CN109245802A - 合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法 - Google Patents

合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种用于产生追踪移动用户的波束的多波束卫星天线波束成形网络装置及波束成形方法，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块；可编程开关阵列：包括多个横行、多个纵列、位于横行与纵列交叉点上的开关，通过闭合开关连通阵列中的横行与对应纵列；本发明能够实现卫星多波束天线各波束在系统覆盖区域内连续扫描的效果，可独立于不同通信传输体制，可解决现有固定多波束卫星系统中为实现跨波束小区服务需要进行越区切换等复杂的移动性管理问题。

Description

合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及卫星通信技术，尤其涉及一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法，用于产生追踪移动用户的波束。
背景技术
宽带/移动/高速率卫星通信是当前的研究热点和行业关注焦点。所谓宽带卫星通信系统，泛指承载和提供宽带互联网接入业务及新型宽带多媒体业务的各种高速卫星通信系统，其传输速率标准一般要求相应的用户最高数据速率能达到2Mbps或更高。广义上讲，宽带卫星通信包括宽带卫星移动通信(MSS)和宽带卫星固定通信(FSS)两种类型。事实上，宽带卫星固定通信也日益强调对用户移动性(即便是位置可变性)的支持，即所谓OTM卫星通信系统(Satellite Communications On The Move)[MilsatMagazine,“Staying OnTrack—Satellite Communications On The Move,”http://www.milsatmagazine.com/,January 2012]。宽带卫星通信系统的一个典型特点是采用多点波束卫星天线。显然，多波束天线是卫星移动通信获得较大用户容量的根本和关键。
当前宽带卫星通信系统基本上都是采用固定覆盖的多点波束实现广域通信。固定多波束天线(MBA:Multiple Beam Atenna)属于智能天线(Smart Antenna)的一种初级形式，由于结构简单、易于构建、无须复杂自适应算法的特点，非常适合卫星通信系统通过空间频率复用来提高系统容量。目前的多波束形成一般是采用多个馈源(通常是7个)合成一个波束的方式(MFB：Multiple Feeds per Beam)，[P.Gabellini,N.Gatti,“AdvancedOptimization Techniques for Satellite Multi-Beam and Reconfigurable Antennaand Payload Systems,”The 2nd European Conference on Antennas and Propagation,pp.1-6,Nov.11-16,2007]。基于固定多波束天线的卫星通信系统针对移动应用时，必须要在通信传输体制中包含有越区切换等移动性管理功能。
卫星多波束天线(MBA:Multiple Beam Antenna)在上世纪70-80年代开始发展，但形成的波束相对较大而且数目较少，初期采用单馈源单波束(SFB:Single Feed per Beam)技术，后来多采用多馈源单波束成形(MFB:Multiple Feeds per Beam)技术，与相控阵列天线相比多波束天线使用的馈源波束窄方向性强[J.Mayhan,“Area coverage adaptivenulling from geosynchronous satellites:Phased arrays versus multiple-beamantennas,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.34,issue.3,pp.410-419,1986]；90年代开始广泛应用于卫星移动通信系统，其中GEO卫星系统的波束可达数十甚至上百个；在宽带卫星固定通信系统中也获得了广泛应用，例如Viasat-1卫星拥有72个Ka频段点波束覆盖北美地区。