一種多波束通信設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任 鵬，董志偉，高景濤

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2.趙光農(nóng)場(chǎng)，黑龍江 北安 164021； 3.中國(guó)人民解放軍31401部隊(duì)，遼寧 大連 116021)

0 引言

地空通信系統(tǒng)是構(gòu)建空天地通信網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)，相比衛(wèi)星通信具有成本低、時(shí)延小的優(yōu)勢(shì)，相比地面通信具有覆蓋用戶多、可快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。隨著無人機(jī)、多用途飛艇等升空平臺(tái)的快速發(fā)展，大容量、高速率數(shù)據(jù)如高清航拍影像的回傳等空空、空地間數(shù)據(jù)鏈不斷增長(zhǎng)的帶寬需求對(duì)地空間通信信道提出更高的要求[1]。

傳統(tǒng)大容量地空微波通信設(shè)備通常在升空平臺(tái)上使用全向天線或扇區(qū)天線進(jìn)行廣域的覆蓋，實(shí)現(xiàn)較多用戶的接入，如應(yīng)用移動(dòng)通信?；蛘呤褂梅较蛐愿玫母咴鲆娑ㄏ蛱炀€實(shí)現(xiàn)特定地面用戶與升空平臺(tái)間的遠(yuǎn)距離通信，如無人機(jī)測(cè)控。兩種方式均存在一定的局限性，全向天線增益較低導(dǎo)致傳輸速率不高，定向天線覆蓋范圍有限且需要復(fù)雜笨重的機(jī)械式跟蹤掃描裝置[2]。

本文介紹一種新型多波束通信設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，通過設(shè)備使用OFDM與SC-FDE相結(jié)合的調(diào)制解調(diào)體制，采用TDD/TDMA的雙工/多址方式，選用具備波束快速切換的智能天線，在實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域覆蓋的同時(shí)有效的提升了帶寬利用率。

1 技術(shù)特點(diǎn)和基本組成

多波束通信設(shè)備由信號(hào)處理單元和多波束智能天線兩部分構(gòu)成，為了保證數(shù)據(jù)的高速傳輸，二者之間通過光纖進(jìn)行連接。

圖1 多波束通信設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用示意

該型多波束通信設(shè)備是工作在C頻段、通過波束快速掃描發(fā)現(xiàn)地面用戶、采用TDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信的微波通信設(shè)備。設(shè)備可裝載在無人機(jī)等升空平臺(tái)上，作為網(wǎng)絡(luò)中的通信轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建大容量、多用途的地空通信平臺(tái)。

設(shè)備使用多波束智能天線對(duì)地面區(qū)域進(jìn)行覆蓋，在數(shù)個(gè)地面節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建立體的通信網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用示意如圖1所示。通過多波束智能天線對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行高速掃描，發(fā)現(xiàn)用戶并接入網(wǎng)絡(luò)，用戶間組成自組織網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

多波束通信設(shè)備具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括：

無中心自組網(wǎng)：多波束通信設(shè)備具有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，可構(gòu)成無需設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)絡(luò)，允許網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３謩?dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)間相對(duì)獨(dú)立，各節(jié)點(diǎn)智能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，及時(shí)調(diào)整最佳路由[3]。

通信速率高：設(shè)備采用時(shí)分雙工和時(shí)分多址組合的方式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的突發(fā)傳輸，使各接入用戶都能以較高的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

波束切換陣列天線：多波束天線由天線陣列構(gòu)成，天線陣列包含數(shù)個(gè)天線單元，通過精確的仿真和計(jì)算按照特定的結(jié)構(gòu)組成，無需復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過開關(guān)控制數(shù)個(gè)天線單元實(shí)現(xiàn)陣列的快速掃描，相比普通天線方向性更強(qiáng)、增益更高[4]。

2 信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 組成和主要功能

信號(hào)處理單元組成主要包括：晶振、調(diào)制解調(diào)器、協(xié)議控制器、定位信息處理器和電源模塊等。

主要功能是進(jìn)行信息的調(diào)制解調(diào)、構(gòu)成傳輸?shù)牟ㄐ我约皞鬏斔俾屎途W(wǎng)絡(luò)的協(xié)議控制，并實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的傳輸和自愈功能。

調(diào)制解調(diào)器：完成數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)，并實(shí)現(xiàn)速率自適應(yīng)的功能[5]。

協(xié)議控制器：提供多種業(yè)務(wù)的接入端口以及監(jiān)控信息的輸入輸出接口并完成協(xié)議的處理。選用FPGA和PPC作為協(xié)議與監(jiān)控單元的主要處理芯片，F(xiàn)PGA和PPC共同完成MAC協(xié)議的處理，時(shí)敏信號(hào)的MAC協(xié)議通過FPGA進(jìn)行處理，非時(shí)敏信號(hào)的協(xié)議和路由協(xié)議通過PPC進(jìn)行處理。FPGA、PPC支持標(biāo)準(zhǔn)RapidIO高速接口，協(xié)議控制器具有GPIO和LVDS接口，GPIO接口用于數(shù)據(jù)的高速傳輸，LVDS接口用于時(shí)敏信號(hào)的傳輸。

