海上无线SDMA接入的波束指向切换技术研究

海上无线SDMA接入的波束指向切换技术研究

何豆¹，孙恩昌^1,2，杨睿哲¹，张一³

（1.北京工业大学信息科学技术学院，北京 100124；

2.北京工业大学北京-都柏林国际学院，北京 100124；

3.中国星网网络应用有限公司，重庆 401123）

【摘  要】针对海上用户稀疏且呈现独立动态小型局域网分布特点的通信场景，提出了一种基于相控阵天线的海上无线通信系统，其反向链路基于中心站相控阵天线单个点波束动态波束指向切换实现小站在特定空间方向的波束覆盖，从而实现SDMA接入，具有覆盖范围广、组网灵活等特点，适合于海上动态稀疏的通信场景。主要研究了实现SDMA接入的波束指向切换技术，提出了基于位置信息和时隙分配的波束指向切换方法，该方法根据中心站和小站的实时位置信息解算出波束指向信息并在每个时隙的起始时刻调整波束指向。基于系统级现场可编程门阵列芯片实现了该方法，并通过测试证明了基于位置信息可实现点波束指向对准，且所提方法可在1 μs内完成波束指向切换并实现多路高速业务同时回传。

【关键词】相控阵天线；点波束；SDMA；位置信息；SoC FPGA

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240906-0002

中图分类号：TN929.5       文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2024)09-0160-06

引用格式：何豆,孙恩昌,杨睿哲,等. 海上无线SDMA接入的波束指向切换技术研究[J]. 移动通信, 2024,48(9): 160-165.

HE Dou, SUN Enchang, YANG Ruizhe, et al. Research on Beam-Pointing Switching Technology for Maritime Wireless SDMA Access[J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 160-165.

0   引言

近年来海上通信需求逐步增长，多样化的通信手段得到广泛研究。卫星通信是海上通信常用的通信手段^[1-5]，但因其有限的频谱资源以及昂贵的使用成本，使得其难以满足逐步增长的宽带业务传输需求。短波通信在海上无线通信的应用也很成熟，但通信带宽不到30 MHz，且易带来严重的互扰问题^[6-8]，因此无法满足多用户及高带宽业务传输需求。基于长期演进（LTE, Long Term Evolution）的陆地蜂窝通信技术在用户容量和业务传输带宽上优势明显，但海上通信节点的稀疏性及特殊的海洋环境加剧了基站的部署成本和网络管理的复杂度^[2]，极大限制了在海上通信的部署应用；目前岸海通信有LTE网络部署的例子，海上覆盖范围只有几十千米^{[1, 9-10]}，无法应用于远海通信。微波视距通信是实现海上宽带通信的一种较为有效的手段，然而由于波束覆盖范围较大，随着用户量的增加，易出现用户间互干扰的情况^[11-13]。

基于相控阵天线动态点波束可以以单个波束实现与较多用户的通信，有效提升信道容量^[14]。点波束由定向天线产生，具备波束能量集中、能量损耗小效率高、抗干扰能力强等特点，能够有效增大无线传输距离、降低通信干扰以及提升信道容量^[15-17]。相控阵天线作为定向天线的一种，成本较低且易于实现波束宽度及波束指向的控制，可用于生成点波束，是海上通信一种较为理想的方案选择^[18-19]。

本文针对海上用户稀疏且呈现独立动态小型局域网分布特点的通信场景，设计并实现了一个基于相控阵天线的海上无线信息采集系统（以下简称信息采集系统），研究了基于单个点波束动态波束指向切换的反向链路空分多址（SDMA, Space Division Multiple Access）接入技术，提出了基于位置信息和时隙分配的波束指向切换方法。

1   系统模型

系统模型如图1所示。信息采集系统的基本网络结构为星状网网络结构，包含一艘综合信息回收船作为中心站和N（N=1,2,3,...）艘信息采集船作为小站，系统反向链路多址为SDMA，与传统SDMA通过多波束实现静态空间分割不同^[20]，本系统综合信息回收船通过相控阵天线单个点波束动态波束指向切换实现多信息采集船接入。通过动态点波束进行空间划分，每一信息采集船与综合信息回收船之间都享有独立的空间信道资源。综合信息回收船与信息采集船的直视通信距离大于20公里并支持高清视频传输，综合信息回收船负责收集每艘信息采集船回传的业务并可通过网关接入陆地网络。

