CN102571187B - 一种卫星通信链路可支持性系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信链路可支持性系统的优化方法，属于卫星通信技术领域。本发明优化方法首先进行初始化，然后选取初始邻域，接着获取初始邻域中的新点，然后进行局部搜索，最后进行邻域变更。运用本发明的链路可支持性系统的优化方法，能够很有效地解决多载波卫星通信系统中大小载波共存难题，提高卫星通信系统的容量和转发器的功率利用率，对于卫星通信系统的设计，具有非常重要的理论指导意义和工程实用价值。

Description

一种卫星通信链路可支持性系统的优化方法

(本申请是针对申请号为2009100887457，申请日为2009年7月10的专利申请的分案申请)

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种卫星通信链路可支持性系统及其优化方法。

背景技术

当今，许多卫星通信系统采用多波束频分多址(Frequency-division multiple access，简称为FDMA)通信体制。在这种通信体制下，系统能够兼容各种类型的地面终端，包括机载、舰载、车载甚至手持终端设备。对于如手持等小口径终端所处的卫星通信链路来说，卫星的功率资源相比带宽资源更为宝贵；同时，在这种多载波卫星系统中，卫星转发器的功率放大器要同时放大多个载波。由于功放的非线性，多载波信号通过转发器时，会产生互调干扰、强信号对弱信号的抑制等现象。通常，为了避免或降低这些现象对卫星系统性能的影响，转发器功放必须工作在线性区，这就导致卫星转发器的功率利用率下降，并且导致大载波即功率较高的载波对小载波即功率较低的载波有某种抑制效应。多载波工作状态妨碍了卫星功率的有效利用。因此，卫星通信系统的加载分析，尤其对系统中各通信链路可支持性分析，即确定各上行有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，简称为EIRP)、优化卫星转发器的增益与转发器中高功放(High Power Amplifier，简称为HPA)工作点的设置等，从而解决如何有效利用卫星转发器功率、克服大载波对小载波的抑制等问题，提高卫星通信系统的性能，意义非常重大，是系统优化设计的一个重要研究课题。

传统的透明转发器只能对转发器增益进行整体调整，因此大小载波共存、卫星转发器功率的有效利用问题一直困惑着多载波卫星通信系统。随着数字信道化技术的应用，上述问题的解决有了新的思路，并取得突破。在数字信道化技术中，每个上行用户占用上行信道中一定带宽的子信道，星上用滤波方法进行子信道分离，提取出各用户信号，经电路交换后，再把各用户信号综合在一起，进入下行波束。由此可见，在运用数字信道化技术后，多载波卫星转发器中各子信道的增益可分别调整，为链路可支持性分析提供新的思路。

卫星通信系统的链路可支持性是指卫星系统中地面终端的必需上行EIRP与其可提供的最大EIRP之间的关系，即：在接收方载噪比满足要求的条件下，如果发射方的必需上行EIRP小于其可提供的最大EIRP，则称该通信链路具有可支持性，即在此情况下，该链路可维持正常的通信；否则，如果发射方的必需上行EIRP大于或等于其可提供的最大EIRP，则称该通信链路不具有可支持性。在卫星通信系统中，具有可支持性的链路数越多，系统的容量也就越高。显然，链路可支持性是反映卫星通信系统性能的一项重要指标。对于数字信道化卫星通信系统而言，链路可支持性分析的任务是确定各链路的上行EIRP、优化转发器中各子信道的增益，从而优化转发器中HPA的工作点，达到克服大、小载波共存难题，提高卫星转发器功率利用率的目的。可见，链路可支持性分析对于新型卫星通信系统的规划和设计而言，具有非常重要的理论指导意义和工程实用价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统卫星通信中大小载波难以共存、转发器功率利用率低的问题，提出一种卫星通信的链路可支持性系统，并针对该系统，提出一种启发式优化方法。运用该优化方法来优化处理所述链路可支持性系统的全局最优结果，得到卫星转发器中各子信道最佳增益和各链路的最佳发射功率。该链路可支持性系统通过对卫星转发器输出中的最大载波功率进行最小化，达到如下目的：

