一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法。解決多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中波束間干擾抑制和頻譜資源的有效利用，以及只能用于固定衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性問題。方法步驟包括：a.對協(xié)作波束覆蓋區(qū)內(nèi)用戶進(jìn)行隨機(jī)分組，每個(gè)協(xié)作用戶組中的用戶分別來自不同波束覆蓋區(qū)，每組用戶分配一個(gè)頻段；b.根據(jù)已知衛(wèi)星用戶信道部分信息計(jì)算衛(wèi)星到用戶的鏈路有效傳輸增益；c.計(jì)算最優(yōu)分組預(yù)編碼矩陣；d.根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣對協(xié)作波束的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，能應(yīng)用于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中。獲得功率增益，相比傳統(tǒng)的頻率復(fù)用方法，系統(tǒng)性能得到極大的提升。
【專利說明】一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種涉及多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的基于 部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 多波束天線技術(shù)不僅提供了靈活的地面通信覆蓋，而且能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，在 現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，在多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于波束間的同 信道干擾和稀缺的頻譜資源限制，阻礙了多波束衛(wèi)星系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。
[0003] 針對波束間干擾抑制和資源分配問題，目前應(yīng)用的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)解決辦法是， 利用傳統(tǒng)的的頻率復(fù)用方法；但是，基于這種方法的系統(tǒng)頻譜效率低。為了解決這個(gè)問題， 最新的研究技術(shù)主要采用了陸地蜂窩移動(dòng)通信中抑制小區(qū)間干擾的方法，包括協(xié)作傳輸技 術(shù)和干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。但是，這些方法的一個(gè)基本假設(shè)條件是，衛(wèi)星發(fā)射機(jī)或控制關(guān)口站需要 有精確的地面用戶信道信息；對于移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是基于同步衛(wèi)星的移動(dòng)通信系 統(tǒng)，由于傳播延遲，這個(gè)條件是很難滿足的。因此，目前提出的這些技術(shù)和方法只能用于固 定衛(wèi)星系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要是解決多波束衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中波束間干擾抑制和頻譜資源的有 效利用問題，以及只能用于固定衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性問題，提供了一種抑制干擾，提高傳輸速 率的，不僅限于固定衛(wèi)星系統(tǒng)的基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法。
[0005] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種基于部分信道 信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，包括以下步驟：
[0006] a.對協(xié)作波束覆蓋區(qū)內(nèi)用戶進(jìn)行隨機(jī)分組，每個(gè)協(xié)作用戶組中的用戶分別來自不 同波束覆蓋區(qū)，每組用戶分配一個(gè)頻段；
[0007] b.根據(jù)已知衛(wèi)星用戶信道部分信息計(jì)算衛(wèi)星到用戶的鏈路有效傳輸增益：采用 萊斯陰影信道模型導(dǎo)出衛(wèi)星用戶鏈路的中斷概率表達(dá)式，根據(jù)用戶部分信道信息和用戶鏈 路中斷概率要求，求得用戶信道的有效傳輸增益；
[0008] c.計(jì)算最優(yōu)分組預(yù)編碼矩陣：根據(jù)部分信道信息、系統(tǒng)功率約束條件和用戶速率 請求獲得最優(yōu)預(yù)編碼和功率分配目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題構(gòu)造，求解問題構(gòu)造獲得最優(yōu)預(yù)編碼 矩陣；
[0009] d.根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣對協(xié)作波束的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼。本發(fā)明基于 部分信道信息的多波束協(xié)作傳輸方法，依據(jù)用戶的部分信道狀態(tài)信息和服務(wù)質(zhì)量要求，優(yōu) 化控制信號(hào)的預(yù)編碼矢量和資源的分配，有效地克服波束間的干擾和信道衰落的影響。由 于部分信道信息的慢時(shí)變特性，提出方法有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)的局限性，為多波束衛(wèi)星 移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能改進(jìn)提供了一種解決方法。
