HAP通信中环形波束的实现及优化*

倪淑燕，吴翔宇，金　山

( 装备指挥技术学院 光电装备系，北京 101416)



HAP通信中环形波束的实现及优化*

倪淑燕，吴翔宇，金山

( 装备指挥技术学院 光电装备系，北京 101416)

摘要：在高空平台通信系统中，平台的旋转摄动会造成短时间内大量用户的频繁切换，严重影响系统通信质量。而利用环形小区替代传统的蜂窝小区能够有效解决这一问题。针对环形波束的一种实现方式-垂向阵列-进行了研究，建立了垂向阵列的方向图及增益模型，分析了其实现环形波束的机理，在此基础上采用旁瓣抑制技术对其波束进行了优化，大大降低了小区间的干扰，计算机仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：高空平台；环形小区；垂向阵列；波束优化

0引言

高空平台(HAP)也称为临近空间平台或平流层平台，其飞行高度一般在20～30 km之间，具有生存能力强、滞空工作时间长、效费比高等优势，可以增强高时效要求的紧急任务执行能力，具有全天候工作能力。由于介于陆地无线发射塔和卫星高度之间，HAP通信系统可以兼具陆地无线通信系统和卫星通信系统的优势，具有传播时延短、传播损耗少、所需发射功率低、便于更新维护、机动灵活等特点，因此受到了世界各国越来越高的重视。

目前，飞艇和飞行器等HAP技术已经较为成熟，很多HAP已经投入使用或进行搭载试验[1]。但是基于HAP的通信系统还没有进入实用阶段，难点之一就是HAP位置保持的非稳定性[2]。HAP 位置保持非稳定性将引起蜂窝中载波干扰比的变化，造成波束的变形和移动，引起通信切换[3]。平台旋转是波束移动的一种重要形式，在蜂窝波束网络中，对通信性能的影响尤为严重，会造成大量用户的频繁切换。

针对平台旋转问题，文献[4]最早提出了环形小区的覆盖方案，以一系列同心环构筑通信小区，替代传统的蜂窝小区覆盖，解决平台旋转的影响。但是，由于当时环形波束的实现考虑的是采用扫描天线，其实现复杂，且扫描使得通信本身就要不断的接入-断线-接入，因此环形波束一直没有在HAP平台上得到应用。近期有人提出了利用垂向阵列天线实现环形波束[5-6]，这为环形波束的应用提供了可能。本文介绍了环形波束小区覆盖的几何结构和实现方式，在此基础上对环形波束进行了优化，进一步降低旁瓣水平，降低小区间的干扰。

2HAP通信中的环形覆盖方案

对于蜂窝覆盖方案，平台的旋转会造成短时间内用户的大量切换，造成资源浪费并有可能使用户掉话，且距离网络中心越远的用户受影响越大，而环形覆盖方案可以有效解决这个问题。环形覆盖方案由N个同心环小区组成，如图1所示，每个环形小区的位置和大小由它的中心半径和宽度决定。一个环形小区相当于蜂窝网络中的一个蜂窝小区，小区内使用同一频段，相邻小区使用不同频段。当平台旋转时，同一小区内的用户不会产生越区切换，从而从结构上根本解决了平台旋转带来通信切换问题。对环形小区的进一步分析可知，环形网除了能够解决飞艇旋转带来的问题之外，其切换场景和次数也比蜂窝结构要少，且各个环的宽度都可人为设计，使得它可以针对不同用户密度区域灵活改变，具有一定的灵活性。

图1　环形小区覆盖示意

小区宽度和小区覆盖面积是环形小区覆盖的重要参数，它们决定了平台覆盖范围内的小区数量和大小，从而影响到整个系统的容量。当平台高度确定时，环形小区的几何参数仅由波束俯仰角和波束宽度决定，这意味着通过采用合适的天线以及适当的波束成形技术控制俯仰角和波束宽度就可以产生环形波束，这对于根据不同实际需求产生相应的环形网络覆盖结构具有重要意义。

3基于垂向阵列的环形波束实现方式

早期的环形波束可以采用扫描天线实现，其系统性能受到扫描速率和波束重访时间的限制，且用户始终是近似的处于环形小区覆盖之下，其通信本身就要不断的接入-断线-接入。而利用垂向阵列天线可以克服这种这种问题。垂向阵列天线的结构如图2所示，其在垂直方向上放置了N个阵元，每个真元阵元间距为d。假设信号入射俯仰角为θ，方位角为φ，天线增益可由下式给出：

(1)