a)尽量缩小转发器中各载波功率的差别，避免各载波功率参差不齐，从而可以将转发器工作点设置在最优位置，提高转发器的功率利用率；

b)最小化各终端的上行EIRP，使得尽可能多的链路能实现正常通信，从而提高系统的容量。

为了达到上述目的，提出了一种卫星通信链路可支持性系统，该系统由最大值选取模块、对数障碍处理模块、可调衰减模块、罚函数处理模块以及可调放大模块五个模块组成。其中，第一输入信号输入对数障碍处理模块，对数障碍处理模块的输出信号输入可调衰减模块；第二输入信号输入最大值选取模块；第三输入信号输入罚函数处理模块，罚函数处理模块的输出信号输入可调放大模块；最大值选取模块和可调放大模块两个模块输出信号的和信号与可调衰减模块输出信号的差信号成为本发明卫星通信链路可支持性系统的输出信号。

基于本发明上述系统，一种卫星通信链路可支持性系统的优化方法包括以下步骤：

步骤一：初始化

构造两个邻域，选择初始点并制定处理过程的终止条件；

步骤二：选取初始邻域

选取一个邻域作为初始邻域；

步骤三：获取初始邻域中的新点

随机获取点作为初始邻域中的新点；

步骤四：局部搜索

将步骤三中获取的新点作为初始点，在另一个邻域中作局部搜索得到另一个新点；

步骤五：邻域变更。

综上所述，运用本发明提出的链路可支持性系统以及本发明提出的卫星通信链路可支持性系统的优化方法对数字信道化卫星通信系统进行分析，能够很有效地解决传统多载波卫星通信系统中的固有问题，提高系统的容量，即一个卫星通信系统能够容纳更多的不同种类的地面终端；同时提高卫星转发器的功率利用率，更有效地利用卫星的功率资源。该链路可支持性系统及其优化方法对数字信道化卫星通信系统的设计工程师来说，具有非常重要的理论指导意义和工程实用价值。

本发明的优点在于：

(1)本系统在数字信道化技术的配合应用下，解决了传统多载波透明转发卫星通信系统的固有问题：大小载波难以共存、转发器功率利用率不高；

(2)本方法是一种全局最优方法，与诸如序列二次规划方法等经典的优化方法相比，后者在优化处理本发明卫星通信链路可支持性系统时，对初值的选取非常敏感，初值不同，获取的结果不同，且差别很大；前者则没有这种缺陷。

附图说明

图1为现有数字信道化卫星通信系统的信道模型；

图2为本发明卫星通信链路可支持性系统框图；

图3为本发明卫星通信链路可支持性系统的优化方法中确定线搜索步长的方法流程图；

图4为本发明卫星通信链路可支持性系统的优化方法流程图。

图中：1.卫星转发器    2.第M地面发射终端     3.第一地面发射终端

4.第M地面接收终端     5.第一地面接收终端    6.最大值选取模块

7.对数障碍处理模块    8.可调衰减模块        9.罚函数处理模块

10.可调放大模块

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是一种卫星通信链路可支持性系统及其优化方法。图1是现有数字信道化卫星通信系统的信道模型，该模型包括卫星转发器1、第M地面发射终端2、第一地面发射终端3、第M地面接收终端4以及第一地面接收终端5，其中卫星转发器1接收来自第一地面发射终端3和第M地面发射终端2的上行信号，并将接收到的信号进行处理后分别发送给第一地面接收终端5和第M地面接收终端4。对应该信道模型，假定一个子信道可以容纳几个小载波，一个大载波可以占用几个相邻子信道。不考虑天线的数量，单个转发器具有N个子信道以容纳M个载波，且每个转发器中只有一个HPA，它的非线性导致互调干扰。对于链路i，其中i＝1，2，…，M，记地面发射终端的上行EIRP为E_i，上行链路损耗为a_i，它包括自由空间损耗、散射损耗、雨衰、以及卫星接收天线增益G_u，a，下行链路损耗为b_i，它包括卫星发射天线增益G_d，a、自由空间损耗、散射损耗、雨衰、以及地面接收终端的天线增益。转发器输入端的各载波功率为x_i，输出端的各载波功率为y_i。令k表示玻尔兹曼常数，T_s表示转发器的系统噪声温度，T_i表示该链路中接收终端的系统噪声温度。则转发器可建模为：具有密度为kT_s的加性噪声、理想子信道G_n、理想滤波、无记忆非线性，其中n＝1，2，…，N。对所有的子信道来说，加性噪声和非线性都相同，但增益和滤波不同。转发器的总增益体现在各子信道增益G_n上，且在小信号情况下，HPA的增益为1。

