一種衛(wèi)星多波束中的波束選擇構(gòu)架及實(shí)現(xiàn)方法*

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安710100)

一種衛(wèi)星多波束中的波束選擇構(gòu)架及實(shí)現(xiàn)方法*

陳 鵬**,李藝霞,王 宇

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安710100)

為了以少量衛(wèi)星載荷設(shè)備在廣闊的服務(wù)區(qū)內(nèi)提供高增益的通信鏈路，針對(duì)多波束通信衛(wèi)星提出了一種星上收發(fā)波束選擇的載荷構(gòu)架及其實(shí)現(xiàn)方法。載荷構(gòu)架分為波束分組與選擇模塊，實(shí)現(xiàn)方法則利用了收發(fā)無(wú)源設(shè)備的頻率響應(yīng)。通過(guò)控制前后端有源設(shè)備的混頻本振，使上行接收波束和下行發(fā)射波束能夠工作于多波束天線覆蓋區(qū)內(nèi)的任意位置。通過(guò)波束指向輪循，以低于波束數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在廣大覆蓋區(qū)內(nèi)的高增益通信。分析結(jié)果表明，相比同樣波束規(guī)模的多波束衛(wèi)星，采用所提載荷架構(gòu)的多波束衛(wèi)星能夠大幅降低載荷重量、功耗及熱耗，提高轉(zhuǎn)發(fā)器使用效率；相比同樣承載規(guī)模的多波束衛(wèi)星，能夠大幅提高每個(gè)波束的傳輸性能及整星的吞吐量。

衛(wèi)星通信;多波束衛(wèi)星;波束選擇構(gòu)架;轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量

1 引 言

隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，飛機(jī)、輪船、火車(chē)等移動(dòng)用戶，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶也迫切需要視頻會(huì)議、電視點(diǎn)播、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等寬帶信息傳輸業(yè)務(wù)，而這些用戶往往隨機(jī)地分布在廣袤的區(qū)域，依托地面有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)滿足其業(yè)務(wù)需求顯然成本過(guò)高。在空間網(wǎng)絡(luò)中[1]，由低軌(Low Earth Orbit,LEO)衛(wèi)星組網(wǎng)[2]固然能夠滿足其業(yè)務(wù)需求，然而過(guò)多的組網(wǎng)衛(wèi)星帶來(lái)了高額的建設(shè)成本和復(fù)雜的管理體系。

基于地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)的多波束通信衛(wèi)星[3]能夠以多個(gè)高性能點(diǎn)波束在廣闊的范圍內(nèi)提供大吞吐量的通信鏈路。近年來(lái)圍繞如何更加優(yōu)化地使用多波束衛(wèi)星的研究也呈現(xiàn)出多個(gè)發(fā)展方向，諸如采用預(yù)編碼的方式改善波束間的相互干擾[4],采用編碼[5]或調(diào)整功率[6]的方法提高系統(tǒng)容量等，其針對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)方式均為多波束透明轉(zhuǎn)發(fā)。

另外，星上以處理交換的手段實(shí)現(xiàn)星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等天地立體組網(wǎng)通信[7]，能夠滿足使用者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的“一跳式”通信，有效節(jié)省了使用者的通信時(shí)延，同時(shí)增強(qiáng)了天地通信的靈活性，因而成為目前各國(guó)寬帶衛(wèi)星通信的研究熱點(diǎn)[8]。

在GEO通信衛(wèi)星上，將多波束和處理交換結(jié)合，能夠提供“一跳式”靈活組網(wǎng)通信，改善用戶體驗(yàn)，然而卻意味著衛(wèi)星具有信號(hào)解析和交換的功能；單個(gè)高性能波束固然能夠提高鏈路傳輸性能，然而卻意味著需要數(shù)十個(gè)乃至數(shù)百個(gè)波束拼接完成對(duì)地廣域覆蓋。在現(xiàn)有的衛(wèi)星承載能力上，如何滿足以上功能和性能成為目前亟待解決的問(wèn)題。

本文從衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，以現(xiàn)有多波束衛(wèi)星載荷為基礎(chǔ)，根據(jù)星地業(yè)務(wù)特點(diǎn)，針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種星上多波束收發(fā)波束選擇與路由的系統(tǒng)構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)方法，分析結(jié)果表明該方法具有足夠的服務(wù)能力，在滿足不同地區(qū)的不同通信需求的同時(shí)還能夠節(jié)省衛(wèi)星成本，充分利用衛(wèi)星的每一份資源。

