一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法技术方案

一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，对多波束卫星系统的前向链路进行了系统化分析饼建模，对各固定用户终端的接收信号进行分析，对各固定用户终端链路的信道增益矩阵进行描述，同时描述多波束卫星系统链路的衰落，确定dB形式的降雨衰减为对数正态分布，利用地面网关侧应用信道状态信息获得预编码矩阵，对发送信号进行处理以减少干扰，依次通过迫零算法、正则化迫零算法、正则化迫零脏纸算法作为预编码算法进行多波束卫星系统干扰消除。扰消除。扰消除。

An interference cancellation method based on forward link model of multi beam satellite system

【技术实现步骤摘要】
一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法


[0001]本专利技术涉及一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，属于多波束卫星系统前向链路预编码研究领域。

技术介绍

[0002]卫星通信具有覆盖区域广、通信容量大、传输质量好、组网迅速且不受地理气候环境影响等特点。尽管陆地移动通信系统及网络规模发展迅速，但在面积广阔而人口稀少的地区和自然环境恶劣的地域，仍然要凭借卫星通信特有的技术特点提供通信服务，同陆地移动通信网相互协作，构成天地互联网络实现全球无缝覆盖。随着全球移动互联网的发展和个人消费者对无所不在的网络需求，有着运行在高频段、吞吐量很高和提供宽带互联网接入服务特点的高吞吐量卫星通信系统是当今的发展趋势，正如美国航天咨询公司北方天空研究所定义的高通量卫星的概念，应用多点波束和频率复用技术在获得同样频谱资源的条件下，获得数倍于固定移动卫星的通信容量，称之为高通量卫星，其最基本的特征就是多点波束复用频率方案。
[0003]近年来，随着多波束卫星通信系统的迅猛发展，具有更多波束、更大容量的卫星系统设计也带来如严重同频干扰、馈电链路带宽需求难以满足和容量提升导致星上载荷成本过高等问题。其中最主要的是同频干扰问题，因为系统设计都以实现兆比特的高通量卫星系统(即每秒提供兆位容量的卫星系统)为目标，这需要卫星系统采用激进的全频率复用方案，但它存在的干扰受限问题亟需解决。
[0004]卫星通信系统干扰消除技术主要是预编码技术、多用户检测技术和波束形成技术。预编码技术是一种已知完善信道状态信息的一种发送信号预处理技术，其技术所需的核心前提是已知链路的信道状态信息。
[0005]现有的预编码技术中，仍然需要发送端已知信道状态信息，同时传统预编码算法吞吐量较低且受波束数目增加影响较大。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统预编码算法吞吐量较低且受波束数目增加影响较大，会带来较高同频干扰的问题，提出了一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除预编码方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0008]一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，其特征在于包括：
[0009]构建全频率复用的前向链路模型；
[0010]于前向链路模型基础上，对各用户的接收信号进行分析；
[0011]对多波束卫星系统的链路衰落进行分析；
[0012]不考虑信道噪声影响时，通过迫零算法对信道状态矩阵求逆获得预编码矩阵，对预编码矩阵每列向量归一化处理获取预编码向量以消除多波束卫星系统干扰；
[0013]考虑信道噪声影响时，引入正则化参数，利用正则化迫零算法通过最小均方误差准则计算预编码矩阵，通过抑制噪声放大处理进行多波束卫星系统干扰消除；
[0014]对正则化迫零算法进行编码优化，确定编码顺序，以信道条件进行排序，对信道条件最好的固定用户终端优先进行编码优化，对速率要求最高的固定用户终端进行最后编码优化，根据应用场景定义度量的递减顺序进行其他固定用户终端排序，进一步消除多波束卫星系统干扰。
[0015]前向链路模型中，多波束卫星系统采用Ka频段多波束卫星，通过波束发送信息至指定数量的固定用户终端，各固定用户终端于任一时隙波束内仅与一个用户进行通信，Ka频段多波束卫星的信道状态信息通过地面网关进行控制，所述地面网关对Ka频段多波束卫星的K个天线馈源形成的K个同频复用波束进行控制，各波束内固定用户终端接收所有K个固定用户终端的信号。
[0016]前向链路模型中，同一时刻各波束内，任一固定用户终端接收的所有K个固定用户终端信号，第i个固定用户终端接收信号为：式中，s
i
是地面网关发送的第i个用户信号，t
i
是预编码向量，h
i
代表信道矩阵，n
i
是独立同分布的零均值高斯随机噪声；
[0017]前向链路模型中，第i个固定用户终端所在链路的1XK维信道增益矩阵为h
i
＝b
i
d
i
；其中b
i
为对应于第i个用户的1XK维多波束天线增益矩阵，d
