[發明專利]單站多星MIMO上注系統能效優化方法

有效

• 申請號: 202110502017.7
• 申請日: 2021-05-08
• 公開（公告）號: CN113258985B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 唐成凱;蔚保國;張娟;張怡;陳沛林;張玲玲
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所;西北工業大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04B7/0426;H04B7/0456;H04W72/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

一種單站多星MIMO上注系統能效優化方法，首先在每個衛星的QOS和總體發射功率的限制下，對單站多星MIMO上注系統的能效優化問題進行數學建模，接著利用分數優化的性質將分數形式的目標函數轉化為易于求解的減數形式的目標函數，然后通過凸優化的知識解對偶問題，得到了功率分配矩陣的數學表達式，有效解決了有約束條件下的能效優化問題求解困難的問題，提高了算法的實用性。

技術領域

本發明是一種適用于低軌衛星為代表的多用戶MIMO下的能效優化方法，特別涉及一種基于單基站多衛星MIMO上注模型的能效優化方法。

背景技術

隨著通信技術的發展，人們對于數據傳輸速率的需求越來越高。低軌衛星(LowEarth Orbit Satellite，LEOS)因距離地面近、通信時延短、數據傳輸率高等優勢，成為空天地海一體化通信中的重要一環。

在低軌衛星通信系統中，功率分配技術是其不可或缺的一部分。功率分配技術最為簡單的方案是根據信道狀態信息(Channel State Information，CSI)對不同的衛星進行注水(Water-Filling,WF)功率分配，以實現傳輸速率最大化。WF是經典的功率分配算法，可以根據獲取的CSI信息對信道狀態好的衛星分配更多的功率，信道狀態差的衛星分配較少的功率，其突出優點是可以實現系統總傳輸速率的最大化。但是WF的弊病在于注水線的選定較為復雜，計算量太大，不適用于低軌衛星通信系統的高速率低時隙傳輸要求。

功率分配技術依據目的主要可分為容量最大化算法與能效最大化算法。容量最大化算法主要是為了提高數據傳輸速率，最大化系統容量。但是隨著能源消耗的急劇增加，現有的能源越來越緊張，追求信道容量最大化的傳統功率分配技術已經無法適應目前綠色通信的要求，越來越多的研究者開始把目光放在能效最大化算法上來。能效最大化算法的核心思想是在有限的發射功率和最低數據傳輸速率要求下，通過優化理論最大化數據傳輸速率。

目前，已經提出了很多適用于陸地通信的能效最大化算法，這些算法能夠根據信道質量實現快速靈活的功率分配，有的算法也引入了優化理論的知識，共同優化了天線數量、用戶選擇和功率分配。但是在實際的衛星通信系統中，受大氣環境的影響，信道具有干擾較大、信噪比較低等特點。實際應用場景中信道狀況比陸地移動通信更為復雜。同時因為衛星運行速度快，可見時間短，算法的復雜度不能過高。計算難度的提升和對算法復雜度的要求很難兼顧，算法的設計難度不斷增大。

發明內容

針對現有能效優化算法大都停留在陸地移動通信研究階段，難以實際應用于復雜的衛星通信系統，本發明研究了一種單站多星MIMO上注系統能效優化算法。

該方法充分考慮系統的功率消耗，推導得到了采用塊對角化(BlockDiagonalization，BD)預編碼的MIMO系統的能效函數，在每個衛星的服務質量(Quality ofservice,QoS)和總體發射功率的限制下，對單站多星MIMO上注系統的能效優化問題進行數學建模，利用分數優化理論進行問題轉化，通過解對偶問題得到了功率分配矩陣的數學表達式，有效解決了有約束條件下的能效優化問題求解困難的問題。此外，在功率分配矩陣更新的過程中，采用Dinkelbach方法加速了算法的收斂，提高了算法的實用性。

本發明的技術方案為：

所述一種單站多星MIMO上注系統能效優化方法，包括以下步驟：

步驟1：對單站多星MIMO上注系統的功率進行總建模，得到系統的能效函數，依據系統的能效函數，在每個衛星的服務質量和總體發射功率的限制下，確定能效優化問題；

步驟2：采用Dinkelbach方法對單站多星MIMO上注系統的能效優化問題進行求解，并在Dinkelbach方法中采用對偶上升法進行迭代。

進一步的，步驟1中確定的單站多星MIMO上注系統的能效優化問題為：