CN103199910A - 一种分布式地基波束成形传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分布式地基波束成形传输系统及方法，其中系统包括：中心信关站、多个分布式远端信关站、多波束卫星平台和多个用户终端；方法包括：前向传输阶段，中心信关站发送前向用户数据至多个用户终端；反向传输阶段，多个用户终端发送反向用户数据至中心信关站。本发明在降低多波束卫星平台复杂度的同时，避免了传统地基波束成形传输面临的馈电链路带宽受限的问题。

Description

一种分布式地基波束成形传输系统及方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信技术领域，具体涉及一种分布式地基波束成形传输系统及方法。

背景技术

卫星移动通信系统通过多波束覆盖实现频率复用，从而提高系统容量。为了服务更多的用户并支持不断扩大的宽带业务需求，未来卫星移动通信系统将效仿地面移动通信的发展模式，即一方面逐步减小小区半径，用更多的小区覆盖原有地域；另一方面降低频率复用因子，最大限度地提高系统频率利用率。小区半径的减小依赖于卫星平台天线尺寸的增加。目前运行的Thuraya系统使用的是12.5m的S波段天线，形成250～300个波束覆盖欧洲、亚洲和非洲的110个国家和地区。而最新的TerreStar-1卫星则配备了18m的S波段天线，当TerreStar-2升空后，系统波束个数达到500个，可覆盖整个北美及其沿海地区。

如此大的波束数量将导致卫星平台数字波束成形传输的处理复杂度大幅度增加，从而使星载平台不堪重负。为了解决这个问题，可将波束成形传输的任务从卫星平台通过馈电链路转移到地面信关站来进行，这便形成了地基波束成形传输技术。地基波束成形传输技术的灵活性很高，可方便地与预编码技术及多用户监测技术相结合，解决同频组网时的波束间干扰问题。

地基波束成形传输技术的瓶颈在于馈电链路的带宽。根据MIMO（Multiple-InputMultiple-Out-put，多输入多输出）传输理论，在频率复用因子不变的情况下，波束个数的增加必然意味着馈源数量的增加。尤其是在频率复用因子为1的情况下，馈源数量要多于波束个数。由于馈源接收到的信号通常是以频分复用的方式送到地面信关站的，当馈源数量很大时，馈电链路带宽需求会非常大。目前解决这个问题的方法有三种：第一个是使用卫星平台信号压缩技术；第二个是使用带宽更充足的高频馈电链路；第三个思路是使用多个信关站复用馈电链路频带资源。第一种方法是基于消除信号相关性的思路，因此在馈源数量与波束个数相近的情况下，信号带宽的减小并不明显。第二种方法需要升级星载平台馈电链路射频。第三中方法要求馈电链路也通过多波束覆盖实现空间隔离，这增加了卫星平台馈电链路部分的硬件开销及处理复杂度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的第一个目的在于提出一种分布式地基波束成形传输系统，本发明的第二个目的在于提出一种分布式地基波束成形传输方法。

根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输系统，包括：中心信关站、多个分布式远端信关站、多波束卫星平台和多个用户终端，所述中心信关站，在前向传输阶段，通过光纤或者微波与所述多个分布式远端信关站相连，用于对前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过所述光纤或者微波发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站；在反向传输阶段，通过所述光纤或者微波与所述多个分布式远端信关站相连，用于对信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据；所述多个分布式远端信关站，分布在所述多波束卫星平台的多个波束之中：在前向传输阶段，通过所述光纤或者微波与所述中心信关站相连，并通过馈电链路上行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将所述预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，所述馈电链路上行数据作为所述馈电链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据；在反向传输阶段，通过馈电链路下行传输信道与所述多波束卫星平台相连，并通过所述光纤或者微波与所述中心信关站相连，用于通过所述光纤或者微波发送所述信关站接收馈电链路下行数据至所述中心信关站；所述多波束卫星平台，在前向传输阶段，通过所述馈电链路上行传输信道与所述多个分布式远端信关站相连，并通过用户链路下行传输信道与所述多个用户终端相连，用于对所述卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，所述用户链路下行数据作为所述用户链路下行传输信道的输入，所述多个用户终端接收所述用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据；在反向传输阶段，通过用户链路上行传输信道与所述多个用户终端相连，并通过所述馈电链路下行传输信道与所述多个分布式远端信关站相连，用于对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，所述馈电链路下行数据作为所述馈电链路下行传输信道的输入，所述多个分布式远端信关站接收所述馈电链路下行传输信道输出的所述信关站接收馈电链路下行数据；所述多个用户终端，在前向传输阶段，通过所述用户链路下行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将所述终端接收用户链路下行数据恢复为所述前向用户数据；在反向传输阶段，通过所述用户链路上行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，所述用户链路上行数据作为所述用户链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述用户链路上行传输信道输出的所述卫星接收用户链路上行数据。

