[發明專利]一種能效保障的多波束衛星通信魯棒預編碼方法

有效

• 申請號: 202010012991.0
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111147113B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 尤力;高琳娜;強曉宇;張千;侯宏衛;房天昊;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;H04B7/0452;H04B7/06;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

本發明提出了一種能效保障的多波束衛星通信魯棒預編碼方法。首先考慮衛星通信系統中信道傳播長延時特性，用隨機變量表示信道狀態信息反饋延時等導致的信道相位不確定性；其次考慮其功率受限的特性，求得用戶組內的所有用戶速率關于上述隨機變量的數學期望，則用戶組的能量效率等于其中的最小值和該組總功耗的比值，設計功率約束下的最大化最小組能效問題；然后通過半正定松弛將初始問題轉化為一系列可以利用序貫優化方法和二分法迭代求解的凸優化子問題；最后判斷半正定松弛問題的解的秩是否為一求解得到每個用戶組的最優預編碼矢量或次優預編碼矢量。本發明方法能夠保障多波束衛星通信系統的能效，提升系統的魯棒性，同時降低實現的復雜度。

技術領域

本發明涉及衛星通信系統預編碼方法，尤其涉及了一種能效保障的多波束衛星通信魯棒預編碼方法。

背景技術

衛星通常采用多波束系統框架，在廣闊的覆蓋區域內由多個波束為終端提供服務，以滿足下一代衛星移動通信系統高吞吐量的數據速率需求。與單波束系統相比，多波束移動衛星通信系統具有更大的吞吐量和更高的頻譜利用率，但由于天線的輻射，難以消除的波束旁瓣使得相鄰波束之間往往存在重疊覆蓋區域，處在該區域的用戶會遭受嚴重的波束間干擾。對于采取同頻組網的多波束衛星移動通信系統，減小波束間干擾帶來的不利影響是一個亟待解決的問題。多波束聯合預編碼是一種在發送端對信號進行預處理以抵消波束間干擾的發送端多波束聯合發送方案。另一方面，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，在能源有限和綠色通信的背景下，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。

在實際應用中，傳統傳輸方法會受到各種限制：一方面，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，故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；另一方面，在衛星移動通信系統中，高傳播時延造成的信道相位不確定性使得發送端難以獲得實際的信道狀態信息，因此，考慮不完全信道狀態信息的魯棒預編碼設計對衛星通信系統具有重要意義。傳統的考慮能效的多波束衛星通信傳輸方法通常以最大化和能效為設計準則，該準則可能導致部分波束能量效率較低，無法保證傳輸能效。針對以上兩方面，本發明給出一種能效保障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能效保障的多波束衛星通信魯棒預編碼方法，該方法建立在多組多播優化問題基礎上，通過對用戶速率求期望并使最小組能效最大化，可以有效降低信道相位不確定性帶來的負面影響，相比忽略信道相位不確定性的傳統方法，提高多波束衛星通信系統的能效和傳輸性能，降低實現復雜度。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種能效保障的多波束衛星通信魯棒預編碼方法，包括如下步驟：

(1)引入表征由信道狀態信息反饋延時帶來的信道相位不確定性的隨機變量，用估計信道矢量與信道相位誤差矢量的哈達瑪積來表示實際信道矢量；

(2)構建最小組能量效率最大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用戶組的能量效率即在用戶組內對用戶速率關于步驟(1)所述隨機變量求數學期望的最小值和該組總功耗的比值；式中，表示數學期望，||·||₂為向量的2范式，w_k為用戶組的預編碼矢量，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個用戶的信噪比，ξ為表示功率放大器低效性的常數，P₀表示每個用戶組的基本功耗；約束條件為總輻射能量小于某個定值；

(3)根據最優化理論引入輔助變量對原始優化問題進行等效變換；

(4)引入數學期望的近似和半正定松弛，對等效優化問題進行轉化；

(5)利用序貫優化方法和二分法，引入輔助變量，得到半正定松弛下的最優解；