CN115314081B - 一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法 - Google Patents

一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法。本发明实施例中包括一种混合多波束形成的系统，具体包括：天线阵列，其中，所述天线阵列包括至少一个子阵列，所述子阵列包括多个天线；射频移相器，其中，所述射频移相器用于为所述子阵列中每个天线形成模拟波束，所述模拟波束投射到目标地球区域的设定方向，形成模拟波束覆盖区域，所述模拟波束的数量为多个；所述子阵列的数字端口，用于形成数字波束，所述数字波束聚焦于所述模拟波束所投射到的所述目标地球区域中的局部区域，形成数字波束覆盖区域。通过上述系统，可以保证LEO卫星的高覆盖范围和低功耗。

Description

一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法
本申请要求了2022年04月12日提交的申请号为2022103788660，名称为“一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用的方式结合在本文的申请中。
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法。
背景技术
随着人类进入太空时代来时，卫星系统已经为人类提供了大量的机会，移动卫星通信系统已经成为最有前途的通信技术。用户与卫星通信的最简单方法是利用地球同步轨道，但是，由于近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星与用户之间的距离更短，有更好的通信链路预算，所以LEO卫星越来越多的运用在了通信方面。与地球同步卫星相比，LEO卫星的另一个优势是发射成本较低，减少了响应时间并提高了吞吐量，同时保持了一定的覆盖范围，但是LEO卫星也存在了一定的问题。
现有技术中，LEO卫星可以使用数字波束，也可以使用模拟波束，当使用数字波束时，频带资源有限，数字波束形成可复用频带资源，因此，使用数字波束可以保证足够的覆盖范围，但是硬件实现会消耗过多的板载电池电量，功耗消耗较大；当使用模拟波束时，所述模拟波束为低功率，因此，功耗较小，但是在用户位置分散的场景中无法保证足够的覆盖范围。
综上所述，如何在保证高覆盖范围的同时降低功耗是目前需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种低轨通信卫星空间资源管理与优化方法，可以保证LEO卫星的高覆盖范围和低功耗。
第一方面，本发明实施例提供了一种混合多波束形成的系统，该系统包括：
天线阵列，其中，所述天线阵列包括至少一个子阵列，所述子阵列包括多个天线；
射频移相器，其中，所述射频移相器用于为所述子阵列中每个天线形成模拟波束，所述模拟波束投射到目标地球区域的设定方向，形成模拟波束覆盖区域，所述模拟波束的数量为多个；
所述子阵列的数字端口，用于形成数字波束，所述数字波束聚焦于所述模拟波束所投射到的所述目标地球区域中的局部区域，形成数字波束覆盖区域。
可选的，所述系统还包括：
数模转换器、模数转换器以及分频器。
可选的，所述模拟波束宽度为βa，所述数字波束的宽度为βd，每个所述模拟波束中包含Nd＝(βa/βd)2·π/4个所述数字波束。
可选的，所述天线阵列辐射范围为γ，对应Na＝(γ/βa)2种覆盖范围。
可选的，每个所述子阵列包括Npatch个天线，所述下行通道数量为NDL，所述上行通道数量为NUL，所述数模转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NDL倍，所述模数转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NUL倍。
可选的，每个所述模拟波束覆盖区域包括多个所述数字波束覆盖区域，所述数字波束覆盖区域中包括至少一个用户。
可选的，每个所述用户包括对应的用户信息，其中，所述用户信息包括GPS数据、所述用户分配的资源、所述用户ID以及所述用户对应的数字波束的索引。
可选的，所述系统还包括：
波束覆盖区开关，用于管理所述天线的辐射功率。
可选的，所述模拟波束覆盖区域与所述用户的特定曲线相交，所述模拟波束覆盖区域的形状和大小取决于所述模拟波束的偏离角和卫星的高度，其中，所述卫星为所述天线阵列所属的卫星。
可选的，所述系统采用设定调度算法，响应于所述用户稀少地区，所述子阵列的边缘部分。