[0010] 作為一種優(yōu)選方案，步驟a具體過程為：多波束協(xié)作傳輸方法通過關(guān)口站實(shí)現(xiàn)的， 關(guān)口站管理著K個(gè)波束，K個(gè)波束覆蓋區(qū)中均勻分布著N個(gè)用戶，采用隨機(jī)選擇的方法將用 戶分組，每組K個(gè)用戶分別來自K個(gè)不同波束覆蓋區(qū)。
[0011] 作為一種優(yōu)選方案，步驟b具體過程為：
[0012] 每組用戶的信號(hào)采用多波束協(xié)作發(fā)送，則地面用戶k的接收信號(hào)可以表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，其特征在于：包括以下步驟： a. 對協(xié)作波束覆蓋區(qū)內(nèi)用戶進(jìn)行隨機(jī)分組，每個(gè)協(xié)作用戶組中的用戶分別來自不同波 束覆蓋區(qū)，每組用戶分配一個(gè)頻段； b. 根據(jù)已知衛(wèi)星用戶信道部分信息計(jì)算衛(wèi)星到用戶的鏈路有效傳輸增益：采用萊斯 陰影信道模型導(dǎo)出衛(wèi)星用戶鏈路的中斷概率表達(dá)式，根據(jù)用戶部分信道信息和用戶鏈路中 斷概率要求，求得用戶信道的有效傳輸增益； c. 計(jì)算最優(yōu)分組預(yù)編碼矩陣：根據(jù)部分信道信息、系統(tǒng)功率約束條件和用戶速率請求 獲得最優(yōu)預(yù)編碼和功率分配目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題構(gòu)造，求解問題構(gòu)造獲得最優(yōu)預(yù)編碼矩 陣； d. 根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣對協(xié)作波束的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，其特征 是步驟a具體過程為：多波束協(xié)作傳輸方法通過關(guān)口站實(shí)現(xiàn)的，關(guān)口站管理著K個(gè)波束，K 個(gè)波束覆蓋區(qū)中均勻分布著N個(gè)用戶，采用隨機(jī)選擇的方法將用戶分組，每組K個(gè)用戶分別 來自K個(gè)不同波束覆蓋區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，其特征 是步驟b具體過程為： 每組用戶的信號(hào)采用多波束協(xié)作發(fā)送，則地面用戶k的接收信號(hào)可以表示為：
其中k為第k個(gè)用戶，ak是用戶k的衰落信道系數(shù);％為用戶k的發(fā)射預(yù)編碼權(quán)矢量；Sj是預(yù)定發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)信號(hào)；K 1,2,…是用戶的方向矢量，K表示關(guān)口站管 理的K個(gè)波束，或用輻射增益矩陣表示為G=[glg2…gK]，它反映了衛(wèi)星天線對地面用戶的 輻射增益特性；nk是接收信號(hào)中的高斯噪聲；Ζ<_Χ為第k個(gè)波束中心的波束增益，它包含了 發(fā)射天線增益、路徑損失、接收天線增益和噪聲功率的影響，定義為
式⑵中Lk為用戶k和衛(wèi)星之間的距離，λ為載波頻率，kB為玻爾茲曼常數(shù)，（?是用 戶接收天線增益，是最大衛(wèi)星發(fā)射天線增益，取決于發(fā)射天線的模式參數(shù)a，Tk和 Bw分別為接收機(jī)噪聲溫度和傳輸鏈路的帶寬； 則協(xié)作傳輸系統(tǒng)下行鏈路用戶k的接收信號(hào)信干噪比能表示為
因此，用戶k的信道容量為Ck =log2(l+rk); 計(jì)算衛(wèi)星到用戶鏈路中斷概率：
其中Cwt,k是滿足中斷概率的目標(biāo)容量，即為中斷容量； 采用萊斯陰影衰落信道模型，衰落信道的概率密度函數(shù)為：
^ If 2h0m T 1 Ω 其中信道參數(shù)Itj。^ --Ω為視線分量的平 Ib0 \ 2ο?Μ + ?1 I ZD0 2o0m+il 均功率，m為Nakagami分布參數(shù)，2k是散射分量的平均功率，(m，I;C(Iγk)為合流超幾何 函數(shù)，門限r(nóng)f'為：
求解式（4)得到 Pout =φ (?) =l-exp(-uk)Q(uk) (7) 式⑵中乂全/fl1/2?，Q(Uk)為一個(gè)收斂的無限項(xiàng)級數(shù)的和，
應(yīng)用有限項(xiàng)數(shù)的和逼近式（8)中內(nèi)級數(shù)的和，得到
(9) 衛(wèi)星用戶部分信道信息包括用戶信道的方向信息{gj，j= 1，2，…，K}和統(tǒng)計(jì)量信息 =€·Ω，《=€niiiX6(pml，在用戶部分信道信息已知情況下，基于確定的用戶終 端概率Ptjut要求，應(yīng)用迭代的二分法計(jì)算式（9)，得到用戶信道的有效傳輸增益乂； 依據(jù)Uk的定義，用戶中斷容量可表示為
假設(shè)每組用戶分配的頻段帶寬Bw，則用戶k的信號(hào)傳輸速率可以表示為Rk =BwCtjut,k。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，其特征 是步驟c具體過程為： 基于用戶部分信道信息、系統(tǒng)功率約束和用戶的速率請求，構(gòu)造預(yù)編碼和功率分配的 優(yōu)化問題，問題為：
式（11)中Pmax為系統(tǒng)最大功率約束，F(xiàn)k是用戶k的速率請求； 采用迫零預(yù)編碼功率優(yōu)化算法，令％,并將迫零預(yù)編碼矩陣 F=GlGfy1應(yīng)用于（11)中，式（11)改寫為
求解式（12)，獲得最優(yōu)功率分配{pk，k= 1，2···，K}，其中用戶k的分配功率為[(GGt)I k,kPk; 采用預(yù)編碼優(yōu)化算法，將式（11)改寫為
式（13)中C2是一個(gè)凸函數(shù)，C2是一個(gè)凸的二階錐規(guī)劃約束，采用迭代的二分法求解得 到最優(yōu)預(yù)編碼矢量{wk，k=1，2，…，K}。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于部分信道信息的衛(wèi)星多波束協(xié)作傳輸方法，其特征 是步驟d的具體過程為：根據(jù)求出的最優(yōu)的預(yù)編碼矢量·{ A= 1, 2,...,/C}，協(xié)作系統(tǒng)的 發(fā)射信號(hào)為：
【文檔編號(hào)】H04B7/06GK104320174SQ201410471326
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】宋高俊 申請人:南昌航空大學(xué)