当卫星通信系统的基本参数已知时，上行路径损耗即为已知，此时，确定终端的必需上行EIRP等效于确定转发器必需的输入功率x_i，其中i＝1，2，…，M。

为了分析链路可支持性，还要确定转发器的工作点，在该工作点上来评估HPA非线性对多载波信号的影响，根据该影响去优化工作点的设置。为此，定义转发器的工作点为：在没有增益压缩的情况下，转发器输出的总功率相对于饱和功率P的归一化值，记为z，则：

$z=\frac{1}{P}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{G}_{n\left(i\right)}+k{T}_s\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_n{B}_n)---\left(1\right)$

其中：G_n为第n个子信道的增益，G_n(i)为分配给链路i的第n个子信道的增益，n(i)表示子信道n分配给链路i，B_n表示第n个子信道的带宽。

定义增益压缩量是转发器工作点z的函数，为简单起见，假设所有链路的增益压缩均相同，记为g(z)，则对于链路i来说，终端的上行信号通过卫星转发器后得到的净增益为G_n(i)/g(z)，转发器的输出载波功率y_i＝x_iG_n(i)/g(z)。

假设互调干扰为白色，且其谱密度是工作点的函数，记归一化的互调干扰特征函数为h(z)，则转发器输出处的实际互调干扰谱密度为h(z)P/B，此处B为转发器的总带宽。

因此，在建模时，对转发器输出的最大载波功率进行最小化，同时保证链路的载噪比满足系统误码率性能要求，据此，数字信道化卫星通信系统的链路可支持性建模为：

$\min \mathrm{imize}\underset{1\≤i\≤M}{\max }{y}_i---\left(2\right)$

式(2)是挑选出转发器的输出所有载波功率中的最大值，并对该最大值进行最小化。

假定链路i支持的总数据率为R_b，c_i为该链路必需的载噪比，根据系统接收方E_b/N₀的需求，有

$c_i={\left(\frac{E_b}{N_0}\right)}_i\×R_b---\left(3\right)$

其中E_b是发送每比特信息所需的能量，N₀是噪声谱密度。要使链路i满足系统误码率性能的要求，则必须使得该链路中接收方的实际载噪比大于等于c_i，即

$\frac{y_i/b_i}{\left(\frac{k{T}_s{G}_{n\left(i\right)}}{g\left(z\right)b_i}\right)+\frac{1}{b_i}\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}{y}_i+\frac{h\left(z\right)P}{B{b}_i}+k{T}_i}\≥c_i---\left(4\right)$

其中：分子y_i/b_i表示接收终端解调器入口处的信号功率；分母表示噪声和干扰，包括放大的上行链路噪声

邻道干扰

互调干扰

以及下行链路噪声kT_i。此处，Δ_ij为链路i滤波器中残留链路j的转发器输出功率，即

Δ_ij＝∫S_i(f)S_j(f)df

其中：S_i(f)和S_j(f)分别表示载波i和载波j的归一化功率谱密度。

因此，卫星通信链路可支持性系统可完整表述为：

$\min \mathrm{imize}\underset{1\≤i\≤M}{\max }{y}_i$

$\mathrm{subject\; to}\frac{y_i/b_i}{f_i\left(Y\right)}\≥c_i,1\≤i\≤M,.---\left(5\right)$

$z=\frac{1}{P}(\underset{i-1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{G}_{n\left(i\right)}+k{T}_s\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{G}_n{B}_n)$

式(5)是本发明数字信道化卫星通信系统的链路可支持性系统的数学表达式。其中：

y_i＝x_iG_n(i)/g(z)。这里，x_i和G_n(i)为设计变量，其中i＝1，2，…，M。第一个约束条件

确保各链路接收方载噪比满足系统误码性能要求；第二个约束条件确保转发器中HPA的工作点远离非线性区域。通过对数障碍法和罚函数法将(5)式转化为

$\min \mathrm{imize}\underset{1\≤i\≤M}{\max }{y}_i-\mathrm{\μ}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\log (\frac{y_i/b_i}{f_i\left(Y\right)}-c_i)+\mathrm{\σ}{(z-q(X,G))}^2---\left(6\right)$

