CN109039413B - 一种应用于临空通信的3d柔性覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，属于临空通信领域。该方法首先由某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；然后针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；最后根据夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益。本发明对硬件要求较低，具有较低的计算复杂度，快速实现波束成形，实现了单个射频下波束同时覆盖地面任意区域。

Description

一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法

技术领域

本发明属于临空通信领域，具体是指一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法。

背景技术

通信行业在现代社会发展中发挥着越来越重要的作用，随着工业社会的发展，对通信技术有了更高的要求，包括高速率、高覆盖、低延时以及低能耗等诸多需求。目前星基通信和地基通信是世界上两种主要通信系统，但是仍然越来越难以满足日益增长的通信需求。

星基通信有着较大的覆盖范围，但面临着成本较高，传播损耗大和传播延时高等问题；而地基通信无法实现偏远地区，例如远海和沙漠地区的覆盖，并且地面基站易受自然灾害的影响而瘫痪。

近年来，临近空间通信(Near Space Communication,NSC)受到了越来越广泛的关注，成为解决以上问题的有效手段。临近空间(Near space)通常是指20-100km的高空，包括大部分平流层、全部中间层和一部分电离层。利用临近空间飞行器进行通信，可以有效补充和完善现有的通信系统，是实现星基通信与地基通信连通的重要手段。与卫星通信相比，临空通信的传播延时更短，对发射器功率要求更低，并且其机动灵活，可以满足短期拥挤地区的通信需求，自然灾害情况下的应急通信服务，以及偏远地区的通信覆盖，实现快速部署，迅速建立应急通信网络。与地面通信系统相比，临空通信不易受自然灾害的影响，针对业务需求灵活地覆盖相应地区，尤其是山区、海洋以及沙漠等无法建立地面基站的偏远地区。在通信需求与日俱增的今天，临空通信受到世界各国越来越高的重视。

传统的通信系统中，通常在微波波段进行通信，但由于带宽限制，微波通信已无法满足未来高速率的通信需求，而毫米波通信以其良好的性质和前景受到了越来越广泛的关注和研究。毫米波30GHz-300GHz的频域带宽能够提供丰富的可利用的频谱资源；同时，毫米级的波长可以大大减小元器件的尺寸，从而实现在飞行器上搭载大规模相控天线阵列进行定向通信，这样大规模阵列天线形成的巨大波束增益能够有效抵抗信号的传播衰减。

在临空通信中，往往会出现特定区域大面积的通信需求，然而传统的波束赋形方法中，单个射频下的阵列天线只能形成一个较窄的波束，随着天线数量的增加，波束宽度会随之减小，这就限制了空间波束的覆盖范围，导致波束范围之外的通信质量无法得到保障。

发明内容

针对上述问题，本发明利用单射频下的平面阵列天线进行波束赋形，具体是一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，能够实现任意形状大小区域的波束柔性覆盖。

具体步骤如下：

步骤一、某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，所有天线共用一个射频；

基站将射频信号经相位转换器和功率放大器，由阵列天线发射出去。阵列天线的功率放大器具有相同的缩放比例，即各天线的权系数模长相等。

步骤二、在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；

波束指向向量为：

a(θ,φ,M,N)＝[1,L,e^{jπsin(θ)[(m-1)cos(φ)+(n-1)sin(φ)]},L,e^{jπsin(θ)[(M-1)cos(φ)+(N-1)sin(φ)]}]

