HAP通信中環(huán)形波束的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化*

倪淑燕，吳翔宇，金　山

( 裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

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HAP通信中環(huán)形波束的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化*

倪淑燕，吳翔宇，金山

( 裝備指揮技術(shù)學(xué)院 光電裝備系，北京 101416)

摘要：在高空平臺(tái)通信系統(tǒng)中，平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)攝動(dòng)會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)大量用戶的頻繁切換，嚴(yán)重影響系統(tǒng)通信質(zhì)量。而利用環(huán)形小區(qū)替代傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)能夠有效解決這一問題。針對(duì)環(huán)形波束的一種實(shí)現(xiàn)方式-垂向陣列-進(jìn)行了研究，建立了垂向陣列的方向圖及增益模型，分析了其實(shí)現(xiàn)環(huán)形波束的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上采用旁瓣抑制技術(shù)對(duì)其波束進(jìn)行了優(yōu)化，大大降低了小區(qū)間的干擾，計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：高空平臺(tái)；環(huán)形小區(qū)；垂向陣列；波束優(yōu)化

0引言

高空平臺(tái)(HAP)也稱為臨近空間平臺(tái)或平流層平臺(tái)，其飛行高度一般在20～30 km之間，具有生存能力強(qiáng)、滯空工作時(shí)間長、效費(fèi)比高等優(yōu)勢，可以增強(qiáng)高時(shí)效要求的緊急任務(wù)執(zhí)行能力，具有全天候工作能力。由于介于陸地?zé)o線發(fā)射塔和衛(wèi)星高度之間，HAP通信系統(tǒng)可以兼具陸地?zé)o線通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，具有傳播時(shí)延短、傳播損耗少、所需發(fā)射功率低、便于更新維護(hù)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，因此受到了世界各國越來越高的重視。

目前，飛艇和飛行器等HAP技術(shù)已經(jīng)較為成熟，很多HAP已經(jīng)投入使用或進(jìn)行搭載試驗(yàn)[1]。但是基于HAP的通信系統(tǒng)還沒有進(jìn)入實(shí)用階段，難點(diǎn)之一就是HAP位置保持的非穩(wěn)定性[2]。HAP 位置保持非穩(wěn)定性將引起蜂窩中載波干擾比的變化，造成波束的變形和移動(dòng)，引起通信切換[3]。平臺(tái)旋轉(zhuǎn)是波束移動(dòng)的一種重要形式，在蜂窩波束網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)通信性能的影響尤為嚴(yán)重，會(huì)造成大量用戶的頻繁切換。

針對(duì)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)問題，文獻(xiàn)[4]最早提出了環(huán)形小區(qū)的覆蓋方案，以一系列同心環(huán)構(gòu)筑通信小區(qū)，替代傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)覆蓋，解決平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的影響。但是，由于當(dāng)時(shí)環(huán)形波束的實(shí)現(xiàn)考慮的是采用掃描天線，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且掃描使得通信本身就要不斷的接入-斷線-接入，因此環(huán)形波束一直沒有在HAP平臺(tái)上得到應(yīng)用。近期有人提出了利用垂向陣列天線實(shí)現(xiàn)環(huán)形波束[5-6]，這為環(huán)形波束的應(yīng)用提供了可能。本文介紹了環(huán)形波束小區(qū)覆蓋的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，在此基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)形波束進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步降低旁瓣水平，降低小區(qū)間的干擾。

2HAP通信中的環(huán)形覆蓋方案

對(duì)于蜂窩覆蓋方案，平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)用戶的大量切換，造成資源浪費(fèi)并有可能使用戶掉話，且距離網(wǎng)絡(luò)中心越遠(yuǎn)的用戶受影響越大，而環(huán)形覆蓋方案可以有效解決這個(gè)問題。環(huán)形覆蓋方案由N個(gè)同心環(huán)小區(qū)組成，如圖1所示，每個(gè)環(huán)形小區(qū)的位置和大小由它的中心半徑和寬度決定。一個(gè)環(huán)形小區(qū)相當(dāng)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)蜂窩小區(qū)，小區(qū)內(nèi)使用同一頻段，相鄰小區(qū)使用不同頻段。當(dāng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，同一小區(qū)內(nèi)的用戶不會(huì)產(chǎn)生越區(qū)切換，從而從結(jié)構(gòu)上根本解決了平臺(tái)旋轉(zhuǎn)帶來通信切換問題。對(duì)環(huán)形小區(qū)的進(jìn)一步分析可知，環(huán)形網(wǎng)除了能夠解決飛艇旋轉(zhuǎn)帶來的問題之外，其切換場景和次數(shù)也比蜂窩結(jié)構(gòu)要少，且各個(gè)環(huán)的寬度都可人為設(shè)計(jì)，使得它可以針對(duì)不同用戶密度區(qū)域靈活改變，具有一定的靈活性。

