一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及无线通信技术领域，具体为一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统，其方法包括：将多波束组播传输系统的用户按调度准则划分为若干多播组；根据多播组内用户的解调信号、干扰和噪声部分，表征多播组内用户的信干噪比；建立以总发射功率为约束，最差用户信干噪比的最大化为目标的优化模型；设计多组多播场景下的信干噪比均衡问题的描述及其求解过程；对每个多播组的波束指向向量进行求解；根据每个多播组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，获得总的组播预编码矩阵；对总的组播预编码矩阵进行分解，求得预编码矩阵。本发明专利技术能够实现用户服务质量均衡，适用于低轨卫星通信中广泛应用的组播传输方案与现行相控阵天线架构。控阵天线架构。控阵天线架构。

【技术实现步骤摘要】
一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体为一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统。

技术介绍

[0002]下一代移动通信系统将融合卫星通信系统，以便为服务不足的地区(如郊区、农村等)或地面蜂窝基站无法覆盖的区域(如两极地区、远海、沙漠等)提供移动通信服务，实现通信网络的全球无缝覆盖。
[0003]在低轨单星多波束系统中，卫星上搭载含N
t
个阵元的平面相控阵天线，根据全连接混合波束成形架构与M
t
条射频链路相连，服务于N
u
个具有单天线的用户；所有的用户按一定的调度准则划分为K个多播组，每个多播组内至少一个用户。因此，如何实现组播内多用户的信干噪比均衡，以及如何保证每个多播组中的用户服务质量，是目前低轨单星多波束系统需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种低轨卫星多组多播混合预编码方法及系统，实现了组播用户的信干噪比均衡，并根据每个组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，以保证每个多播组中的用户服务质量。
[0005]本专利技术方法所采用的技术方案为：一种低轨卫星多组多播混合预编码方法，包括以下步骤：
[0006]S1、建立低轨卫星多波束组播传输系统，将多波束组播传输系统的用户按调度准则划分为若干多播组，每个多播组内至少一个用户；
[0007]S2、根据多播组内用户的解调信号、干扰和噪声部分，表征多播组内用户的信干噪比；
[0008]S3、建立以总发射功率为约束，最差用户信干噪比的最大化为目标的优化模型，以实现多播组内用户的信干噪比均衡；
[0009]S4、设计多组多播场景下的信干噪比均衡问题的描述及其求解过程；
[0010]S5、基于组间干扰消除的思想，采用广义特征值分解的方法对每个多播组的波束指向向量进行求解；
[0011]S6、根据每个多播组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，获得总的组播预编码矩阵，以保证每个多播组中的用户服务质量；
[0012]S7、对总的组播预编码矩阵进行分解，从而求得模拟域和数字域的预编码矩阵。
[0013]本专利技术系统所采用的技术方案为：一种低轨卫星多组多播混合预编码系统，包括以下模块：
[0014]传输系统构建模块，建立低轨卫星多波束组播传输系统，将多波束组播传输系统的用户按调度准则划分为若干多播组，每个多播组内至少一个用户；
[0015]信干噪比构建模块，根据多播组内用户的解调信号、干扰和噪声部分，表征多播组内用户的信干噪比；
[0016]信干噪比优化模块，建立以总发射功率为约束，最差用户信干噪比的最大化为目标的优化模型，以实现多播组内用户的信干噪比均衡；
[0017]信干噪比均衡模块，设计多组多播场景下的信干噪比均衡问题的描述及其求解过程；
[0018]波束指向向量求解模块，基于组间干扰消除的思想，采用广义特征值分解的方法对每个多播组的波束指向向量进行求解；
[0019]功率重分配模块，根据每个多播组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，获得总的组播预编码矩阵，以保证每个多播组中的用户服务质量；
[0020]分解模块，对总的组播预编码矩阵进行分解，从而求得模拟域和数字域的预编码矩阵。
[0021]与现有技术相比，本专利技术取得的技术效果包括：
[0022]1、本专利技术建立以总发射功率为约束，最差用户信干噪比的最大化为目标的优化模型，实现了多播组内的组播用户的信干噪比均衡。
[0023]2、本专利技术基于组间干扰消除的思想，采用广义特征值分解的方法对波束指向向量进行求解；并根据每个组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，以保证每个多播组中的用户服务质量。
[0024]3、本专利技术在获得总的组播预编码矩阵后，基于交替不精确MM算法对该预编码矩阵进行分解，从而求得模拟域和数字域的预编码矩阵。本专利技术能够实现低轨卫星通信系统中的用户服务质量均衡，适用于低轨卫星通信中广泛应用的组播传输方案与现行相控阵天线架构，对于实际系统的搭建有着重要的参考意义。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中混合预编码方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例中提供的采用本专利技术混合预编码方案后，总频谱效率随算法迭代次数变化示意图；
