【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，属于卫星通信。
技术介绍
1、为实现空地无线通信的全面覆盖，集合卫星通信的第六代无线通信将建立一个全连接的无线网络。卫星通信能够提供无缝和稳定的无线通信服务，以补充和扩展地面通信，因此可以解决沙漠、山区和海洋等偏远地区无线连接不足的挑战。与中轨道卫星和地球同步卫星相比，低轨道卫星更靠近地球，并具有接入时延低、发射能量少和卫星到地面信号的传输功率小等优点。
2、跳波束是卫星通信的关键技术之一，具有灵活性高和复杂度低的优点，因此引起了学术界和工业界的广泛关注。跳波束采用设计的点亮模式，在每个跳波束时隙同时激活一组点波束，并在下一个跳波束时间窗重复此步骤，因此提高了多波束覆盖的资源利用率。此外，波束成形技术广泛应用于卫星通信，以实现高速率的数据传输。波束成形分为全数字波束成形和混合波束成形。相比于全数字波束成形，混合波束成形的硬件复杂度更低，能在资源有限的卫星通信中实现性能和硬件限制的平衡。
3、结合跳波束和波束成形技术的优点，考虑卫星通信的联合跳波束和混合波束成形设计。文献(ha v n,nguyen t t,lagunas e,et al.geo payload power minimization:joint precoding and beam hopping design[c].2022ieee global communicationsconference(globecom),rio de janeiro,brazil,2022:6445-6450
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是提供一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，最大化跳波束周期下由目标卫星点亮其通信地面区域中全部波位的和速率，提高卫星通信工作效率。
2、本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，用于在包含m个时隙的跳波束周期下，由目标卫星点亮其通信地面区域中的各个波位，包括如下步骤：
3、步骤a.构建跳波束周期下目标卫星对应波束成形架构的下行信号接收模型、以及跳波束周期下目标卫星通信的下行信道模型，并进一步构建目标卫星的可达速率模型；
4、步骤b.根据目标卫星的可达速率模型，构建联合全数字波束成形和波位点亮模式的和速率最大优化问题模型，并求解获得最优波位点亮模式、以及相对应的最优全数字波束成形矩阵。
5、作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括如下步骤c，执行完所述步骤b之后进入步骤c；
6、步骤c.构建全数字波束成形矩阵与混合波束成形矩阵的优化问题，其中，混合波束成形矩阵是模拟波束成形矩阵和数字波束成形矩阵的乘积，并求解获得最优模拟波束成形矩阵和最优数字波束成形矩阵。
7、作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤a包括如下步骤a1至步骤a3；
8、步骤a1.基于目标卫星所配备的nbs根天线，目标卫星同时产生k个点波束用以点亮其通信地面区域中的k个波位，满足约束km≥ns，ns表示目标卫星通信地面区域中波位的数量，则在跳波束周期下，构建目标卫星对应波束成形架构的下行信号接收模型如下：
9、yt＝hpts+z,t＝1,2,…m
10、其中，表示目标卫星在跳波束周期中第t个时隙全部波位的接收信号向量，表示目标卫星的波束成形矩阵，表示目标卫星的传输信号向量，表示零均值加性复高斯白噪声向量，表示目标卫星的下行信道矩阵，表示复数集合；
11、步骤a2.基于目标卫星在跳波束周期中卫星信道矩阵不变，则构建目标卫星通信的下行信道模型如下：
12、
13、其中，(·)t表示转置运算，表示定义符号，n＝1,2,...,ns，hn表示目标卫星与其通信地面区域中第n个波位之间的信道向量，hn表达式如下：
14、
15、其中，(·)h表示赫米特转置运算，ln表示目标卫星与其通信地面区域中第n个波位之间信道所包含路径的数目，表示目标卫星与其通信地面区域中第n个波位之间信道内第l条路径的信道出发角，表示目标卫星与其通信地面区域中第n个波位之间信道内第l条路径的信道增益，服从瑞利因子为的瑞利衰落分布，并满足表示的期望，η的表达式如下：
16、
17、其中，b、λ、d、κ和tr分别表示目标卫星与其通信地面区域中波位之间信道的带宽、信号波长、传输距离、玻尔兹曼常数和接收噪声温度，gr和gt分别表示目标卫星传输天线的天线增益和接收天线的天线增益；
18、表示阵列导向矢量，表达式如下：