近年的研究热点是地基波束成形技术(GBBF:GroundBased Beam Forming)，其特点是波束成形网络在地面实现，具有可灵活配置的优点，典型例子是2009年发射的TerreStar卫星，波束数目达500多个；欧洲航天局也针对GBBF技术展开了立项研究。多波束天线技术的其它一些研究方向还包括跳波束技术研究(BeamHopping)[J.Anzalchi,A.Couchman,P.Gabellini,G.Gallinaro,L.D'Agristina,N.Alagha,P.Angeletti,“Beam hopping in multi-beam broadband satellite systems:System simulation and performance comparison with non-hopped systems,”The 5thAdvanced satellite multimedia systems conference(asma)and the 11th signalprocessing for space communications workshop(spsc),pp.248-255,2010]，可以对波束成形相关电路进行分时共用，从而扩大覆盖范围或增加各波束内的频带资源。
自适应波束成形技术在卫星天线中的应用也是在上世纪70-80年代开始发展，早期主要研究波束数量较少时基于相控阵的扫描式波束技术(Scanning Beam)[D.O.Reudink,Y.S.Yeh,“A High-Capacity Satellite Utilizing Fixed and ScanningSpot Antenna Beams,”The 8th European Microwave Conference,pp.123-129,1978]；在多波束天线(MBA)方面的应用主要是通过自适应调零技术来消除干扰[L.J.Mason,“Adaptive nulling with a multiple-beam antenna in FH/FDMA satellitecommunications,”Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering,vol.1,pp.413-416,1993]。90年代提出通过自适应相控阵列天线(APA:Adaptive PhasedArray)进行波束成形的“单用户单波束”概念(Single User Per Beam)，主要研究的是相应的波束成形网络实现方法或自适应算法，涉及的波束数目较少[T.Gebauer,H.G.Gockler,“Channel-individual adaptive beamforming for mobile satellitecommunications,”IEEE Journal on Selected Areas in Communications,Vol.13,Issue.2,pp.439-448,1995]、[W.Li,Xinping Huang,H.Leung,“Performance evaluationof digital beamforming strategies for satellite communications,”IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems,Vol.40,Issue.1,pp.12-26,2004]；近期的主要研究方向是把地面现有成熟的大规模阵列天线自适应技术(也即相控阵技术)直接应用至卫星[13,14,15][M.Barrett,F.Coromina,“Development andimplementation of an adaptive digital beamforming network for satellitecommunication systems,”The 6th International Conference on Digital Processingof Signals in Communications,pp.10-15,1991]、[N.Kojima,S.Kitao,K.Shiramatsu,M.Yajima,M.Shimada,Y.Nakamura,“Development