一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法技术

本发明专利技术公开了一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法，应用于低轨卫星星座与地面用户搭建多输入多输出(MIMO)通信系统，以获得高信道容量，属于卫星通信技术领域。该方法基于卫星MIMO通信系统的框架，引入了以大尺度路径损耗为标准选取通信卫星的思想。该方法分两个阶段进行选星：一、计算所有可见卫星的路径损耗值，以大尺度路径损耗标准进行第一次选星；二、从第一次选出的M颗卫星中再选出N

【技术实现步骤摘要】
一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法
本专利技术涉及卫星通信
，具体涉及一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法。
技术介绍
近年来，随着自媒体行业的迅速兴起使得人们对高质量的语音和视频等多媒体业务的依赖和需求不断增强。为了适应用户对高质量多媒体业务的迫切需求，通信系统正在向高数据率和大容量的方向发展。如何获得高容量的通信系统成为非常重要的研究方向。而卫星通信具有覆盖范围大、受地理位置限制小、频带宽、容量大、灵活等特点，因此逐渐成为通信系统中不可或缺的有效信息传输手段。多输入多输出(MIMO)无线通信系统一直是学术界和工业界关注的焦点，因为它的潜在价值比较高，也是无线通信领域的一项关键技术。MIMO技术已在地面移动通信系统中广泛应用，被证明是大幅度提高系统容量的有效手段。因此，将MIMO技术应用到卫星移动通信系统中，是解决系统容量的重要方式。低轨卫星处于不断运动中，其与地面用户端通信的信道状态也在时刻变化着。因此，地面用户端与卫星通信，需要不断做出选择，切换不同的卫星，以维持一直处于高容量通信状态。虽然现行的选星算法选出的卫星与用户端MIMO通信都能获得不错的容量性能，但是基本都具有运算量大、复杂度高的缺点。在现行多星座可见卫星数巨大的情况下，进一步降低复杂度成为必要课题。因此，目前亟待提出一种低复杂度、高频谱效率的选星方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了不用遍历所有卫星，降低运算复杂度，提高运算效率，而又能达到相近的高容量传输性能，提供一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法。本专利技术进行两次选星，首先计算所有可见卫星的路径损耗值，选取不超过大尺度路径损耗标准中阈值的所有卫星，再运用递减卫星选择算法进行第二次选星，选出信道能量最大的一个星座组合与用户端进行MIMO通信。可以看出本专利技术不用遍历星座，在更低的复杂度，更高运算效率的前提下，逼近最优容量性能。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法，所述的传输方法包括以下步骤：S1、选定信号接收地点作为用户端，以地球球心为原点，原点到北极为z轴，原点到经纬度为正x轴，建立空间直角坐标系，将接收点的地理位置转换为空间直角坐标系坐标(X，Y，Z)：X＝Rcos(a)cos(b)Y＝Rcos(a)sin(b)Z＝Rsin(a)其中，R为地球半径，a为纬度，定义北正南负，b为经度，定义东正西负；S2、计算卫星到用户端的卫星仰角：E＝arctg(Zsat/D)其中，(Xsat,Ysat,Zsat)是卫星坐标，E是卫星仰角；S3、选出用户端的可视卫星，设定卫星仰角θ，当步骤S2中计算得到的卫星仰角E大于θ，即为可视卫星；S4、分别计算各个可视卫星与用户端的距离dKm以及路径损耗L，以大尺度路径损耗标准进行第一次选星，选出M颗卫星：L＝32.5+20lgfMHz+20lgdKm其中，路径损耗L的单位为dB，fMHz为工作频率；S5、信关站通过选出的M颗卫星组合向用户端发送信号，用户端采用K根天线接收信号，并进行信道估计，得到全信道矩阵其中，hij，i＝1,2,…,M；j＝1,2,…,K表示第i颗卫星与第j个用户端之间的信道系数；S6、进行第二次选星，用递减卫星选择算法选出容量最大的卫星组合，由MIMO系统容量公式得到去掉信道矩阵H第n行后的剩余信道子矩阵对应的系统容量为：其中，信道矩阵H定义为初始时为全信道矩阵，通过递减卫星选择算法每进行一次选择，删除信道矩阵的一行进行更新，表示删除信道矩阵操作中去除的那一行，即当前信道矩阵的第n行，表示去掉信道矩阵第n行后的剩余信道子矩阵，(·)H表示Hermitian转置，γ0表示卫星和一个天线的接收信噪比，Nt是两次选星后选出的卫星数目，Nr是用户端接收天线数目，是有Nr个对角元素的单位矩阵，det(·)表示矩阵的行列式计算，log(·)表示取对数运算，从上面的等式中，如果剩下的容量最大，则信道矩阵中被删除的行必须满足：上述表示当值最小时对应的n的值；其中，所述的递减卫星选择算法的实现过程如下：S61、定义容量损失因子B为第一次计算B时，令H为全信道矩阵HM×K，之后每更新一次信道矩阵H，需要重新计算B的值，定义预选卫星子集为Q＝{1，2，…，M}；S62、对信道矩阵H的每一行计算容量损失找出使值最小的那行，记为第行，即为使值最小时对应的n值，去除预选卫星子集Q中第个卫星，更新Q；S63、对信道矩阵H更新，即删除信道矩阵H第行，返回步骤S61重新计算B完成对B更新，返回步骤S62继续执行，直到所剩卫星数为预选卫星数Nt为止；S7、选出的卫星组合与用户端进行MIMO传输，并计算信道容量，判断当前卫星组合是否仍然是容量最大的组合，若是则继续使用该卫星组合与用户端通信，若不是则返回到步骤S4重新选星，切换卫星。进一步地，所述的信道容量Capacity的计算公式如下：进一步地，所述的步骤S4过程如下：S41、计算大尺度路径损耗选星标准的阈值：RL＝10log(Facr×Mlp)其中，RL表示大尺度路径损耗选星标准的阈值，Facr表示路径损耗因子，单位为dB，Mlp表示衰落倍数；S42、计算所有可视卫星的路径损耗L，从中选出路径损耗值不超过阈值RL的所有卫星。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：本专利技术公开的一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法，能够以低复杂度低，高运算效率获得逼近于最优的容量性能。(1)最大行列式选星算法，遍历卫星容量最大准则的卫星选择方法都能够得到最优容量性能，但是都需要对可视卫星的所有信道进行估计、计算行列式，复杂度很高，而本专利技术提出的以大尺度路径损耗作为选星准则，不需要对所有可见卫星分配带宽，发送导频测信道，可以直接从坐标获取信道信息，进行第一步选星，进一步缩小第二次选星范围，从而大大降低了计算复杂度，且得到的容量性能逼近最优性能；(2)相比于传统的低轨卫星(LEO)MIMO中，以最大接收功率为选星准则选取卫星，本专利技术在两次选星后，选出的卫星组合与用户端构建MIMO系统大大提升了容量性能。(3)现有技术中卫星选择方法都需要对所有可视卫星分配带宽，本专利技术在进行第一次选星后再分配带宽，大大提高了频谱利用率。附图说明图1是本专利技术实施例公开的一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法的流程图；图2是本专利技术实施例中采用的低轨卫星星座oneweb的模型图；图3是分别采用本专利技术、传统低轨卫星(LEO)MIMO以及遍历所有卫星这三种方法的容量-CDF仿真对比图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法，其特征在于，所述的传输方法包括以下步骤：/nS1、选定信号接收地点作为用户端，以地球球心为原点，原点到北极为z轴，原点到经纬度为正x轴，建立空间直角坐标系，将接收点的地理位置转换为空间直角坐标系坐标(X，Y，Z)：/nX＝Rcos(a)cos(b)/nY＝Rcos(a)sin(b)/nZ＝Rsin(a)/n其中，R为地球半径，a为纬度，定义北正南负，b为经度，定义东正西负；/nS2、计算卫星到用户端的卫星仰角：/nE＝arctg(Z

