基于ＯＰＮＥＴ的卫星多波束天线仿真建模研究

张晓东　马东堂　李树锋　丁　丁

摘 要：多波束天线技术是卫星移动通信系统中的关键技术之一。研究卫星多波束天线的几何模型，推导卫星多波束天线方位角和俯仰角的计算公式，分析卫星多波束天线的辐射特性；总结了利用OPNET生成卫星多波束天线模型的方法，并建模实现了OPNET多波束天线模型，通过构建网络仿真场景仿真分析了卫星多波束天线覆盖区内用户SNR的分布特性，仿真结果表明OPNET多波束天线模型较好地模拟卫星多波束天线的辐射特性。

关键词：多波束天线；仿真建模；卫星移动通信系统;OPNET

中图分类号：TN828.5文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)03-046-04

Research of Satellite Multi-beam Antenna Simulation Modeling Based on OPNET

ZHANG Xiaodong,MA Dongtang,LI Shufeng,DING Ding

(College of Electron Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract：Multi-beam antenna is a key technology in the satellite mobile communication system.The geometry model of satellite multi-beam antenna is researched,the calculating formula of azimuth angle and pitching angle for satellite multi-beam antenna is deduced,the radiation characteristic of satellite multi-beam antenna is analyzed,the creating methods of multi-beam antenna based on OPNET is summarized,and multi-beam antenna model is implemented.The SNR distributing characteristic of users in the covering region is simulated by setting network simulation scenario.Simulation results indicate that the proposed model is appropriate to the radiation characteristic of satellite multi-beam antenna.

Keywords：multi-beam antenna;modeling and simulation;satellite mobile communication system;OPENT

0 引 言

卫星移动通信系统具有损耗小，延迟短，可实现全球无缝覆盖，抗毁性和抗干扰性强等突出优点，是未来移动通信的重要组成部分。多波束天线技术是卫星通信系统中的关键技术，具有如下优点：可以使波束空间隔离和极化隔离，实现多重频率复用，加大可用带宽，增加通信容量；大大地提高卫星向地球的辐射通量密度(EIRP),使地面用户可以采用较小口径的接收天线，从而大大降低系统成本和通信成本；根据需要可灵活快捷地进行波束扫描和波束重构，从而增强系统的抗干扰性和在轨生存能力。

目前，多波束天线技术是卫星移动通信系统中的研究热点之一。文献等研究了波束成形算法；文献提出了点波束确定算法，文献讨论了点波束的设计问题，为多波束天线的仿真建模提供了一定的参考。但是，目前在卫星多波束天线的OPNET仿真建模方面，还没有较为全面深入的研究。本文旨在研究基于OPNET的卫星多波束天线的仿真建模方法，为进一步建立基于OPNET的卫星移动通信系统仿真平台奠定基础。

1 卫星多波束天线几何模型

1.1 卫星多波束天线类型

通常，卫星多波束天线根据其辐射特点可分为等波束宽度和等波束面积两种。等波束宽度多波束天线是指各点波束的半功率波束宽度(点波束的天线视角)相等，其优点是各点波束天线的结构、参数等完全相同,只用生成一个点波束天线模型，分别设置不同点波束的指向即可，这有利于星载天线的简化；等波束面积多波束天线是指各点波束小区面积相等，其优点是等小区面积的覆盖,有利于系统为整个地面服务区内提供均匀覆盖的系统容量［3］。

1.2 卫星多波束天线小区结构

假设卫星多波束天线在地面形成M层的蜂窝小区，每层蜂窝有KM个蜂窝中心绕星下点对称分布，以y轴为参考轴，则第m层中的第n个蜂窝中心距星下点的距离和与参考轴所成的方位角为(如图1所示)：

Lmn=d1m2+n2－mn

(1)

αmn=cos－12m－n2m2+n2－mn

(2)

其中:d1=r03，r0表示中心蜂窝半径；则第m层中的第n个蜂窝的中心坐标为：

xmn=Lmnsin αmn

ymn=Lmncos αmn

(3)