本发明实施例包括一种混合多波束形成的系统，具体包括：天线阵列，其中，所述天线阵列包括至少一个子阵列，所述子阵列包括多个天线；射频移相器，其中，所述射频移相器用于为所述子阵列中每个天线形成模拟波束，所述模拟波束投射到目标地球区域的设定方向，形成模拟波束覆盖区域，所述模拟波束的数量为多个；所述子阵列的数字端口，用于形成数字波束，所述数字波束聚焦于所述模拟波束所投射到的所述目标地球区域中的局部区域，形成数字波束覆盖区域。通过上述系统，可以保证LEO卫星的高覆盖范围和低功耗。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例中一种混合多波束形成的系统示意图；
图2是本发明实施例中一种天线阵列示意图；
图3是本发明实施例中一种模拟波束和所述数字波束的辐射方向示意图；
图4是本发明实施例中一种覆盖范围示意图；
图5是本发明实施例中一种地球表面的椭圆形状转换为地球上的平面坐标系中的圆形覆盖区域示意图；
图6是本发明实施例中一种转换坐标示意图；
图7是本发明实施例中一种用户在数字波束内的定位时间示意图；
图8是本发明实施例中一种用户在数字波束覆盖区域内的运动轨迹示意图；
图9是本发明实施例中一种数字波束内的用户示意图；
图10是本发明实施例中一种下行信道波束数量示意图；
图11是本发明实施例中一种上行信道波束数量示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明公开进行描述，但是本发明公开并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明公开。为了避免混淆本发明公开的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个申请文件中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
自太空时代开始以来，卫星系统已经为人类提供了大量的机会。移动卫星通信系统已经成为最有前途的通信技术。用户与卫星通信的最简单方法是利用地球同步轨道，但是，因为用户与LEO卫星之间的距离更短，有更好的通信链路预算，所以LEO卫星通常被来通信。与地球同步卫星相比的优势是LEO卫星发射成本较低，LEO卫星减少了响应时间并提高了吞吐量，同时保持了一定的覆盖范围。然而，大规模卫星移动通信系统的开发经验仍然有限。这使LEO卫星成为一项非常危险的业务和非常有吸引力的投资，因为该领域没有被移动通信巨头占据。卫星通信可以通过大量的LEO卫星网络为我们提供无处不在的高速互联网接入。如果成功这将彻底改变通信系统，将影响行业、服务，进而影响人们的生活。LEO卫星通信中的问题之一是低功率空间资源管理，因为硬件实现会消耗过多的板载电池电量的原因，所以星上天线无法实现全数字波束形成。相比之下，低功率模拟波束形成在用户位置分散的场景中无法保证足够的覆盖范围。因此，如何在保证高覆盖范围的同时降低功耗是目前需要解决的问题。
本发明实施例中，为了解决如何实现覆盖范围与功耗达到较好平衡，提出了一种混合多波束形成的系统，具体如图1所示，图1是本发明实施例的一种混合多波束形成的系统示意图。具体包括：天线阵列101、射频移相器102和数字端口103，具体的，天线阵列101，其中，所述天线阵列包括至少一个子阵列1011，所述子阵列包括多个天线；射频移相器102，其中，所述射频移相器用于为所述子阵列中每个天线形成模拟波束，所述模拟波束投射到目标地球区域的设定方向，形成模拟波束覆盖区域，所述模拟波束的数量为多个；所述子阵列的数字端口103，用于形成数字波束，所述数字波束聚焦于所述模拟波束所投射到的所述目标地球区域中的局部区域，形成数字波束覆盖区域。
在一种可能的实现方式中，假设，所述天线阵列包括12*12＝144个子阵列，采用Narray表示，其中，每个子阵列包括8*8＝64个天线，采用Npatch表示，因此，所述天线阵列包括12*12*8*8个天线，具体如图2所示，所述天线也可以称为天线单元，本发明实施例对其不做限定。
在一种可能的实现方式中，由于子阵列的射频移相器形成模拟波束，所述子阵列的数字端口形成数字波束，其中，所述模拟波束和所述数字波束的辐射方向如图3所示。
本发明实施例中，基于所述模拟波束和所述数字波束混合的多波束结构，假设，所述模拟波束宽度为βa，所述数字波束的宽度为βd，每个所述模拟波束中包含Nd＝(βa/βd)2·π/4个所述数字波束；所述天线阵列辐射范围为γ，对应Na＝(γ/βa)2种覆盖范围。
举例说明，所述模拟波束宽度为βa＝7°，所述数字波束可实现的最小宽度为βd＝0.4°，因此，每个模拟波束包含大约Nd＝(βa/βd)2·π/4＝240个数字波束；一个天线阵列辐射范围是γ＝112°，所以有Na＝(γ/βa)2＝256个可能的覆盖范围，如图4所示，右侧的所述子阵列1对应的覆盖范围为左侧的区域1，所述右侧的所述子阵列16对应的覆盖范围为左侧的区域16，右侧的所述子阵列58对应的覆盖范围为左侧的区域58，右侧的所述子阵列85对应的覆盖范围为左侧的区域85，右侧的所述子阵列240对应的覆盖范围为左侧的区域240，右侧的所述子阵列256对应的覆盖范围为左侧的区域256。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：数模转换器、模数转换器以及分频器。