式(6)是(5)式的非约束优化表现形式。其中：f_i(Y)与(5)式中一致；

μ为障碍因子，取值为10^-5；σ为罚因子，取值为100。

因此，本发明提出的卫星通信链路可支持性系统由最大值选取模块6、对数障碍处理模块7、可调衰减模块8、罚函数处理模块9以及可调放大模块10五个模块组成，如图2所示。其中，第一输入信号输入对数障碍处理模块7，对数障碍处理模块7的输出信号输入可调衰减模块8；第二输入信号输入最大值选取模块6；第三输入信号输入罚函数处理模块9，罚函数处理模块9的输出信号输入可调放大模块10；最大值选取模块6和可调放大模块10两个模块输出信号的和信号与可调衰减模块8输出信号的差信号成为本发明卫星通信链路可支持性系统的输出信号。其中，最大值选取模块6，对应式(6)中的max_1≤i≤My_i，从第二输入信号中挑选出最大输入信号；对数障碍处理模块7，对应(6)式中的

对第一输入信号取对数，然后求和；可调衰减模块8将对数障碍处理模块7的输出结果进行可变衰减调节，衰减量为μ；罚函数处理模块9，对应(6)式中的(z-q(X，G))²，检测第三输入信号的电平与预期电平之间的误差，然后将该误差的平方作为输出信号；可调放大模块10对罚函数处理模块9的输出信号进行可调放大调节，放大量为σ。

下面设计一种有效的优化方法对上面建立的链路可支持性系统进行优化处理，得到其全局最优结果：各载波在卫星转发器输入处的功率x_i和卫星转发器中各子信道的增益G_n，其中i＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N；最后，根据该全局最优结果去配置所研究的数字信道化卫星通信系统，包括对该系统各终端的上行EIRP的设置、卫星转发器中功率放大器的设置，完成系统链路可支持性分析的任务。为此，要构造两个邻域N₁和N₂。

N₁邻域的构造步骤为：

a)获取随机搜索方向

根据如下方法获取4M个不同的随机搜索方向d₁，d₂，…，d_4M

$d_j=\left\{\begin{array}{c}1,u\∈[\mathrm{0,1}/3)\\ 0,u\∈[1/\mathrm{3,2}/3)\\ -1,u\∈[2/\mathrm{3,1}]\end{array}\right.$

其中：u为均匀分布在区间[0，1]上的随机数；

b)确定线搜索区间

设待求问题的自变量x∈[x_L，x_U]，第j次迭代过程中，当前点为x_j，当前搜索方向为d_j，考虑到当前搜索方向d_j可以为正数、负数或0，因此将搜索步长λ_j限制为非负，即λ_j≥0。由于

x_L≤x_j≤x_U    (7)

则迭代一次后得到的点x_j+λ_jd_j也应该满足

x_L≤x_j+λ_jd_j≤x_U    (8)

设x_L(i)，x_U(i)，x_j(i)和d_j(i)分别表示x_L，x_U，x_j和d_j的第i个分量，其中i＝1，2，…，2M；x_L是自变量x的下界，x_U是自变量x的上界，x_j是当前点，d_j是当前搜索方向。根据(8)式则有

x_L(i)≤x_j(i)+λ_jd_j(i)≤x_U(i)

又根据(7)式

x_L(i)≤x_j(i)≤x_U(i)

所以：

情况一：当d_j(i)＝1时，可得0≤λ_j≤x_U(i)-x_j(i)

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝1(i＝1，2，…，2M)时λ_j的线搜索区间[a，b]为 $[0,\underset{1\≤i\≤M}{\min }(x_U\left(i\right)-x_j\left(i\right))];$

情况二：当d_j(i)＝0时，可得0≤λ_j＜+∞

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝0(i＝1，2，…，2M)时λ_j的线搜索区间[a，b]为[0，+∞)；

情况三：当d_j(i)＝-1时，可得0≤λ_j≤x_j(i)-x_L(i)

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝-1(i＝1，2，…，2M)时λ_j的线搜索区间[a，b]为 $[0,\underset{1\≤i\≤M}{\min }(x_j\left(i\right)-x_L\left(i\right))];$

c)确定搜索步长

首先，初始化：

令搜索步长λ_i的初次增加量l＝1，该增加量的压缩因子s＝10，搜索范围的变化量δ＝0.5，搜索过程的门限δ_f＝0.05，最佳搜索步长λ^*＝λ_i＝a，当前最佳函数结果min＝f(x+λ_id；

