CN112165345B - 基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置 - Google Patents

基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置，该方法包括：对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；对每一子矩形阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。该方法对每一子阵列进行功率分配，可以有效地分配阵列功率和阵列增益，在保证离卫星较近的用户能够完成通信的情况下，将更多的功率和阵列天线增益分配给离卫星较远的用户，有效避免了星下用户的链路余量过大，而边缘用户链路余量不足。

Description

基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置。
背景技术
卫星移动通信系统是指提供卫星移动业务的通信系统，其典型是利用卫星作为中继站向用户提供移动业务。由于轨道高度低，低轨卫星通信系统与其他卫星通信系统相比，具有传输时延短、路径损耗小、抗干扰性强等优势。
目前波束覆盖方案主要分为如下两种：
(1)等波束宽度覆盖，通常指的波束宽度为半功率波束宽度(Half Power BeamWidth，HPBW)，定义为在天线的有效射频范围内，功率超过主瓣峰值功率50％的范围形成的角度。而等波束宽度覆盖指的是卫星端的天线发射的波束都是等波束宽度的。图1为等波束宽度覆盖示意图，如图1所示，在图1中，通过波束宽度为β的等波束宽度的波束进行覆盖，α1,α2,α3代表波束所对应的地心角，r为地球半径，θ为与地球切线的夹角。
(2)等覆盖面积覆盖，等覆盖面积波束覆盖是指每个划分的子波束在地面上的覆盖面积基本相同。将地球看作一个球体，因为波束覆盖的地面面积相同，所以波束对应的地心角相同。图2为等覆盖面积覆盖波束示意图，如图2所示，β1,β2,β3,β4代表波束角，α代表波束所对应的地心角。铱星系统中采用的就是等覆盖面积覆盖方案。铱星系统的卫星所在的轨道高度为765km，属于低轨卫星。铱星系统中每颗卫星有3根天线，在地球上形成48个点波束，每个波束的地面覆盖直径大约为400km。图3为铱星系统波束覆盖示意图，如图3所示。
当前天线阵列是以整个阵列的形式形成波束的。当整个阵列天线发射波束时，对于卫星正下方的用户(简称星下用户)和卫星覆盖边缘的用户(简称边缘用户)来说，波束的功率是相同的，天线阵列的阵列增益也是相同的，由于卫星到星下用户的距离相比于边缘用户较近，所以前者的链路损耗小于后者，这就导致了星下用户的链路余量过大，而边缘用户没有链路余量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，包括：对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
进一步地，所述调整每一矩形子阵列的波束成形角度后，若无法使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，则：重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并通过调整每一矩形子阵列的波束成形角度，使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径。
进一步地，所述对每一子阵列进行功率分配后，若无法使得每一波束均有链路余量，则：重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，并且对每一矩形子阵列进行功率分配，以使每一波束均有链路余量。
进一步地，所述对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列之后，还包括：判断矩形子阵列的波束覆盖区域的长边宽度和短边宽度的比例是否小于预设阈值，若不小于，则重新对天线阵列进行分割。
进一步地，所述对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，包括：将天线阵列按矩形区域进行分割，并确保最多两个矩形子阵列间有阵元重叠，以得到多个矩形子阵列。
进一步地，若分割的矩形子阵列有重叠，则对每一矩形子阵列进行功率分配，包括：将重叠的阵元对分配的两个矩形子阵列，分别以半功率形式发射波束。
进一步地，所述方法还包括为每一波束设置频率，并使相邻波束使用不同频率。
第二方面，本发明实施例提供一种基于阵列天线分割的多波束覆盖装置，包括：阵列划分模块，用于对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；波束调整模块，用于调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；功率分配模块，用于对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面基于阵列天线分割的多波束覆盖方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面基于阵列天线分割的多波束覆盖方法的步骤。
