修改。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括下述步骤：

利用经度确定卫星的所述位置，所述经度是在所述赤道利用度数确定的角距离。

3.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束的步骤还包括下述步骤：

确定对于所述第一波束，是否需要修改波束控制角；和

修改小区中心之间的距离，以实现所述波束控制角修改。

4.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束的步骤还包括下述步骤：

确定对于所述第一波束，是否需要修改小区大小；和

修改小区的短轴，以实现所述小区大小修改。

5.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束的步骤还包括下述步骤：

确定对于所述第一波束，是否需要修改波束控制角；和

修改小区焦点之间的距离，以实现所述波束控制角修改

6.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束的步骤还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第二波束；和

根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第二波束。

7.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束的步骤还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第二波束；

识别与所述第二波束相关的第二小区的位置；

根据所述卫星的位置和所述第二小区的位置，确定是否需要修改所述第二波束。

8.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束的步骤还包括下述步骤：

识别和所述第一波束相关的第一小区的位置；和

根据所述卫星的位置和所述第一小区的位置，确定是否需要修改所述第一波束。

9.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述卫星的位置，确定是否需要修改所述第一波束的步骤还包括下述步骤：

识别与所述第一波束相关的第一小区的位置；和

根据所述卫星的位置，以及所述卫星的所述位置的时刻，确定是否需要修改所述第一波束。

10.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束的步骤还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第一组波束；和

根据所述卫星的所述位置，确定是否需要修改所述第一组波束。

11.按照权利要求1所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束的步骤还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第一组波束；

识别与所述第一组波束相关的第一组小区的位置；和

根据所述卫星的位置，以及所述第一组小区的位置，确定是否需要修改所述第一组波束。

12.按照权利要求11所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束的步骤还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第二组波束：

识别与所述第二组波束相关的第二组小区的位置；和

根据所述卫星的位置，以及所述第二组小区的位置，确定是否需要修改所述第二组波束。

13.按照权利要求12所述的方法，其中利用存储在所述卫星中的表格，识别所述第一组波束和所述第二组波束。

14.按照权利要求12所述的方法，其中利用多组环状小区，识别所述第一组波束和所述第二组波束。

15.按照权利要求12所述的方法，其中利用多行小区，识别所述第一组波束和所述第二组波束。

16.按照权利要求11所述的方法，其中根据所述卫星的位置，以及所述第一组小区的位置，确定是否需要修改所述第一组波束还包括下述步骤：

确定对于所述第一组小区，是否需要修改小区大小；

修改小区直径，以实现所述小区大小修改；

确定对于所述第一组波束，是否需要修改波束控制角；

修改小区中心之间的距离，以实现所述波束控制角修改。

17.按照权利要求11所述的方法，其中根据所述卫星的位置，以及所述第一组小区的位置，确定是否需要修改所述第一组波束还包括下述步骤：

确定对于所述第一组小区，是否需要修改小区大小；

修改小区的短轴，以实现所述小区大小修改；

确定对于所述第一组波束，是否需要修改波束控制角；和

修改小区焦点之间的距离，以实现所述波束控制角修改。

18.按照权利要求11所述的方法，其中根据所述位置，形成所述多个波束还包括下述步骤：

识别所述多个波束中的第二组波束；

识别与所述第二组波束相关的第二组小区的位置；和

根据所述卫星的位置，以及所述第一组波束的工作状态，确定是否需要修改所述第二组波束。

19.一种在通信系统中执行基于位置的波束形成进程的卫星，所述通信系统具有多个用户设备以及多个通信卫星，所述卫星包括：

形成多个波束的主任务天线，所述波束提供与至少一个所述用户设备的通信链路；

与所述主任务天线耦接的天线于系统；

提供与地面通信设备的链路的地面链路收发器；

提供与其它卫星的交叉链路的交叉链路收发器；

与所述天线于系统、所述地面链路收发器以及所述交叉链路收发器耦接的控制器，所述控制器用于确定所述卫星的纬度位置，处理所述多个波束，并且利用所述纬度位置，确定小区大小及波束控制角；

修改小区直径的装置，所述修改装置与所述控制器以及所述主任务天线耦接；和

与所述控制器以及所述主任务耦接的、用于修改波束控制角的装置。

20.按照权利要求19所述的卫星，其中所述卫星还包括：

修改一组小区的小区大小的装置；和

修改所述小区组的波束控制角的装置。

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