图1 多层蜂窝小区分布示意图

1.3 卫星多波束天线俯仰角和方位角计算

给定天线辐射特性，天线增益值由方位角和俯仰角两个角度坐标确定。设卫星、用户位置关系如图2所示，oxyz表示地心坐标系;Sx′y′z′表示星上坐标系(如图3所示)，其中o表示地心，在地心坐标系中：

S(s_x,s_y,s_z)表示卫星所在位置;

U(u_x,u_y,u_z)表示用户所在位置;

R(r_x,r_y,r_z)表示参考点所在位置。

设A点为星上坐标系z′轴上一点，在Sx′y′z′坐标系中坐标为(0,0,h)，A点坐标需要经过两次坐标旋转从Sx′y′z′坐标系下的坐标(0,0,h)转换到oxyz坐标系下的坐标(xA,yA,zA),转换公式如下：

xAyAzA=cos φpcos θpsin θp－sin φpcos θp－cos φpsin θpcos θpsin φpsin θpsin φp0cos φp•

cos φbcos θbsin θb－sin φbcos θb－cos φbsin θbcos θbsin φbsin θbsin φb0cos φb•00h

(4)

其中：(φb,θb)表示boresight角度坐标，(φp,θp)表示指向角度坐标。

俯仰角φ是矢量SU与SA的夹角:

φ=cos－1SU•SA)/(SU•SA)〗

(5)

其中:

SA={s_x－xA,s_y－yA,s_z－zA}，

SU={u_x－s_x,u_y－s_y,u_z－s_z}。

方位角θ是平面SAU与平面SAR的夹角，设SAU平面方程为：A1x+B1y+C1z=0，法矢量n1={A1,B1,C1}；SAR平面方程为：A2x+B2y+C2z=0,法矢量n2={A2,B2,C2}；平面SAU和SAR的平面方程可根据S,A,U,R四点的坐标求得，则有方位角θ为：

θ=cos－1 1•n2)/(n1•n2)〗

(6)

图2 卫星用户几何关系图

图3 星上坐标图

2 构建基于OPNET的卫星多波束天线模型

2.1 点波束的辐射特性

点波束的辐射特性建模是建立OPNET多波束天线模型的基础。点波束的辐射特性建模的目标概括起来有两个：波束覆盖区内实现无缝覆盖；波束覆盖区外天线增益迅速跌落，旁瓣辐射最小化。

点波束的辐射特性建模既可采用函数来模拟天线的辐射特性，也可以采用Matlab实现波束成形算法，获得天线的辐射特性。这里采用第一种方法,构造如下形式的波束天线增益函数模型：

G(φ)=Gm－3(φ/φb)2, 0<φ<φ1

LF,φ1<φ<180°

(7)

其中:Gm表示天线主瓣增益的最大值(dBi);LF为旁瓣包络值;φb为表示半功率点宽度;φb=7 442/100.1Gm。

设Gm=20 dB,LF=-100 dB，φ1=15°，则点波束的辐射特性如图4所示。

2.2 多波束天线建模

卫星多波束天线建模的主要工作在于生成具有特定辐射特性的若干个点波束。OPNET中天线建模可以通过天线编辑器生成，也可以通过修改EMA模版中表示天线增益的数组元素值来生成。前者生成方式比较简便快捷，但是精确性差；后者精确性高，但是需要逐一设置天线模型中的每个(φ,θ)值所对应的天线增益值，比较繁琐。

图4 点波束的辐射特性

为了更加方便快捷地生成具有一定拓扑排列结构的由若干个波束形状相同的点波束构成的多波束天线，本文设计了一个多波束天线生成程序。程序流程如图5所示，首先根据点波束的拓扑排列结构确定各点波束中心位置，参考式(3)；然后计算波束内的点与波束主轴的夹角φ′(中心波束时按与天线主轴间的夹角φ)，如图6所示；再根据φ′(或φ)是否满足边界条件，设置天线增益值；最后通过OPNET中的EMA机制生成OPNET天线模型。