本发明实施例中，每个所述子阵列包括Npatch个天线，所述下行通道数量为NDL，所述上行通道数量为NUL，所述数模转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NDL倍，所述模数转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NUL倍。
假设分频器的分频数是为7，即采用Ndiv＝7的频分方案平衡波束间干扰和资源复用的折衷方案；下行(DL)信道中的模拟波束数由NDL＝4和上行(UL)信道中的NUL＝8给出，在UL信道中需要保留1个模拟波束仅用于用户搜索；在DL中，使用NDL＝4个模拟光束，与全数字波束成形相比，将DAC数模转换器的数量减少Npatch/NDL＝16倍，在UL中，与全数字波束成形相比，ADC模数转换器数量减少了Npatch/NUL＝8倍。系统带宽为W＝36MHz，对NDFT＝512个点执行离散傅里叶变换(DFT)。UL包含固定数量的独立数据通道，而DL可以将任何带宽分配给单个用户；因为终端的功率有限，所以与DL相比，UL传输的速率要低得多。
在一种可能的实现方式中，所述系统的目标最多是为Nmax＝104个用户提供R＝9600bps语音通信；数据包应至少按照每Tmax＝50ms传输一次，以提供高质量的语音通信音，因为当每次数据包传输时间超过50ms，会感受到明显的语言通信延迟，因此传输时间要小于或等于50ms。
本发明实施例中，所述模拟波束覆盖区域与所述用户的特定曲线相交，所述模拟波束覆盖区域的形状和大小取决于所述模拟波束的偏离角和卫星的高度，其中，所述卫星为所述天线阵列所属的卫星。具体的，如图4左侧带箭头的曲线即所述用户的特定曲线。
在一种可能的实现方式中，为了简化计算，将模拟波束覆盖区域或者数字波束覆盖区域由地球表面的椭圆形状转换为地球上的平面坐标系中的圆形覆盖区域，具体如图5所示，即将天顶角和方位角(θ,φ)转移到(u,v)坐标，具体的转换坐标如图6所示。
本发明实施例中，每个所述模拟波束覆盖区域包括多个所述数字波束覆盖区域，所述数字波束覆盖区域中包括至少一个用户，所述用户为活跃用户，每个所述用户包括对应的用户信息，其中，所述用户信息包括GPS数据、所述用户分配的资源、所述用户ID以及所述用户对应的数字波束的索引。
本发明实施例中，在通信过程中，用户注册后，用户的ID和GPS坐标储存在非活跃用户的数据库中；建立语音通信或网络(Internet)访问后，非活跃用户变为活跃用户，并将信息传输到活跃用户的数据库；为UL和DL信道分配的时频资源、GPS坐标、用户速度、用户ID、调制指数和码率都存储在相应的数据库中；数据库中用户信息按照GPS坐标、时频资源等划分至不同的数组中进行存储，数组的数量等于模拟波束覆盖区域的数量；每个数组都包含相关模拟波束覆盖区内的用户信息，并由记录组成，每条记录代表模拟波束内的数字波束，每条记录包含最多M个字段，对应于数字波束内的用户数量。
在一种可能的实现方式中，每个用户都被分配了一个状态，通知所述用户多长时间可以离开数字波束，但是在离开后必须重新分配所述用户占用的资源，数据库中的每条记录都被分配了状态，标志着应该多长时间更新该记录，本发明实施例提供了数字波束内用户定位时间的计算，如图7所示。具有“立即重新分配”状态的用户被称为“热”用户。一方面，若所述“热”用户在模拟波束覆盖区内从一个数字波束覆盖区移动到另一个数字波束覆盖区，只需要修改数据库数组中的两条记录，而无需改变为其分配的相关信道参数。另一方面，“热”用户可以离开模拟波束覆盖区域，在这种情况下，为用户修改随机存取存储器(RAM)中的两个数组的内容，上述行为称为切换，优化资源管理的目的在与避免上述情况的发生。
活跃用户的处理包括从外部RAM的原数组中读取所述“热”用户的原记录，重新计算“热”用户所处的数字波束，更新“热”用户的时频资源，更新属于新数字波束的新RAM中的记录。因此，为了处理活跃用户，需要根据模拟波束的数量来存储Na＝256个数组的RAM。根据模拟波束中数字波束的数量，计算出每个数组中又包含Nd＝240条记录。在实践中，每条记录最多可以包含Mactive＝100个字段，对应了在5km×5km的数字波束覆盖范围内最多存在100个活跃用户。字段大小约为Kactive＝200位(对于UL和DL通道，各大约为100位)。因此，活跃用户至少需要D＝Na×Nd×Mactive×Kactive＝256×240×100×200＝1.23Gbit大小的外部存储器，而从一个波束到另一个波束的用户跟踪需要1.15Gbit的内存大小，因此大部分的内存占用都来自于切换中发生的用户跟踪。所以为了避免在模拟波束内切换而重新分配时频资源，除了标准技术外，我们还应该使用特定的时频资源分配，其中分配给用户的频率会随着波束点索引的增长而增加，用户在数字波束覆盖区域内的运动轨迹如图8所示。
