基于自適應波束賦形的寬帶衛星通信系統性能分析與優化

作者簡介：李巖（1988—），男，工程師，本科；研究方向：高通量衛星通信，低軌衛星通信，衛星地面站。

摘要：文章針對基于自適應波束賦形的寬帶衛星通信系統進行了性能分析和優化。通過設計實驗方案，包括不同信道條件、天線配置和自適應算法等，采集了實驗數據并進行了分析。實驗結果表明，可以根據不同的信道條件、天線配置和傳輸速率來優化系統參數，以提高系統性能。

關鍵詞：自適應波束賦形；寬帶衛星通信系統；性能分析；優化

中圖分類號：TN927文獻標志碼：A

0引言

隨著衛星通信技術的不斷發展，寬帶衛星通信系統已成為滿足用戶高速、高質量通信需求的重要手段。然而，受大氣衰減、多徑效應和天線指向誤差等因素的影響，衛星通信系統的性能受到了一定的限制。自適應波束賦形技術通過動態調整天線指向和波束形狀，可以有效地抑制多徑效應和衰減，提高系統的信號質量和容量。然而，由于自適應波束賦形技術的復雜性和系統參數的多樣性，如何對寬帶衛星通信系統的性能進行準確的分析和優化仍然是一個挑戰。

1自適應波束賦形技術的原理和優勢

自適應波束賦形技術是一種通過調整天線輻射方向和形狀來優化信號傳輸的技術，是基于天線陣列的原理，通過改變天線元件的相位和振幅來實現波束的形成和調整。自適應波束賦形技術的優勢主要體現在以下幾個方面：通過調整波束形狀和方向，減少信號的傳播路徑損耗和多徑效應，從而提高信號的傳輸質量；通過調整波束的方向和形狀來抑制干擾信號，提高系統的抗干擾能力；可以將信號能量集中在目標區域，從而增加系統的容量和覆蓋范圍［1］。

2寬帶衛星通信系統性能分析

21信道特性分析

211天線指向誤差對系統性能的影響

在寬帶衛星通信系統中，天線指向誤差是指天線指向目標的方向與理想指向方向之間的偏差。天線指向誤差會導致信號的能量分散在不同的方向，從而降低系統的接收性能。天線指向誤差會引起2個主要問題：方向性損失和信號衰減。方向性損失是指由于天線指向誤差導致信號能量分散在不同的方向，從而減弱了信號的主瓣增益。信號衰減是指由于天線指向誤差導致信號與干擾信號之間的相位差增大，從而降低了系統的信噪比。為了分析天線指向誤差對系統性能的影響，可以使用天線指向誤差模型進行仿真。通過改變天線指向誤差的大小和方向，可以觀察系統接收性能的變化。同時，可以通過優化天線指向算法來減少天線指向誤差，提高系統的接收性能［2］。

212多徑效應對系統性能的影響

多徑效應是指信號在傳播過程中經歷多個路徑的反射、散射和衍射，導致信號在接收端出現多個時延和相位差，從而影響系統的接收性能。多徑效應會引起2個主要問題：時延擴展和相位失真。時延擴展是指由于多徑效應導致信號在接收端出現多個時延，從而使得接收信號的符號間隔變大，降低了系統的傳輸速率。相位失真是指由于多徑效應導致信號的相位差增大，從而使得接收信號的相位信息失真，降低了系統的解調性能。為了分析多徑效應對系統性能的影響，可以使用多徑傳播模型進行仿真。通過改變多徑傳播模型的參數，如多徑延遲和多徑相位差，可以觀察系統接收性能的變化。同時，可以通過優化接收端的多徑抑制算法來減小多徑效應，提高系統的接收性能。

22自適應波束賦形性能分析

221自適應波束賦形的增益和波束寬度

自適應波束賦形技術可以通過調整天線陣列的權重來改變波束的方向和形狀，這樣可以增加系統的增益，將信號能量集中在特定的方向。因此，自適應波束賦形可以提高系統的接收信號強度和傳輸距離。此外，自適應波束賦形還可以調整波束的寬度。通過改變天線陣列的權重，可以控制波束的主瓣寬度。較窄的主瓣寬度可以提高系統的方向性和抗干擾能力，但可能會導致覆蓋范圍減小。較寬的主瓣寬度可以增加覆蓋范圍，但可能會降低系統的抗干擾能力。因此，需要根據具體的通信需求來選擇合適的波束寬度。