信息采集系统反向SDMA接入融合了动态波束指向切换和时分技术，综合信息回收船的波束指向切换与信息采集船时隙同步。在时间维度上，为每艘信息采集船分配固定的时隙，信息采集船只在自己的时隙回传业务，其它时隙保持静默；在空间维度上，综合信息回收船的相控阵天线根据信息采集船的位置信息在波束指向切换时刻调整波束指向对应的信息采集船，信息采集船的相控阵天线根据综合信息回收船的位置信息调整自身的波束指向进行信息传输。

2   波束指向切换方法

信息采集系统功能框图如图2所示。信息采集系统反向链路通过单个点波束动态波束指向切换实现SDMA接入。为实现快速波束指向切换，本文提出了基于位置信息和时隙分配的波束指向切换方法，该方法的数学模型如式(1)所示：

其中B=[b_ij]为综合信息回收船指向信息采集船的波束指向信息索引矩阵，H=[h_ij]为信息采集船接入选通矩阵，T=[t_ij]为时隙索引矩阵且t_ij=j，为哈达玛积矩阵运算符表示矩阵对应元素相乘，i表示波束数目，因信息采集系统只有一个波束，故i=1，j={1,2,3,...,K}，K为单个波束下的时隙数目。H中元素的值表示从第一艘信息采集船到第N艘信息采集船接入选通开关，元素值为1表示接入，为0表示不接入，H内元素的取值决定了信息采集船的时隙分配，本文所提信息采集系统为每艘信息采集船分配一固定时隙，故H内元素的值全为1且K=N；B中元素的值为综合信息回收船指向信息采集船的波束指向信息索引，为0表示不执行波束指向更新，否则根据索引从波束指向信息缓存队列中取出波束指向信息更新波束指向。

综合信息回收船根据信息采集船的位置信息解算出波束指向信息并按照信息，采集船的编号顺序缓存到队列中。综合信息回收船在每个时隙的初始从B中读取对应的索引然后根据索引从波束指向信息缓存队列中取出波束指向信息更新波束指向，实现与信息采集船对准。

为实现准确的波束指向切换，该波束指向切换方法还需完成正确的时隙同步和时隙控制。时隙同步是为了保证信息采集船在工作时时隙不发生重叠；时隙控制生成波束指向切换时间窗，控制波束指向切换时刻。

本文所提时隙分配及位置信息等参数均为已知。

3   波束指向切换方法设计与实现

波束指向切换方法包括时隙同步控制和波束指向切换控制两个关键部分。时隙同步控制部分使用计数器实现时隙控制和时隙同步，并通过计数器产生相应时隙的波束指向切换时间窗和业务回传时间窗；时隙同步不依赖于传统的物理层时钟同步，具体思路为信息采集船根据接收到的综合信息回收船的计数器信息调整本地计数器，因为综合信息回收船的计数器包含时隙循环周期信息，故可快速实现时隙同步。波束指向切换控制部分首先完成位置信息解算获取波束指向信息并缓存，在波束指向切换时间窗到来时调取对应的波束指向信息，完成相控阵天线的波束指向更新。

信息采集系统反向支持N路高清视频同时回传，对链路延迟抖动较为敏感，因此信息采集船的时隙长度设计为10 μs级别，为尽可能最大化信道利用率，对单个时隙内如波束指向切换时间等的开销要求较为严格，因相控阵天线的波束指向更新耗时在ns级别，故波束指向切换时间不高于1 μs，时隙内预留的频谱感知时间也在1 μs级别。下面是具体设计实现流程以及测试结果。

3.1  时隙同步控制

时隙同步控制主要包括时隙控制和时隙同步两个功能。

（1）时隙控制

时隙控制根据时隙的具体功能构造产生波束指向切换、频谱感知（系统设计预留，下同）和业务传输所需时间窗。信息采集船所分配时隙均由三个小时隙组成，如图3所示，分别为：

1）波束指向切换时间（T_b）；

2）频谱感知时间（T_f）；

3）业务传输时间（T_c）。

定义T_m为第m艘信息采集船的时隙，m等于{1,2,3,...,N}，N为信息采集船的数量，N个时隙构成一个超帧周期。T_m由T_b、T_f和T_c构成，T_b的时间小于1 μs，Tf的时间在1 μs级别，T_c的时间在10 μs级别，且T_c尾部包含时隙保护间隔时间，时隙保护间隔时间在1 μs级别。