【技术特征摘要】
1.一种用于低轨星座的卫星MIMO自适应传输方法，其特征在于，所述的传输方法包括以下步骤：
S1、选定信号接收地点作为用户端，以地球球心为原点，原点到北极为z轴，原点到经纬度为正x轴，建立空间直角坐标系，将接收点的地理位置转换为空间直角坐标系坐标(X，Y，Z)：
X＝Rcos(a)cos(b)
Y＝Rcos(a)sin(b)
Z＝Rsin(a)
其中，R为地球半径，a为纬度，定义北正南负，b为经度，定义东正西负；
S2、计算卫星到用户端的卫星仰角：
E＝arctg(Zsat/D)



其中，(Xsat,Ysat,Zsat)是卫星坐标，E是卫星仰角；
S3、选出用户端的可视卫星，设定卫星仰角θ，当步骤S2中计算得到的卫星仰角E大于θ，即为可视卫星；
S4、分别计算各个可视卫星与用户端的距离dKm以及路径损耗L，以大尺度路径损耗标准进行第一次选星，选出M颗卫星：



L＝32.5+20lgfMHz+20lgdKm
其中，路径损耗L的单位为dB，fMHz为工作频率；
S5、信关站通过选出的M颗卫星组合向用户端发送信号，用户端采用K根天线接收信号，并进行信道估计，得到全信道矩阵其中，hij，i＝1,2,…,M；j＝1,2,…,K表示第i颗卫星与第j个用户端之间的信道系数；
S6、进行第二次选星，用递减卫星选择算法选出容量最大的卫星组合，由MIMO系统容量公式得到去掉信道矩阵H第n行后的剩余信道子矩阵对应的系统容量为：



其中，信道矩阵H定义为初始时为全信道矩阵，通过递减卫星选择算法每进行一次选择，删除信道矩阵的一行进行更新，表示删除信道矩阵操作中去除的那一行，即当前信道矩阵的第n行，表示去掉信道矩阵第n行后的剩余信道子矩阵，(·)H表示Hermitian转置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈翔，聂俊楠，邱继云，龚杰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44