当卫星移动时，用户需要从一个数字波束转移到另一个，从一个模拟波束转移到另一个，从一个卫星转移到另一个，实现切换。在系统进行模拟时，大约12.5％的活跃用户需要在未激活的情况下更改数字波束，由于所述模拟波束比所述数字波束宽17.5倍，即7°/0.4°＝17.5，因此，并且只有12.5％/17.5＝0.7％的活跃用户必须在改变数字波束时改变时频资源，所以在本发明实施例中，因为切换的概率较小，所以用户资源方面的消耗较小。
在一种可能的实现方式中，在保证覆盖范围方面，若需要保证足够大的覆盖区域，应尽量最小化数据包的长度，以确保快速在模拟波束间切换并与其他用户进行通信。然而因为终端的功率有限，如果要保证通信效率，最好是通过窄带长包传输数据，即在频分复用(FDM)模式下，避免多个同步符号传输并减少服务信息的部分，同时，模拟波束在人烟稀少的地区运行的时间相当长，而这些地区的频谱几乎是空的。在这种情况下，资源没有得到最佳利用，导致对那些用户密度更高的区域的覆盖范围有限。因此，数据包不应太长或太短。
本发明实施例中，在系统中增加了调度算法，针对于LEO卫星在人口稀少的地区运行的情况，例如，南极和北极，子阵列的边缘部分可以在TX和RX模式下被关闭以节省能源和电池寿命。
在一种可能的实现方式中，LEO卫星通过UL信道和DL信道与用户进行通信，每个数据包包含同步前导码、控制和数据通道；UL和DL控制信道用于传输时频资源、GPS坐标、信道质量信息(CQI)、调制和编码方案(MCS)等相关信息。频分复用(FDM)和时分复用(TDM)在DL信道中的每个数据包内部实现；DL数据信道中的频谱被划分为单独的频段(即，资源块RB)；在每个RB内部，只能有一个用户传输信息。DL的控制信道占用一个单独的频带，出于节能的原因，每个用户每1s更新一次信息。UL通道中的用户通过GPS时间戳同步，精度小于100ns，但在频域中不同步。因此，需要将UL中的频段划分为几个固定的子频段，只要保证一个频段内只有一个用户在传输数据，那么频域中就不需要所有用户同步。UL信道包含一个窄带控制信道，在该信道中为每个用户分别传输信息。为了有效利用频率资源，控制信息在UL信道中每1秒发送一次。
在一种可能的实现方式中，在所述系统中，ITU-RM.1225的信道模型被选为LEO卫星通信的基线，当LEO卫星绕地球移动时，多普勒频移会发生变化，所述多普勒频移取决于轨道卫星速度、用户速度、地球表面速度、用户位置、视角等参数。所述多普勒频移的最大频移为：
fd＝2(Vsat sinγ+Vuser+Vearth)/λ＝580kHz
其中，λ＝c/fc＝0.015m是波长，c＝3×108m/s是光速，fc＝20×109Hz是载波频率，Vsat＝7572m/s为卫星最大轨道速度，Vuser＝100m/s是用户最大速度，Vearth＝470m/s是地球表面最大速度，γ＝30°是数字波束偏离角的最大值。
在一种可能的实现方式中，对于TX模式和RX模式，需要提前对卫星端时域中每个模拟波束的预期频移平均值进行补偿。如前所述，模拟波束宽度为βa＝7°，数字波束中心与模拟波束中心的最大偏离角等于βa/2＝3.5°，因此，相对于模拟波束中心的相对多普勒频移等于：
本发明实施例中，先前的频移补偿极大地简化了同步前导码检测并增加了接收端成功分组解码的概率。同步前的导码检测导致服务数据信息在总流量中的比例更高，从而减少了有用信息的数量。因此，附近的用户在DL中按虚拟数字波束，其中，虚拟数字波束表示一组空间相邻且频率不同的真实数字波束，以减少服务数据和使用公共同步符号，数字波束内的用户如图9所示，上述方法增加了数据包检测成功的概率，同时服务数据冗余较少，然而，当卫星将信号准确地辐射到虚拟数字波束的中心时，每个用户在辐射方向图的斜率上都会有高达3dB的性能损失；为了解决上述问题，第一个同步符号应该辐射到虚拟数字波束的中心，而其他符号分别精确地辐射到每个用户。
在一种可能的实现方式中，信道旨在扫描区域并搜索新的未注册用户或呼叫用户，同步信号辐射由GPS时间戳定义，PRACH信道也会扫描用户，但需要预留更高的频段(例如，FDM-PRACH)或较长的周期(例如，TDM-PRACH)来解决同时传输数据的用户的冲突。通信过程中信道中的信号几乎是连续辐射的，而PRACH信道中的信号则要少得多，因此可以排除不活动的用户分布区域，分配更多时间在包含活跃用户的区域，增益非常高。所述PRACH信道与寻常信道的区别在于所述PRACH信道只聚合活动数字波束，而普通信道中的数字波束总数要高得多。
