HAP通信中環形波束的實現及優化*

倪淑燕，吳翔宇，金　山

( 裝備指揮技術學院 光電裝備系，北京 101416)

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HAP通信中環形波束的實現及優化*

倪淑燕，吳翔宇，金山

( 裝備指揮技術學院 光電裝備系，北京 101416)

摘要：在高空平臺通信系統中，平臺的旋轉攝動會造成短時間內大量用戶的頻繁切換，嚴重影響系統通信質量。而利用環形小區替代傳統的蜂窩小區能夠有效解決這一問題。針對環形波束的一種實現方式-垂向陣列-進行了研究，建立了垂向陣列的方向圖及增益模型，分析了其實現環形波束的機理，在此基礎上采用旁瓣抑制技術對其波束進行了優化，大大降低了小區間的干擾，計算機仿真結果驗證了方法的有效性。

關鍵詞：高空平臺；環形小區；垂向陣列；波束優化

0引言

高空平臺(HAP)也稱為臨近空間平臺或平流層平臺，其飛行高度一般在20～30 km之間，具有生存能力強、滯空工作時間長、效費比高等優勢，可以增強高時效要求的緊急任務執行能力，具有全天候工作能力。由于介于陸地無線發射塔和衛星高度之間，HAP通信系統可以兼具陸地無線通信系統和衛星通信系統的優勢，具有傳播時延短、傳播損耗少、所需發射功率低、便于更新維護、機動靈活等特點，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技術已經較為成熟，很多HAP已經投入使用或進行搭載試驗[1]。但是基于HAP的通信系統還沒有進入實用階段，難點之一就是HAP位置保持的非穩定性[2]。HAP 位置保持非穩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，引起通信切換[3]。平臺旋轉是波束移動的一種重要形式，在蜂窩波束網絡中，對通信性能的影響尤為嚴重，會造成大量用戶的頻繁切換。

針對平臺旋轉問題，文獻[4]最早提出了環形小區的覆蓋方案，以一系列同心環構筑通信小區，替代傳統的蜂窩小區覆蓋，解決平臺旋轉的影響。但是，由于當時環形波束的實現考慮的是采用掃描天線，其實現復雜，且掃描使得通信本身就要不斷的接入-斷線-接入，因此環形波束一直沒有在HAP平臺上得到應用。近期有人提出了利用垂向陣列天線實現環形波束[5-6]，這為環形波束的應用提供了可能。本文介紹了環形波束小區覆蓋的幾何結構和實現方式，在此基礎上對環形波束進行了優化，進一步降低旁瓣水平，降低小區間的干擾。

2HAP通信中的環形覆蓋方案

對于蜂窩覆蓋方案，平臺的旋轉會造成短時間內用戶的大量切換，造成資源浪費并有可能使用戶掉話，且距離網絡中心越遠的用戶受影響越大，而環形覆蓋方案可以有效解決這個問題。環形覆蓋方案由N個同心環小區組成，如圖1所示，每個環形小區的位置和大小由它的中心半徑和寬度決定。一個環形小區相當于蜂窩網絡中的一個蜂窩小區，小區內使用同一頻段，相鄰小區使用不同頻段。當平臺旋轉時，同一小區內的用戶不會產生越區切換，從而從結構上根本解決了平臺旋轉帶來通信切換問題。對環形小區的進一步分析可知，環形網除了能夠解決飛艇旋轉帶來的問題之外，其切換場景和次數也比蜂窩結構要少，且各個環的寬度都可人為設計，使得它可以針對不同用戶密度區域靈活改變，具有一定的靈活性。

圖1　環形小區覆蓋示意

小區寬度和小區覆蓋面積是環形小區覆蓋的重要參數，它們決定了平臺覆蓋范圍內的小區數量和大小，從而影響到整個系統的容量。當平臺高度確定時，環形小區的幾何參數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的波束成形技術控制俯仰角和波束寬度就可以產生環形波束，這對于根據不同實際需求產生相應的環形網絡覆蓋結構具有重要意義。

3基于垂向陣列的環形波束實現方式

早期的環形波束可以采用掃描天線實現，其系統性能受到掃描速率和波束重訪時間的限制，且用戶始終是近似的處于環形小區覆蓋之下，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。垂向陣列天線的結構如圖2所示，其在垂直方向上放置了N個陣元，每個真元陣元間距為d。假設信號入射俯仰角為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個陣元的加權值。從上式可以看出，G(θ)與方位角φ無關，產生的是圍繞Z軸均勻輻射的功率模型，即環形波束。通過使用不同的加權方式，可以產生不同的波束，采用常規相位加權方式，有：

