分布式星群天线阵列动态多波束形成机理与高能效传输方法

In space information networks, Distributed Satellite Cluster is the forward direction for cooperative Satellite-ground high-efficient transmission. This project research content is as follows: Study the relationship between satellite-ground link beam coverage and dynamic multi-user information transmission capacity from space electromagnetic wave intensity and coverage; Study satellite-based fading channel construction and opportunistic beam forming method, explore satellite-ground link high-gain and high-directivity multi beam forming theory, organically integrate array high gain beam forming and multi antennas multiplexing; Study distributed satellite cluster construction method in the space information network, satellite cluster cooperative networking method, multi antennas cooperative transmission theory in distributed satellite cluster, cooperative transmission between active array elements based on new satellite cluster networking architecture instead of traditional single satellite multi beam forming method; Study active antenna array association dynamic beam forming and resource allocation method based on distributed satellite cluster, realize energy-efficient, multi-users, high-capacity transmission, achieve satellite cluster association cooperative beam forming, propose the new theory of space dynamic multi beam forming and energy-efficient transmission; Complete distributed satellite cluster dynamic multi beam forming critical technology verification and demonstration. This project will lay a theory and technology foundation for the future multi-users networking and high-speed and high-capacity space information networks.

分布式星群在空间信息网络中是实现协同星地高效传输的前沿方向。本项目研究内容如下：从空间电磁波覆盖强度和覆盖范围的角度，研究星地链路波束覆盖与动态多用户信息传输容量间的关系机理；完成星基衰落信道构造方法以及机会波束形成方法的研究，探索星地链路高增益高指向性多波束形成理论，实现阵列高增益波束形成与多天线复用的有机融合；研究分布式星群在空天信息网络中的构成方法、星群协同组网方法，以及分布式星群中多天线协作传输理论，改变原有的单星多波束形成的传统方法，代之以基于星群组网新架构有源阵元间的协同传输；研究基于分布式星群的有源天线阵列联合动态波束的形成以及资源分配方法，实现高能效、多用户、大容量传输，完成星群联合协作波束形成，提出空间多波束动态形成与高能效传输的新机理与新方法；完成分布式星群动态多波束形成关键技术演示验证。本项目将为支持未来多用户的组网与高速及大容量空天地信息网络奠定理论和技术基础。

分布式星群在空间信息网络中是实现协同星地高效传输的前沿方向。本项目主要研究了如下内容：（1）星地链路波束覆盖与动态多用户信息传输容量间的关系机理。针对多波束卫星移动通信系统经常面对突发业务的特点，提出一种基于梯度思想的“凝视波束”形成算法，通过对阵列权值的不断调整，可使卫星实现对特定用户或地区的持续覆盖，进而令卫星有效地应对突发业务。（2）星地链路大容量机会波束形成的理论研究。针对卫星通信系统的新需求，设计了最大能效的混合预编码方案，所提混合预编码方案在高信噪比区域具有更好的能效性能；针对卫星通信关心的误码率问题，提出了一种次优的混合预编码方案，可以突破误码平层，获得更好的误码率性能。（3）分布式星群多用户多天线动态多波束成形新方法。克服传统固定波束阵列覆盖时间受限的问题，给出了凝视自适应跟踪波束方法，利用吉洪诺夫正则化，回归行最小均方等方法构架了高动态高性能、低复杂度的方法体系；提出基于机器学习的波束成型算法，充分利用遗传种群相关性，可以在保持性能不变条件下将复杂度降低到传统方法的20%。（4）分布式星群多用户动态多波束资源管理协作及性能评估。针对固定且单一的资源分配方式与点波束的实时需求不相匹配的问题，提出了功率带宽联合优化分配算法，该算法能公平的为每个用户提供灵活系统容量，最大化系统总容量；针对如何有效利用和公平分配有限资源的问题，提出了基于业务公平性和效用最大化原则的用户资源分配算法，所提算法能兼顾QoS业务和BE业务的公平性，最大化系统总效用，并且能在信道条件不同时灵活的分配带宽资源。（5）分布式星群动态多波束形成关键技术演示方案。基于软件无线电平台、射频相位相干的收发技术以及集成的先进FPGA，实现对于多天线射频通信系统物理层信号处理算法的研究、原型及实现；利用信道模拟器和基于软件无线电架构的PXI模块化多天线射频/信号处理研究测试系统，搭建演示平台，验证所提方法的正确性。