[發明專利]應用于高通量衛星的遞歸優化最小均方波束形成方法

在審

• 申請號: 201710664569.1
• 申請日: 2017-08-04
• 公開（公告）號: CN107465448A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 楊明川;張宇萌;周赫;張淑靜;馬晨;邵欣業
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B7/08;H04B17/391
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及衛星通信領域，具體涉及高通量衛星自適應波束形成方法。

背景技術

高通量衛星(HTS)通信系統采用空間復用頻率資源的方式來滿足大通信容量和高業務速率的需求，由于高吞吐量帶來的多用戶干擾問題十分嚴重，另外高通量衛星主要應用的Ka波段和未來趨勢的Q/V波段的強降雨衰減也不容忽視，目前應用在Ka波段衛星的波束形成算法在占用寶貴的頻帶資源的同時，又難以快速收斂至穩態值以形成所需波束。本發明提出遞歸優化的最小均方算法，其算法復雜度較低并能最快收斂至最優波束生成權值，對應不同用戶的波束形成器不僅可以并行工作，而且互相之間無需任何關聯，適用于高延時的高通量衛星通信系統。

高通量衛星通信系統中，高速的數據吞吐量需要的大饋電鏈路帶寬，通過擴展頻譜帶寬或增加系統頻帶利用率成為增大衛星通信系統吞吐量的重要手段，但由于衛星通信系統功率嚴格受限，通過頻率復用進而增大頻帶利用率的方法得到廣泛應用，但這也將導致嚴重的同頻干擾，產生嚴重干擾并影響系統性能。在數字域采用自適應波束形成技術適應大量用戶信號及信道環境的變化，隨時更新波束形成權值，當前衛星通信系統中，基于最小均方誤差準則(MMSE)的波束形成算法得以廣泛應用:

MMSE準則由維納提出，其是最佳濾波器的理論基礎，MMSE要求輸出信號w^Hx(k)與有用信號d(k)之間的均方誤差(MSE)最小化，均方誤差代表誤差值|e(k)|²的統計期望。其中e(k)＝d(k)-w^Hx(k)。

基于MMSE準則的濾波算法在信道估計、多用戶檢測、預編碼技術和其他電子信息領域都有廣泛的應用，而應用在特定領域，由于場景的不同，都存在或多或少的缺點，在高通量衛星波束形成過程中，其存在如下缺點：

1、高通量衛星信道是高時延的，收斂至穩態前的迭代過程占用時間過多，導致無法有效跟蹤信號和信道特性的變化。

2、基于MMSE準則時應用的相關矩陣和相關向量考慮所有時刻點的數據，對于過時的無用數據沒有加以區分。

3、大型天線陣時矩陣條件差，容易出現求逆錯誤等問題。

同時，應用于高通量衛星的多點波束形成技術還存在如下難點：

1、星上載荷難以滿足大量用戶數據的聯合處理。

2、波束形成算法既要獲得較快的收斂速度，又要保證算法收斂后，具有良好的穩態性能。

高通量衛星具有較低的通信仰角，多點波束在空間角度區分度很小，故要保證波束指向的嚴格校準。

發明內容

本發明為了解決現有的高通量衛星波束形成過程在獲得較快的收斂速度，保證收斂后，不具有良好的穩態性能。

應用于高通量衛星的遞歸優化最小均方波束形成方法，包括以下步驟：

步驟1、基于國際電信聯盟的降雨衰減預測模型構造Ka波段信道模型；

步驟2、基于陣元數目為N的均勻排布相控陣天線，初始化陣元權值向量w(k)；

步驟3、在第k個采樣時刻，對應輸入信號x(k)、期望信號d(k)和遺忘因子α，相關矩陣R_xx(k)表示為：

R_xx(k)＝αR_xx(k-1)+x(k)x^H(k)

其中，x^H(k)為x(k)的共軛矩陣；d^*(i)是d(i)的共軛；

步驟4、根據如下公式計算增益向量g(k)：

步驟5、根據陣元權值向量w(k)計算天線輸出信號y(k)：

y(k)＝w^H(k)x(k)

步驟6、根據期望信號和天線輸出信號獲得輸出誤差值：

e(k)＝d(k)-y(k)

同時，根據如下公式更新權值向量w(k)：

w(k)＝w(k-1)+g(k)[d^*(k)-x^H(k)w^H(k-1)]

步驟8、根據誤差平方值|e(k)|²判斷迭代是否收斂；

如果誤差平方值|e(k)|²在閾值范圍內波動，則判斷陣元權值向量更新的過程收斂，輸出陣元權值向量，并根據輸出的陣元權值向量應用在波束形成網絡形成多波束；否則返回步驟3。

進一步地，步驟4所述的增益向量g(k)的獲得過程如下：

根據相關矩陣R_xx(k)有如下關系