results of a proto flight model ofthe Ka-band active phased array antenna for WINDS”The 1st European Conferenceon Antennas and Propagation,pp.1-5,2006]、[J.Montesinos,O.Besson,C.Larue deTournemine,“Adaptive beamforming for large arrays in satellite communicationssystems with dispersed coverage,”IET Communications,Vol.5,Issue.3,pp.350-361,2011]，这些阵列天线可以是直接辐射式(DRA:Direct Radiation Antenna)，也可以是带有反射面的形式。它们的特点都天线的单元阵列较大较密，阵列单元的辐射信号之间相干性较强有利于进行相干处理，相应的主要研究仍然还是集中在自适应算法上。
基于自适应阵列的卫星天线也可以实现全域无缝覆盖，不过由于阵列天线的组成单元数目大，相应需要的功放等射频器件多，其复杂性不利于卫星星载天线的实现，尤其在基于静止轨道卫星(GEO)的大型商用系统上实用性略差。尽管自适应阵列天线也可以产生多波束覆盖，但相关研究表明在相同天线口径约束条件下与传统的多波束天线(MPA)相比性能要差[J.Mayhan,“Area coverage adaptive nulling from geosynchronoussatellites:Phased arrays versus multiple-beam antennas,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.34,issue.3,pp.410-419,1986]。
综上所述，现有多波束卫星系统基本上基于固定多波束覆盖的方式，在针对移动性应用时必须要在通信传输体制中包含有越区切换等移动性管理功能，增加系统通信体制设计的复杂性；而一些基于自适应相控阵列的卫星天线技术中，天线辐射阵列的组成单元数目大，相应需要的功放等射频器件多，其复杂性不利于商用多波束卫星星载天线系统的实现。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于产生追踪移动用户的波束的多波束卫星天线波束成形网络装置及波束成形方法，能够实现卫星多波束天线各波束在系统覆盖区域内连续扫描的效果，可独立于不同通信传输体制，可解决现有固定多波束卫星系统中为实现跨波束小区服务需要进行越区切换等复杂的移动性管理问题。
本发明的技术方案为：
一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块等，可产生用于追踪多波束卫星移动通信系统的移动目标的波束；各模块功能如下：
A)波束产生及资源分配模块：产生或撤销卫星通信系统波束阵列中的波束信号，并按照复用规则进行波束内频率、功率等资源的分配。
B)变系数波束加权网络：对波束信号实施复数乘法进行加权移相。
C)可编程开关阵列：由若干横行与纵列、以及位于横行/纵列交叉点上的开关组成，通过闭合开关可以连通阵列中的横行与对应纵列。
D)馈源信号合成网络：对来自各波束的信号进行累加，并进行必要的幅相校正以及变频，产生馈源合成信号。
E)波束移动性管理控制模块：监控管理用户的移动性，计算波束加权系数，对可编程开关阵列的开关状态进行配置。
其中，可编程开关阵列具有如下的特征：
a)横行开关的数目至少为最大可产生波束数的7倍，纵列数目为系统所采用的馈源总数；每7个横行构成一个子阵列，对应每个波束的7个加权分支。
b)不是在所有横纵交叉点处都设置开关，开关配置具有一定的开关配置图案；所有子阵列的开关配置图案是一致的。
c)子阵列中与每个纵列交叉的7个横行中只存在一个开关，子阵列中总开关数等于馈源总数。
d)开关阵列中的开关为常开开关，每个子阵列中每次最多可同时闭合7个开关。
上述可编程开关阵列中所有子阵列的开关配置图案是一致的；开关配置图案通过以下步骤进行配置得到：