監(jiān)控程序在PPC中工作，通過設(shè)置監(jiān)控，PPC向FPGA發(fā)出控制命令，F(xiàn)PGA將控制命令轉(zhuǎn)化成動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)切換波束、數(shù)據(jù)發(fā)收等操作。FPGA還負(fù)責(zé)收集多波束天線射頻單元各模塊上報(bào)的狀態(tài)信息，匯總后通過數(shù)據(jù)總線連同調(diào)制解調(diào)器的狀態(tài)參數(shù)一起傳送回PPC，PPC接收狀態(tài)參數(shù)后和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)匯總通過監(jiān)控接口一起發(fā)送到計(jì)算機(jī)，通過監(jiān)控和管理軟件顯示設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

圖2 信號(hào)處理單元原理框圖

定位信息處理器：通過GPS或北斗定位定向模塊，為設(shè)備提供時(shí)間基準(zhǔn)信息和地理位置信息。

電源模塊：為信號(hào)處理單元各功能模塊提供工作電壓以及為多波束智能天線供電。

信號(hào)處理單元原理框圖如圖2所示。

2.2 信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)布局

信號(hào)處理單元內(nèi)部各功能模塊采用平鋪組合式結(jié)構(gòu)擺放，由信號(hào)流向確定各功能模塊的鄰接關(guān)系，通過連接電纜實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的信號(hào)互連。通過信號(hào)處理單元前面板的指示燈可觀察設(shè)備的基本狀態(tài)信息，包括：數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)指示、通信協(xié)議指示、信號(hào)處理指示、光纖連接狀態(tài)指示等。

3 多波束智能天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 組成和主要功能

多波束智能天線各組成模塊主要包括：功率放大器、低噪聲放大器、室外信號(hào)處理卡、變頻器以及電源模塊等。

功率放大器主要包括功率放大模塊、前置濾波器和低通濾波器。主要功能是放大射頻信號(hào)，濾除光電轉(zhuǎn)換模塊的帶外雜散，以及抑制發(fā)射雜散。原理框圖如圖3所示。

圖3 功率放大器原理框圖

低噪聲放大器由信號(hào)放大模塊、開關(guān)濾波、低噪聲放大模塊和前置濾波組成。

低噪聲放大器原理框圖如圖4所示。

變頻器由中頻變頻模塊、射頻變頻模塊、光收發(fā)模塊組成，其原理框圖如圖5所示。

圖4 低噪聲放大器原理框圖

圖5 變頻器原理框圖

3.2 多波束智能天線結(jié)構(gòu)布局

對(duì)波束切換陣列天線形式而言，微帶面陣在共形方面具有明顯的優(yōu)越性，但副瓣太大，且要實(shí)現(xiàn)高定向增益時(shí)要對(duì)多個(gè)單元組陣，尺寸大、相應(yīng)增加了射頻電路的難度和復(fù)雜度。螺旋面陣具有較高的增益，但實(shí)現(xiàn)特定波束要單元組陣，也增加了設(shè)計(jì)的難度，并且由于近場(chǎng)耦合，組陣設(shè)計(jì)難度加大，角錐喇叭天線副瓣低、效率高、增益高，雖然天線體積和重量偏大，但可以由一個(gè)單元天線獲得特定波束而不需要組陣，因此本設(shè)計(jì)中主要就截球面喇叭陣列天線展開研究[6]。

基于球面排列的波束切換天線陣是由頂部截去一部分的半球平面結(jié)構(gòu)。為了使16個(gè)波束實(shí)現(xiàn)水平方位全方位覆蓋，且單波束增益達(dá)到15dBi，天線陣列按圓環(huán)角度分析采用2層圓環(huán)分布，每一環(huán)的陣元分別為8元，整個(gè)半圓球型帶形成16個(gè)單元子陣，并且交錯(cuò)布陣，喇叭天線陣列結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

多波束智能天線整體外形為半圓球型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要包括：基于球面排列的喇叭天線單元組成的波束天線陣，以及射頻單元和天線切換開關(guān)等部件組成。各部件按照功能分層布設(shè)，下層為散熱片，在散熱片上面放置部件安裝座板，將射頻單元和天線切換開關(guān)等部件固定在座板上，上層為喇叭天線陣列，最外層安裝天線罩。多波束智能天線射頻電路布局如圖7所示，天線整體結(jié)構(gòu)布局如圖8所示。

圖6 喇叭天線陣列結(jié)構(gòu)示意

圖7 多波束天線射頻電路布局示意

圖8 多波束智能天線結(jié)構(gòu)