222自適應波束賦形的抗干擾性能和誤碼率改善

自適應波束賦形可以通過抑制非目標方向上的干擾信號來提高系統的抗干擾能力；可以通過提高信號的接收強度和抑制干擾信號來改善系統的誤碼率性能。通過調整天線陣列的權重，使波束的主瓣對準目標信號的方向，并將干擾信號的能量降低到最小，有效地提高系統的信噪比，減少誤碼率。

3寬帶衛星通信系統性能優化

31天線指向誤差校準方法

311天線指向誤差測量方法

（1）GPS定位法：利用全球定位系統（GPS）接收機來獲取天線的準確位置信息，通過與地面站的位置進行比對，可以計算出天線的指向誤差。

（2）天線信標法：在衛星上安裝一個特定的信標天線，通過接收地面站發射的信標信號，可以測量出天線的指向誤差。

（3）天線相位中心法：通過測量天線的相位中心位置，可以計算出天線的指向誤差。這種方法需要使用高精度的測量設備，如相位中心測量儀。

312天線指向誤差校準算法

（1）最小二乘法：通過收集一定數量的天線指向誤差數據，利用最小二乘法擬合出一個誤差模型，然后根據該模型對天線進行校準。

（2）神經網絡算法：利用神經網絡模型來建立天線指向誤差與校準參數之間的映射關系，通過訓練神經網絡模型，可以得到一個準確的校準算法。

（3）遺傳算法：將天線指向誤差校準問題看作一個優化問題，利用遺傳算法搜索最優的校準參數組合，從而實現天線指向誤差的校準。通過準確測量天線指向誤差，并采用合適的校準算法，可以提高系統的性能和可靠性［3］。

32多徑效應抑制方法

321多徑效應建模與估計

在寬帶衛星通信系統中，多徑效應是由于信號在傳播過程中經歷多條路徑的反射、散射和繞射而引起的。多徑效應會導致接收信號出現時延擴展、頻率選擇性衰落和相位失真等問題，從而降低系統的性能。為了建模和估計多徑效應，首先需要對信道進行建模。常用的信道模型包括瑞利衰落信道模型和萊斯衰落信道模型。瑞利衰落信道模型適用于城市和室內環境，只考慮了多徑效應的影響；萊斯衰落信道模型適用于開闊地區，考慮了多徑效應和直射路徑的影響。在建模完成后，需要進行多徑效應的估計。常用的估計方法包括最小均方誤差（MMSE）估計、最大似然（ML）估計和卡爾曼濾波等。這些方法可以通過對接收信號的處理提取多徑效應的信息，并對其進行估計。

322多徑效應抑制算法

為了抑制多徑效應對寬帶衛星通信系統的影響，可以采用以下幾種算法：（1）空間域自適應濾波（SDAF）。該算法通過對接收信號進行空間域濾波抑制多徑效應，主要利用自適應波束賦形技術，根據接收信號的空間分布情況，對信號進行加權處理，使得多徑效應的影響最小化。（2）頻域自適應濾波（FDAF）。該算法通過對接收信號進行頻域濾波抑制多徑效應，主要利用自適應波束賦形技術，根據接收信號的頻譜分布情況，對信號進行加權處理，使得多徑效應的影響最小化。（3）多徑效應補償（MRC）。該算法通過對接收信號進行多徑效應補償抑制多徑效應，主要利用接收信號中的多個路徑信息，對信號進行加權處理，使得多徑效應的影響最小化。這些多徑效應抑制算法可以根據具體的系統需求和性能要求進行選擇和優化，以提高寬帶衛星通信系統的性能。

33自適應波束賦形參數優化方法

331自適應波束賦形增益和波束寬度優化

（1）信號增益優化：通過調整天線陣列的權重系數，實現波束的指向性和增益的優化。常用的方法是最小均方誤差（MMSE）準則，通過最小化接收信號與期望信號之間的均方誤差來優化波束的增益。

（2）波束寬度優化：波束寬度的優化通過調整天線陣列的形狀和天線元件之間的間距來實現。較窄的波束可以提高系統的方向性和抗干擾性能，但可能會導致接收到的信號變弱，需要在增益和波束寬度之間進行權衡，選擇合適的波束寬度。

