CN110011708B - 通过对相同颜色的基本波束分组的多波束覆盖的方法以及实现这种方法的通信有效载荷 - Google Patents

通过对相同颜色的基本波束分组的多波束覆盖的方法以及实现这种方法的通信有效载荷 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过对相同颜色的基本波束分组的多波束覆盖的方法以及实现这种方法的通信有效载荷。用于地球表面区域的多波束覆盖的方法包括：通过嵌入在卫星上的通信有效载荷来产生多个射频波束，所述射频波束称为基本波束(FE1，FE2，FE4)；形成多个射频波束，其称为组合波束(FC”)，所述组合波束在地面上呈现出不同尺寸的覆盖区，每个所述组合波束通过对一个或更多个基本波束进行分组来获得；通过所述组合波束来发送或接收数据，相同的数据通过形成同一组合波束的所有基本波束来发送或接收。

Description

通过对相同颜色的基本波束分组的多波束覆盖的方法以及实 现这种方法的通信有效载荷
技术领域
本发明涉及卫星通信领域。更具体地说，本发明涉及一种用于产生地球表面区域的多波束覆盖的方法，以及一种旨在嵌入在卫星上从而能够实施这种方法的通信有效载荷。
背景技术
在卫星通信系统中寻找高传输容量指示了利用具有多个波束的天线来产生地球表面感兴趣区域的所谓“多波束”覆盖。这种覆盖采取地理上不同的单个覆盖并置的形式，所述单个覆盖相邻或不相邻，通常为圆形或椭圆形，并对应于通信卫星产生的不同波束在地面上的覆盖区(footprints)。应当指出，术语“波束”可以涵盖两个不同的现实：当考虑下行链路时，这实际上涉及从卫星传播到地面的电磁辐射波束；另一方面，在上行链路的情况下，“波束”表示卫星天线系统的接收方向图的波瓣。
多波束覆盖通常允许根据所谓的“N种颜色”方案来重复使用频率。根据这样的方案，为了避免干扰，两个相邻的波束具有不同的“颜色”，每个“颜色”对应于频率和极化状态的配对。
感兴趣区域的不同部分之间的数据流量差异可能非常显著；因此，有必要改变服务于这些不同部分的波束的尺寸。因此，通常的做法是在高用户密度的区域中使用最小角度孔径的细波束，在低用户密度的区域中使用大角度孔径的宽波束。例如，图1显示了澳大利亚的多波束覆盖，在从中心到北部的无人居住区具有非常宽的波束，在西南和东南沿海地区具有非常细的波束。
在适于产生多波束覆盖的卫星中，波束通常由天线系统产生，天线系统包括馈电天线(或简单地“馈源”；它们通常是喇叭天线或喇叭天线组)和反射器。典型地，每个馈电天线产生各自的波束，而同一反射器可以致力于产生几个不同的波束。波束的大小取决于馈电天线的特性和反射器的特性；此外，反射器针对具有某些特性的馈源进行了优化。实际上，不同的馈源可以使用同一个反射器产生尺寸稍有不同的波束，但是馈源和反射器之间的不匹配很快成为问题。因此，为了能够产生包括尺寸非常不同的波束的多波束覆盖(地面上覆盖区的表面积之间的比率能够达到甚至超过因子4)，有必要利用几个不同的反射器。这导致复杂且昂贵的天线系统。
此外，较大尺寸的波束表现出远远没有更定向的波束那么陡峭的发射方向图变化趋势(slopes)；换句话说，它们的强度随着远离波束中心而逐渐降低。因此，大尺寸波束的“尾部”倾向于干扰较小的波束。
发明内容
本发明旨在全部或部分地弥补现有技术的上述缺点中的至少一个。更具体地，本发明的目的是允许借助于更简单和更容易工业化的天线系统来产生多波束覆盖，和/或使波束之间的干扰最小。本发明的一些实施方案还使得可以在波束的定义中获得更大的灵活性。
因此，能够实现这些目的的本发明的一个主题是一种用于地球表面区域的多波束覆盖的方法，其包括：
-通过嵌入在卫星上的通信有效载荷来产生多个射频波束，所述射频波束称为基本波束(FE1，FE2，FE4)；
-形成多个射频波束，其称为组合波束(FC’，FC”)，其在地面上呈现出不同尺寸的覆盖区，每个所述组合波束通过一个或更多个基本波束的分组来获得；