在本发明的实施例中，馈电链路和用户链路共用所述星上馈源阵列，在前向传输阶段，所述馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，所述用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，在反向传输阶段，所述用户链路上行传输信道矩阵为H_uu，所述馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd。

在本发明的实施例中，所述星上馈源阵列在所述多波束卫星平台发射功率有限的情况下，对所述用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为所述用户链路下行数据，P为所述多波束卫星平台发射功率决定的功率上限值。

在本发明的实施例中，所述预编码，其预编码矩阵为D，假设所述多个用户终端接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，其中B_f为星上前向信号处理矩阵，在破零准则下

根据正则信道反转方法得到所述预编码矩阵

其中n为所述接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为所述多个用户终端的数量，γ为所述中心信关站发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站的功率。

在本发明的实施例中，在所述多个用户终端发射功率有限的情况下，对所述用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K，其中x为所述用户链路上行数据。

在本发明的实施例中，所述信号检测，其信号检测矩阵，根据所述多个用户终端发送所述用户链路上行数据的功率限制，若令H=H_fdB_rH_uu，其中B_r为星上反向信号处理矩阵，则依据线性最小均方误差准则，所述信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

在本发明的实施例中，所述多波束卫星平台的所述信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其所述星上前向信号处理矩阵B_f和所述星上反向信号处理矩阵B_r均为N×N的单位阵I_N×N，N为所述星上馈源阵列中馈源的数量。

根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输系统在降低多波束卫星平台复杂度的同时，避免了传统地基波束成形传输面临的馈电链路带宽受限的问题。

本发明实施例的一种分布式地基波束成形传输方法，采用上文所述的分布式地基波束成形传输系统，多个分布式远端信关站分布在多波束卫星平台的多个波束之中，包括以下步骤：A.前向传输阶段，所述前向传输阶段，中心信关站发送前向用户数据至多个用户终端；B.反向传输阶段，所述反向传输阶段，所述多个用户终端发送反向用户数据至所述中心信关站。

在本发明的实施例中，所述步骤A进一步包括：A1.所述中心信关站对所述前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过光纤或者微波发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站；A2.所述多个分布式远端信关站将所述预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，所述馈电链路上行数据作为馈电链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据；A3.所述多波束卫星平台对所述卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，所述用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，所述多个用户终端接收所述用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据；A4.所述多个用户终端将所述终端接收用户链路下行数据恢复为所述前向用户数据。

在本发明的实施例中，所述步骤B进一步包括：B1.所述多个用户终端将所述反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，所述用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据；B2.所述多波束卫星平台对所述卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，所述馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，所述多个分布式远端信关站接收所述馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据；B3.所述多个分布式远端信关站通过所述光纤或者微波发送所述信关站接收馈电链路下行数据至所述中心信关站；B4.所述中心信关站对所述信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据。

在本发明的实施例中，馈电链路和用户链路共用所述星上馈源阵列，在前向传输阶段，所述馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，所述用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，在反向传输阶段，所述用户链路上行传输信道矩阵为H_uu，所述馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd。

在本发明的实施例中，所述星上馈源阵列在所述多波束卫星平台发射功率有限的情况下，对所述用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为所述用户链路下行数据，P为所述多波束卫星平台发射功率决定的功率上限值。

在本发明的实施例中，所述预编码，其预编码矩阵为D，假设所述多个用户终端接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，其中B_f为星上前向信号处理矩阵，在破零准则下

根据正则信道反转方法得到所述预编码矩阵其中n为所述接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为所述多个用户终端的数量，γ为所述中心信关站发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站的功率。

在本发明的实施例中，在所述多个用户终端发射功率有限的情况下，对所述用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K，其中x为所述用户链路上行数据的功率。