本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法及装置，通过对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并对每一子阵列进行功率分配，使得不同子阵列的功率和增益也不同，可以有效地分配阵列功率和阵列增益，在保证离卫星较近的用户能够完成通信的情况下，将更多的功率和阵列天线增益分配给离卫星较远的用户，有效避免了星下用户的链路余量过大，而边缘用户链路余量不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为等波束宽度覆盖示意图；
图2为等覆盖面积覆盖波束示意图；
图3为铱星系统波束覆盖示意图；
图4为本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法流程图；
图5为本发明实施例提供的每层波束的地面覆盖与波束角度关系示意图；
图6为本发明实施例提供的传输距离示意图；
图7为本发明另一实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法流程图；
图8为本发明实施例提供的子阵列形成的波束示意图；
图9为本发明实施例提供的波束坐标系示意图；
图10为本发明实施例提供的重叠阵元示意图；
图11为本发明实施例提供的天线阵列分割示意图；
图12为本发明实施例提供的阵列中阵元连接示意图；
图13为本发明实施例提供的4×3子阵列中阵元连接示意图；
图14为本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖装置结构图；
图15为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4为本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法流程图，如图4所示，本发明实施例提供一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，包括：
401、对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域。
本发明实施例的执行主体为卫星设备，卫星的天线系统包括多个天线阵列。例如，天线阵列由M×N个阵元构成，则表示天线阵列的规格为M×N。根据天线阵列进行划分，如划分成四个矩形子阵列(包括A、B、C和D)。子阵列之间可以有重叠，AB的重叠阵元既向子阵列A提供功率，又向子阵列B提供功率，也可以有阵元不属于任何子阵列。
天线波束的覆盖为多层的环形覆盖，中心为阵元最少的子阵列，波束覆盖为圆形。其他的子阵列，按阵元数由少到多，从中心的圆形覆盖区域开始，依次从内到外成环形覆盖。中心的圆形覆盖区域与最邻近的一层环形覆盖区域，以及相邻层数的环形覆盖区域之间，均有重叠部分，以保证覆盖区域的连续。对于每层环形覆盖区域，由每个子阵列的多个阵元形成多个柱状波束，波束与波束间有重叠部分进行覆盖，即波束与波束在地面的覆盖区域相连形成一个环形覆盖区域。最外层的环形覆盖区域由阵元数最多的子阵列形成波束覆盖得到。
402、调整每一从圆形覆盖区域的外层开始，子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径。
图5为本发明实施例提供的每层波束的地面覆盖与波束角度关系示意图，如图5所示，调整每个波束的指向角(波束指向与垂直线所夹的锐角)，和波束的束间隔角，来实现整个区域的覆盖，即波束成形角度包括波束的指向角和波束的束间隔角。最终形成的波束需要全部覆盖预设覆盖半径的范围，预设的覆盖直径通常为5000km。
作为优选实施例，除中心外的每一层波束均为6的整数倍。即使用类似蜂窝无缝覆盖的覆盖方案：覆盖区域正中间(第一层)由1个波束形成1个圆形覆盖区域；第一层周围(第二层)由6个波束形成6个圆形覆盖区域，这6个圆形覆盖区域对应6个波束，6个圆形区域连成环状，构成第二层的环形覆盖区域；第三层由12个波束形成12个圆形覆盖区域，12个圆形区域连成环状，构成第三层的环形覆盖区域。以此类推直至最终所有波束可以满足总的覆盖要求，每一层波束的地面覆盖与波束角度设计如图5所示。图5中，①为阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域；②为加入第二层环形覆盖区域的覆盖情况，第二层环形覆盖区域由6个波束构成；③为在上述基础上，加入第三层环形覆盖区域的覆盖情况，第二层环形覆盖区域由12个波束构成，α1,α2,α3分别为每层的波束与垂直线的夹角。
最内层的波束指向角与垂直方向为0度；每层环形覆盖区域的波束，每个子阵列波束的指向角通常保持一致；每个子阵列波束的束间隔角也保持一致。也就是任意子阵列的所有波束，采用相同的指向角和相同的束间隔角，即进行对称分布。
可将波束(椭圆锥面)方程与地球球面方程所交的类椭圆覆盖区域的面积求出，并类似依次求出所有波束的地面覆盖面积，波束交叠部分面积只取一次，这样求出所有波束地面覆盖面积。若面积和接近、等于或大于指定覆盖面积，则判断满足地面覆盖要求；若面积和远小于指定覆盖面积，则判断不能满足地面覆盖需求。
403、对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