-通过所述组合波束来发送或接收数据，相同的数据通过形成同一组合波束的所有基本波束来发送或接收；
其中，至少一个所述组合波束通过对多个相同颜色的不相邻的基本波束进行分组来形成，颜色由频带和极化状态定义。
有利地，所述方法包括在至少两个相同颜色的所述基本波束之间引入相移。
有利地，所述相移是反相。
作为一个变体，所述相移是相位正交设置。
有利地，多个所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
有利地，所有所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
有利地，所述组合波束在地面上的覆盖区的尺寸在所述地球表面区域上逐渐变化。
有利地，形成同一组合波束的所有基本波束同时产生。
作为一个变体，形成同一组合波束的所有基本波束依次产生。
本发明还涉及一种用于实现预先定义的方法的卫星通信有效载荷，其包括：
-多个馈电天线(S1-S4)；
-至少一个反射器(R)，其布置为与所述馈电天线协作，以便为每个所述馈电天线产生称为基本波束的射频波束；以及
-多个发射模块或接收模块(MTRA，MTRB)，所述发射模块或接收模块配置为以射频信号的形式发射或接收相应的数据；
每个所述馈电天线属于馈电天线的一个分组，至少一些所述分组包括多个馈电天线；
每个所述发射模块连接到属于同一分组的所有馈电天线，使得由同一分组的馈电天线产生的基本波束形成组合波束；
馈电天线的所述分组配置为使得多个所述组合波束在地面上呈现出不同尺寸的覆盖区；
至少一个所述分组的基本天线配置为产生相同颜色的不相邻的基本波束，颜色由频带和极化状态定义；
有利地，移相器(DΦ)布置在至少一个所述分组的至少一个基本天线和对应的发射模块或接收模块之间，所述至少一个所述分组的至少一个基本天线配置为产生相同颜色的不相邻的基本波束。
有利地，所述移相器或每个所述移相器是反相器。
有利地，所述移相器或每个所述移相器配置为执行90°相移。
有利地，馈电天线的所述分组配置为使得所有所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
有利地，至少一个所述发射模块或接收模块配备有开关，所述开关配置为将所述模块依次连接到相应的基本天线。
附图说明
通过阅读以示例给出并参考附图给出的描述，本发明的其它特征、细节和优点将会显现出来，附图分别示出：
-图1，如上所述，示出具有极大可变的用户密度的区域的多波束覆盖；
-图2A至图2C示出多波束覆盖的实施方案；以及
-图3示出根据本发明的实施方案的通信有效载荷。
具体实施方式
本发明所基于的原理在于利用相同尺寸的细波束——或者最多具有少量(例如2或3个)不同尺寸的细波束来覆盖感兴趣区域，这些细波束可以相互结合，特别是在交通密度较低的区域，以产生更宽的“组合”波束。因此，较大尺寸的波束不是由专用反射器或与反射器尺寸不匹配的馈源产生的，而是通过组合细的基本波束产生的。与现有技术相比，这提供了许多优点：
-天线系统更加简单和更加模块化，因为天线系统可以仅包括相同的馈源和少量也彼此相同的反射器；
-即使对于较大尺寸的波束，天线方向图的变化趋势(slopes)也保持陡峭，从而将干扰降至最低；
-在选择组合波束的形式方面有更大的自由度；此外，组合波束可以由不连续的基本波束的组合产生，如稍后将解释的，这允许频谱和/或功率资源的分配有更大的灵活性。