式中，ω(n)表示第n个阵元的加权值。从上式可以看出，G(θ)与方位角φ无关，产生的是围绕Z轴均匀辐射的功率模型，即环形波束。通过使用不同的加权方式，可以产生不同的波束，采用常规相位加权方式，有：

(2)

式中，θ0表示期望波束中心指向。假设天线阵元20，阵元间距d为1/2波长，θ0为40°，对常规加权时垂向阵列的方向图进行仿真，结果如图3所示。可以看出，采用垂向阵列天线时，无需转动天线，也可产生均匀环状波束，从而实现环形小区形状的覆盖。

图2　垂向阵列天线示意

图3　垂向阵列实现的环形波束

4环形波束优化设计及仿真

对于环形小区覆盖，一方面为了保证小区内的功率均匀，以利用于功率控制，另一方面为了使覆盖范围外的功率泄露尽量小，以降低对其他小区的干绕。这就要求天线阵列能够产生类似矩形的辐射方向图，也就是平顶波束，即每个小区都应保证内部均匀，边界明显，旁瓣低。为了设计这种平顶波束方向图，很多文献研究了一些复杂的优化算法[5]。而文献[6]借鉴滤波的思想，将sinc函数引入到加权向量中，获得了平顶波束。在此基础上，为了进一步降低旁瓣，我们对加权向量进一步优化，引入hanning窗函数[8]：

(3)

而sinc函数加权的幅度权值为：

(4)

式中，B表示期望的波束宽度。在常规相位加权的基础上，利用sinc函数和hanning窗对天线接收信号进行联合幅度加权，得到新的加权值：

w(n)=ω0(n)ω1(n)ω2(n)=

(4)

可以看出，sinc_hanning加权值由三项组成，其中ω0(n)是单纯的相位加权，其目的是为了将波束中心指向期望信号方向，相位加权只能改变波束指向，并不能改变波束形状。而利用w2(n)进行幅度加权可使波束形状从波浪形变为平顶形，利用w1(n)对波束进一步优化以降低旁瓣。

下面对常规相位加权、sinc函数加权、三种加权方式下的环形波束方向图进行仿真分析，以验证所提方法的有效性。设定阵元数N为100，阵元间距为半波长，波束指向为40°，波束宽度B设为10°，仿真结果如图4所示。

(a)全局特性

(b)主瓣特性

可以看出，采用常规加权方式时，波束中心具有最高的天线增益，向两侧增益逐渐递减，这样的波束会造成覆盖区内功率不均匀分布，不利于功率控制和通信载荷均衡；同时小区边界不明显，使得在边界重叠区内，邻道干扰严重，载干比下降，通信质量将受到影响。采用sinc函数加权时，天线主瓣区域内的功率辐射趋于水平，即波束覆盖范围内具有近似相同的功率分布，而在主瓣区域外，天线增益迅速下降，小区具有明显边界，旁瓣也有一定降低。在此基础上进一步采用旁瓣抑制技术的sinc_hanning加权方式，在保证主瓣区域同sinc加权性能相当的同时，旁瓣电平降低了约40 dB,大大降低了旁瓣对其他小区的干扰。

但是，平顶波束的获得和旁瓣的降低都是以增加主波束的波束宽度为代价的。在波束宽度相当的情况下，要获得平顶波束，其所需的阵元数远大于普通的波束。如果阵元数目较少，由于阵列的分辨率有限，即时采用sinc函数也很难获得要求的平顶波束。因此在实际应用中，需要在平台载荷能力、阵列规模和系统性能间综合考虑，寻找最适合的方案。

5结语

HAP的非稳定性是高空平台通信系统步入实用的主要障碍之一。蜂窝覆盖中难以解决的平台旋转引起的通信切换问题，在环形波束覆盖方案中得到了彻底的解决。利用垂向阵列实现环形波束，相对于扫描波束更加实用。本文对垂向阵列进行了建模，验证了利用其实现环形波束的可行性，在此基础上对波束进行了优化设计和仿真，使其具有均匀主瓣和低旁瓣特性。该波束应用在HAP通信系统，在解决旋转问题的同时，有利用降低小区间干扰，缩短同频复用距离。

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YAN She-feng, MAYuan-liang. Sensor Array Beam Pattern Optimization Theory and Application[M]. Beijing: Science Press, 2009: 94-96.

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

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)04-0442-04

作者简介：

倪淑燕(1981—)，女，博士，讲师，主要研究方向为空间信息传输技术；

吴翔宇(1991—)，男，硕士生，主要研究方向为无线通信组网技术；

金山(1990—)，男，硕士生，主要研究方向为无线通信组网技术。