对于同一子阵列的不同阵元，通常采用相同的功率分配。所有子阵列的功率分配后，每个波束到达接收端的链路余量必须满足要求。可选实施例中，通过覆盖区域内接收端的信噪比大于预设门限值来确定(预设门限值取决于编码速率和调制方式)。
链路预算是覆盖范围内信号强度是否满足要求的判断方法，链路预算的公式如下所示：
Figure BDA0002494395560000061
其中，
Figure BDA0002494395560000062
为接收端信噪比，[EIRP]为等效全向功率，
Figure BDA0002494395560000063
为接收端的品质因数，[L]为路径损耗，k为玻尔兹曼常数(k＝1.38×10-23J/K，[k]＝228.6)，[B]为用户带宽。链路预算通常以分贝为单位，采用方括号[X]表示取分贝数。链路预算中的各项参数计算公式如下：
Figure BDA0002494395560000071
Pt＝N·P1
Gt＝N·G1
[L]＝[FSL]+[RFL]+[AA]+[AML]+[PL]
[FSL]＝20lgf+20lgd+32.44
其中，Pt为发射功率，N为阵元数，P1为单个阵元的功率，n1为波束个数，n2为单个波束服务的用户数。Gt为发送端的阵列增益，G1为单个阵元的增益；FSL为自由空间传输损耗，f为载波频率，d为传输距离，RFL为接收馈线损耗，AA为大气吸收损耗，AML为天线指向损耗，PL为天线极化误差损耗。
对于上述传输距离d，图6为本发明实施例提供的传输距离示意图，传输距离d如图6所示。当阵列形成波束时，假设波束覆盖的最远处的点坐标为(x1,y1,z1)，则传输距离d为：
Figure BDA0002494395560000072
其中，Re为地球半径(单位：千米)，h为卫星离地面高度。
本发明实施例的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，通过对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并对每一子阵列进行功率分配，使得不同子阵列的功率和增益也不同，可以有效地分配阵列功率和阵列增益，在保证离卫星较近的用户能够完成通信的情况下，将更多的功率和阵列天线增益分配给离卫星较远的用户，有效避免了星下用户的链路余量过大，而边缘用户链路余量不足。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，调整每一矩形子阵列的波束成形角度后，若无法使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，则：重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并通过调整每一矩形子阵列的波束成形角度，使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对每一矩形子阵列进行功率分配后，若无法使得每一波束均有链路余量，则：重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，并且对每一矩形子阵列进行功率分配，以使每一波束均有链路余量。
以下对上述两种可选实施例进行综合说明，图7为本发明另一实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法流程图，如图7所示，先将天线阵列分割成若干个子阵列，子阵列形成波束进行覆盖，由能否满足直径5000km覆盖为标准，若不能满足，调整波束成形的角度或者重新进行阵列分割；若能够满足，通过功率分配的方法，保证用户有链路余量，进而完成通信。若调整波束成形的角度也无法完成直径5000km覆盖，则重新对天线进行分割。若调整功率分配方案，仍无保证每一波束均有链路余量，则重新对天线进行分割。天线阵列的分割方法，是从实际出发，结合地面覆盖要求与用户需求指标，设计出最佳的阵列分割与波束覆盖方案。
本发明实施例的方法，根据子阵列所产生波束的地面覆盖范围以及链路余量作为反馈指标，再反馈调整子阵列分割方案，从而不断反馈迭代，最终确定子阵列大小、波束指向、波束个数等参数，从而保证覆盖解决能够实现每一波束均有链路余量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列之后，还包括：判断矩形子阵列的波束覆盖区域的长边宽度和短边宽度的比例是否小于预设阈值，若不小于，则重新对天线阵列进行分割。
若天线阵列的波束在覆盖范围不为近似圆形，则将会影响波束的利用效率。因此，本实施例中，需保证天线阵列的每个子阵列的波束在地球的覆盖范围为近似圆形，即波束覆盖区域的长边宽度l1和短边宽度l2接近，可通过一个预设比例来衡量。
波束的地面覆盖区域由形成此波束的矩形子阵列的尺寸所决定：矩形子阵列的长边阵元数决定波束的窄边3dB角，窄边3dB角决定地面覆盖椭圆区域的窄边宽度；同理，矩形子阵列的短边阵元数决定波束的宽边3dB角，宽边3dB角决定地面覆盖椭圆区域的长边宽度。若子阵列尺寸为M’×N’(长M’个阵元，宽N’个阵元)，波束指向角度为θ，图8为本发明实施例提供的子阵列形成的波束示意图，波束示意如图8所示：
波束的窄边3dB角α与宽边3dB角β可由以下公式决定：
Figure BDA0002494395560000091
Figure BDA0002494395560000092
