面向6G低轨卫星的多天线数字波束合成技术完成可行性验证

近日，鹏城实验室联合哈尔滨工业大学（深圳）卫星通信研究团队在面向低轨卫星的多天线数字波束合成技术关键外场实验中取得突破性进展。团队经过数十轨次的反复测试，验证了多天线数字波束收、发合成技术在高动态低轨卫星星地通信场景下的技术可行性，其自研的数字波束合成基带系统发送信噪比最高可提升5.5dB，接收信噪比最高可提升2.6dB，该研究成果是我国协同通信理论在卫星通信领域应用的重要里程碑,可为中国算力网向天基延伸，实现6G天地一体化泛在高速连接提供关键技术支撑。部分研究成果已发表在《中国科学：信息科学》( http://scis.scichina.com/scis-sat6g.html)

图1 相关论文

低轨卫星（LEO）因其更靠近地面且具有低延迟、高带宽等优势，成为当前卫星通信的重要发展方向，更是实现6G空天地一体化泛在连接愿景的关键通信技术之一。如何设计具有低成本、易部署、高可靠等星地通信能力的低轨卫星通信系统已成为当前的研究热点。然而，现阶段低轨卫星通信系统主要采用单点单天线方案，星地通信容量提升空间有限，且难以实现多星同时对地通信能力，极大限制了星地通信整体系统容量的提升。我国正大力推进低轨卫星通信星座的部署，迫切需要新理论和新技术，突破传统低轨卫星通信系统能力瓶颈——既要满足未来大规模低轨卫星星座场景下同时跟踪多星的需求，还要在保证通信质量的同时尽可能降低成本。

针对此问题，鹏城实验室联合哈尔滨工业大学（深圳）卫星通信研究团队提出通过部署多个小口径天线并在数字域进行波束合成（Digital Beamforming, DBF），从而等效大口径天线的方案。该方案在提高通信可靠性的同时，还兼具成本低、部署灵活等优势。在技术攻关过程中，研究团队通过反复的理论计算和模拟测试，成功解决了星地高动态、远距离通信过程中高精度通道一致性问题，并提出了多波束相差和幅度差动态补偿方法。该方法通过对多天线波束信号的时间、相位与幅度的精确控制，确保了基带收发多通道数字信号的方向一致性，并有效消除了由系统引入的相位偏差及其它误差对波束方向造成的影响。另外，针对低轨卫星高速运动的特性，联合研究团队提出了一种融合卫星星历和高精度角度估计算法的卫星跟踪算法，利用卫星运动方程及实时测角信息，实现了对低轨卫星优于0.1度高精度跟踪。

图2 实验系统结构

图3 外场实验现场图

多天线数字波束合成技术的成功应用，是发展大规模低轨卫星通信的一种全新的系统设计思路，标志着卫星通信系统在技术路线上的重要突破，能够为未来大规模卫星组网和高可靠卫星通信提供关键技术支撑，同时能够为当前中国算力网的建设、运营、服务提供稳定可靠的网络连接，助力未来6G空天地一体化泛在连接愿景的实现。