19、
20、其中，e表示自然常数，j表示虚数单位；
21、步骤a3.根据跳波束周期第t个时隙下目标卫星对其通信地面区域中第n个波位的点亮指示变量xn,t，xn,t＝1表示第t个时隙下目标卫星对其通信地面区域中第n个波位进行点亮，xn,t＝0表示第t个时隙下目标卫星未对其通信地面区域中第n个波位进行点亮，以及目标卫星同时产生预设k个点波束用以点亮其通信地面区域中的k个波位，即则定义波位点亮模式x如下：
22、
23、其中，[·]n,t表示取·的第n行第t列元素；
24、则构建目标卫星的可达速率模型如下：
25、
26、其中，rn,t表示目标卫星在跳波束周期第t个时隙下关于其通信地面区域中第n个波位的可达速率模型，表示目标卫星在跳波束周期第t个时隙下与其通信地面区域中第n个波位之间的波束成形向量，σ表示接收噪声。
27、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤b包括如下步骤b1至步骤b2：
28、步骤b1.根据跳波束周期下第t个时隙的波束成形矩阵pt，构建联合全数字波束成形和波位点亮模式的和速率最大优化问题模型如下：
29、
30、其中，表示目标卫星在跳波束周期第t个时隙下与其通信地面区域中第n个波位之间的波束成形向量；γn和ptot分别表示目标卫星通信地面区域中第n个波位在跳波束周期下的预设和速率阈值和预设功率阈值；
31、步骤b2.基于预设i个候选波位点亮模式构成的集合分别针对各个候本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，用于在包含M个时隙的跳波束周期下，由目标卫星点亮其通信地面区域中的各个波位，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：还包括如下步骤C，执行完所述步骤B之后进入步骤C；
3.根据权利要求1或2所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤A包括如下步骤A1至步骤A3；
4.根据权利要求1或2所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：步骤B包括如下步骤B1至步骤B2：
5.根据权利要求4所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤B2中，依据如下点亮原则，获得I个候选波位点亮模式；
6.根据权利要求4所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤B2中，分别针对各个候选波位点亮模式，按如下步骤B2-1至步骤B2-5，求解联合全数字波束成形和波位点亮模式的和速率最大优化问题模型，获得各候选波位点亮模式分别对应的全数字波束成形矩阵，然后执行步骤B2-6，获得最优波位点
7.根据权利要求2所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤C中，构建全数字波束成形矩阵与混合波束成形矩阵的优化问题，其中，混合波束成形矩阵是模拟波束成形矩阵Ft和数字波束成形矩阵Qt的乘积，具体第t个时隙全数字波束成形矩阵与混合波束成形矩阵的优化问题模型如下：
8.根据权利要求7所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤C中，基于全数字波束成形矩阵与混合波束成形矩阵的优化问题，执行如下步骤C1至步骤C3；
...【技术特征摘要】
1.一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，用于在包含m个时隙的跳波束周期下，由目标卫星点亮其通信地面区域中的各个波位，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：还包括如下步骤c，执行完所述步骤b之后进入步骤c；
3.根据权利要求1或2所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤a包括如下步骤a1至步骤a3；
4.根据权利要求1或2所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：步骤b包括如下步骤b1至步骤b2：
5.根据权利要求4所述一种面向跳波束卫星通信的波束成形方法，其特征在于：所述步骤b2中，依据如下点亮原则，获得i个候选波位点亮模式；
6.根据权利要求4所述一种面向跳波束卫星通信的波...
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