(2)

式中，θ0表示期望波束中心指向。假設天線陣元20，陣元間距d為1/2波長，θ0為40°，對常規加權時垂向陣列的方向圖進行仿真，結果如圖3所示。可以看出，采用垂向陣列天線時，無需轉動天線，也可產生均勻環狀波束，從而實現環形小區形狀的覆蓋。

圖2　垂向陣列天線示意

圖3　垂向陣列實現的環形波束

4環形波束優化設計及仿真

對于環形小區覆蓋，一方面為了保證小區內的功率均勻，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，以降低對其他小區的干繞。這就要求天線陣列能夠產生類似矩形的輻射方向圖，也就是平頂波束，即每個小區都應保證內部均勻，邊界明顯，旁瓣低。為了設計這種平頂波束方向圖，很多文獻研究了一些復雜的優化算法[5]。而文獻[6]借鑒濾波的思想，將sinc函數引入到加權向量中，獲得了平頂波束。在此基礎上，為了進一步降低旁瓣，我們對加權向量進一步優化，引入hanning窗函數[8]：

(3)

而sinc函數加權的幅度權值為：

(4)

式中，B表示期望的波束寬度。在常規相位加權的基礎上，利用sinc函數和hanning窗對天線接收信號進行聯合幅度加權，得到新的加權值：

w(n)=ω0(n)ω1(n)ω2(n)=

(4)

可以看出，sinc_hanning加權值由三項組成，其中ω0(n)是單純的相位加權，其目的是為了將波束中心指向期望信號方向，相位加權只能改變波束指向，并不能改變波束形狀。而利用w2(n)進行幅度加權可使波束形狀從波浪形變為平頂形，利用w1(n)對波束進一步優化以降低旁瓣。

下面對常規相位加權、sinc函數加權、三種加權方式下的環形波束方向圖進行仿真分析，以驗證所提方法的有效性。設定陣元數N為100，陣元間距為半波長，波束指向為40°，波束寬度B設為10°，仿真結果如圖4所示。

(a)全局特性

(b)主瓣特性

可以看出，采用常規加權方式時，波束中心具有最高的天線增益，向兩側增益逐漸遞減，這樣的波束會造成覆蓋區內功率不均勻分布，不利于功率控制和通信載荷均衡；同時小區邊界不明顯，使得在邊界重疊區內，鄰道干擾嚴重，載干比下降，通信質量將受到影響。采用sinc函數加權時，天線主瓣區域內的功率輻射趨于水平，即波束覆蓋范圍內具有近似相同的功率分布，而在主瓣區域外，天線增益迅速下降，小區具有明顯邊界，旁瓣也有一定降低。在此基礎上進一步采用旁瓣抑制技術的sinc_hanning加權方式，在保證主瓣區域同sinc加權性能相當的同時，旁瓣電平降低了約40 dB,大大降低了旁瓣對其他小區的干擾。

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的。在波束寬度相當的情況下，要獲得平頂波束，其所需的陣元數遠大于普通的波束。如果陣元數目較少，由于陣列的分辨率有限，即時采用sinc函數也很難獲得要求的平頂波束。因此在實際應用中，需要在平臺載荷能力、陣列規模和系統性能間綜合考慮，尋找最適合的方案。

5結語

HAP的非穩定性是高空平臺通信系統步入實用的主要障礙之一。蜂窩覆蓋中難以解決的平臺旋轉引起的通信切換問題，在環形波束覆蓋方案中得到了徹底的解決。利用垂向陣列實現環形波束，相對于掃描波束更加實用。本文對垂向陣列進行了建模，驗證了利用其實現環形波束的可行性，在此基礎上對波束進行了優化設計和仿真，使其具有均勻主瓣和低旁瓣特性。該波束應用在HAP通信系統，在解決旋轉問題的同時，有利用降低小區間干擾，縮短同頻復用距離。

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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：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)04-0442-04

作者簡介：

倪淑燕(1981—)，女，博士，講師，主要研究方向為空間信息傳輸技術；

吳翔宇(1991—)，男，碩士生，主要研究方向為無線通信組網技術；

金山(1990—)，男，碩士生，主要研究方向為無線通信組網技術。