多波束智能天線的流線型結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)可以與升空平臺(tái)共形，尤其對(duì)飛行器的氣動(dòng)性能影響較小[7]。結(jié)構(gòu)上，多波束天線舍棄了笨重的機(jī)械伺服對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，其流線型結(jié)構(gòu)可以與升空平臺(tái)共形，尤其對(duì)飛行器的氣動(dòng)性能影響較小。性能上，多波束天線通過快速切換開關(guān)進(jìn)行扇區(qū)掃描，在不同的方向上均可以保持較高的天線增益。

4 軟件架構(gòu)

4.1 物理層

物理層可以進(jìn)一步劃分為天線與射頻、基帶處理。天線采用定向天線技術(shù)，其對(duì)系統(tǒng)的整體性能起到了確定性的作用，要求波束寬度窄、旁瓣抑制度高、EIRP高?；鶐幚聿糠植捎煤侠淼恼{(diào)制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、多徑通道、移動(dòng)場(chǎng)景下的通信，可以支持多種數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼調(diào)制，系統(tǒng)中任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信都能夠自動(dòng)選擇最合適的調(diào)制編碼方式。

多波束通信設(shè)備需要其天線單元、射頻單元、調(diào)制解調(diào)單元等組成部分協(xié)同工作，協(xié)議需要對(duì)波束進(jìn)行控制。設(shè)備采用GPS授時(shí)的方式進(jìn)行同步，由GPS給出秒脈沖信號(hào)，控制發(fā)送和中斷信號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，基于時(shí)分雙工和時(shí)分多址的雙工與多址體制，需要在合理的時(shí)間內(nèi)完成收發(fā)切換。為了能夠保證收發(fā)不相互干擾，開關(guān)需要足夠的隔離度保證，協(xié)議發(fā)出控制指令完成對(duì)收發(fā)開關(guān)的切換、功放開關(guān)的指令、調(diào)制發(fā)與解調(diào)收、本振等的開斷。

4.2 MAC層

MANET網(wǎng)絡(luò)是節(jié)點(diǎn)平等的無中心網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)呈動(dòng)態(tài)分布，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽相鄰節(jié)點(diǎn)，智能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，通過選取最佳路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OLSR適合動(dòng)態(tài)拓?fù)涞拿芗W(wǎng)絡(luò)，通過路由選擇提供最優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸路徑。為了在資源緊張的環(huán)境中使各接入節(jié)點(diǎn)具備較高的帶寬利用率，在OLSR算法的基礎(chǔ)上，通過基于MANET網(wǎng)絡(luò)的MAC層鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，降低算法開銷，另外通過設(shè)計(jì)算法轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)與MANET網(wǎng)絡(luò)的相互結(jié)合[8]。

4.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層基本功能為實(shí)現(xiàn)多跳傳輸，使得兩個(gè)不能直接通信的節(jié)點(diǎn)可以通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來交換數(shù)據(jù)。協(xié)議需要適應(yīng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，及時(shí)更新各個(gè)節(jié)點(diǎn)掌握的全網(wǎng)拓?fù)湫畔?，為傳輸?shù)據(jù)包實(shí)時(shí)提供正確的轉(zhuǎn)發(fā)路徑[9]。同時(shí)為了兼顧效率，網(wǎng)絡(luò)層信息維護(hù)所帶來的帶寬開銷應(yīng)限制在合理范圍內(nèi)，即不會(huì)導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)吞吐量的大幅下降。

通過對(duì)外發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)表信息的HELLO包和TC包，構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，HELLO包的發(fā)送對(duì)象為鄰近節(jié)點(diǎn)，TC包的發(fā)送對(duì)象為全部入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。為了減少網(wǎng)絡(luò)中的廣播包整體數(shù)量，降低洪泛發(fā)生的幾率，TC包的發(fā)送具有選擇性，并非所有節(jié)點(diǎn)在接受到TC包后都會(huì)再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，僅有來自源節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行，使用Dijkstra算法計(jì)算，告知節(jié)點(diǎn)下一跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的最佳路由[10]。

圖9 網(wǎng)管和監(jiān)控原理框圖

4.4 網(wǎng)管和監(jiān)控

該部分設(shè)計(jì)主要包括：節(jié)點(diǎn)管理控制軟件、信號(hào)處理單元監(jiān)控軟件和多波束智能天線監(jiān)控軟件。節(jié)點(diǎn)管理控制軟件屬于上位機(jī)軟件，通過該軟件可以對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和記錄。信號(hào)處理單元監(jiān)控軟件和多波束智能天線監(jiān)控軟件屬于嵌入式軟件，通過自身的處理器實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)管和監(jiān)控工作示意圖如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種多波束通信設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過信號(hào)處理單元和多波束智能天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)新型多波束通信設(shè)備與目前廣泛應(yīng)用的定向微波設(shè)備在技術(shù)體制和設(shè)備結(jié)構(gòu)上有較大不同，設(shè)備可以構(gòu)成無中心自組織網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率高，設(shè)備集成度高，可以將多波束天線和射頻電路很好的結(jié)合在一起，多波束智能天線重量輕、體積小，可降低對(duì)載體平臺(tái)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，適合裝載在升空平臺(tái)上。