为便于描述，定义综合信息回收船为通信节点R，信息采集船m为通信节点S_m，m代表第m艘信息采集船。R和S_m内都有一个本地计数器来管理本地的时隙，计数器由高精度时钟驱动，在时钟的上升沿自动累加。选取的高精度恒温晶振提供高精度时钟可明显降低各通信节点计数器之间因时钟偏差导致的抖动误差，从而有效减小时隙之间的抖动误差在1 μs以内，因此时隙保护间隔可以尽可能小，有利于提升信道利用率。

R和S_m工作起始时刻计数器的值均为0，对于任一通信节点，当计数器的值为T₁ +T₂ +...+T_N时表明一个超帧周期结束，此时计数器清零，然后开始下一个超帧周期。对于任一T_m，当计数器等于t₀时开始产生波束指向切换时间窗，时间窗的结束时刻为t₁，在时间窗内R和对应S_m完成波束指向对准；当计数器等于t₁时开始产生频谱感知时间窗，时间窗的结束时刻为t₂；当计数器等于t₂时开始产生业务回传时间窗，时间窗的结束时刻为下一时隙的开始，在时间窗内R和对应S_m完成业务信息的接收和发送。对于R，R需接收所有S_m的回传信息，因此R在任一T_m处均需产生所需的三个时间窗；对于任一S_m，S_m只在自己所属的T_m工作，其余时隙保持静默，因此只在自己的T_m处产生所需的三个时间窗。

（2）时隙同步

时隙同步是确保信息采集船成功实现反向接入且互不干扰的关键。信息采集系统内每个通信节点的初始工作状态不确定，呈异步关系，导致通信节点之间的计数器计数步调不一致，时隙易产生相互重叠的情况。为解决这一问题，引入时隙同步功能，所采用的时隙同步方法与物理层时钟同步无关，其核心思想为将R作为同步参考节点并将R内的计数器信息作为同步计数信息分发给每一个S_m，S_m根据收到的同步计数信息调整本地计数器，使得S_m内的计数器与R内的计数器基本保持一致，误差抖动在1 μs以内，最终实现所有通信节点的超帧同步。S_m与R之间因距离不同所引起的传输时延差异，由S_m根据R和自己的位置信息自动计算并在发送端补偿。时隙同步采用双阈值法实现快速时隙同步，即阈值Thr1和Thr2，分别对应快速同步和跟踪补偿两个步骤，同步流程图如图4所示：

1）快速同步

定义Thr1为快速同步检测阈值，典型值为1 μs，计数器计数偏差大于Thr1则认为偏差过大，此时将本地计数器的信息直接替换为同步计数信息，达到快速同步的目的。快速同步主要用于系统工作的起始时刻，一般情况下，在S_m内的计数器未同步之前，S_m内的计数器与R内的计数器偏差较大，采用快速同步的方式可以快速修正偏差。

2）跟踪补偿

因为驱动计数器的时钟稳定度很高，所以计数器之间的计数抖动非常小，小于Thr1，当S_m完成快速同步之后，Sm与R之间的计数器计数偏差主要由时钟的稳定度差异所致。定义Thr2为时隙同步进入跟踪补偿状态的阈值，此阈值一般较小。跟踪计数器用于记录计数器计数偏差连续小于Thr1的数目，当跟踪计数器的值大于Thr2时认为时隙同步进入稳定状态，此时转入时隙同步跟踪补偿状态，此状态下，丢弃计数器计数偏差大于Thr1的值，对小于等于Thr1的值求滑动平均，S_m根据滑动平均后的计数偏差值修正本地计数器。

3.2  波束指向切换控制

信息采集系统依靠相控阵天线单波束动态波束指向切换实现多路信息采集船的回传业务接入，为确保成功接入，综合信息回收船和相应的信息采集船必须在波束指向切换时间窗内完成相控阵天线对准。波束指向由位置信息决定，波束指向切换控制主要包括位置信息解算、波束指向信息缓存和波束指向信息更新三个部分，功能框图如图5所示：