其中,常量p≈1.772，波束的窄边3dB角为α，宽边3dB角为β，以地球球心为原点建立三维直角坐标系，并把发射出去的波束近似为发散的椭圆锥，l为覆盖区域的宽度。图9为本发明实施例提供的波束坐标系示意图，示意图如图9所示。
联立地球球面方程：
x2+y2+z2-Re 2＝0
与波束(椭圆锥面)方程：
Figure BDA0002494395560000093
联立以上两方程即可求出波束地面覆盖的区域方程，此区域为一个近似的椭圆形，由方程求出此椭圆地面覆盖区域的长边宽度l1与短边宽度l2。若l1≈l2，则判定地面覆盖区域为近似圆形；若l1与l2数值差异较大，则判定地面覆盖区域并不近似圆形，需重新设计子阵列的分割。
本发明实施例的方法，通过判断子阵列的波束覆盖区域的长边宽度和短边宽度的比例是否小于预设阈值，保证每个波束为近圆形，从而提高满足覆盖范围的波束利用率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，包括：将天线阵列按矩形区域进行分割，并确保最多两个矩形子阵列间有阵元重叠，以得到多个矩形子阵列。
分割出的子阵列间可能出现阵元重叠的情况，本发明实施例考虑边缘化重叠的方法，即尽量使重叠阵元的个数最少，并最多允许两个子阵列间有重叠(三个或三个以上子阵列有重叠则不可取)，能够实现最大化阵元的使用，从而提高链路余量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若分割的矩形子阵列有重叠，则对每一矩形子阵列进行功率分配，包括：将重叠的阵元对分配的两个矩形子阵列，分别以半功率形式发射波束。
子阵列的功率与天线阵元的数量有关，假设单个阵元的功率为P1，子阵列中阵元数目为N，则子阵列的功率为：
P≤N×P1
当子阵列之间没有重叠部分时，各子阵列中的阵元可提供全功率P1，即子阵列的功率为：
P＝N×P1
当子阵列之间有重叠部分时，重叠阵元需要向自身所在的两个阵列提供功率。将重叠阵元的功率采用功率二分法，分配到两个阵列中。因为子阵列中要求所有阵元等功率发送，所以包含重叠阵元的子阵列中的其他阵元以半功率发送，即子阵列的功率为：
Figure BDA0002494395560000101
图10为本发明实施例提供的重叠阵元示意图，如图10所示，子阵列A与子阵列B有三个阵元的重叠，重叠阵元既向子阵列A提供功率，又向子阵列B提供功率，所以采用功率二分法，重叠阵元的单个阵元P1/2的功率分配给子阵列A，P1/2的功率分配给子阵列B。因为子阵列中要求所有阵元等功率发送，所以A中除重叠阵元外其余的6个阵元中每个阵元提供P1/2的功率，B中除重叠阵元外其余的6个阵元中每个阵元提供P1/2的功率。即子阵列A的功率为9×P1/2，子阵列B的功率为9×P1/2。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该方法还包括：为每一波束设置频率，并使相邻波束使用不同频率。
相邻波束间使用不同的频率，一方面提高了频率利用率，另一方面大大降低了卫星通信波束间的相互干扰，从而提高了系统用户容量。本发明实施例将频带分为4个子带，每个波束占用一个子带。
对于单个波束服务的用户数，低轨卫星系统的带宽为B，频带被分为4个子带，每个用户的带宽为BS，子带支持的用户数最多为：
Figure BDA0002494395560000111
因为单个波束占用一个子带，所以单个波束服务的用户数为0～nmax个。固定波束覆盖方案在同一时刻服务的用户数如表1所示。
表1
Figure BDA0002494395560000112
一个帧结构长度为Tms，所以服务的总用户数为：
Figure BDA0002494395560000113
当
Figure BDA0002494395560000114
时，该方法满足服务1000用户的要求。
基于上述各实施例，下面以12×9的天线阵列为例对本发明实施例提供的方法进行说明。
天线阵列分割：
图11为本发明实施例提供的天线阵列分割示意图，该方案将12×9的天线阵列分割成四个子阵列。如图11所示，可以看出，12×9的阵列被分割成3×3、4×3、7×4和12×5四个不均等的部分，其中3×3和4×3阵列有重合部分，重合部分为三个天线阵元。
每个阵列都会产生不同的波束，这本质上是分割出来的子阵列连接到不同的RF链组上，混合波束赋形给予每个阵元不同的相位与加权值，从而产生不同的波束。图12为本发明实施例提供的阵列中阵元连接示意图，如图12所示，分成4部分的子阵列分别对应连接到4组RF链上：7×4的28个阵元连接RF链组1；4×3的12个阵元连接RF链组2；3×3的9个阵元连接RF链组3；最后12×5的60个阵元连接到RF链组4，而RF链组中RF链的个数与这个子阵列形成的波束个数相等。图13为本发明实施例提供的4×3子阵列中阵元连接示意图，以RF链组2为例，其12个阵元的连接如图13所示。
分割出的4×3子阵列的全部12个阵元都连接到RF链组2的每一个RF链上，形成一个局部全连接波束赋形。同理，其他子阵列(3×3，7×4，12×5)也是每个阵元连接到各自的RF链组的每个RF链上，总体108个阵元，4组RF链，形成部分连接波束赋形结构。
波束形成：波束(椭圆锥面)方程：
Figure BDA0002494395560000121