1)对可编程开关子阵列中的纵列，在卫星天线上的射频馈源单元阵列(二维平面馈源阵列)中选择一个馈源与可编程开关子阵列中的一个纵列相对应，该馈源作为第1个馈源；对可编程开关子阵列中的横行，选择一个波束加权分支与之相对应；可编程开关子阵列中的纵列与相对应馈源形成一根连线，可编程开关子阵列中的横行与相对应的加权分支形成另一根连线，在这两根连线的交叉点处设置一个连接开关；并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；
具体实施时，可在二维平面馈源阵列中选择略偏中心位置的任一个馈源作为第1个馈源，然后选择波束的任一个加权分支(如第1个)，在可编程开关子阵列中它们相应的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记上对应波束加权分支序号；其中，二维平面馈源阵列是卫星天线上的射频馈源单元阵列，一般排列为二维平面形式。
2)二维平面馈源阵列中，对第1个馈源构成的第1圈馈源(有6个馈源)，按顺序分别选择波束剩余的加权分支中的唯一一个，执行与步骤1)相同的操作，分别对第1圈馈源中的每个馈源，在两根连线的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；
具体地，二维平面馈源阵列中围绕第1个馈源构成一个蜂窝簇的第1圈有6个馈源，按逆时针或顺时针方向，顺序分别选择波束的剩余6个加权分支中的一个(6个馈源顺序分别选择剩余6个加权分支中的一个，1个馈源只选择1个加权分支)；在可编程开关子阵列中相应的交叉点处分别设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将这6个馈源分别标记上对应波束加权分支序号；
3)二维平面馈源阵列中，对第1个馈源构成的第2圈馈源(至多有12个馈源)，分别对每个馈源进行加权分支选择和标定，在可编程开关子阵列中待标定馈源对应纵列和选定加权分支序号对应横行的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；
二维平面馈源阵列中第2圈最多有12个馈源，同样按照逆时针(或顺时针)方向顺序进行加权分支选择和标定，包括如下步骤：
3.1)在二维平面馈源阵列中，寻找与待定馈源可构成平行四边形图案的内层已标定加权分支序号的5个馈源；将处于长对角位置已标定加权分支序号的馈源对应的加权分支序号，作为该待定馈源的可选择连接加权分支序号；
在二维平面馈源阵列中，寻找待定馈源与内层已标定加权分支序号的5个馈源，使得待定馈源与此5个馈源构成平行四边形图案。若存在处于长对角位置已标定加权分支序号的馈源，则其对应的加权分支序号为该待定馈源的可选择连接加权分支序号；
3.2)在待定馈源的所有可选择连接加权分支序号中，按照之前馈源序号编号采用的同样的逆时针(或顺时针)方向顺序，选择最先满足与前序已标定相同加权分支序号馈源间隔至少2个馈源以上的加权分支序号，作为该待定馈源对应的加权分支序号；
3.3)在可编程开关子阵列中待定馈源对应纵列和选定加权分支序号对应横行的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记上对应波束加权分支序号；
4)对后续层圈的馈源，均按照步骤3)方法继续进行配置，直到所有馈源的开关配置完成。
本发明还提供一种利用上述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置的波束成形方法。利用上述波束成形网络装置的波束成形工作过程如下：
1.1)波束产生及资源分配模块根据卫星通信系统需求产生相应的波束，并按照相应的复用规则进行频率功率等资源的分配；
1.2)当某特定波束追踪移动用户时，波束移动性管理控制模块监控用户的移动性并在必要时产生输出指令，指示波束产生及资源分配模块进行波束合并或拆分；
2.1)波束移动性管理控制模块根据各波束的指向及覆盖区域，计算相应的波束加权系数，输出至变系数波束加权网络；
2.2)波束产生及资源分配模块生成的波束信号，引入至变系数波束加权网络分别进行复数乘法加权，每波束产生多个加权分支信号；至多会产生每波束7个加权分支信号；
3.1)波束移动性管理控制模块根据各波束所需的指向及覆盖区域，确定并指示控制相应可编程开关网络各子阵列中具体的开关闭合，至多控制7个开关闭合；