2 系統(tǒng)構(gòu)架及現(xiàn)有問(wèn)題

2.1業(yè)務(wù)特點(diǎn)分析

(1)使用者的地域分布具有隨機(jī)性

衛(wèi)星覆蓋區(qū)域廣，尤其是靜止軌道衛(wèi)星，能夠覆蓋三分之一的地表面積，因此，對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，其使用者往往隨機(jī)地分布在廣闊的地域內(nèi)。

(2)使用者的通信需求具有突發(fā)性

與地面通信系統(tǒng)類(lèi)似，出于費(fèi)用或是系統(tǒng)資源優(yōu)化的考慮，對(duì)于某一個(gè)使用者，總是希望在業(yè)務(wù)來(lái)臨時(shí)才需要有效的通信服務(wù)，而并非全時(shí)占據(jù)通信資源。

(3)使用者的用戶體驗(yàn)具有時(shí)效性

使用者總是希望在最短的時(shí)間內(nèi)完成自身的業(yè)務(wù)傳輸與交互。

(4)使用者的通信方式具有靈活性

隨著地面網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，人們?cè)絹?lái)越習(xí)慣于靈活的組網(wǎng)通信，將衛(wèi)星作為一個(gè)信息交換節(jié)點(diǎn)而并非一條透明傳輸鏈路。

2.2現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)

通常，為了滿足“一跳式”靈活組網(wǎng)、單通道高吞吐量的業(yè)務(wù)需求，衛(wèi)星的有效載荷通常采用多波束天線+再生式轉(zhuǎn)發(fā)器的配置。其中，多波束天線以多個(gè)高增益波束拼接形成衛(wèi)星覆蓋區(qū)；再生式轉(zhuǎn)發(fā)器則完成數(shù)據(jù)解析和靈活交換的功能，讓使用者能夠完成“一跳式”組網(wǎng)通信，靈活地服務(wù)于各項(xiàng)業(yè)務(wù)。

多波束天線通過(guò)增加饋源數(shù)目和擴(kuò)大天線口徑能夠提高波束增益，對(duì)于同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)，波束數(shù)量越多，則每個(gè)波束覆蓋越小，相應(yīng)地，波束越窄、增益越高，但卻意味著天線體積與重量的增加、實(shí)現(xiàn)成本的提高。關(guān)于多波束天線的理論與計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。同時(shí)，為節(jié)省頻率資源并考慮同頻波束之間的隔離，通常多波束均采用數(shù)色的頻率復(fù)用，典型值為4-色復(fù)用或7-色復(fù)用[10]。

2.3現(xiàn)有問(wèn)題

按照傳統(tǒng)方式，多波束天線所形成的多個(gè)波束與轉(zhuǎn)發(fā)器一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)波束配置一路轉(zhuǎn)發(fā)器。該方式存在一個(gè)不可調(diào)和的矛盾：為提高每波束的服務(wù)能力，則波束變窄，服務(wù)區(qū)變小，覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)的波束數(shù)量大幅增加，換言之，星上轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量大幅增加，由此帶來(lái)的重量、熱耗會(huì)大幅提升，超出衛(wèi)星承載能力[8]。

為滿足現(xiàn)有衛(wèi)星承載能力，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行折中，減少一定數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)器，即減少一定的波束數(shù)量，換言之，以少量的波束覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)，每個(gè)波束的服務(wù)區(qū)變大，波束變寬，增益變低，從而導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星的傳輸數(shù)量降低，服務(wù)能力變差，這與實(shí)際需求正好相悖。

針對(duì)這些矛盾，我們需要一種方法，在減少轉(zhuǎn)發(fā)器配置的同時(shí)還能保障服務(wù)區(qū)的通信能力，降低轉(zhuǎn)發(fā)器重量和熱耗。

3 波束收發(fā)選擇設(shè)計(jì)

針對(duì)2.3節(jié)中所述的矛盾，本節(jié)從物理層進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)增加少許無(wú)源模塊完成上下行的波束選擇，并給出實(shí)現(xiàn)框架及步驟。

3.1設(shè)計(jì)思路

在多波束中選取少量的工作波束，即在這些選取的工作波束上配置轉(zhuǎn)發(fā)器，使這些波束能夠提供衛(wèi)星通信服務(wù)；使得這些可用波束能夠在整個(gè)覆蓋區(qū)內(nèi)不斷變換波束位置，達(dá)到所有可能波束位置均能被輪循到的目的，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)常態(tài)覆蓋。