在一种可能的实现方式中，在UL信道中，所有用户通过GPS及时间戳同步，然而，由于数字波束内的用户位置是未知的，信号延迟由用户在数字波束地球覆盖范围内的位置和视角决定，数字波束中2个用户之间的距离为：
L＝(d×sinβd)/tanθ＝6.3km
其中，d＝900km是卫星到波束中心的距离，βd＝0.4°是数字波束宽度，θ＝45°是视角。因此，数字波束内的2个用户接收到相同的具有最大延迟的数据包(即，数据包保护间隔)为：
τ＝L/c＝21μs，
其中，c＝3×108m/s是光速。
本发明实施例中，多个用户可以同时在信道中传输信号，因为冲突在PRACH信道中得到解决。在PRACH信道中，数据包通过几个窄带非周期性地传输。PRACH频道包含用于注册的用户信息并为其分配相应的时频资源。如果PRACH信道中没有冲突的用户，则未注册用户变为注册用户并将时频资源分配给已注册的非活跃用户。需要注意的是，普通信道和PRACH信道同时运行，因为PRACH信道也可以为新的未注册用户提供数据包传输，所以用户也可以在没有一般信道的情况下注册。
在具体实践中，LEO卫星的吞吐量主要受通信链路预算的限制，取决于最大辐射功率和天线阵列增益，所述天线阵列如图2所示，其辐射功率足以为Nmax＝104个用户提供R＝9600bps的语音通信。假设吞吐量与模拟波束的数量无关，而系统覆盖和功耗很大程度上取决于NDL和NUL，在图10和图11分别展示了系统性能如何取决于两个通道中的模拟波束数量的数值结果。其中，所述图10为下行信道波束数量，所述图11为上行信道波束数量，由于混合波束的设计，模拟波束的数量可以是2、4、8、16、32...等等，本发明实施例对其不做限定。
在一种可能的实现方式中，功耗按照卫星总电池电量的百分比计算，覆盖范围按照卫星覆盖区域中最大用户数Nmax＝104中能够进行至少R＝9600bps语音通信的百分比计算，为上述用户提供语音通信，至少需要NDL＝4和NUL＝8的模拟波束，当所述NDL＝4以及所述NUL＝8从功耗的角度来看这是最佳的。在上述情况下，天线阵列的接收器和发射器会消耗大约50％的电池电量。若此时模拟波束数量进一步减少，可以降低功耗，但覆盖范围会很小。而模拟波束数量的任何增加都需要增加额外的ADC和DAC，从而导致额外的功耗。
举例说明，NDL＝64配置对应于全数字波束成形，其中每个天线的元件都配备了DAC。在上述情况下，DL通道的功耗超过电池电量的2.5倍，在当前设计中无法实现。NDL＝4的数量受非均匀用户分布的限制，而NUL＝8的数量受均匀用户分布的限制，可以通过用户设备的有限峰值功率来解释，因此，用户分布分别为UL和DL信道定义了最佳的混合多波束形成结构。为了证明上述结果的合理性，具体实施例如下。
在一种可能的实现方式中，首先是确定下行数据包的大小，LEO卫星每Tmax＝50ms与用户通信，为保证语音质量,数据速率应为R＝9600bps，编码速率应为r＝0.5，因此，数据包大小为：
Nbits＝R×Tmax/r＝9600×0.05/0.5＝960bits
在一种可能的实现方式中，确定模拟波束数选择NDL＝4的配置。
所述系统参数中Nmax＝104是最大用户数，Na＝256是模拟波束覆盖区用户个数和Nd＝240是数字波束覆盖区用户个数，Ndiv＝7的分频方案。
在上述情况下，若用户分布均匀，每个数字波束包含1个用户或没有用户，那么所有模拟波束覆盖区中的所有数字波束区域内的用户总数可以计算为：Nuser＝Na×Nd＝61440。Nuser远远超过了Nmax，所以完全可以覆盖，为Nmax个用户提供语音通信服务。因为在不同频率的数字波束中，所有用户可以同时工作而不会相互干扰，因此NDL＝4波束所需的处理时间为：Tproc＝Na×Tp/NDL＝256×256μs/4＝16.4毫秒。因此，Tproc<Tmax，即NDL波束的覆盖范围足够，且功耗较低，同时时延较低。Tp是带有保护间隔的信令数据包长度，计算公式如下：Tp＝Tss×8symbols+τ＝476μs，信道中的符号长度为Tss＝1/fsig＝56.9μs，信道中子载波之间的距离为fsig＝17.5kHz。
在这种情况下，若用户分布不均匀。每个数字波束包含Nch＝NDFT/Nsc＝512/32＝16个独立数据通道，其中，每个用户一个通道，NDFT＝512是DFT离散傅里叶变换的大小，并且Ndiv＝7分频方案用于划分模拟波束内的共址用，所有模拟波束覆盖区内的共址用户总数计算如下：
Nuser＝Nch×Ndiv×Na＝28672，Nuser>Nmax
所需处理时间如下：
Tproc＝(Nmax×Na×Tp×Ndiv)/(NDL×Nuser)＝(104×256×256μs×7)/(4×28672)＝40.0ms，因此，Tproc<Tmax，NDL＝4足够满足条件。