在本发明的实施例中，所述信号检测，其信号检测矩阵，根据所述多个用户终端发送所述用户链路上行数据的功率限制，若令H=H_fdB_rH_uu，其中B_r为星上反向信号处理矩阵，则依据线性最小均方误差准则，所述信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

在本发明的实施例中，所述多波束卫星平台的所述信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其所述星上前向信号处理矩阵B_f和所述星上反向信号处理矩阵B_r均为N×N的单位阵I_N×N，N为所述星上馈源阵列中馈源的数量。

根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法在降低多波束卫星平台复杂度的同时，避免了传统地基波束成形传输面临的馈电链路带宽受限的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输系统的结构图；

图2是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的前向传输阶段示意图；

图4是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的前向传输阶段的流程图；

图5是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的反向传输阶段示意图；

图6是根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的反向传输阶段的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输系统的结构图，包括：中心信关站100、多个分布式远端信关站200、多波束卫星平台300和多个用户终端400。

在本发明的实施例中，分布式地基波束成形传输系统的工作过程分为前向传输阶段和反向传输阶段两个部分。

在前向传输阶段，中心信关站100通过光纤或者微波与多个分布式远端信关站200相连，多个分布式远端信关站200通过馈电链路上行传输信道与多波束卫星平台300相连，多波束卫星平台300通过用户链路下行传输信道与多个用户终端400相连。

在反向传输阶段，多个用户终端400通过用户链路上行传输信道与多波束卫星平台300相连，多波束卫星平台300通过馈电链路下行传输信道与多个分布式远端信关站200相连，多个分布式远端信关站200通过光纤或者微波与中心信关站100相连。

在本发明的实施例中，以FDMA/TDMA系统为例，假设系统配置如下：分布式远端信关站200数目为M，即G₁、G₂……G_M，多波束卫星平台300馈源个数为N，系统波束个数为N_b，系统同一载波、同一时隙内可支持的用户终端400个数为K，即U₁、U₂……U_K，由数字波束成形传输理论可知，N个馈源最多能形成的系统波束个数即为N_b。而若将K个用户终端400理解为分布式发射天线个数，将M理解为分布式接收天线个数，将多波束卫星平台300的中继看做广义信道传输的一部分，则根据MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出）理论可知，系统在同一载波、同一时隙内可服务的用户终端400数量最多为M个。如果某个无远端信关站的系统波束内的用户终端400需要服务，如海洋波束，则同一载波、同一时隙内必定有另一个部署了分布式远端信关站200的系统波束内的用户终端400无法得到服务。最终，分布式地基波束成形传输系统中的配置参数之间的关系可确定为K≤M≤N_b≤N。

在前向传输阶段，中心信关站100对前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过光纤或者微波发送预编码数据至多个分布式远端信关站200。

中心信关站100将K个用户终端400的前向用户数据s₁∈C^K进行预编码，其中C为复数向量域，预编码矩阵表示为D∈C^M×K，中心信关站100将预编码数据通过光纤或者微波发送给M个分布式远端信关站200。M个分布式远端信关站200接收的预编码数据表示为y_pc=Ds₁。

其中预编码方法，其预编码矩阵为D，在本发明实施例的前向传输阶段，馈电链路和用户链路共用星上馈源阵列，馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，星上前向信号处理矩阵为B_f，假设多个用户终端400接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，则在破零准则下

根据RCI（Regularized Channel Inversion，正则信道反转）方法得到的预编码矩阵

其中n为接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为用户终端400的数量，γ为中心信关站100发送预编码数据至多个分布式远端信关站200的功率。

多个分布式远端信关站200分布在多波束卫星平台300的多个波束之中，将预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，馈电链路上行数据作为馈电链路上行传输信道的输入，多波束卫星平台300的星上馈源阵列接收馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据。

M个分布式远端信关站200将预编码数据y_pc调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据y_fu，若M个分布式远端信关站200与N个多波束卫星平台300星上馈源阵列之间的馈电链路上行传输信道的馈电链路上行传输信道矩阵表示为H_fu∈C^N×M，并假设理想馈电链路不引入噪声，馈电链路上行数据y_fu作为馈电链路上行传输信道的输入，则多波束卫星平台300的星上馈源阵列接收馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据可表示为y_s1=H_fuDs₁。

多波束卫星平台300对卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，多个用户终端400接收用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据。