為將該思路具體實(shí)現(xiàn)于實(shí)際的衛(wèi)星載荷系統(tǒng)，本文將實(shí)現(xiàn)框架分為接收部分、交換與資源管理部分以及發(fā)射部分，下面詳細(xì)介紹各部分實(shí)現(xiàn)框架及步驟。

3.2接收部分

多波束天線實(shí)現(xiàn)N個(gè)高增益對(duì)地覆蓋的上行固定波束和L個(gè)下行固定波束，整星服務(wù)區(qū)由這些波束拼接而成，上、下行波束分別采用F-色和f-色的頻率復(fù)用，N、L、F和f的取值在某顆衛(wèi)星規(guī)劃之初便會(huì)確定，為不失一般性，下文中依然將其視為變量。

接收部分由波束分組模塊、接收波束選擇模塊及解調(diào)單元組成，如圖1所示。

圖1 接收部分架構(gòu)圖Fig.1 Framework of receiving part

(1)接收波束分組模塊

多波束天線所形成的N個(gè)波束在轉(zhuǎn)發(fā)器的入口端形成N路信號(hào)，根據(jù)頻率復(fù)用的具體情況，將不同頻率的波束通過(guò)多工器合為一組寬帶信號(hào)，即將N路信號(hào)通過(guò)Q個(gè)多工器合并為Q路寬帶信號(hào)，每路寬帶信號(hào)包括F路原始上行波束信號(hào)，定義Q=N/F，符號(hào)·表示向上進(jìn)位取整。

(2)接收波束選擇模塊

Q路寬帶信號(hào)中，每路信號(hào)中的F路原始上行波束信號(hào)的以頻分方式排布，圖2給出了單路寬帶信號(hào)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。波束合并模塊所形成的寬帶信號(hào)與本振鏈輸出的本振頻率混頻后，經(jīng)過(guò)帶寬為b的濾波器，便可濾出寬帶信號(hào)中F路原始波束信號(hào)中的某一路原始波束信號(hào)。通過(guò)對(duì)直接頻率合成器(Direct Digital Sythesizer,DDS)的控制，可以任意改變本振鏈的輸出頻率。換言之，通過(guò)控制DDS可將F路原始波束信號(hào)中的任一路信號(hào)濾出。

圖2 接收波束選擇模塊架構(gòu)圖Fig.2 Framework of beam-selecting module in receiving part

(3)解調(diào)單元

對(duì)送來(lái)的波束信號(hào)執(zhí)行解調(diào)、譯碼等處理后送入交換與資源管理模塊。

3.3交換與資源管理

該部分由交換模塊與資源管理模塊組成。

(1)交換模塊

對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行信息交換，根據(jù)交換表將相應(yīng)信息交換至相應(yīng)出線組端口，完成M個(gè)上行工作波束與K個(gè)下行工作波束之間的信息交換，上下行工作波束數(shù)量對(duì)應(yīng)了交換模塊的端口數(shù)量，兩者根據(jù)功耗、熱耗、重量的約束條件確定。

(2)資源管理模塊

負(fù)責(zé)控制DDS，不同波束對(duì)應(yīng)不同本振頻率。另外，還需根據(jù)解調(diào)出的信令信息對(duì)波束和用戶實(shí)施控制管理，包括每一上行、下行波束的駐留時(shí)間等。

3.4發(fā)射部分

發(fā)送部分由調(diào)制單元、發(fā)送波束分組模塊、發(fā)送波束選擇模塊組成，如圖3所示。

圖3 發(fā)送部分架構(gòu)圖Fig.3 Framework of transmitting part

(1)調(diào)制單元

對(duì)交換后的信息執(zhí)行編碼、組幀、調(diào)制成型等，每路信號(hào)都被調(diào)制到統(tǒng)一的中頻，之后進(jìn)入發(fā)送選擇模塊。