其中俯仰角θ表示波束方向与面阵天线法向量的夹角，方位角φ表示波束方向在面阵天线上的投影与x轴的夹角；m,n分别表示天线所处的位置坐标。

将波束指向向量分解变形为：

其中，cos(u)＝sin(θ)cos(φ),cos(v)＝sin(θ)sin(φ)；

u为波束与x轴正方向的夹角，v为波束与y轴正方向的夹角。

步骤三、针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；

首先，针对目标区域边界上的某点坐标(a,b)，该点对应波束方向与阵列天线x,y轴的夹角分别为

h为无人机高度。

然后，通过对目标区域D边界点遍历搜索，得到各个点对应夹角的取值范围；

夹角的取值范围为：

u_min为所有边界点中夹角u的最小值；u_max为所有边界点中夹角u的最大值，v_min为所有边界点中夹角v的最小值；v_max为所有边界点中夹角v的最大值。

步骤四、针对夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益。

具体步骤如下：

步骤401、将x轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为：Δ_x＝cos(u_min)-cos(u_max)；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得x轴方向子阵列个数。

关系满足不等式方程：

此时M_x为x轴方向每个子阵列天线数，x轴方向子阵列个数为

步骤402、根据x轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数v_x[m]；

波束中心为：

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：

步骤403、将y轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为Δ_y＝cos(v_min)-cos(v_max)；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得y轴方向子阵列个数。

关系满足不等式方程：

此时N_y为y轴方向每个子阵列天线数，y轴方向子阵列个数为

步骤404、根据y轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数v_y[n]；

波束中心为

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：

步骤405、针对x轴和y轴上每个天线的权系数v_x[m]和v_y[n]，将两个方向的波束叠加得到天线权系数矩阵v[m,n]；

v[m,n]＝v_x[m]×v_y[n]

步骤406、对天线权系数矩阵v[m,n]向量化得到最终波束赋形向量w即可形成覆盖该区域的最小包络；

w＝vec(v)

本发明的优点与积极效果在于：

(1)一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，针对空地链路，实现了单个射频下波束同时覆盖地面任意区域；

(2)一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，对硬件要求较低，一组平面阵列天线共享同一个射频，通过调节天线的相位就可以实现模拟波束成形；

(3)一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，具有较低的计算复杂度，可以快速实现波束成形。

附图说明

图1是本发明实现宽波束覆盖的效果示意图；

图2是本发明一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法流程图；

图3是本发明方法中平面阵列天线坐标系及空间角度示意图；

图4是本发明方法得到的u,v坐标系下波束增益示意图(区域1)；

图5是本发明方法得到的目标区域与实际波束覆盖区域示意图(区域1)；

图6是本发明方法得到的u,v坐标系下波束增益示意图(区域2)；

图7是本发明方法得到的目标区域与实际波束覆盖区域示意图(区域2)。

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

本发明是一种在空地链路中，搭载毫米波平面阵列天线的飞行器，在给定地面任意区域坐标范围后，如图1所示，为满足该区域的通信或监视需要，为阵列天线设计合理的波束赋形向量w，即各天线的权系数向量，形成覆盖该区域的波束包络，使得该区域都处在较高阵列增益的范围内。通过模拟波束赋形实现特定区域的波束柔性覆盖；

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，所有天线共用一个射频；

基站将射频信号经相位转换器和功率放大器，由阵列天线发射出去。通常情况下，为了降低硬件复杂度，阵列天线的功率放大器具有相同的缩放比例，即各天线的权系数模长相等。只可以通过调整天线权系数的相位来实现波束赋形。

步骤二、在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；

在三维空间中，波束的空间方位通常由俯仰角θ和方位角φ描述，如图3所示，俯仰角θ表示波束方向与面阵天线法向量的夹角，方位角φ表示波束方向在面阵天线上的投影与x轴的夹角；波束指向向量为：

a(θ,φ,M,N)＝[1,L,e^{jπsin(θ)[(m-1)cos(φ)+(n-1)sin(φ)]},L,e^{jπsin(θ)[(M-1)cos(φ)+(N-1)sin(φ)]}]

其中m,n分别表示天线所处的位置坐标。通常情况下，如果将波束赋形向量w取上式的指向向量，那么得到的空间波束俯仰角为θ，方位角为φ，但是所得波束宽度是固定的，无法形成更宽的波束来满足更大范围的通信和监视需要，为了解决这个问题，首先将波束指向向量分解，得到其等价形式：