其中Re为地球半径(单位：千米)，h为卫星离地面高度，波束指向角度为θ(波束指向与垂直线所夹的锐角)，波束的窄边3dB角α与宽边3dB角β可由以下公式决定：
Figure BDA0002494395560000122
Figure BDA0002494395560000123
其中，常量k≈1.772。
卫星正下方的波束也称为波束的第一圈，是由3×3的阵列形成的一个波束进行覆盖的，故此子阵列连接的RF链组中只有1个RF链。波束指向角度为0，卫星离第一圈波束的最远距离是1159km。
第二圈波束是由4×3阵列形成的6个波束进行覆盖，故此子阵列连接的RF链组中有6个RF链，且一圈为360°，所以波束间隔角为60°，波束指向角度为26°，卫星离第二圈波束的最远距离为1543km。
第三圈波束是由7×4阵列形成的12个波束进行覆盖，故此子阵列连接的RF链组中有12个RF链，波束间隔角为30°，波束指向角为43°，卫星离第三圈波束的最远距离为2271km。
第四圈波束是由12×5阵列形成的24个波束进行覆盖，故此子阵列连接的RF链组中有24个RF链，波束间隔角为15°，波束指向角度为50.6°，卫星离第四圈波束的最远距离为2949.6km。
由四圈不同的波束覆盖，总结出波束形成的具体参数如表2所示。
表2
Figure BDA0002494395560000131
由表2可得四圈波束覆盖共用了43个波束，划分了4个子阵列，4组射频链路，共43个射频链分别形成这43个波束。最外边的大圆为直径5000km的覆盖边界，43个波束可以无缝隙覆盖直径为5000km的覆盖范围。正中心的1个波束是由3×3的天线阵列形成的，波束指向角度(波束方向与坐标系z轴所夹锐角)为0°；第二圈的6个波束是由4×3的天线阵列形成的，波束指向角度均为26°，6个波束之间的间隔角为60°，即相邻波束之间可通过绕顶点(卫星所在点)顺/逆时针旋转60°得到；第三圈的12个波束是由7×4的天线阵列形成的，波束指向角均为43°，这12个波束之间的间隔角为30°；第四圈的24个波束是由12×5的天线阵列形成的，波束指向角度均为50.6°，24个波束之间的间隔角为15°。
功率分配：
子阵列的功率随着天线阵列的分割而成线性分配，假设单个阵元的功率为P1，子阵列中阵元数目为N，则子阵列的功率为：
P≤N×P1
因为7×4和12×5的子阵列无重合部分，所以分别由7×4和12×5的子阵列提供阵列功率，每个阵元的功率取最大值P1，即7×4阵列功率：
P7×4＝N1×P1
其中，N1＝7×4＝28。
12×5阵列功率：
P12×5＝N2×P1
其中，N2＝12×5＝60。
3×3和4×3的子阵列重合了三个阵元，对于这三个重合的阵元，采取功率二分法，即每个阵元的功率P1分配给3×3阵列P1/2，分配给4×3阵列P1/2。因为子阵列中要求阵元等功率发送，所以3×3阵列和4×3阵列中单个阵元的功率为P1/2。3×3阵列和4×3阵列的阵列功率中，3×3阵列功率为：
Figure BDA0002494395560000141
其中，N3＝3×3＝9。
4×3阵列功率为：
Figure BDA0002494395560000142
其中，N4＝4×3＝12。
通过验证，这种功率分配方案满足卫星与用户端的链路预算。
频率复用：
本方案将频带分为4个子带，每个波束占用一个子带。
对于单个波束服务的用户数，低轨卫星系统的带宽为7MHz，频带被分为4个子带，而在编码速率为1/3，调制方式为QPSK时，每个用户的带宽为360kHz，所以子带支持的用户数最多为：
Figure BDA0002494395560000143
因为单个波束占用一个子带，所以单个波束服务的用户数为0-3个。
所以固定波束覆盖方案在同一时刻服务的用户数如表3所示。
表3
Figure BDA0002494395560000144
Figure BDA0002494395560000151
因为一个帧结构长度为20ms，所以服务的总用户数为：
20×80＝1600＞1000
故满足支持1000个用户的条件。
图14为本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖装置结构图，如图14所示，该基于阵列天线分割的多波束覆盖装置包括：阵列划分模块1401、波束调整模块1402和功率分配模块1403。其中，阵列划分模块1401用于对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；波束调整模块1402用于调整每一子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；功率分配模块1403用于对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
本发明实施例提供的装置实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的基于阵列天线分割的多波束覆盖装置，通过对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并对每一子阵列进行功率分配，使得不同子阵列的功率和增益也不同，可以有效地分配阵列功率和阵列增益，在保证离卫星较近的用户能够完成通信的情况下，将更多的功率和阵列天线增益分配给离卫星较远的用户，有效避免了星下用户的链路余量过大，而边缘用户链路余量不足。