其次，搜索步长扰动：

令搜索步长λ_i增加一个定量l，并检查增加后的搜索步长是否超出步骤二制定的搜索步长范围，如果超出了，则扩展搜索范围a＝λ^*-δ，b＝λ^*+δ，并记录当前函数结果f(x+λ^*d)作为最佳结果，将搜索步长的增加量压缩为l/s；如果没有超出，则检查当前函数结果f(x+λ_id)是否小于记录的最佳结果，如果是，则重复该扰动过程，否则，转入搜索终止；

最后，获取搜索步长：

压缩步长搜索范围的扩展量δ＝δ/s，并检查δ是否小于搜索过程的门限值δ_f，如果是，则终止搜索过程，此时的搜索步长即为最佳搜索步长；否则重新开始该搜索过程。如图3所示。

d)确定最佳方向和最佳更新步长

找出最佳方向d^*以及与之对应的最佳更新步长λ^*，它们满足

$f(x_j+{\mathrm{\λ}}^{*}{d}^{*})=\underset{1\≤i\≤2M}{\min }f(x_j+{\mathrm{\λ}}_i{d}_i)$

其中：f表示待解决问题的目标函数，x_j为第j迭代的起始点，λ_i为c)中确定的搜索步长，d_j为a)中获取的搜索方向。

e)更新当前点

设待处理的优化问题目标函数的最优值为f^*，如果f(x_j+λ^*d^*)＜f^*，则更新当前点和最优值，即x_j+1＝x_j+λ^*d^*，f^*＝f(x_j+λ^*d^*)

否则，当前点和最优值都不被更新。

N₂邻域的构造步骤为：

设待求问题的变量为(x，y)，(-1＜x，y＜1)。

a)确定初始点和搜索移动方向

设搜索初始点为

其中

表示最佳初始点的x分量，

表示最佳初始点的y分量，则搜索移动方向按照如下规则确定

令

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}=(x_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}+0.99x_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}})/2$

${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}=(y_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}+0.99y_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}})/2$

如果

则x分量上的搜索方向为+1；否则，为-1；

如果

则y分量上的搜索方向为+1；否则，为-1；

b)确定搜索步长

搜索步长Δ为均匀分布在区间[-α，α]上的随机数，α的初值取为0.5，每次搜索迭代后，将0.67×α作为下一次搜索迭代的α。

c)确定迭代更新方式

设(x_t-1，y_t-1)表示第t-1次迭代搜索后得到的解向量，则第t次迭代搜索得到的解向量(x_t，y_t)遵循如下更新规律：

x_t＝x_t-1±Δ，(t＝1，2，…，T)    (9)

y_t＝y_t-1±Δ，(t＝1，2，…，T)    (10)

其中：最大迭代次数T选取为500；当步骤一中确定的搜索移动方向为+1时，(9)和(10)中取′+′；否则取′-′。

这样，如图4所示，本发明卫星通信链路可支持性系统的完整优化方法包括以下步骤：

步骤一：初始化

按照上述邻域的构造步骤构造两个邻域N₁和N₂，选择初始点x并制定处理过程的终止条件；

步骤二：选取初始邻域

由于在本发明中构造两个邻域便足以达到本发明的目的，因此选取邻域N₁作为初始邻域；

步骤三：获取初始邻域中的新点

随机获取点y∈N_k(x^*)，k＝1，2作为初始邻域中的新点；

步骤四：局部搜索

以步骤三中获取的新点为y为初始点，在邻域N₂中作局部搜索得到新点y′；

步骤五：邻域变更

判断步骤四中得到的新点处的目标函数结果f(y′)是否小于当前最优值f^*，如果是，则移动到新点y′，且令最优函数结果f^*＝f(y′)，并检查步骤一中制定的处理过程终止条件是否满足，如果满足，则终止处理过程，否则跳回到步骤二，重新开始该处理过程。如图4所示。

然后，根据图4中关于本发明卫星通信链路可支持性系统的优化方法步骤，对(6)式进行优化处理，得到各子信道增益G_n，其中n＝1，2，…，N，以及各载波于转发器处的输入功率x_i，其中i＝1，2，…，M，再根据式(11)得到各终端的上行有效全向辐射功率