3.2)变系数波束加权网络产生的每个波束的多个加权分支信号(至多7个)，分别送至可编程开关网络中相应子阵列的多个横行(至多7个)，并通过相应的闭合开关(至多7个)连接到相应的纵列(至多7个)，最终引至蜂窝状馈源(至多7个)组成的馈源簇前端的馈源信号合成网络输入；
4)馈源信号合成网络将输入至每个馈源的所有波束加权分支信号进行累加，再进行必要幅相校正以及频率变换，最终馈送至相应馈源阵列，以辐射合成得到所需要的实际空间波束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的多波束卫星天线波束成形网络装置及波束成形方法，可在卫星覆盖区域内同时生成大数量的用于跟踪用户的移动性波束，能够实现卫星多波束天线各波束在系统覆盖区域内连续扫描的效果，可独立于不同通信传输体制，产生波束可用于追踪移动用户，可解决现有固定多波束卫星系统中为实现跨波束小区服务需要进行越区切换等复杂的移动性管理问题。
附图说明
图1是追踪波束成形网络装置的组成结构图；
其中，B1～BM是波束编号；wji是第j个波束的第i个加权因子，j＝{1,2,…,M}，i＝{1,2,…,7}；F1～FN是馈源编号，Σ1～ΣN是馈源输入各信号的累加器。
图2是可编程开关阵列中开关的结构及符号表示；
其中，(a)是受控开关的符号表示；(b)是开关的一种具体实施结构。
图3是本发明具体实施中三层二维蜂窝馈源阵列结构编号；
其中，1-37表示馈源在阵列中的序号。
图4是本发明具体实施中开关配置图案及图案在馈源阵列的映射图；
其中，(a)为一种可编程开关子阵列配置图案，其中W1-W7分别为波束的7个加权分支信号输出端，F1-F37为37个馈源输入端；(b)为开关配置图案在馈源阵列的映射图，图中馈源上标示的wi(i＝{1,2…,7})表示开关子阵列中该馈源对应的纵列能且只能与第i个波束加权分支对应的横行之间的交叉点处设置一个开关。
图5是本发明具体实施中馈源阵列配置开关序号标定过程及结果图；
其中，(a)为1号馈源的对应开关序号标定；(b)为2～7号馈源的对应开关序号标定；(c)为8～19号馈源的对应开关序号标定；(d)为20～37号馈源的对应开关序号标定。
图6是本发明具体实施中8号馈源的配置开关序号标定过程示意图；
其中，(a)是8号馈源与已标定开关序号馈源构成第1个6馈源平行四边形；(b)是8号馈源与已标定开关序号馈源构成第2个6馈源平行四边形。
图7是本发明具体实施中8号馈源配置开关序号标定结果、9号馈源配置开关序号标定过程示意图。
图8是本发明具体实施中9号馈源配置开关序号标定结果、10号馈源配置开关序号标定过程示意图；
其中，(a)是10号馈源与已标定开关序号馈源构成第1个6馈源平行四边形；(b)是10号馈源与已标定开关序号馈源构成第2个6馈源平行四边形；(c)是10号馈源与已标定开关序号馈源构成第3个6馈源平行四边形。
图9是本发明具体实施中10号馈源配置开关序号标定结果。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种在多波束卫星移动通信系统中的波束形成网络装置，包括波束产生及资源分配、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制等多个模块，可实现波束对移动用户进行跟踪覆盖。
本发明提供的追踪波束成形网络装置的组成结构如图1所示，各模块的功能及处理过程如下：
1)波束产生及资源分配模块：根据卫星通信系统需求产生相应的波束，并按照相应的复用规则进行频率功率等资源的分配。当某特定波束追踪移动用户时，波束移动性管理控制模块监控用户的移动性并在必要时产生输出指令，指示波束产生及资源分配模块进行波束合并或拆分。
2)变系数波束加权网络：其功能是对波束信号实施复数乘法进行加权移相。波束产生及资源分配模块生成的波束信号，引入至变系数波束加权网络分别进行复数乘法加权，产生每波束7个加权分支信号。具体的波束加权系数，由波束移动性管理控制模块根据各波束的指向及覆盖区域进行计算并调整。
3)可编程开关阵列：将来自变系数波束加权网络的每个波束7个加权分支信号，分别送至相应子阵列的7个横行，并通过7个闭合开关连接到7个纵列，最终引至7个蜂窝状馈源组成的馈源簇前端的馈源信号合成网络输入。各子阵列中具体需要闭合的7个开关，由波束移动性管理控制模块根据各波束所需的指向及覆盖区域确定并指令控制。
4)馈源信号合成网络：将输入至每个馈源的所有波束加权分支信号进行累加，再进行必要幅相校正以及频率变换，最终馈送至相应馈源阵列以辐射合成所需要的实际空间波束。
