基于多波束覆盖的低轨卫星移动通信系统容量优化设计理论与方法

Capacity optimization is a key technology of LEO mobile satellite communication system under construction. The application environment of constellation network with multi-beam and multiple access especially proposes new design requirements on the optimization theory and method of the capacity. Multi-beam antenna could increase the capacity of satellite system and the radiation beam pattern makes great effect on the capacity of communication system. In order to reduce the design complexity of back-end receiver, a multi-beam coverage scheme with similar Doppler frequency shift deviation in one beam is proposed according to the spatial characteristic of the Doppler frequency shift. The optimization strategies of pattern synthesis based on space division, a hybrid improved artificial intelligence algorithm and decoupling pattern synthesis methods are designed to realize the accurate pattern synthesis and optimization of the capacity of communication system. A new comprehensive approach to optimization theory and method of the capacity of LEO mobile satellite communication system is provided in this project, which promotes the syncretization of communication capacity theory and antenna electromagnetic field design significantly.

卫星通信系统容量优化是建设大容量低轨卫星移动通信系统需要解决的关键技术之一，特别是星座组网多波束和多址接入的应用环境对容量的优化设计理论与方法提出了新的要求。本申请基于多波束天线开展低轨卫星移动通信系统容量优化设计，有较好的研究意义和应用价值。首先根据低轨卫星移动通信系统使用环境建立及容量分析的精确模型，综合衡量多波束天线系统中的干扰和噪声等因素对系统容量的影响。其次，针对低轨卫星多普勒频移的空间特性，研究相同波束内用户多普勒频移偏差相当的波束覆盖方案。最后，研究基于空间分裂的天线综合优化策略，设计改进型集群智能优化算法进行高效综合智能计算，并采用多层次去耦综合技术，以通信系统信干噪比为优化目标，完成多波束天线的精确综合，最终实现对通信系统容量的优化设计。本项目为低轨卫星移动通信系统容量优化提供一条崭新全面的技术途径，可促进通信容量理论与天线电磁场设计学科的交叉融合，具有重要的学术意义。

卫星通讯系统容量优化是建设大容量低轨卫星通信系统需要解决的关键问题之一。本项目围绕基于多波束覆盖的低轨卫星移动通信系统能够容量优化设计技术展开研究，主要研究内容和贡献如下：.（1）针对低轨卫星移动通信系统应用场景，深入分析了多波束CDMA系统中干扰和噪声等因素对用户信干噪比的影响，揭示了多波束天线辐射特性与系统容量之间的关系，建立了基于用户信干噪比的多波束CDMA低轨卫星移动通信系统容量模型，为基于系统容量优化的多波束天线方向图综合奠定基础；.（2）为了降低星载扩频通信接收机设计复杂度，基于低轨卫星多普勒频移的空间分布特性，提出了各波束多普勒频移偏差相当的波束覆盖方案，减小各波束多普勒频移范围；.（3）设计并研制了基于顺序旋转的低耦合度19元平面同心圆阵，提出了基于本征激励方向图的阵列天线方向图分析方法，提高阵列辐射特性建模精度；针对波束覆盖和阵列构型特点，设计了一种基于空间分裂的综合优化策略，减少波束形成参数自由度，降低方向图综合计算复杂度；结合差分进化算子，提出了一种改进型混合差分进化遗传算法，提高智能优化计算收敛速度与精度；提出了基于多波束CDMA系统容量优化的阵列天线方向图综合方法，提高低轨卫星移动通信系统的用户容量。.本项目的研究成果可应用于基于多波束天线的低轨卫星移动通信系统通信载荷的设计研制中，为我国大容量低轨卫星移动通信系统的建设事业提供技术支持。