$E_i=\frac{x_i{a}_i}{G_{u,a}}---\left(11\right)$

根据该G_n和E_i，对系统的各地面发射终端和卫星转发器进行设置，使得整个卫星通信系统处于最佳工作状态。

以下介绍本发明的链路可支持性系统和优化方法的实施例：

在介绍具体的实施例前，给出各实施例中需运用的参数：

表1卫星基本参数表

上行频率(GHz)	31
		下行频率(GHz)	21.2
信道带宽(MHz)	124.8
		EIRP(dBW)	55.2
G/T(dB/deg.)	8.4
		饱和通量密度(dBW/m2)	-89.4
等效噪声温度(deg.)	1819
		饱和功率(W)	34
接收天线增益(dBi)	41
		发射天线增益(dBi)	39.9
转发器增益范围(dB)	100-150

系统中存在两类终端，天线口径分别为8英尺和2英尺。该两类终端的基本参数如表2所示。

表2终端基本参数表

终端标称尺寸(英尺)	8	2
			发射天线增益(dBi)	55.2	43.2
接收天线增益(dBi)	51.9	39.3

噪声温度(deg.)	450	450
			最大发射功率(W)	25	5
最大EIRP(dBW)	69.2	50.2
			G/T(dB/deg.)	25.4	13.4

系统中共设置了16条链路，其中四条链路为：2-英尺终端发8-英尺终端收，传输速率为1Mbps；另四条链路为：8-英尺终端发2-英尺终端收，传输速率为1Mbps；剩下的八条链路为：8-英尺终端发8-英尺终端收，传输速率为10Mbps。为简单起见，设所有链路的E_b/N₀需求为5dB，下行链路雨衰余量为5dB。系统中总的信道带宽为124.8MHz，分为48个子信道，每个子信道带宽2.6MHz，分配两个子信道给2-英尺终端发8-英尺终端收的四条1Mbps链路，另分配两个子信道给8-英尺终端发2-英尺终端收的四条1Mbps链路，还分配34个子信道给8-英尺终端发8-英尺终端收的八条10Mbps链路，剩下的10个子信道空闲。链路的基本参数如表3所示，其中c_i根据(3)式得到：

表3链路基本参数表

链路类型	ci	占用带宽(MHz)
			1Mbps，2-英尺发8-英尺收	1.0e7	2×2.6
1Mbps，8-英尺发2-英尺收	1.0e7	2×2.6
			10Mbps，8-英尺发8-英尺收	1.0e8	34×2.6

转发器非线性特征函数g(z)以及互调干扰特征函数h(z)分别取：

g(z)＝1+1.27z

$h\left(z\right)=\frac{0.123}{{(1+1/z)}^3}$

实施例一：用本发明提出的链路可支持性系统和优化方法分析卫星通信系统的链路可支持性

采用本发明数字信道化卫星通信链路可支持性系统及其优化方法对数字信道化卫星通信系统的链路可支持性进行分析，结果如表4所示。

表4应用卫星通信链路可支持性系统及其优化方法分析链路可支持性得到的结果

链路类型

增益(dB)

必需EIRP(dBW)

最大EIRP(dBW)

1Mbps，2-英尺发8-英尺收	125.21	48.50	50.2
				1Mbps，8-英尺发2-英尺收	107.88	67.62	69.2
10Mbps，8-英尺发8-英尺收	111.89	64.24	69.2

从表4可知，所有三种链路中，发射终端必需的上行EIRP都小于其最大EIRP，因此均可被系统支持。在此情况下，链路支持率达到16/16，也就是说，本发明提出的链路可支持性系统解决了系统大小载波难以共存的矛盾，提高了卫星系统的容量。

实施例二：用本发明提出的链路可支持性系统和方法分析卫星系统中转发器的功率利用率。

对于数字信道化卫星通信系统而言，现有的链路可支持性系统如式(12)所示的p范数系统

$\min \mathrm{imize}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i^p,p\≥1$

(12)

$\mathrm{subject\; to}\frac{y_i/b_i}{f_i\left(Y\right)}\≥c_i,1\≤i\≤M.$

其中：f_i(Y)与(5)式中一致。

运用Lagrange乘子方法处理系统(12)，得到转发器功率利用率的结果如表5中的第二行数据所示；而运用本发明提出的优化方法获得的转发器功率利用率的结果如表5中的第三行数据所示。