i
为对数衰减矩阵中的幅度衰减，b
i
中包括：元素b
i,j
为多波束天线增益矩阵乘积，l
idB
为第i个波束内固定用户终端由于降雨衰减导致的功率损耗。
[0018]所述多波束天线增益矩阵乘积根据卫星天线的辐射方向图、路径损耗、接收天线增益、噪声功率、天线波束辐射方向图、波束内各固定用户终端天线的位置确定，具体为：
[0019][0020]式中，r
i
是卫星与第i个固定用户终端的距离，f是载波频率，c是光速，κ
B
是玻尔兹曼常数，T是接收机噪声温度，B
W
是用户链路带宽，G
i,j
是第j个星上馈源到第i个固定用户终端的波束增益，给定波束内固定终端用户位置后确定。
[0021]所述第j个波束到第i个用户终端的波束增益G
i,j
计算方法为：
[0022][0023][0024]式中，是第j个波束的发射天线增益，θ
i,j
为第i个固定用户终端到第j个波束中心的路径相对星地距离的角，θ
i,j
＝arctan(d
i,j
/D)，为第j个波束的3dB波束宽度，I1()和I3()是一阶和三阶一类Bessel函数。
[0025]对多波束卫星系统的链路衰落进行分析，进行dB形式的降雨衰减建模，获取对数
正态分布模型为其中，l
idB
为第i个波束内用户由于降雨衰减导致的功率损耗，N(μ
i
,σ
i
)为正态分布表示，μ
i
与σ
i
以dB形式表示且取决于固定用户终端的位置，分别代表l
idB
的期望和方差。
[0026]l
idB
与对数衰减矩阵中的幅度衰减d
i
的关系式具体为：
[0027][0028]d
i
＝|d
i
|exp(jφ
i
)
[0029]式中，相位分量φ
i
是0到2π均匀分布的随机变量，幅度衰减d
i
由l
idB
获得。
[0030]通过迫零算法对前向链路模型的信道状态矩阵求逆，获取预编码矩阵，应用的信道状态信息为整合所有固定用户终端后的信道状态矩阵消除用户间的相互干扰，令HT＝I，将迫零算法预编码矩阵中每列向量归一化获取对应用户的预编码向量w；
[0031]式中：
[0032]为预编码矩阵，由矩阵伪逆运算可得T＝H
H
(HH
H
)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，其特征在于包括：构建全频率复用的前向链路模型；于前向链路模型基础上，对各用户的接收信号进行分析；对多波束卫星系统的链路衰落进行分析；不考虑信道噪声影响时，通过迫零算法对信道状态矩阵求逆获得预编码矩阵，对预编码矩阵每列向量归一化处理获取预编码向量以消除多波束卫星系统干扰；考虑信道噪声影响时，引入正则化参数，利用正则化迫零算法通过最小均方误差准则计算预编码矩阵，通过抑制噪声放大处理进行多波束卫星系统干扰消除；对正则化迫零算法进行编码优化，确定编码顺序，以信道条件进行排序，对信道条件最好的固定用户终端优先进行编码优化，对速率要求最高的固定用户终端进行最后编码优化，根据应用场景定义度量的递减顺序进行其他固定用户终端排序，进一步消除多波束卫星系统干扰。2.根据权利要求1所述的一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，其特征在于：前向链路模型中，多波束卫星系统采用Ka频段多波束卫星，通过波束发送信息至指定数量的固定用户终端，各固定用户终端于任一时隙波束内仅与一个用户进行通信，Ka频段多波束卫星的信道状态信息通过地面网关进行控制，所述地面网关对Ka频段多波束卫星的K个天线馈源形成的K个同频复用波束进行控制，各波束内固定用户终端接收所有K个固定用户终端的信号。3.根据权利要求2所述的一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，其特征在于：前向链路模型中，同一时刻各波束内，任一固定用户终端接收的所有K个固定用户终端信号，第i个固定用户终端接收信号为：式中，s
i
是地面网关发送的第i个用户信号，t
i
是预编码向量，h
i
代表信道矩阵，n
i
是独立同分布的零均值高斯随机噪声；前向链路模型中，第i个固定用户终端所在链路的1XK维信道增益矩阵为h
i
＝b
i
d
i
；其中b
i
为对应于第i个用户的1XK维多波束天线增益矩阵，d
i
为对数衰减矩阵中的幅度衰减，b
i
中包括：元素b
i,j
为多波束天线增益矩阵乘积，为第i个波束内固定用户终端由于降雨衰减导致的功率损耗。4.根据权利要求3所述的一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法，其特征在于：所述多波束天线增益矩阵乘积根据卫星天线的辐射方向图、路径损耗、接收天线增益、噪声功率、天线波束辐射方向图、波束内各固定用户终端天线的位置确定，具体为：式中，r
i
是卫星与第i个固定用户终端的距离，f是载波频率，c是光速，κ
B
是玻尔兹曼常数，T是接收机噪声温度，B
W
是用户链路带宽，G
i,j
是第j个星上馈源到第i个固定用户终端的
波束增益，给定波束内固定终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：解索非，高梓贺，陶滢，李丽楠，张千，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：