[發明專利]一種基于低分辨率相移器的多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法

在審

• 申請號: 202210538796.0
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN114978262A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 王聞今;劉彥浩;丁睿;房天昊;伍詩語;張帥;尤力
• 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: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 唐少群

本發明公開了一種基于低分辨率相移器的多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法，包括：構建包含用戶位置定位不確定性的多波束衛星下行信道矢量模型；獲取關于信道自相關矩陣的統計信道模型；構建多波束衛星系統和速率最大化的魯棒混合預編碼優化設計問題；在部分連接結構下，分別將多波束衛星系統和速率最大化的魯棒數字預編碼和模擬預編碼的優化設計問題等價轉化為用戶信干噪比保障和單天線功率約束下的功率最小化問題；結合對應的等價優化問題的拉格朗日函數及其KKT條件，通過迭代算法獲得最優的數字預編碼和模擬預編碼矢量；本發明能夠顯著提高系統的發射功率效率，降低了硬件成本和運行成本，同時提高了系統對定位角度估計誤差的魯棒性。

技術領域

本發明涉及多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法的技術領域，特別是涉及一種基于低分辨率相移器的多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法。

背景技術

近年來，人們對更高質量的通信服務和全球無縫接入的需求迅速增加，特別是在后5G及未來的6G網絡，這使得從太空提供互聯網服務的概念引起了學術界和工業界的深刻關注。值得注意的是，衛星通信系統在提供無縫覆蓋和擴展地面通信網絡方面具有優勢，并可實現更低的延遲、更低的生產成本、更大的覆蓋范圍，提供無處不在的全球無線接入。但是由于目前低軌衛星(LEO)趨于小型化、低生產成本和有限的收發器功率，硬件成本和功耗成為衛星預編碼器設計的關鍵考慮因素。

近幾年，具有高能效和低實現成本的混合預編碼技術得到了研究界的廣泛關注。在混合預編碼結構中，混合收發器通常將大量低成本的模擬移相器(PS)和功率放大器與低維數字信號處理單元相結合，使用少數昂貴的射頻鏈路(RF)，這種混合預編碼器的設計降低了系統生產成本和功率消耗，符合當前高能效LEO衛星通信系統的設計需求。此外，在毫米波頻段，由于發送天線尺寸小，因此可以將許多天線陣元封裝在一個緊湊的區域內，有利于發送波形在空間域上有著良好的方向自由度和三維覆蓋范圍，并在具有嚴重路徑損耗的毫米波信道提供足夠的預編碼增益。然而，毫米波衛星下行鏈路的混合預編碼器的設計并不是一件容易的事，因為模擬預編碼器和數字預編碼器的優化問題通常是非凸的，求解最優的預編碼矢量比較困難。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于低分辨率相移器的多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法，以提高多波束衛星通信系統的傳輸效率，并降低硬件成本和系統功耗。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于低分辨率相移器的多波束衛星通信魯棒混合預編碼方法，所述方法包括：

步驟S1、基于多波束衛星對各用戶的位置角度估計誤差以及由于衛星姿態軌道控制而導致的公共角度誤差，構建包含用戶位置定位不確定性的多波束衛星下行信道矢量模型；再基于該多波束衛星下行信道矢量模型構建用戶側的接收信號模型；

步驟S2、對多波束衛星系統的和速率關于定位角度誤差變量求數學期望，得到第k個用戶的遍歷傳輸速率，獲取關于信道自相關矩陣的統計信道模型；

步驟S3、基于部分連接的混合預編碼結構，關于模擬預編碼矢量和數字預編碼矢量構建多波束衛星系統和速率最大化的魯棒混合預編碼優化設計問題，約束條件為多波束衛星的每個天線陣元的功率值均小于某一門限值，其中，該優化設計問題定義為第一優化問題；

步驟S4、將步驟S3中構建的第一優化問題等價轉化為用戶信干噪比保障和單天線功率約束下的功率最小化問題，其中，該功率最小化問題，定義為第二優化問題；

步驟S5、固定模擬預編碼矩陣，結合第二優化問題的拉格朗日函數及其KKT條件，將混合預編碼結構中數字預編碼的最優結構建模為一個廣義特征值問題的解，計算最優數字預編碼矢量；

步驟S6、固定最優數字預編碼矢量，結合關于模擬預編碼矢量的等價轉化問題的拉格朗日函數及其對應的KKT條件，將模擬預編碼的最優方向建模為一個廣義特征值問題的解，計算獲得最優模擬預編碼矢量；其中，該等價轉化后的關于模擬預編碼矢量的設計問題定義為第三優化問題；