表5两种模型下，卫星转发器功率利用率结果对比

从表5可见，本发明所提链路可支持性系统具有较高的转发器功率利用率，即总的下行EIRP由“p范数系统”的49.53dBW提高到本发明系统的51.26dBW，功率利用率约提高48％。

运用本发明提出的链路可支持性系统以及本发明提出的优化处理方法对数字信道化卫星通信系统进行分析，能够很有效地解决传统多载波卫星通信系统中的固有问题，提高系统的容量，即一个卫星通信系统能够容纳更多的不同种类的地面终端；同时提高卫星转发器的功率利用率，更有效地利用卫星的功率资源。该链路可支持性系统及其优化方法对数字信道化卫星通信系统的设计工程师来说，具有非常重要的理论指导意义和工程实用价值。

Claims (1)

1.一种卫星通信链路可支持性系统的优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：初始化

构造两个邻域N₁和N₂，选择初始点x并制定处理过程的终止条件；

N₁邻域的构造步骤为：

a1)获取随机搜索方向

根据如下方法获取4M个不同的随机搜索方向d₁,d₂,…,d_4M

$d_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& u\∈[\mathrm{0,1}/3)\\ 0,& u\∈[1/\mathrm{3,2}/3)\\ -1,& u\∈[2/\mathrm{3,1}]\end{array}\right.$

其中：u为均匀分布在区间[0,1]上的随机数，M为载波个数；

b1)确定线搜索区间

设待求问题的自变量x∈[x_L,x_U]，第j次迭代过程中，当前点为x_j，当前搜索方向为d_j，搜索步长为λ_j，x_L(i),x_U(i),x_j(i)和d_j(i)分别表示x_L,x_U,x_j和d_j的第i个分量，其中i＝1,2,…,2M；x_L是自变量x的下界，x_U是自变量x的上界，x_j是当前点，d_j是当前搜索方向；

情况一：当d_j(i)＝1时，0≤λ_j≤x_U(i)-x_j(i)

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝1时λ_j的线搜索区间[a,b]为

其中i＝1,2,…,2M；

情况二：当d_j(i)＝0时，0≤λ_j＜+∞

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝0时λ_j的线搜索区间[a,b]为[0,+∞)；其中i＝1,2,…,2M；

情况三：当d_j(i)＝-1时，0≤λ_j≤x_j(i)-x_L(i)

针对所有分量，关于λ_j的结果取交集，得到d_j(i)＝-1时λ_j的线搜索区间[a,b]为

其中i＝1,2,…,2M；

c1)确定搜索步长

首先，初始化：

令搜索步长λ_i的初次增加量l＝1，该增加量的压缩因子s＝10，搜索范围的变化量δ＝0.5，搜索过程的门限δ_f＝0.05，最佳搜索步长λ^*＝λ_i＝a，当前最佳函数结果min＝f(x+λ_id)；

其次，搜索步长扰动：

令搜索步长λ_i增加一个定量l，并检查增加后的搜索步长是否超出b1)制定的线搜索区间范围，如果超出了，则扩展线搜索区间范围a＝λ^*-δ，b＝λ^*+δ，并记录当前函数结果f(x+λ^*d)作为最佳结果，将搜索步长的增加量压缩为l/s；如果没有超出，则检查当前函数结果f(x+λ_id)是否小于记录的最佳结果，如果是，则重复该扰动过程，否则，转入搜索终止；

最后，获取搜索步长：

压缩步长搜索范围的扩展量δ＝δ/s，并检查δ是否小于搜索过程的门限值δ_f，如果是，则终止搜索过程，此时的搜索步长即为最佳搜索步长；否则重新开始该搜索过程；

d1)确定最佳方向和最佳更新步长

找出最佳方向d^*以及与之对应的最佳更新步长λ^*，满足

$f(x_j+{\mathrm{\λ}}^{*}{d}^{*})=\underset{1\≤i\≤2M}{\min }f(x_j+{\mathrm{\λ}}_i{d}_i)$

其中：f表示待解决问题的目标函数，x_j为第j迭代的起始点，λ_i为c1)中确定的搜索步长，d_j为a1)中获取的搜索方向；

e1)更新当前点

设待处理的优化问题目标函数的最优值为f^*，如果f(x_j+λ^*d^*)＜f^*，则更新当前点和最优值，即x_j+1＝x_j+λ^*d^*,f^*＝f(x_j+λ^*d^*)