在一种可能的实现方式中，选择上行链路中的模拟波束数为NUL＝8的配置，其中，1个保留用于用户搜索而其他用于数据传输。由于用户设备电池的峰值功率有限，上行链路中的模拟波束数量应多于下行链路。UL中的数据包长度。假设用户分配了Nsc＝8个子载波的带宽用于数据传输。上行数据包大小为:
Tp＝Ts×(1+Nbits/(m×Nsc))＝16×(1+960/(2×8))≈1ms
在这种情况下，若用户分布均匀。每个数字波束包含1个用户或没有用户，那么所有模拟波束覆盖区中的所有数字波束区域内的用户总数可以计算为：Nuser＝Na×Nd＝61440，Nuser远远超过了Nmax，所以完全可以覆盖，为Nmax个用户提供语音通信服务，NUL＝8波束所需的处理时间为：
Tproc＝Na×Tp/(NUL–1)＝256×1ms/7＝16.4ms
因此，Tproc<Tmax。
在这种情况下，若用户分布不均匀，每个数字波束包含Nch＝NDFT/Nsc＝512/8＝64个独立数据通道，同样采用Ndiv＝7的分频方案。
Nuser＝Nch×Ndiv×Na＝114668，Nuser>Nmax
Tproc＝(Nmax×Na×Tp×Ndiv)/(NDL×Nuser)＝(104×256×1ms×7)/(7×114668)＝22.3ms，Tproc<Tmax，因此，NUL＝8足够满足条件。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：波束覆盖区开关，用于管理所述天线的辐射功率。
具体的，所述波束覆盖区指的是通信卫星天线波束照射的位置，在覆盖区内，卫星的等效全向辐射功率必须满足地球接收站灵敏度所需的电平要求，因此在卫星不工作的时候，需要开关来管理卫星天线的辐射功率，以达到降低功耗的目的。
如本领域技术人员将意识到的，本发明实施例的各个方面可以被实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明实施例的各个方面可以采取如下形式：完全硬件实施方式、完全软件实施方式(包括固件、常驻软件、微代码等)或者在本文中通常可以都称为“电路”、“模块”或“系统”的将软件方面与硬件方面相结合的实施方式。此外，本发明实施例的各个方面可以采取如下形式：在一个或多个计算机可读介质中实现的计算机程序产品，计算机可读介质具有在其上实现的计算机可读程序代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是如(但不限于)电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、设备或装置，或者前述的任意适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷尽列举)将包括以下各项：具有一根或多根电线的电气连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储装置、磁存储装置或前述的任意适当的组合。在本发明实施例的上下文中，计算机可读存储介质可以为能够包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用的程序或结合指令执行系统、设备或装置使用的程序的任意有形介质。
计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，所述传播的数据信号具有在其中如在基带中或作为载波的一部分实现的计算机可读程序代码。这样的传播的信号可以采用多种形式中的任何形式，包括但不限于：电磁的、光学的或其任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是以下任意计算机可读介质：不是计算机可读存储介质，并且可以对由指令执行系统、设备或装置使用的或结合指令执行系统、设备或装置使用的程序进行通信、传播或传输。
可以使用包括但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等或前述的任意适当组合的任意合适的介质来传送实现在计算机可读介质上的程序代码。
用于执行针对本发明实施例各方面的操作的计算机程序代码可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，所述编程语言包括：面向对象的编程语言如Java、Smalltalk、C++等；以及常规过程编程语言如“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可以作为独立软件包完全地在用户计算机上、部分地在用户计算机上执行；部分地在用户计算机上且部分地在远程计算机上执行；或者完全地在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，可以将远程计算机通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)的任意类型的网络连接至用户计算机，或者可以与外部计算机进行连接(例如通过使用因特网服务供应商的因特网)。