为提升信道利用率，波束指向切换时间T_b需尽可能小，不高于1 μs。相控阵天线的波束指向更新时间在ns级，但位置信息解算的运算处理较为复杂，极大影响了T_b的开销，本文从两方面对此进行了优化：

（1）使用现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array）芯片实现位置信息解算功能，FPGA丰富的高性能硬核乘法器资源和流水线资源可大幅提高运算处理速度，有效减少位置信息解算耗时。

（2）采用预处理和缓存技术，提前获取目标节点位置信息并进行解算，将解算出的波束指向信息缓存到队列中，在进行波束指向切换时从缓存队列里直接取出波束指向信息然后更新相控阵天线波束指向。

3.3  实现及测试

为实现精确的时隙控制和时隙同步，对系统内所有计数器的时间分别率以及实时性要求很高，传统的非实时性嵌入式处理器无法胜任这一工作。系统级现场可编程门阵列（SoC FPGA, System on a Chip Field Programmable Gate Array）芯片内嵌主频800 MHz的双硬核嵌入式处理器，FPGA逻辑部分为时钟驱动门电路，具有小于10 ns的时间尺度分辨率，能够胜任纳秒级实时信号处理，SoC FPGA的高集成度便于软硬协同设计，内部的嵌入式处理器与FPGA之间的高速互联总线以100 MHz时钟32位数据位宽计算可高达3.2 Gbps带宽，实现高速数据交换与处理，满足10 μs级别时隙长度的高速业务回传需求。综上，本文使用Verilog HDL硬件描述语言并基于Xilinx ZYNQ 7100 SoC FPGA实现了波束指向切换方法，实现的硬件主要包含两部分：SoC FPGA处理器和AD9361射频处理器，其中，SoC FPGA负责波束指向切换和调制解调，AD9361负责射频信号的收发处理。

本文使用一台相控阵天线和一块平板天线在我国某海域近海岸进行了点对点测试，测试结果如表1所示。综合信息回收船相控阵天线根据信息采集船位置信息自动调整波束指向，实验测试实现了33.6公里10.8 Mbps高速信号的直接传输，误比特率（BER）优于10^-7，验证了基于位置信息可实现点波束指向对准。

在室内搭建系统模拟了多信息采集船接入条件下的波束指向切换实验。系统配置了一台中心站（综合信息回收船）和两台小站（信息采集船），两台小站的参数配置均相同，两台小站的发射信号通过合路器合路后接入中心站的射频接收端。本文使用波束指向切换时间窗控制中心站接收链路通断模拟波束指向切换，实验结果如图6和表2所示。图6是使用示波器在中心站抓取的信号，其中黄色的高电平脉冲信号即为1 μs宽度波束指向切换时间窗，红色的高电平宽脉冲信号即为业务回传时间窗，蓝色的信号为捕获后的小站突发回传信号，突发帧长为117.6 μs，时隙1为小站1时隙，时隙2为小站2时隙。由图6可见中心站在1 μs波束指向切换时间窗内完成了信号接收的切换，小站1、小站2与中心站完成了准确的时隙同步；由表2可知中心站可同时正确接收小站1和小站2发送的高速数据。通过模拟测试可知，本文所设计的波束指向切换方法可实现快速的波束指向切换控制以及多路高速信号同时回传接收。

4   结束语

本文提出了基于相控阵天线的海上无线信息采集系统，研究了实现反向链路SDMA接入的相控阵天线单波束动态波束指向切换技术，提出了基于位置信息和时隙分配的波束指向切换方法，包括时隙同步控制和波束指向切换控制。本文使用Verilog HDL语言在SoC FPGA芯片上实现了所设计的方法，且通过测试证明了基于位置信息可实现点波束对准，并实现多路高速业务同时回传。

本文所提系统资源利用率高、系统复杂度较低、易于部署、组网灵活且覆盖范围广，适合于海上动态稀疏的通信需求。基于单波束动态波束指向切换所能允许的小站接入数量有限，且随着小站接入的增加，系统延迟也将增加。基于多波束动态波束指向切换，任意波束之间相互独立，可有效增加系统的小站接入数量，改善系统延迟，是未来重要的研究方向。