[0027]图3为采用本专利技术混合预编码方案后，总频谱效率随信噪比变化示意图；
[0028]图4为采用本专利技术混合预编码方案后，总频谱效率随功率变化示意图；
[0029]图5为采用本专利技术混合预编码方案后，不同用户的平均频谱效率示意图；
[0030]图6为采用本专利技术混合预编码方案后，用户平均频谱效率随多播组内用户数变化示意图。
具体实施方式
[0031]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、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，本实施例提供的是一种低轨卫星多组多播混合预编码方法，具体包括如下步骤：
[0034]S1、建立低轨卫星多波束组播传输系统，将多波束组播传输系统的用户按调度准则划分为若干多播组，每个多播组内至少一个用户。
[0035]本步骤所建立的多波束组播传输系统，其卫星发射机采用基于数模混合波束成形架构的相控阵天线；地面用户采用全向接收天线，同一多播组内的用户接收相同的传输数据。
[0036]本实施例中，所建立的系统为低轨单星多波束组播传输系统，其卫星上搭载含N
t
个阵元的平面相控阵天线，根据全连接混合波束成形架构与M
t
条射频链路相连，服务于N
u
个具有单天线的用户。所有的用户按一定的调度准则划分为K个多播组，每个多播组内至少一个用户。系统模型可以通过参数的调整来适应不同的场景，例如单组多播、多用户单播、单用户单播等。
[0037]S2、根据多播组内用户的解调信号、干扰和噪声部分，表征多播组内用户的信干噪比。
[0038]考虑多播组内的多用户传输模式，发射端需传输N
u
个数据流的符号向量数据符号经过预编码矩阵进行预处理后，通过无线信道进行预处理后，通过无线信道进行传输，其中表示第n个用户的信道。则用户天线接收到的信号表示为：
[0039]y＝Hx+z＝HMs+z
ꢀꢀꢀ
(3
‑
1)
[0040]其中，和分别表示发射端预编码后的符号向量和接收端解调前的符号向量，表示加性高斯白噪声，
[0041]接收信号经过对角矩阵即每个用户的接收滤波器d
n
解调后，得到N
u
个传输符号的估计值：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星多组多播混合预编码方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立低轨卫星多波束组播传输系统，将多波束组播传输系统的用户按调度准则划分为若干多播组，每个多播组内至少一个用户；S2、根据多播组内用户的解调信号、干扰和噪声部分，表征多播组内用户的信干噪比；S3、建立以总发射功率为约束，最差用户信干噪比的最大化为目标的优化模型，以实现多播组内用户的信干噪比均衡；S4、设计多组多播场景下的信干噪比均衡问题的描述及其求解过程；S5、基于组间干扰消除的思想，采用广义特征值分解的方法对每个多播组的波束指向向量进行求解；S6、根据每个多播组内信干噪比最差的用户信道进行功率重分配，获得总的组播预编码矩阵，以保证每个多播组中的用户服务质量；S7、对总的组播预编码矩阵进行分解，从而求得模拟域和数字域的预编码矩阵。2.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，步骤S1所建立的多波束组播传输系统，其卫星发射机采用基于数模混合波束成形架构的相控阵天线；地面用户采用全向接收天线，同一多播组内的用户接收相同的传输数据。3.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，步骤S1所建立的多波束组播传输系统为低轨单星多波束组播传输系统，其卫星上搭载含N
t
个阵元的平面相控阵天线，根据全连接混合波束成形架构与M
t
条射频链路相连，服务于N
u
个具有单天线的用户。4.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，多播组内的多用户传输模式，发射端需传输N
u
个数据流的符号向量数据符号经过预编码矩阵进行预处理后，通过无线信道进行传输，其中进行传输，其中表示第n个用户的信道；用户天线接收到的信号经过对角矩阵D解调后，得到N
u
个传输符号的估计值：其中，表示加性高斯白噪声。5.根据权利要求4所述的混合预编码方法，其特征在于，符号向量s中包含了N
u
‑
K个重复项，对所述重复项进行移除，得到降维后的数据向量；移除了重复项的符号向量表示为则：s
′
＝Ts其中是单播传输到多播传输下的变换矩阵，e
i
对应于维度为K
×
K的单位矩阵的第i列。6.根据权利要求5所述的混合预编码方法，其特征在于，对降维的数据向量引入简化的预编码矩阵即对每个用户组采用一个波束向量；定义为信道的归一化Gram矩阵，则优化后的信干噪比表示为：
其中，m
i
表示矩阵M的第i列，w
i
表示矩阵W的第i列，i＝1,
…
,N
u
。7.根据权利要求1所述的混合预编码方法，其特征在于，步骤S4包括：首先考虑单播情况下的预编码矩阵M，将其分解为决定波束指向的归一化预编码向量，以及决定波束能量大小的功率分配因子；根据功率向量求取最大信干噪比，功率向量为写成向量形式的功率分配因子；在固定功率分配的情况下，根据上下行链路的对称性，优化归一化的预编码矩阵；对功率向量和归一化预编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志勇，佘木平，陈昕，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：