5)波束移动性管理控制模块：根据用户移动性所产生的波束追踪的需求信号，发送至波束产生及资源分配模块进行必要的波束合并/拆分以及资源分配调度；计算波束加权系数，发送至变系数波束加权网络模块进行相应调整；形成开关网络配置方案，发送至可编程开关网络模块以选择对应馈源组，从而形成具有可移动指向中心的波束。
本发明所提供的追踪波束形成网络装置，最主要特点是包含有一个可编程开关阵列，如图1中所示。可编程开关阵列具有如下特征：
(a)横行数目为最大可产生波束数的7倍，纵列数目为系统所采用的馈源总数；每7个横行构成一个子阵列，对应每个波束的7个加权分支。
(b)不是在所有横纵交叉点处都设置开关，开关配置具有一定的图案；所有子阵列的开关配置图案是一致的。
(c)子阵列中与每个纵列交叉的7个横行中只存在一个开关，子阵列中总开关数等于馈源总数。
(d)开关阵列中的开关为常开开关，每个子阵列中每次最多可同时闭合7个开关。
可编程开关阵列中的开关通过编程受控闭合开关，可将横行上某一波束加权分支的信号连接至纵列中对应的特定馈源。为绘图方便起见，受控开关用符号“X”来表示，如图2所示，(a)是受控开关的符号表示；(b)是开关的一种具体实施结构。
可编程开关阵列中，对应每一个波束的子阵列部分是完全相同的，具有相同的开关配置图案，以下将说明一个波束与馈源阵列对应的开关配置图案。
考虑一个3层共37个馈源的二维蜂窝结构馈源阵列。不失一般性，馈源阵列的排列序号按逆时针方向顺序编号(当然，馈源阵列也同样可以按照顺时针方向顺序编号)，形成一个由中心外向层圈环绕的二维馈源阵列形式，如图3所示。在可编程开关子阵列中，开关具体配置的交叉点位置拟采用每个馈源可连接可编程开关阵列对应的横行序号来表示，每个馈源可连接可编程开关阵列对应的横行序号也即一个波束的加权分支序号wi(i＝1～7)。一个针对上述具体实施例的子阵列开关配置位置图案序列如下：
w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7,w4,w6,w5,w7,w6,w2,w7,w3,w2,w4,w3,w5,w1,
w3,w7,w1,w4,w2,w1,w5,w3,w1,w6,w4,w1,w7,w5,w1,w2,w6
具体的开关配置图案如图4中(a)所示。该图案序列映射到馈源阵列的结果如图4中(b)所示，具有如下特征：
(1)对于任一个7馈源紧邻蜂窝簇，开关配置序号不会出现重复；
(2)针对某一直线馈源连排，当馈源阵列整体旋转一个角度使得该馈源连排变为水平方向后，其所对应的开关配置序号序列，与相隔两排的同向馈源连排对应的开关配置序号序列相同；且经过一致向右错位(或，若馈源阵列按顺时针方向顺序编号时，一致向左错位)半个馈源宽度后与其上方间隔两排的同向馈源连排加权分支序号序列完全对齐。
具体实施中，可按如下步骤配置形成上述(如图4中(a)所示)可编程开关子阵列的开关位置图案：
1)首先选择第1号馈源，选择波束的第1个加权分支w1，在开关连线网络中该位置的交叉点处设置一个连接开关，并将馈源阵列图中该馈源标上对应加权分支序号w1，如图5中(a)所示；
2)围绕第1号馈源构成一个蜂窝簇的第1圈2～7号馈源，顺序选择波束的剩余6个加权分支中的w2～w7进行对应，在开关连线网络中相应位置的交叉点处分别设置一个连接开关，并将馈源阵列图中2～7号馈源分别标上对应加权分支序号w2～w7，如图5中(b)所示；
3)围绕第1圈馈源的第2圈8～19号馈源，按照序号顺序进行对应加权分支序号的选择。为保证在后续任一个7蜂窝簇中避免重复使用相同的加权分支，加权分支序号在馈源阵列图5中的重复出现至少需要间隔两个馈源。
具体分步骤如下，
3.1)寻找指定馈源与内层已标注加权分支序号的5个馈源，共6个馈源可构成一个平行四边形图案，并且指定馈源在该平行四边形图案中位于长对角线的一端。处于指定馈源长对角位置馈源的对应加权分支序号，则为该馈源可选择标注的加权分支序号；
3.2)继续寻找指定馈源与构成的所有平行四边形图案，并获得该馈源所有可选择标注的加权分支序号；
3.3)在所有可选择的加权分支序号中，按照馈源序号排列的逆时针方向顺序进行分析，如果与从待标注馈源逆向回溯2个已标注馈源的加权分支序号都没有重复，则满足区隔度检查；