圖1　環(huán)形小區(qū)覆蓋示意

小區(qū)寬度和小區(qū)覆蓋面積是環(huán)形小區(qū)覆蓋的重要參數(shù)，它們決定了平臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)的小區(qū)數(shù)量和大小，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的容量。當(dāng)平臺(tái)高度確定時(shí)，環(huán)形小區(qū)的幾何參數(shù)僅由波束俯仰角和波束寬度決定，這意味著通過采用合適的天線以及適當(dāng)?shù)牟ㄊ尚渭夹g(shù)控制俯仰角和波束寬度就可以產(chǎn)生環(huán)形波束，這對(duì)于根據(jù)不同實(shí)際需求產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)覆蓋結(jié)構(gòu)具有重要意義。

3基于垂向陣列的環(huán)形波束實(shí)現(xiàn)方式

早期的環(huán)形波束可以采用掃描天線實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)性能受到掃描速率和波束重訪時(shí)間的限制，且用戶始終是近似的處于環(huán)形小區(qū)覆蓋之下，其通信本身就要不斷的接入-斷線-接入。而利用垂向陣列天線可以克服這種這種問題。垂向陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其在垂直方向上放置了N個(gè)陣元，每個(gè)真元陣元間距為d。假設(shè)信號(hào)入射俯仰角為θ，方位角為φ，天線增益可由下式給出：

(1)

式中，ω(n)表示第n個(gè)陣元的加權(quán)值。從上式可以看出，G(θ)與方位角φ無關(guān)，產(chǎn)生的是圍繞Z軸均勻輻射的功率模型，即環(huán)形波束。通過使用不同的加權(quán)方式，可以產(chǎn)生不同的波束，采用常規(guī)相位加權(quán)方式，有：

(2)

式中，θ0表示期望波束中心指向。假設(shè)天線陣元20，陣元間距d為1/2波長，θ0為40°，對(duì)常規(guī)加權(quán)時(shí)垂向陣列的方向圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，采用垂向陣列天線時(shí)，無需轉(zhuǎn)動(dòng)天線，也可產(chǎn)生均勻環(huán)狀波束，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形小區(qū)形狀的覆蓋。

圖2　垂向陣列天線示意

圖3　垂向陣列實(shí)現(xiàn)的環(huán)形波束

4環(huán)形波束優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真

對(duì)于環(huán)形小區(qū)覆蓋，一方面為了保證小區(qū)內(nèi)的功率均勻，以利用于功率控制，另一方面為了使覆蓋范圍外的功率泄露盡量小，以降低對(duì)其他小區(qū)的干繞。這就要求天線陣列能夠產(chǎn)生類似矩形的輻射方向圖，也就是平頂波束，即每個(gè)小區(qū)都應(yīng)保證內(nèi)部均勻，邊界明顯，旁瓣低。為了設(shè)計(jì)這種平頂波束方向圖，很多文獻(xiàn)研究了一些復(fù)雜的優(yōu)化算法[5]。而文獻(xiàn)[6]借鑒濾波的思想，將sinc函數(shù)引入到加權(quán)向量中，獲得了平頂波束。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步降低旁瓣，我們對(duì)加權(quán)向量進(jìn)一步優(yōu)化，引入hanning窗函數(shù)[8]：

(3)

而sinc函數(shù)加權(quán)的幅度權(quán)值為：

(4)

式中，B表示期望的波束寬度。在常規(guī)相位加權(quán)的基礎(chǔ)上，利用sinc函數(shù)和hanning窗對(duì)天線接收信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合幅度加權(quán)，得到新的加權(quán)值：

w(n)=ω0(n)ω1(n)ω2(n)=

(4)

可以看出，sinc_hanning加權(quán)值由三項(xiàng)組成，其中ω0(n)是單純的相位加權(quán)，其目的是為了將波束中心指向期望信號(hào)方向，相位加權(quán)只能改變波束指向，并不能改變波束形狀。而利用w2(n)進(jìn)行幅度加權(quán)可使波束形狀從波浪形變?yōu)槠巾斝危脀1(n)對(duì)波束進(jìn)一步優(yōu)化以降低旁瓣。

下面對(duì)常規(guī)相位加權(quán)、sinc函數(shù)加權(quán)、三種加權(quán)方式下的環(huán)形波束方向圖進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證所提方法的有效性。設(shè)定陣元數(shù)N為100，陣元間距為半波長，波束指向?yàn)?0°，波束寬度B設(shè)為10°，仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)全局特性

(b)主瓣特性

可以看出，采用常規(guī)加權(quán)方式時(shí)，波束中心具有最高的天線增益，向兩側(cè)增益逐漸遞減，這樣的波束會(huì)造成覆蓋區(qū)內(nèi)功率不均勻分布，不利于功率控制和通信載荷均衡；同時(shí)小區(qū)邊界不明顯，使得在邊界重疊區(qū)內(nèi)，鄰道干擾嚴(yán)重，載干比下降，通信質(zhì)量將受到影響。采用sinc函數(shù)加權(quán)時(shí)，天線主瓣區(qū)域內(nèi)的功率輻射趨于水平，即波束覆蓋范圍內(nèi)具有近似相同的功率分布，而在主瓣區(qū)域外，天線增益迅速下降，小區(qū)具有明顯邊界，旁瓣也有一定降低。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用旁瓣抑制技術(shù)的sinc_hanning加權(quán)方式，在保證主瓣區(qū)域同sinc加權(quán)性能相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，旁瓣電平降低了約40 dB,大大降低了旁瓣對(duì)其他小區(qū)的干擾。