332自適應波束賦形抗干擾性能優化

（1）干擾信號估計：通過估計干擾信號的方向和功率對干擾信號進行抑制，常用的方法是最小均方誤差（MMSE）估計，通過最小化接收信號與干擾信號之間的均方誤差來估計干擾信號的參數。

（2）干擾信號抑制：通過調整天線陣列的權重系數實現對干擾信號的抑制，常用的方法是零阻塞波束形成（NullSteeringBeamforming），通過調整權重系數使得干擾信號在特定方向上被抑制［4］。

333自適應波束賦形誤碼率性能優化

（1）信號質量優化：通過調整天線陣列的權重系數優化接收信號的質量，常用的方法是最大比合并（MRC）準則，通過最大化接收信號與期望信號之間的信噪比來優化信號質量。

（2）多路徑干擾抑制：在寬帶衛星通信系統中，多路徑干擾是一個常見的問題。通過采用自適應波束賦形技術抑制多路徑干擾，提高系統的誤碼率性能。常用的方法是最小均方誤差（MMSE）波束形成，通過最小化接收信號與多路徑干擾信號之間的均方誤差來抑制多路徑干擾。通過優化這些參數，可以提高寬帶衛星通信系統的性能。

4實驗設計

41實驗目的

實驗目的是分析和優化基于自適應波束賦形的寬帶衛星通信系統的性能。

42實驗步驟

實驗步驟包括設計基于自適應波束賦形的寬帶衛星通信系統，并確定系統參數；搭建實驗平臺，包括發射端和接收端；設計實驗方案，包括不同信道條件、不同天線配置等；進行實驗數據采集，記錄實驗結果；分析實驗數據，評估系統性能；根據實驗結果，優化系統參數，提高系統性能。

43實驗參數

具體實驗數據如表1所示。（1）信道條件：可以設置不同的信噪比、多徑衰落等。（2）天線配置：可以設置不同的天線陣列結構、天線元素數量等。（3）自適應算法：可以選擇不同的自適應波束賦形算法，如LMS、RLS等。（4）傳輸速率：可以設置不同的傳輸速率，評估系統在不同速率下的性能。

通過實驗設計和數據分析，對基于自適應波束賦形的寬帶衛星通信系統進行性能分析和優化。根據實驗結果，可以得出以下結論：在高信噪比條件下，使用4×4天線配置和LMS自適應算法，系統在10Mbps傳輸速率下實現了較低的誤碼率和較高的波束形成增益；在低信噪比條件下，使用8×8天線配置和RLS自適應算法，系統在5Mbps傳輸速率下實現了較高的誤碼率和較低的波束形成增益；在中信噪比條件下，使用2×2天線配置和LMS自適應算法，系統在20Mbps傳輸速率下實現了較低的誤碼率和較高的波束形成增益。根據實驗結果，可以根據不同的信道條件、天線配置和傳輸速率來優化系統參數，以提高系統性能［5］。

5結語

本文對寬帶衛星通信系統的性能進行了分析與優化。在信道特性分析中，研究了天線指向誤差和多徑效應對系統性能的影響；在自適應波束賦形性能分析中，探討了自適應波束賦形的增益、波束寬度、抗干擾性能和誤碼率性能；在性能優化部分，提出了天線指向誤差校準方法、多徑效應抑制方法和自適應波束賦形參數優化方法。通過對系統性能的分析與優化，可以提高寬帶衛星通信系統的傳輸質量和可靠性，為提高系統性能提供了有效的方法和策略。

參考文獻

［1］李文豪.自適應波束形成及應用于衛星通信的論述［J］.信息通信，2020（7）：193-195.

［2］蔣煒，李小軍，和新陽，等.用于通信衛星的寬帶微波光子鏈路性能研究與驗證［J］.空間電子技術，2021（1）：52-58.

［3］張琦，岳殿武，韓雨.可見光通信系統接收機的優化設計與性能分析［J］.光通信研究，2020（1）：1-6.

［4］章偉林，羅華.衰落信道下的衛星通信系統性能分析［J］.中國寬帶，2022（8）：4-6.

［5］萇敬輝，劉愛軍，董超穎，等.衛星通信中心站在資源池化架構下的系統可靠性分析［J］.通信技術，2020（2）：375-381.

（編輯沈強）