3.4)选择最先满足区隔度检查的候选加权分支序号作为入选加权分支序号，在开关连线网络中该指定馈源与入选加权分支序号对应位置的交叉点处设置一个连接开关，并将馈源阵列图中指定馈源标上对应加权分支序号。
对于8号馈源，如图6中(a)和(b)所示，可与2(w2)、3(w3)、4(w4)、1(w1)、7(w7)这5个已分配加权分支序号的馈源，以及2(w2)、1(w1)、5(w5)、6(w6)、7(w7)这5个已分配加权分支序号的馈源，构成两个6馈源平行四边形，长对角位置馈源(及序号)分别是4(w4)和5(w5)。按照逆时针方向顺序优先的原则，且4(w4)满足2次区隔的要求，因此8号馈源选择标注为4号加权分支序号w4(如图7所示)。
对于9号馈源，如图7所示，可与2(w2)、1(w1)、6(w6)、7(w7)、8(w4)这5个已分配加权分支序号的馈源，构成一个6馈源平行四边形，长对角位置馈源(及序号)为6(w6)，也满足2次区隔的要求，因此9号馈源选择标注为6号加权分支序号w6(如图8所示)。
对于10号馈源，如图8(a)、8(b)和8(c)所示，可与3(w3)、4(w4)、1(w1)、2(w2)、9(w6)这5个已分配加权分支序号的馈源，3(w3)、4(w4)、5(w5)、1(w1)、2(w2)这5个已分配加权分支序号的馈源，以及3(w3)、1(w1)、6(w6)、7(w7)、2(w2)这5个已分配加权分支序号的馈源，构成三个6馈源平行四边形。其中，第一个平行四边形中10号馈源位于短对角线上，因此不能采用；而后两个平行四边形中长对角位置馈源(及序号)分别是5(w5)和6(w6)。按照逆时针方向顺序优先的原则，且5(w5)满足2次区隔的要求，因此10号馈源选择标注为5号加权分支序号w5(如图9所示)。
继续依此步骤顺序将馈源阵列图中11～19号馈源分别标上对应加权分支序号，如图5中(c)所示。
4.后续层圈馈源(如第20～37号)按照步骤3继续进行配置，直到所有馈源的开关配置完成，如图5中(d)所示。
在本实施例中，馈源编号顺序、馈源标注加权分支序号顺序、以及选择平行四边形中长对角位置馈源(及序号)优先顺序，都是按照逆时针方向进行的。如果馈源编号顺序按照顺时针方向进行，则馈源标注加权分支序号顺序、以及选择平行四边形中长对角位置馈源(及序号)优先顺序，也都应该按照逆时针方向进行。
以上虽然仅仅是参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可能对本发明进行的形式和细节上的任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块；所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置能够产生用于追踪多波束卫星移动通信系统的移动目标的波束；
A)波束产生及资源分配模块：用于产生或撤销卫星通信系统波束阵列中的波束信号，并按照复用规则进行波束内频率和功率资源的分配；
B)变系数波束加权网络：用于对波束信号实施复数乘法进行加权移相；
C)可编程开关阵列：包括多个横行、多个纵列、位于横行与纵列交叉点上的开关，通过闭合开关连通阵列中的横行与对应纵列；所述可编程开关阵列中：
a)横行开关的数目至少为最大可产生波束数的七倍，纵列数目为系统所采用的馈源总数；每七个横行构成一个可编程开关子阵列，对应每个波束的七个加权分支；
b)横行与纵列交叉点处并不都设置开关；所有可编程开关子阵列的开关配置图案一致；
c)可编程开关子阵列中，与每个纵列交叉的七个横行中只设置一个开关，可编程开关子阵列中总开关数等于馈源总数；
d)可编程开关阵列中的开关为常开开关，每个可编程开关子阵列中每次最多可同时闭合七个开关；
D)馈源信号合成网络：用于对来自各波束的信号进行累加，并进行必要的幅相校正及变频，产生馈源合成信号；
E)波束移动性管理控制模块：用于监控管理用户的移动性，计算波束加权系数，对所述可编程开关阵列的开关状态进行配置。
2.如权利要求1所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，其特征是，所述可编程开关阵列中，子阵列的开关配置图案可通过以下步骤进行配置得到：