上述根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图图例和/或框图描述了本发明实施例的各个方面。将要理解的是，流程图图例和/或框图的每个块以及流程图图例和/或框图中的块的组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供至通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器，以产生机器，使得(经由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的)指令创建用于实现流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的装置。
还可以将这些计算机程序指令存储在可以指导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以特定方式运行的计算机可读介质中，使得在计算机可读介质中存储的指令产生包括实现在流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令还可以被加载至计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置上，以使在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列可操作步骤来产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混合多波束形成的系统，其特征在于，该系统包括：
天线阵列，其中，所述天线阵列包括至少一个子阵列，所述子阵列包括Npatch个天线，其中，所述Npatch个天线的数量用于确定与全数字波束成形相比上行通道数量和下行通道数量减少的倍数；
射频移相器，其中，所述射频移相器用于为所述子阵列中每个天线形成模拟波束，所述模拟波束投射到目标地球区域的设定方向，形成模拟波束覆盖区域，所述模拟波束的数量为多个，其中，所述模拟波束覆盖区域的形状和大小由所述模拟波束的偏离角和卫星的高度确定；
所述子阵列的数字端口，用于形成数字波束，所述数字波束聚焦于所述模拟波束所投射到的所述目标地球区域中的局部区域，形成数字波束覆盖区域；
其中，所述系统还包括数模转换器、模数转换器、分频器以及波束覆盖区开关，其中，所述波束覆盖区开关用于管理所述天线的辐射功率；所述模拟波束宽度为βa，所述数字波束的宽度为βd，每个所述模拟波束中包含 Nd = (βa/βd)2·π/4 个所述数字波束。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述天线阵列辐射范围为γ，对应Na = (γ/βa)2种覆盖范围。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述子阵列包括Npatch个天线，所述下行通道数量为NDL，所述上行通道数量为NUL，所述数模转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NDL倍，所述模数转换器相比全数字波束成形相比减少Npatch/NUL倍。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述模拟波束覆盖区域包括多个所述数字波束覆盖区域，所述数字波束覆盖区域中包括至少一个用户。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，每个所述用户包括对应的用户信息，其中，所述用户信息包括GPS数据、所述用户分配的资源、所述用户ID以及所述用户对应的数字波束的索引。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述模拟波束覆盖区域与所述用户的特定曲线相交，所述模拟波束覆盖区域的形状和大小取决于所述模拟波束的偏离角和卫星的高度，其中，所述卫星为所述天线阵列所属的卫星。
7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统采用设定调度算法，响应于所述用户稀少地区，所述子阵列的边缘部分。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106063148A (zh) * 2014-03-24 2016-10-26 Lg电子株式会社 在无线通信系统中执行混合波束成形的方法及其设备