图15为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图15所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1501、通信接口(Communications Interface)1502、存储器(memory)1503和总线1504，其中，处理器1501，通信接口1502，存储器1503通过总线1504完成相互间的通信。通信接口1502可以用于电子设备的信息传输。处理器1501可以调用存储器1503中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
此外，上述的存储器1503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，其特征在于，包括：
对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；
调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；
对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量；
所述调整每一矩形子阵列的波束成形角度后，若无法使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，则：
重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并通过调整每一矩形子阵列的波束成形角度，使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；
所述对每一矩形子阵列进行功率分配后，若无法使得每一波束均有链路余量，则：
重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，并且对每一矩形子阵列进行功率分配，以使每一波束均有链路余量；
所述对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，包括：
将天线阵列按矩形区域进行分割，并确保最多两个矩形子阵列间有阵元重叠，以得到多个矩形子阵列；
若分割的矩形子阵列有重叠，则所述对每一矩形子阵列进行功率分配，包括：将重叠的阵元对分配的两个矩形子阵列，分别以半功率形式发射波束。
2.根据权利要求1所述的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，其特征在于，所述对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列之后，还包括：
判断矩形子阵列的波束覆盖区域的长边宽度和短边宽度的比例是否小于预设阈值，若不小于，则重新对天线阵列进行分割。
3.根据权利要求1所述的基于阵列天线分割的多波束覆盖方法，其特征在于，所述方法还包括：
为每一波束设置频率，并使相邻波束使用不同频率。
4.一种基于阵列天线分割的多波束覆盖装置，其特征在于，包括：
阵列划分模块，用于对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，使阵元数最少的矩形子阵列对应中心的圆形覆盖区域，其它矩形子阵列按阵元由少到多，依次从圆形覆盖区域的外层开始，由内到外对应每层环形覆盖区域；
波束调整模块，用于调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；
功率分配模块，用于对每一矩形子阵列进行功率分配，以使得每一波束均有链路余量；
所述调整每一矩形子阵列的波束成形角度后，若无法使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，则：
重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，并通过调整每一矩形子阵列的波束成形角度，使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径；
所述对每一矩形子阵列进行功率分配后，若无法使得每一波束均有链路余量，则：
重新对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，调整每一矩形子阵列的波束成形角度，以使得波束覆盖范围满足预设的覆盖半径，并且对每一矩形子阵列进行功率分配，以使每一波束均有链路余量；
所述对天线阵列进行分割，得到多个矩形子阵列，包括：将天线阵列按矩形区域进行分割，并确保最多两个矩形子阵列间有阵元重叠，以得到多个矩形子阵列；
若分割的矩形子阵列有重叠，则所述对每一矩形子阵列进行功率分配，包括：将重叠的阵元对分配的两个矩形子阵列，分别以半功率形式发射波束。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至3任一项所述基于阵列天线分割的多波束覆盖方法的步骤。
6.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述基于阵列天线分割的多波束覆盖方法的步骤。
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