图5 程序流程图

图6 波束内的点与波束主轴的夹角

按照上述方法，采用式(7)所描述的点波束的辐射特性模型，波束排列形状如图7所示，中心1个，外围均匀分布6个圆形点波束，点波束模型的类型为等波束宽度，各个点波束的天线视角都是30°，所生成的中心圆和外围圆的点波束天线模型分别如图8所示。

图7 波束形状分布图

图8 点波束模型

3 卫星多波束天线辐射特性仿真分析

3.1 卫星链路预算

设卫星多波束天线的发射功率PT= 20 dBW，波束中心天线的增益为GT=20 dBi；用户采用全向天线的接收功率近似PR= 0 dBW，天线增益GR=1 dBi；波尔兹曼常量k=-228.60 dB/K•Hz；噪声带宽BN =70 dB•Hz，噪声温度TS=18 dBK；卫星高度d=1 450 km；有效带宽为1 250 kHz，基频为2 GHz，则波长为：

λ=c/f=3.0×108/2.0×109=0.15 m

自由空间传输损耗：

LP=10log(4πd/λ)2=

10log4π×1 450 0000.152

=161.68 dB

由卫星链路预算计算公式，可得卫星波束中心载噪比为：

C/N=PT+GT+GR－LP+k－TS－BN=

20+20+1－161.68+228.60－

18－70=20 dB

(8)

3.2 卫星多波束天线模型仿真分析

卫星多波束天线的辐射特性主要通过用户信噪比(SNR)的分布情况来体现。为了仿真分析用户SNR的分布特性，构建简单的OPNET网络仿真场景，设置卫星和用户两类节点模型：

(1) 卫星节点：1个，高1 450 km，采用上节所生成的多波束天线模型，波束小区半径为350 km,相邻波束小区中心间的距离为 600 km,小区之间有一定的重叠区域，节点模型如图9所示。

(2) 用户节点：10 000个，均匀分布在以卫星为中心的长为20°经度，宽为20°纬度的一个正方形区域内，用户采用全向天线。

图9 卫星节点模型

仿真中以波束覆盖区内每个用户的位置(经纬度)和信噪比(SNR)作为统计量，将所收集的统计量用Matlab画图可得图10和图11。图10给出了用户SNR的三维立体分布图，直观地表明了波束覆盖区内用户的SNR分布情况，图中明显地出现7个SNR峰值，这些峰值就是7个蜂窝小区的中心，表明各小区中心信号最强，SNR最高，而小区边缘信号较弱，SNR较低，小区内用户的SNR自小区中心向小区边缘平滑下降。

图10 三维波束分布图

图11给出了SNR的等位线分布图，可以看到：

(1) 用户SNR的分布形成7个明显的小区，小区排列形状与图7理想波束分布图中波束排列形状相一致，波束中心SNR达到20 dB，波束边缘SNR下降到12 dB，这符合3.1节对卫星链路预算的设计；

(2) 相邻两小区之间有一定的重叠区域，重叠区域的存在使得小区边缘的SNR不至于过低，保证在小区边缘用户依然可以进行正常的通信，同时重叠区的存在也满足了用户在进行越区软切换时对波束覆盖特性的需求。

图11 波束等位线分布图

综合以上两图可知这种用户SNR分布图符合仿真前对波束小区分布和天线辐射特性模型的设计，也符合实际中运用多波束天线形成的蜂窝小区的分布和天线增益的衰减情况。

4 结 语

本文研究了卫星多波束天线仿真建模相关的基本理论，总结了卫星多波束天线仿真建模的方法，建立了基于OPNET的卫星多波束天线模型，并仿真分析了采用该多波束天线模型时用户SNR的分布情况。由仿真结果看出，该多波束模型较好地模拟了卫星多波束天线的辐射特性，这为进一步开发基于OPNET的卫星移动通信系统仿真平台奠定了基础。

参考文献

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作者简介 张晓东 男，1984年出生，硕士生。主要研究方向为通信信号处理与通信网络。

马东堂 男，1969年出生，博士，副教授。主要研究方向为通信信号处理与通信网络。

李树锋 男，1982年出生，博士生。主要研究方向为通信信号处理与通信网络。

丁 丁 女，1982年出生，博士生。主要研究方向为通信信号处理与通信网络。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。