CN108390703A (zh) * 2018-01-25 2018-08-10 成都天锐星通科技有限公司 一种多波束相控阵天线机构
CN109495141A (zh) * 2018-03-12 2019-03-19 徐立 一种模数混合基带多波束形成方法及在无线通信系统应用
CN109921198A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国移动通信有限公司研究院 一种模数混合的天线阵列
US10594383B1 (en) * 2018-12-28 2020-03-17 Intel Corporation Beam tracking for 5G millimeter-wave systems
CN113411149A (zh) * 2021-05-20 2021-09-17 东南大学 低轨卫星移动通信地面实验系统
CN113630166A (zh) * 2016-03-03 2021-11-09 Idac控股公司 用于波束成形系统内的波束控制的方法及设备
CN113992260A (zh) * 2021-11-19 2022-01-28 东方红卫星移动通信有限公司 一种低轨卫星宽窄带波束协同控制方法
CN114124194A (zh) * 2021-11-15 2022-03-01 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于数字信道化波束形成的星上柔性交换系统及方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8090336B2 (en) * 2009-02-27 2012-01-03 Lockheed Martin Corporation Self focusing distributed communications array
GB2571592B (en) * 2015-10-30 2021-07-21 Michaels Paris Mobile satellite communication system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106063148A (zh) * 2014-03-24 2016-10-26 Lg电子株式会社 在无线通信系统中执行混合波束成形的方法及其设备
CN113630166A (zh) * 2016-03-03 2021-11-09 Idac控股公司 用于波束成形系统内的波束控制的方法及设备
CN109921198A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国移动通信有限公司研究院 一种模数混合的天线阵列
CN108390703A (zh) * 2018-01-25 2018-08-10 成都天锐星通科技有限公司 一种多波束相控阵天线机构
CN109495141A (zh) * 2018-03-12 2019-03-19 徐立 一种模数混合基带多波束形成方法及在无线通信系统应用
US10594383B1 (en) * 2018-12-28 2020-03-17 Intel Corporation Beam tracking for 5G millimeter-wave systems
CN113411149A (zh) * 2021-05-20 2021-09-17 东南大学 低轨卫星移动通信地面实验系统
CN114124194A (zh) * 2021-11-15 2022-03-01 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于数字信道化波束形成的星上柔性交换系统及方法
CN113992260A (zh) * 2021-11-19 2022-01-28 东方红卫星移动通信有限公司 一种低轨卫星宽窄带波束协同控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Practical Channel Estimation Scheme for Sub-Connected Hybrid Massive MIMO Systems;Zijian Zhang;2019 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB);全文 *
基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现;梁广;电子与信息学报;第32卷(第6期);全文 *
毫米波无线通信系统混合波束成形综述;束锋;数据采集与处理;第32卷(第3期);全文 *

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