1)对可编程开关子阵列中的纵列，在卫星天线上的射频馈源单元阵列中选择一个馈源与可编程开关子阵列中的一个纵列相对应，该馈源作为第1个馈源；对可编程开关子阵列中的横行，选择一个波束加权分支与之相对应；可编程开关子阵列中的纵列与相对应馈源形成一根连线，可编程开关子阵列中的横行与相对应的加权分支形成另一根连线，在两根连线的交叉点处设置一个连接开关；并在频馈源单元阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；
2)在馈源单元阵列中，分别对第1个馈源构成的第1圈馈源中的每个馈源进行加权分支选择和标定：对每个待标定馈源，按顺序分别选择剩余的波束加权分支中的一个，执行与步骤1)相同的操作，在两根连线的交叉点处设置一个连接开关，并在馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；
3)分别对第1个馈源构成的第2圈馈源的每个馈源，按与步骤2)相同的顺序进行加权分支选择和标定：在可编程开关子阵列中待标定馈源对应纵列和选定加权分支序号对应横行的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；包括如下步骤：
3.1)在馈源单元阵列中，寻找内层已标定加权分支序号的5个馈源，使得该5个馈源与待定馈源构成平行四边形图案；将处于长对角位置已标定加权分支序号的馈源对应的加权分支序号，作为该待定馈源的可选择连接加权分支序号；
3.2)在待定馈源的所有可选择连接加权分支序号中，按照之前馈源序号编号采用的同样的顺序，选择最先满足与前序已标定相同加权分支序号馈源间隔至少2个馈源以上的加权分支序号，作为该待定馈源对应的加权分支序号；
3.3)在可编程开关子阵列中，在待定馈源对应纵列和选定加权分支序号对应横行的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记上对应波束加权分支序号；
4)对后续层圈的馈源，均按照步骤3)方法继续进行配置，直到所有馈源的开关配置完成。
3.如权利要求2所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，其特征是，所述卫星天线上的射频馈源单元阵列为二维平面馈源阵列；步骤1)具体在二维平面馈源阵列中选择略偏中心位置的任一个馈源作为第1个馈源。
4.如权利要求2所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，其特征是，所述按顺序具体为按逆时针方向或顺时针方向的顺序。
5.如权利要求2所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，其特征是，第1个馈源构成的第1圈馈源有6个馈源；第1个馈源构成的第2圈馈源至多有12个馈源。
6.一种利用权利要求1～5所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置的波束成形方法，其特征是，包括如下步骤：
1)波束产生及资源分配模块根据卫星通信系统需求产生相应的波束，并按照相应的复用规则进行频率功率等资源的分配；
2)当某特定波束追踪移动用户时，波束移动性管理控制模块监控用户的移动性并在必要时产生输出指令，指示波束产生及资源分配模块进行波束合并或拆分；
3)波束移动性管理控制模块根据各波束的指向及覆盖区域，计算相应的波束加权系数，输出至变系数波束加权网络；
4)波束产生及资源分配模块生成的波束信号，引入至变系数波束加权网络分别进行复数乘法加权，每波束产生多个加权分支信号；
5)波束移动性管理控制模块根据各波束所需的指向及覆盖区域，确定并指示控制相应可编程开关网络各子阵列中的开关闭合；
6)变系数波束加权网络产生的每个波束的多个加权分支信号，分别送至可编程开关中相应子阵列的多个横行，并通过相应的闭合开关连接到相应的纵列，最终引至可能的蜂窝状馈源组成的馈源簇前端的馈源信号合成网络输入；
7)馈源信号合成网络将输入至每个馈源的所有波束加权分支信号进行累加，再进行必要幅相校正以及频率变换，最终馈送至相应馈源阵列，通过辐射合成得到实际空间波束。
7.如权利要求6所述波束成形方法，其特征是，步骤4)每波束产生至多七个加权分支信号；对应可编程开关子阵列中的横行的数目与加权分支信号的数目相同，控制相同数目的开关，连接到相同数目的纵列，组成馈源簇的蜂窝状馈源的数目相同。
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