其中，cos(u)＝sin(θ)cos(φ),cos(v)＝sin(θ)sin(φ)；

u的几何意义为波束与x轴正方向的夹角，v的几何意义为波束与y轴正方向的夹角。

通过对平面阵列天线指向向量的分解，可以将原本耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x,y两个方向上天线权系数的解耦，这样一维直线阵列天线的结论可以直接应用到面阵天线当中。

步骤三、针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；

首先，针对目标区域边界上的某点坐标(a,b)，该点对应波束方向与阵列天线x,y轴的夹角分别为

h为无人机高度。

然后，通过对目标区域D边界点遍历搜索，得到该区域各个点对应u,v的取值范围；

夹角的取值范围为：

u_min为所有边界点中夹角u的最小值；u_max为所有边界点中夹角u的最大值，v_min为所有边界点中夹角v的最小值；v_max为所有边界点中夹角v的最大值。

步骤四、针对夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益。

在直线阵列天线中，二维空间的波束宽度为

为了实现更宽的波束覆盖，文献1：肖振宇，贺同，夏鹏飞，夏香根，“毫米波通信中波束赋形训练层次码本设计方法”，提出了将直线天线阵列分为若干子阵列，通过子阵列波束叠加能够实现波束宽度成倍的增加，本发明的面阵天线在x,y方向都采用这种方法，通过子阵列波束叠加得到x,y方向上任意宽度的波束，与文献1不同的是，本发明的目标波束宽度是可以任意设置的，并且推广到了平面阵列天线。

具体步骤如下：

步骤401、将x轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为：Δ_x＝cos(u_min)-cos(u_max)；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得x轴方向子阵列个数。

关系满足不等式方程：

M_x为x轴方向每个子阵列天线数，x轴方向子阵列个数为

步骤402、根据x轴方向子阵列的个数和波束中心，将x轴方向子阵列波束叠加得到每个天线的权系数v_x[m]；

波束中心为：

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的天线权系数都取0，按照此规则得到每个天线的权系数分别为：

步骤403、将y轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为Δ_y＝cos(v_min)-cos(v_max)；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得y轴方向子阵列个数。

关系满足不等式方程：

此时N_y为y轴方向每个子阵列天线数，y轴方向子阵列个数为

步骤404、根据y轴方向子阵列的个数和波束中心，将y轴方向子阵列波束叠加得到每个天线的权系数v_y[n]；

波束中心为

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的天线权系数都取0，按照此规则得到每个天线的权系数分别为：

步骤405、针对x轴和y轴上每个天线的权系数v_x[m]和v_y[n]，将两个方向的波束叠加得到天线权系数矩阵v[m,n]；

由于x,y方向的波束不存在耦合，因此可直接将二者叠加得到天线权系数矩阵为：

v[m,n]＝v_x[m]×v_y[n]

步骤406、对天线权系数矩阵v[m,n]向量化得到最终波束赋形向量w即可形成覆盖该区域的最小包络；

w＝vec(v)

实施例：

本发明选用阵列天线规模为64×64，在设定目标区域为[-5000,5000]×[-5000,5000]情况下，根据本方法得到的u,v坐标系波束赋形效果图如图4所示，可以看到波束增益主要集中在[u_min,u_max]×[v_min,v_max]范围内；目标区域范围与实际波束覆盖范围的对比图如图5所示，可以看到当飞行器在覆盖区域中心正上方时，得到实际覆盖区域为规则的矩形，目标区域全部在波束覆盖范围内。

在设定目标区域为[15000,25000]×[15000,25000]情况下，根据本方法得到的u,v坐标系波束赋形效果图，如图6所示，同样可以看到波束增益主要集中在[u_min,u_max]×[v_min,v_max]范围内；目标区域范围与实际波束覆盖范围的对比图，如图7所示，可以看到当飞行器在覆盖区域斜上方时，得到实际覆盖区域相较于图5有一定形变，并且相同面积情况下图7波束增益比图5波束增益更高。这是由地面与飞行器相对位置几何关系决定的，目标区域离中心点越远，空间角度变化越缓慢，而相同面积的区域对应的角度范围就更小，能获得更高的波束增益和更大的包络范围。