图2A至2C示出了多波束覆盖的两个变体，其中，相同颜色的三个不相邻的基本波束FE1、FE2和FE4(其等强度曲线在图2A中示出)被组合以形成由图2B中的FC’和图2C中的FC”表示的组合波束。与前面的情况一样，这意味着相同的数据由这三个基本波束传送，以便服务于交通密度低、地理上彼此分离的区域。通过将相应的馈电天线连接到同一个功率放大器(发射时)或低噪放大器(接收时)，可以非常简单地获得组合波束FC’和FC”。在图2B的情况下，相同颜色的基本波束在相位上相加(所谓的功率相加)。然而，在图2C的情况下，在该放大器和基本波束FE2的馈电天线之间引入了90°移相器，并且在该放大器和基本波束FE4的馈电天线之间引入了180°移相器。通过比较图2B和图2C可以看出，波束FE1和FE4之间的相位相反产生了波束FE1和FE4之间的场的抵消。波束FE1和FE2以及波束FE2和FE4的相位正交设置也使得能够通过使组合波束的辐射方向图的变化趋势(slopes)变陡来将电磁强度集中在必须有效覆盖的区域中，而不会像相位相反的情况那样存在场的完全抵消。因为这三个基本波束具有相同的颜色，所以它们相互干涉，尽管这些干涉由于波束之间的空间分离而有所缓和。当基本波束相距太远以至于它们的干涉变得微不足道时，引入这种相移会失去好处。
更复杂的配置，关联数个波束(如果在它们之间的相移不同于90°和180°的情况下合适)当然是可以的。
也可以产生组合不同颜色的不相邻基本波束的组合波束。
从资源管理的角度来看，由不相邻的基本波束形成“未连接的”组合波束是有利的。事实上，在组合波束中，数个不同的地理区域共享相同的资源：频率、功率、甚至传输时间，这将在后面解释。如果这些区域彼此相距很远，它们的气象条件将是不相关的：例如，如果基本波束FE1覆盖的区域由于风暴而具有强衰减的条件，则FE2和FE4覆盖的区域中的衰减可能会较少。因此，在不过度降低FE2和FE4提供的服务的情况下，将有可能为FE1分配更多的资源。在相邻波束的情况下，这更加困难，因为相邻区域之间的气象条件高度相关。如果基本波束彼此相距很远，甚至有可能利用相应区域之间的时区差异，通过在从覆盖“非高峰时间”区域的波束中移除资源，以利于那些形成同一组合波束的部分并覆盖“高峰时间”区域的波束。
迄今为止，唯一需要考虑的情况是数据同时通过同一组合波束的所有基本波束，这些基本波束共享分配给组合波束的频率和功率资源。作为一个变体，可以通过布置在卫星有效载荷中的开关来依次激活同一组合波束的各个基本波束。因此，每个基本波束利用所有可用资源，但只使用了一小部分时间。
组合波束的立体角是n个基本波束的倍数。考虑到这个划分，方向性减小了因子10log(n)(以dB为单位)。当n太高时，基本波束和组合波束之间的方向性变化可能很大，并且产生组合波束的信号比C的变化，该变化与n成比例，因此C/I的水平降低，I是来自未耦合的基本波束的具有相同频率和极化的干扰信号。
因此，与大的组合波束相邻的基本波束可能会降低组合波束的信噪比(C/I)。为了避免信噪比的降低，将有限数量的基本波束(该有限数量的基本波束紧邻组合波束外部的基本波束)耦合到组合波束中是有利的。例如，由两个基本波束组成的组合波束可以与基本波束相邻。从而，通过逐渐改变组合波束在地面上覆盖区的大小，避免了信号在信噪比方面的突然转变。
图3非常示意性地示出了嵌入在卫星上的通信有效载荷的结构，其允许产生如上所述的多波束覆盖。仅仅作为非限制性示例给出的这种有效载荷包括：
-两个发射模块或接收模块MTRA和MTRB，用于产生必须通过相应组合波束发射的信号(发射时)或获取由这些波束接收的信号(接收时)。每个发射模块或接收模块包括至少一个功率放大器和/或低噪放大器。
-四个馈电天线S1-S4(电磁喇叭)，旨在分别产生各自的基本波束。
-反射器R，其与馈电天线协作以产生所述波束。
实际上，根据本发明的天线系统通常包括数个反射器和更多数量的馈电天线。
模块MTRA连接到三个馈电天线S1、S2、S3，以产生图2A至图2C类型的“未连接”组合波束。移相器DΦ布置在模块和馈电天线S3之间。
最后，模块MTRB连接到单个馈电天线S4，以产生由单个基本波束组成的细的“组合”波束。
应当注意，图3所示有效载荷的天线系统仅包括与单个反射器(或相同的反射器)协作的、彼此相同的馈电天线。因此，它是一种比包括不同尺寸的馈电天线和/或反射器的传统多波束天线系统更加简单和更加模块化的结构。

