[论文解读] Удосконалення автоматизованого електроприводу позиціювання параболічної антени

Joan Palacios, Nuria González‐Prelcic+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2021

Satellite Communication Systems参考文献 12被引用 42

一句话总结

本文提出了一种针对低地球轨道（LEO）卫星通信中大规模MIMO的混合波束成形设计，采用基于2D DFT的码本，以使波束波束图与Ku频段的椭圆形卫星覆盖区域对齐。仿真结果表明，尽管DFT码本能够实现波束覆盖，但由于卫星运动，其引入了较高的波束间干扰和信噪比（SNR）退化，凸显了未来非地面网络在动态波束跟踪与干扰抑制方面面临的挑战。

ABSTRACT

Робота виконана на кафедрі автоматизації технологічних процесів і виробництв факультету прикладних інформаційних технологій та електроінженерії Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України. Захист відбудеться «23» грудня 2021р. о 9.00год. на засіданні екзаменаційної комісії №22 у Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя.

研究动机与目标

• 设计一种与5G NR兼容的波束码本，适用于LEO卫星下行链路，确保对椭圆形关注区域（ROI）的覆盖。
• 在真实信道与硬件约束条件下，评估大规模MIMO LEO卫星系统中混合波束成形架构的性能。
• 识别非地面网络（NTNs）在模拟码本设计、波束重构以及终端天线需求方面面临的关键技术挑战。
• 利用真实的轨道动力学与多普勒模型，评估卫星运动对SNR与波束跟踪性能的影响。

提出的方法

• 基于轨道参数（轨道平面数与每轨道卫星数）将卫星覆盖区域设计为椭圆形ROI。
• 采用基于二维离散傅里叶变换（DFT）的码本，通过过采样因子调节波束宽度。
• 使用商用卫星与用户终端（UT）天线阵列，建模真实链路性能。
• 在Ku频段模拟下行链路，采用包含路径损耗与阴影衰落的真实传播模型。
• 通过SNR、频谱效率、波束间干扰与波束切换需求等指标评估系统性能。
• 分析由卫星与UT运动引起的多普勒效应与角速度变化，以评估波束跟踪的复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将基于DFT的波束码本适配至Ku频段中LEO卫星椭圆形覆盖区域的形状与尺寸？
• RQ2 卫星运动对SNR与波束对准随时间的影响如何？其对波束切换频率有何影响？
• RQ3 DFT码本在多大程度上引入了波束间干扰？其对ROI内频谱效率有何限制？
• RQ4 终端天线设计在大规模MIMO LEO系统中对可实现SNR有何影响？
• RQ5 当依赖预测的卫星位置时，用户终端动态波束跟踪需要满足哪些要求？

主要发现

• 由于卫星运动，用户终端在约30秒内保持被同一波束照射，之后需要进行波束重选。
• 波束切换后出现SNR退化，即使选择了最佳波束，仍存在不可忽视的增益损失。
• 基于DFT的码本引入了较高的波束间干扰，从而限制了整个关注区域的频谱效率。
• 卫星与用户终端之间的相对角速度较低，表明在球坐标系下波束跟踪的负担并不高。
• 卫星运动引起的多普勒频移较小，但用户终端运动在高速情况下会引起可测量的多普勒效应。
• 掌握卫星轨迹信息可使用户终端实现精确的波束预测，从而减少对实时信道估计与反馈的需求。