否则，当前点和最优值都不被更新；

N₂邻域的构造步骤为：

设待求问题的变量为(x,y)，其中，-1＜x,y＜1；

a)确定初始点和搜索移动方向

设搜索初始点为其中

表示最佳初始点的x分量，表示最佳初始点的y分量，则搜索移动方向按照如下规则确定

令

${\stackrel{\‾}{x}}_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}=(x_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}+0.99x_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}})/2$

${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}=(y_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}}+0.99y_{\mathrm{initial}}^{\mathrm{best}})/2$

如果

则x分量上的搜索方向为+1；否则，为-1；

如果

则y分量上的搜索方向为+1；否则，为-1；

b)确定搜索步长

搜索步长Δ为均匀分布在区间[-α,α]上的随机数，α的初值取为0.5，每次搜索迭代后，将0.67×α作为下一次搜索迭代的α；

c)确定迭代更新方式

设(x_t-1,y_t-1)表示第t-1次迭代搜索后得到的解向量，则第t次迭代搜索得到的解向量(x_t,y_t)遵循如下更新规律：

x_t＝x_t-1±Δ,

y_t＝y_t-1±Δ,

其中：t＝1,2,…,T，最大迭代次数T选取为500；当步骤一中确定的搜索移动方向为+1时，上述两式中取′+′；否则取′-′；

步骤二：选取初始邻域

选取邻域N₁作为初始邻域；

步骤三：获取初始邻域中的新点

随机获取点y∈N_k(x^*),k＝1,2作为初始邻域中的新点；

步骤四：局部搜索

将步骤三中获取的新点y作为初始点，在邻域N₂中作局部搜索得到新点y'；

步骤五：邻域变更

判断步骤四中得到的新点处的目标函数结果f(y')是否小于当前最优值f^*，如果是，则移动到新点y'，且令最优函数结果f^*＝f(y')，并检查步骤一中制定的处理过程终止条件是否满足，如果满足，则终止处理过程，否则跳回到步骤二，重新开始该处理过程；

然后，根据卫星通信链路可支持性系统的优化方法步骤，对（6）式

$\min \mathrm{imize}\underset{1\≤i\≤M}{\max }{y}_i-\mathrm{\μ}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\log (\frac{y_i/b_i}{f_i\left(Y\right)}-c_i)+\mathrm{\σ}{(z-q(X,G))}^2$ 进行优化处理，得到各子信道增益G_n以及各载波于转发器处的输入功率x_i，再根据式（11）

得到各终端的上行有效全向辐射功率E_i；其中，μ为障碍因子，取值为10^-5，σ为罚因子，取值为100，n＝1,2,…,N，i＝1,2,…,M，N为卫星转发器中子信道的数目，M为卫星转发器中载波或链路的数目，G_n(i)为分配给链路i的第n个子信道的增益，B_n表示第n个子信道的带宽，k表示玻尔兹曼常数，T_s表示卫星转发器的系统噪声温度，y_i为卫星转发器输出端的各载波功率，b_i为卫星下行链路i的损耗，c_i为链路i必需的载噪比，P为卫星转发器的饱和功率， $f_i\left(Y\right)=\left(\frac{{\mathrm{kT}}_s{G}_{n\left(i\right)}}{g\left(z\right)b_i}\right)+\frac{1}{b_i}\underset{j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}{y}_i+\frac{h\left(z\right)P}{{\mathrm{Bb}}_i}+{\mathrm{kT}}_i,$ y_i＝x_iG_n(i)/g(z)，T_i表示链路i中接收终端的系统噪声温度，B为卫星转发器的总带宽，g(z)为卫星转发器关于其高功放HPA工作点z的非线性特征函数，h(z)为卫星转发器中互调干扰特征函数，Δ_ij为链路i滤波器中残留链路j的卫星转发器输出功率，a_i为上行链路损耗，G_u,a为卫星接收天线增益；第一个约束条件

1≤i≤M确保各链路接收方载噪比满足系统误码性能要求；第二个约束条件

确保转发器中高功放HPA的工作点远离非线性区域；

根据该G_n和E_i，对卫星通信系统的各地面发射终端和卫星转发器进行设置，使得整个卫星通信系统处于最佳工作状态。

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