Claims (13)

1.一种用于地球表面区域的多波束覆盖的方法，其包括：
-通过嵌入在卫星上的通信有效载荷来产生多个射频波束，所述射频波束称为基本波束(FE1，FE2，FE4)；
-形成多个射频波束，其称为组合波束(FC’，FC”)，所述组合波束在地面上呈现出不同尺寸的覆盖区，每个所述组合波束通过一个或更多个基本波束的分组来获得；
-通过所述组合波束来发送或接收数据，相同的数据通过形成同一组合波束的所有基本波束来发送或接收；
其中，至少一个所述组合波束通过对多个相同颜色的不相邻的基本波束进行分组来形成，颜色由频带和极化状态定义；
所述方法进一步包括：在形成所述组合波束的至少两个相同颜色的不相邻的基本波束之间引入相移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相移是反相。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相移是相位正交设置。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，多个所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所有的所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述组合波束在地面上的覆盖区的尺寸在所述地球表面区域上逐渐变化。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，形成同一组合波束的所有基本波束同时产生。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，形成同一组合波束的所有基本波束依次产生。
9.一种卫星通信有效载荷，其用于实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法的，其包括：
-多个馈电天线(S1-S4)；
-至少一个反射器(R)，其布置为与所述馈电天线协作，以便为每个所述馈电天线产生称为基本波束的射频波束；以及
-多个发射模块或接收模块(MTRA，MTRB)，所述发射模块或接收模块配置为以射频信号的形式发射或接收相应的数据；
所述卫星通信有效载荷特征在于：
-每个所述馈电天线属于馈电天线的一个分组，至少一些所述分组包括多个馈电天线；
-每个所述发射模块连接到属于同一分组的所有馈电天线，使得由同一分组的馈电天线产生的基本波束形成组合波束；
馈电天线的所述分组配置为使得多个所述组合波束在地面上呈现出不同尺寸的覆盖区；以及至少一个所述分组的基本天线配置为产生相同颜色的不相邻的基本波束，颜色由频带和极化状态定义；
其中，移相器(DΦ)布置在至少一个所述分组的至少一个基本天线和对应的发射模块或接收模块之间，所述至少一个所述分组的至少一个基本天线配置为产生相同颜色的不相邻的基本波束，所述移相器(DΦ)配置为在形成所述组合波束的至少两个相同颜色的不相邻的基本波束之间引入相移。
10.根据权利要求9所述的卫星通信有效载荷，其中，所述移相器或每个所述移相器是反相器。
11.根据权利要求9所述的卫星通信有效载荷，其中，所述移相器或每个所述移相器配置为执行90°相移。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的卫星通信有效载荷，其中，馈电天线的所述分组配置为使得所有所述基本波束在地面上呈现出大致相同尺寸的覆盖区。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的卫星通信有效载荷，其中，至少一个所述发射模块或接收模块配备有开关，所述开关配置为依次将所述模块连接到相应的基本天线。
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