(2)發(fā)射波束分組模塊

K路調(diào)制中頻信號(hào)即為下行有效工作的波束信號(hào)，與接收部分原則一致，依然按照f(shuō)-色不同頻率將下行L個(gè)波束進(jìn)行分組，P=L/f，即每f個(gè)不同頻率的原始下行波束分為一組，共分出P組，每組對(duì)應(yīng)一路寬帶信號(hào)。按照?qǐng)D4給出的單路寬帶信號(hào)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，首先通過(guò)對(duì)直接頻率合成器的控制，根據(jù)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的不同波束，輸出不同的本振頻率，將某一路下行行中頻信號(hào)變頻至原始下行波束所對(duì)應(yīng)的射頻上，之后在組內(nèi)將工作波束信號(hào)在發(fā)送波束選擇模塊中進(jìn)行合路并放大，形成P路寬帶信號(hào)。

圖4 發(fā)送波束分組模塊及選擇模塊架構(gòu)圖Fig.4 Framework of beam-grouping module and beam-selecting module in transmitting part

(3)發(fā)送波束選擇模塊

由P個(gè)子模塊構(gòu)成，每個(gè)子模塊可由中心頻率固定的無(wú)源輸出型多工器實(shí)現(xiàn)，多工器每個(gè)輸出端口對(duì)應(yīng)一個(gè)波束下行的天線端口。每路寬帶信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)送波束路由模塊，根據(jù)不同時(shí)刻輸入的不同頻率，可以將不同頻率信號(hào)路由至相應(yīng)輸出端，該輸出端對(duì)應(yīng)相應(yīng)的下發(fā)波束，通過(guò)多波束天線發(fā)送至地面。

4 應(yīng)用流程

(1)將衛(wèi)星M個(gè)上行波束和L個(gè)下行波束分別進(jìn)行分組，每組上行波束包括F個(gè)不同頻波束，每組下行波束包括f個(gè)同頻波束。

(2)資源管理模塊分別控制接收和發(fā)送波束選擇模塊的DDS，使兩者分別在F個(gè)頻點(diǎn)和f個(gè)頻點(diǎn)跳變，使上下行工作波束可以駐留在每個(gè)上下行覆蓋區(qū)。

(3)在每個(gè)頻點(diǎn)駐留期，通過(guò)對(duì)應(yīng)的下行廣播信道向地面站發(fā)送同步及網(wǎng)絡(luò)管理(包括登記、鑒權(quán)，各時(shí)隙占用狀態(tài)等)信息。

(4)地面站獲取時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行幀同步、載波同步的捕獲。

(5)地面站對(duì)幀同步、載波同步進(jìn)行跟蹤及保持。

(6)資源管理模塊對(duì)接收波束進(jìn)行輪詢，查詢地面站是否有接入申請(qǐng)。

(7)對(duì)每一波束解調(diào)解析出請(qǐng)求信息、地址信息等送入資源管理模塊，資源管理模塊識(shí)別請(qǐng)求信息，由資源管理模塊與地面網(wǎng)管根據(jù)優(yōu)先級(jí)信道狀態(tài)等決定是否允許其接入。

(8)允許接入則分配地面站業(yè)務(wù)信道，資源管理模塊控制相應(yīng)的DDS輸出，使地面站上行信號(hào)變?yōu)橹蓄l信號(hào)進(jìn)入解調(diào)模塊。

(9)經(jīng)解調(diào)處理后業(yè)務(wù)信息在交換機(jī)交換至需要下發(fā)的下行鏈路組端口。

(10)組幀調(diào)制后在資源管理模塊的控制下，上變頻到需要發(fā)送的波束頻率并放大，經(jīng)輸出多工器路由到發(fā)射波束。

5 性能分析

本文方法基于多波束形成對(duì)地拼接覆蓋，假定多波束上行由N個(gè)波束、下行由L個(gè)波束完成對(duì)地覆蓋，從上行波束中選取M個(gè)工作波束、下行波束中選取K個(gè)工作波束完成所有波束的輪循覆蓋，對(duì)于單個(gè)波束而言，其傳輸性能與多波束通信衛(wèi)星的單波束傳輸性能一致；對(duì)于整星而言，其吞吐量將會(huì)減少，具體減少量視N、M、K、L的取值而定，而這些參數(shù)將取決于衛(wèi)星的承載能力。

為分析簡(jiǎn)便，本文假設(shè)GEO衛(wèi)星整個(gè)對(duì)地視場(chǎng)±8.7°覆蓋，覆蓋區(qū)以200個(gè)上下行對(duì)稱(chēng)波束拼接而成，即N=K=200個(gè)，上下行各選取50個(gè)工作波束，即M=K=50個(gè)，上下行波束均采用4色頻率復(fù)用。選取同樣具備200個(gè)波束的多波束通信衛(wèi)星和具備50個(gè)波束的多波束通信衛(wèi)星作為比較對(duì)象，并假設(shè)200波束通信衛(wèi)星每波束上下行增益為G，波束上下行傳輸速率均為T(mén)/h，根據(jù)衛(wèi)星通信相關(guān)原理[11]，T正比于G。