但是，平頂波束的獲得和旁瓣的降低都是以增加主波束的波束寬度為代價(jià)的。在波束寬度相當(dāng)?shù)那闆r下，要獲得平頂波束，其所需的陣元數(shù)遠(yuǎn)大于普通的波束。如果陣元數(shù)目較少，由于陣列的分辨率有限，即時(shí)采用sinc函數(shù)也很難獲得要求的平頂波束。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要在平臺(tái)載荷能力、陣列規(guī)模和系統(tǒng)性能間綜合考慮，尋找最適合的方案。

5結(jié)語

HAP的非穩(wěn)定性是高空平臺(tái)通信系統(tǒng)步入實(shí)用的主要障礙之一。蜂窩覆蓋中難以解決的平臺(tái)旋轉(zhuǎn)引起的通信切換問題，在環(huán)形波束覆蓋方案中得到了徹底的解決。利用垂向陣列實(shí)現(xiàn)環(huán)形波束，相對(duì)于掃描波束更加實(shí)用。本文對(duì)垂向陣列進(jìn)行了建模，驗(yàn)證了利用其實(shí)現(xiàn)環(huán)形波束的可行性，在此基礎(chǔ)上對(duì)波束進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真，使其具有均勻主瓣和低旁瓣特性。該波束應(yīng)用在HAP通信系統(tǒng)，在解決旋轉(zhuǎn)問題的同時(shí)，有利用降低小區(qū)間干擾，縮短同頻復(fù)用距離。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛永江,李體方.臨近空間飛行器發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛航導(dǎo)彈，2011(02): 32-36.

XUE Yong-jiang, LI Ti-fang. Near Space Vehicle Development and Key Technology Analysis. Winged Missiles Journal.2011(02):32-36.

[2]Axiotis D I, Theologou M E, Sykas E D. The Effect of Platform Instability on the System Level Performance of HAPS UMTS [J]. IEEE Communications Letters,2004,8(2):111-113.

[3]管明祥，郭慶， 顧學(xué)邁. 高空平臺(tái)不穩(wěn)定性對(duì)HAPS通信性能影響建模與分析[J]. 電子學(xué)報(bào)，2012,40(10): 1948-1953.

GUAN Ming-xiang, GUO Qing, GU Xue-mai. Model and Evaluation for Performance Effects by Instability of HAP for HAPS Communication[J]. Acta Electronica Sinica,2012,40(10):1948-1953.

[4]Mostafa Nofal, Mohiy Hadhood, Moawad Dessouky, and Yasser Albagory. A Novel Cellular Structure for Stratospheric Platform Mobile Communications[J]. 19th National Radio Science Conference,2002.3:354-360.

[5]Mahmoud A. Elghorab, Ahmed S. Elkorany, Moawad I. Dessouky. Concentric Ring Shaped Cellular Configuration for High Altitude Platforms Using Particle Swarm Optimization[J]. International Journal of Computer Applications,2014,96(6):23-26.

[6]何學(xué)輝，吳兆平，吳順君. 一種任意陣的方向圖模值綜合方法[J].電子學(xué)報(bào)，2010，10(38):2292-2296.HE Xue-hui, WU Zhao-ping, WU Shun-jun. Pattern Systhesis with Desired Magnitude Response for Arbitrary Arrays[J]. Acta Electronica Sinica, 2010,10(38):2292-2296.

[7]Albagory Y. Flat-Top Ring-Shaped Cell Design for High-Altitude Platform Communications[J]. I J Computer Network and Information Security,2013,7:51-57.

[8]鄢社峰，馬遠(yuǎn)良. 傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009：94-96.

YAN She-feng, MAYuan-liang. Sensor Array Beam Pattern Optimization Theory and Application[M]. Beijing: Science Press, 2009: 94-96.

Realization and Optimization of Ring-Shaped Beam in HAP Communication

NI Shu-yan，WU Xiang-yu，JIN Shan

(Department of Photoelectricity Equipment,Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Abstract：In HAP (High Altitude Platform)communication system, platform rotation would cause frequent handoff of massive uses in a short time, thus seriously deteriorating communication quality. An effective method to solve the problem is to use ring cells instead of honey cells. Vertical antenna array, as a realization of the ring beam, is studied, the directional diagram and gain model of the array is established, and its realization mechanism of ring beam also analyzed. In light of this, a side-lobe suppression technique is introduced to optimize the beam shape, thus greatly reducing the interference of among the cells. Computer simulation verifies the validity of the proposed method.

Key words：high altitude platform; ring cell; directional antenna array; beam optimization

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.04.012

*收稿日期：2015-11-18；修回日期：2016-02-28Received date:2015-11-18；Revised date：2016-02-28

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)04-0442-04

作者簡介：

倪淑燕(1981—)，女，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭臻g信息傳輸技術(shù)；

吳翔宇(1991—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信組網(wǎng)技術(shù)；

金山(1990—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信組網(wǎng)技術(shù)。