Claims (3)

1.一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、某无人机搭载M×N个半波长的均匀平面阵列天线，所有天线共用一个射频；

步骤二、在三维空间中，对平面阵列天线的波束指向向量进行分解，将耦合的俯仰角与方位角变换为u,v两个角，实现x轴和y轴两个方向上天线权系数的解耦；

波束指向向量为：

a(θ,φ,M,N)＝[1,…,e^{jπsin(θ)[(m-1)cos(φ)+(n-1)sin(φ)]},…,e^{jπsin(θ)[(M-1)cos(φ)+(N-1)sin(φ)]}]

其中俯仰角θ表示波束方向与面阵天线法向量的夹角，方位角φ表示波束方向在面阵天线上的投影与x轴的夹角；m,n分别表示天线所处的位置坐标；

将波束指向向量分解变形为：

其中，cos(u)＝sin(θ)cos(φ),cos(v)＝sin(θ)sin(φ)；

u为波束与x轴正方向的夹角，v为波束与y轴正方向的夹角；

步骤三、针对空地链路中给定任意大小形状的目标区域D，计算各边界点对应波束方向与阵列天线x轴和y轴两个正方向上的夹角范围；

步骤四、针对夹角范围，计算能够覆盖该夹角范围的波束包络，目标区域D内各点均获得较高的阵列增益；

具体步骤如下：

步骤401、将x轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为：Δ_x＝cos(u_min)-cos(u_max)；

u_min为所有边界点中夹角u的最小值；u_max为所有边界点中夹角u的最大值；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得x轴方向子阵列个数；

关系满足不等式方程：

此时M_x为x轴方向每个子阵列天线数，x轴方向子阵列个数为

步骤402、根据x轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数v_x[m]；

波束中心为：

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：

步骤403、将y轴方向的阵列划分为若干子阵列，并计算满足目标波束宽度的子阵列个数；

目标波束宽度为Δ_y＝cos(v_min)-cos(v_max)；

v_min为所有边界点中夹角v的最小值；v_max为所有边界点中夹角v的最大值；

根据每个子阵列的波束宽度和子阵列的个数与目标波束宽度的关系，求得y轴方向子阵列个数；

关系满足不等式方程：

此时N_y为y轴方向每个子阵列天线数，y轴方向子阵列个数为

步骤404、根据y轴方向子阵列的个数和波束中心，得到每个天线的权系数v_y[n]；

波束中心为

第p个子阵列指向角度为：

其余子阵列的的天线权系数都取0，得到每个天线的权系数分别为：

步骤405、针对x轴和y轴上每个天线的权系数v_x[m]和v_y[n]，将两个方向的波束叠加得到天线权系数矩阵v[m,n]；

v[m,n]＝v_x[m]×v_y[n]

步骤406、对天线权系数矩阵v[m,n]向量化得到最终波束赋形向量w即可形成覆盖该区域的最小包络；

w＝vec(v[m,n])。

2.如权利要求1所述的一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，其特征在于，所述的阵列天线发射出经过相位转换器和功率放大器的射频信号，阵列天线的功率放大器具有相同的缩放比例，各天线的权系数模长相等。

3.如权利要求1所述的一种应用于临空通信的3D柔性覆盖方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

首先，针对目标区域边界上的某点坐标(a,b)，该点对应波束方向与阵列天线x,y轴的夹角分别为

h为无人机高度；

然后，通过对目标区域D边界点遍历搜索，得到各个点对应夹角的取值范围；

夹角的取值范围为：

u_min为所有边界点中夹角u的最小值；u_max为所有边界点中夹角u的最大值，v_min为所有边界点中夹角v的最小值；v_max为所有边界点中夹角v的最大值。

Images