兩種多波束衛(wèi)星相比而言，50個(gè)波束方案中，每個(gè)波束寬度略多于2.5°，以2.5°波束計(jì)，扣除波導(dǎo)插損等，峰值增益約為34 dB，考慮合路器插損、多工器插損后，波束邊緣增益為29左右；200個(gè)波束方案中，每波束寬度略少于1.25°，以1.25°波束計(jì)，扣除波導(dǎo)插損等，峰值增益約為40 dB，考慮合路器插損、多工器插損等工程實(shí)測(cè)值后，波束邊緣增益為35左右，較50個(gè)波束覆蓋提高了6 dB，增益真值滿足數(shù)學(xué)式G200beam=4×G50beam。

5.1業(yè)務(wù)滿足度分析

假設(shè)業(yè)務(wù)用戶為1 000個(gè)，平均散落于衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)，每個(gè)用戶白天以0.1的概率發(fā)生通信業(yè)務(wù)，夜晚以0.05的概率發(fā)生通信業(yè)務(wù)。以用戶所獲得的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)和衛(wèi)星波束的使用時(shí)長(zhǎng)作為指標(biāo)，將多波束通信衛(wèi)星與本文方法進(jìn)行比較。此處需注意，由于50多波束方法較其他方法每個(gè)波束覆蓋區(qū)增加了4倍，用戶數(shù)量相應(yīng)增加4倍，比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 服務(wù)時(shí)長(zhǎng)&波束使用時(shí)長(zhǎng)比較Tab.1 Comparison of time on service

可以看出，在白天業(yè)務(wù)較為繁忙時(shí)，本文方法對(duì)于單個(gè)用戶的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)是200波束方法的一半，而與50多波束方法一致；在夜晚業(yè)務(wù)較為空閑時(shí)，本文方法與200波束方法所能提供的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)一致，而50波束方法則為其他方法的1/4。

對(duì)于波束使用效率而言，波束使用意味著轉(zhuǎn)發(fā)器的業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，本文方法的工作波束在全天24 h內(nèi)均得到充分利用，轉(zhuǎn)發(fā)器能夠全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，全天能夠獲得24T的傳輸量；200波束方法的波束在白天利用率為50%，而在夜晚僅為25%，200波束方法的轉(zhuǎn)發(fā)器累積運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為9小時(shí)/天，存在著轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用不足的現(xiàn)象，每個(gè)波束實(shí)際的傳輸量?jī)H為9T；50波束方法盡管在全天能夠充分使用波束，轉(zhuǎn)發(fā)器能夠全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，然而由于波束增益下降，造成波束傳輸速率下降，每個(gè)波束全天的傳輸量?jī)H為6T。

另外，通常用戶主要分布于陸地區(qū)域，而地表面積大半為海洋區(qū)域，本文方法可將工作波束用于主要覆蓋陸地區(qū)域，兼顧海洋區(qū)域，從而優(yōu)化整星的波束資源，而200波束方法和50波束方法的轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用不足現(xiàn)象將進(jìn)一步加深。

5.2衛(wèi)星承載能力分析

通過(guò)上節(jié)分析可知，本文方法對(duì)于統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)量的支持程度略遜于多波束方法，然而能夠大幅降低轉(zhuǎn)發(fā)器配置，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷與承載能力之間的匹配。載荷配置比較如表2所示。

表2 載荷配置比較Tab.2 Comparison of payload

可以看出，本文方法在天線方面和轉(zhuǎn)發(fā)器無(wú)源設(shè)備方面與200波束方法一致，通過(guò)靈活的波束調(diào)配實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)降低到多波束方法的1/4，這帶來(lái)了有源設(shè)備的大幅減少。換言之，相比于200波束方法，本文方法將衛(wèi)星承載的重量將大幅降低，功耗、熱耗將降至200波束方法的1/4。與50波束方法相比，本文方法僅增加了天線及轉(zhuǎn)發(fā)器無(wú)源設(shè)備，換言之，僅少量增加了載荷的重量。

