[發明專利]適用于多波束衛星通信系統的高能效魯棒預編碼方法

有效

• 申請號: 201911119084.X
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN110838859B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 尤力;高琳娜;張千;馬駿驍;陳婷婷;湯金科;喬治;王聞今;高西奇
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/0456
• 分類號: H04B7/0456;H04B7/185
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

本發明提出了一種適用于多波束衛星通信系統的高能效魯棒預編碼方法。該方法首先考慮衛星通信系統中信道傳播長延時特性，用隨機變量表示由信道狀態信息反饋延時等造成的信道相位不確定性；然后考慮衛星通信系統能量受限的特性，對用戶速率關于上述隨機變量求數學期望取用戶組內最小值除以該組總功耗得到用戶組的能量效率，進而將魯棒預編碼設計問題建模為用戶組能效約束下的總功率最小化問題；最后通過半正定松弛和序貫優化方法將初始總功率最小化問題轉化為一系列迭代求解的凸優化子問題，并采用高斯隨機化方法得到每個用戶組的預編碼矢量。本發明所提出的高能效魯棒預編碼方法，相比傳統預編碼方法能夠顯著提高多波束衛星通信系統的性能和能效。

技術領域

本發明涉及衛星通信系統預編碼方法，具體涉及了一種適用于多波束衛星通信系統的高能效魯棒預編碼方法。

背景技術

隨著高吞吐量需求的顯著提升，多波束系統框架已經成為下一代衛星通信系統的發展趨勢，在廣闊的覆蓋區域內由多個波束為地面終端提供服務。如何減小波束間干擾是多波束衛星通信系統中一個亟待解決的問題。在采取同頻組網的多波束衛星通信系統中，通過在發射端進行多波束聯合預編碼，可以達到減小波束間干擾的目的。另外，隨著信息通信技術中能量消耗的急劇增長，在能源有限和追求綠色通信的背景下，能量效率已經成為衛星通信中一個重要的考慮因素。衛星通常由太陽能電池板供電，因此衛星通信系統的功耗是不可忽略的，追求高能效和低功耗已經成為未來衛星通信系統設計的趨勢。

在現行的衛星標準例如DVB-S2和DVB-S2X中，預編碼矩陣中的一個預編碼矢量對應一個用戶組，衛星把傳輸給此用戶組多個用戶的數據封裝在同一個幀中，因此可以將預編碼設計問題轉換為多組多播的預編碼優化問題。同時，高傳播時延造成的信道相位不確定性使得發射端難以獲得實際的信道狀態信息，因此需要針對過時信道信息設計魯棒的預編碼方法。針對以上因素，本發明給出一種基于每個用戶組能效約束的多波束衛星通信系統魯棒預編碼方法。

發明內容

發明目的：本發明目的在于提出一種適用于多波束衛星通信系統中的高能效魯棒預編碼方法，該方法在建立多組多播優化問題的基礎上，通過對用戶速率求期望并結合對用戶組的能效約束，有效減少信道相位不確定性帶來的不利影響，與不考慮信道相位不確定性的傳統方法相比，提高多波束衛星通信系統的能效和傳輸性能。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種適用于多波束衛星通信系統的高能效魯棒預編碼方法，包括如下步驟：

(1)引入隨機變量表示信道相位不確定性，將實際信道矢量表示為估計信道矢量與信道相位誤差矢量的哈達瑪乘積；

(2)對用戶速率關于上述隨機變量求數學期望取用戶組內最小值除以該組總功耗得到用戶組的能量效率下標k∈{1,...,K}，K為用戶組數，B為帶寬，SINR_i,k為第k個用戶組中第i個用戶的信干噪比，ξ為常數，Tr(·)表示矩陣的跡，w_k為用戶組的預編碼矢量，上標H表示共軛轉置，P₀表示每個用戶組的基本功耗；

(3)構建總功率最小化的魯棒預編碼優化設計問題，所述優化設計問題的優化目標為約束條件為每個用戶組能量效率EE_k均大于某一能效門限值E_k；

(4)引入數學期望近似和半正定松弛，將原始優化問題轉化為凸規劃差分問題；

(5)利用序貫優化方法將凸規劃差分問題轉化為標準的凸優化問題，求解此凸優化問題得到半正定松弛下的最優解，即原始優化問題的次優預編碼矩陣；

(6)采用高斯隨機化方法進行功率再分配，得到每個用戶組滿足秩一條件的預編碼矢量。

作為優選，步驟(1)中引入的隨機變量表示為其中表示實值高斯分布，為相位誤差的方差，I為單位矩陣，下標i表示用戶組中的用戶編號。