在本文假設(shè)條件下，結(jié)合目前常用的Ka頻段行波管放大器的效率[12]，僅考慮放大器，以100 W行放作為衛(wèi)星下行功放，200波束方法使用的放大器總功耗為20 000 W，而50波束和本文方法的放大器總功耗為5 000 W，在實(shí)際中更為可行。

綜上，相比于200波束方法，本文方法以大幅減小的代價(jià)換取了略遜的通信性能；相比于50波束方法，本文方法能夠?qū)⒄堑姆?wù)質(zhì)量大幅提升，所帶來(lái)的代價(jià)僅為載荷重量上的少量增加。

5.3實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度分析

本文方法基于目前相對(duì)成熟的設(shè)備及技術(shù)，在接收和發(fā)射兩端通過(guò)增加無(wú)源多工器實(shí)現(xiàn)了波束的靈活調(diào)配與路徑選擇，資源管理模塊可以通過(guò)相應(yīng)的軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS的控制，從而達(dá)到波束選擇的目的，對(duì)目前衛(wèi)星載荷的實(shí)現(xiàn)并未帶來(lái)對(duì)工藝性、原理性等方面的復(fù)雜要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文旨在提高多波束衛(wèi)星載荷的靈活性，以目前現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，在接收、發(fā)射端增加了少量無(wú)源設(shè)備，通過(guò)控制本振頻率的方式完成了上行波束選擇和下行波束路由的功能，實(shí)現(xiàn)了波束的靈活調(diào)配。在實(shí)際衛(wèi)星通信工程中，本文方法以少的載荷數(shù)量實(shí)現(xiàn)了廣域覆蓋的高增益通信鏈路，是目前衛(wèi)星承載能力和業(yè)務(wù)提供能力之間的高效匹配。

在今后發(fā)展中，單波束通信能力的增長(zhǎng)意味著波束增益的提高，即單個(gè)波束覆蓋區(qū)面積更小，衛(wèi)星服務(wù)區(qū)所需要的波束數(shù)量更多，例如：在本文分析用例中200波束方法下若單波束傳輸量再提高5倍，則單個(gè)衛(wèi)星波束寬度約為0.55°，對(duì)地全球覆蓋需要1 000波束以上。這一點(diǎn)除了對(duì)多波束天線設(shè)計(jì)及工藝的要求提高之外，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量的要求同樣增多，對(duì)于此時(shí)衛(wèi)星承載能力與業(yè)務(wù)能力如何折中的問(wèn)題，本文方法依然適用。

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ABeam-selectingFrameworkandImplementationMethodBasedonMulti-beamSatellite

CHEN Peng,LI Yixia，WANG Yu
(China Academy of Space Technology-Xi′an Institute of Space Radio Technology,Xi′an 710100，China)

An onboard beam-selecting framework and corresponding implementation method for multi-beam satellite communication is proposed to provide high gain links for widely distributed users with small quantity of payloads. The framework is composed of beam grouping module and beam selecting module. During the process of implementation,the frequency response of multi-filter is used. For both uplink and downlink,by controlling the output of local oscillators,each beam can supply service to users located in any spot area . By periodically altering the direction of each beam,the high gain communication links in wide area can be supplied by small number of transponders. By comparison with the satellite configuring the same number of beams,analysis shows that the proposed framework can reduce the power consumption and the weight of payload substantially. By comparison with the satellite configuring the same payload weight and power consumption,the result shows that the proposed framework can increase the transmission performance of each beams and the throughput of satellite essentially.

satellite communication;multi-beam satellite;beam-selecting framework;number of transponders

date:2017-01-23；Revised date：2017-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91538109)

**通信作者：ertiao9912@126.com Corresponding author：ertiao9912@126.com

TN927.22

A

1001-893X(2017)10-1146-06

陳鵬(1981—)，男，陜西西安人，2013年于中國(guó)空間技術(shù)研究院獲飛行器設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g通信；

Email:ertiao9912@126.com

李藝霞(1967—)，女，陜西韓城人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g通信；

王宇(1973—)，男，陜西靖邊人，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g通信。

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.10.008

陳鵬,李藝霞,王宇.一種衛(wèi)星多波束中的波束選擇構(gòu)架及實(shí)現(xiàn)方法[J].電訊技術(shù)，2017,57(10):1146-1151.[CHEN Peng,LI Yixia，WANG Yu.A beam-selecting framework and implementation method based on multi-beam satellite[J].Telecommunication Engineering,2017,57(10):1146-1151.]

2017-01-23；

2017-05-16