多波束卫星平台300对卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，其中星上前向信号处理矩阵表示为B_f∈C^N×N，用户链路下行数据可表示为x_s1=B_fH_fuDs₁。用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，多个用户终端400接收用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据。若用户链路下行传输信道矩阵为H_ud∈C^K×N，则K个用户终端400接收的终端接收用户链路下行数据为y_f1=H_udB_fH_fuDs₁+n，其中n∈C^K×1为接收噪声。

其中，多波束卫星平台300的信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其星上前向信号处理矩阵B_f为N×N的单位阵I_N×N，N为星上馈源阵列中馈源的数量。

多个馈源在多波束卫星平台300发射功率有限的情况下，对用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为用户链路下行数据，P为多波束卫星平台300发射功率决定的功率上限值。

多个用户终端400，分布在多波束卫星平台300的多个波束之中，将终端接收用户链路下行数据恢复为前向用户数据。

在反向传输阶段，多个用户终端400将反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入，多波束卫星平台300的星上馈源阵列接收用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据。

K个用户终端400发送反向用户数据s₂∈C^K×1，将反向用户数据s₂调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据x，用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入。在本发明的实施例中的反向传输阶段，馈电链路和用户链路共用星上馈源阵列，若用户链路上行传输信道矩阵为H_uu∈C^N×K，则多波束卫星平台300的星上馈源阵列接收用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据为y_s2=H_uus₂+n，其中n∈C^N×1为接收噪声。

其中，在多个用户终端400发射功率有限的情况下，对用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K。

多波束卫星平台300对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，多个分布式远端信关站200接收馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据。

其中，星上反向信号处理矩阵表示为B_r∈C^N×N。

其中，多波束卫星平台300的信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其星上反向信号处理矩阵B_r为N×N的单位阵I_N×N，N为星上馈源阵列中馈源的数量。

多波束卫星平台300对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据为y_f2=B_r(H_uus₂+n)。若馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd∈C^M×N，并假设馈电链路不引入噪声，则馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，多个分布式远端信关站200接收馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据可表示为y_g2=H_fdB_r(H_uus₂+n)。

多个分布式远端信关站200通过光纤或者微波发送信关站接收馈电链路下行数据至中心信关站100。

中心信关站100对信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据。

中心信关站100使用信号检测矩阵U对M个分布式远端信关站200送来的信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测，实现多个用户终端400信号检测。恢复上行用户数据可表示为：

$\tilde{s}={\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_r(H_{\mathrm{uu}}{s}_2+n)={\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_r{H}_{\mathrm{uu}}{s}_2+{\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_{r}n.$

信号检测，其信号检测矩阵，若令H=H_fdB_rH_uu，并根据多个用户终端400发送用户链路上行数据的功率限制，依据线性最小均方误差准则，信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输系统，在降低多波束卫星平台300复杂度的同时，避免了传统地基波束成形传输面临的馈电链路带宽受限的问题。

如图2所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的流程图，包括以下步骤：

A.前向传输阶段，在前向传输阶段中，中心信关站发送前向用户数据至多个用户终端。

B.反向传输阶段，在反向传输阶段中，多个用户终端发送反向用户数据至中心信关站。

在本发明的实施例中，以FDMA/TDMA系统为例，假设系统配置如下：分布式远端信关站数目为M，即G₁、G₂……G_M，多波束卫星平台馈源个数为N，系统波束个数为N_b，系统同一载波、同一时隙内可支持的用户终端个数为K，即U₁、U₂……U_K，由数字波束成形传输理论可知，N个馈源最多能形成的系统波束个数即为N_b。而若将K个用户终端理解为分布式发射天线个数，将M理解为分布式接收天线个数，将多波束卫星平台的中继看做广义信道传输的一部分，则根据MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出）理论可知，系统在同一载波、同一时隙内可服务的用户终端数量最多为M个。如果某个无远端信关站的系统波束内的用户终端需要服务，如海洋波束，则同一载波、同一时隙内必定有另一个部署了分布式远端信关站的系统波束内的用户终端无法得到服务。最终，分布式地基波束成形传输系统中的配置参数之间的关系可确定为K≤M≤N_b≤N。

如图3所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的前向传输阶段示意图。

如图4所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的前向传输阶段的流程图。

步骤A的前向传输阶段进一步包括：

A1.中心信关站对前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过光纤或者微波发送预编码数据至多个分布式远端信关站。

中心信关站将K个用户终端的前向用户数据s₁∈C^K进行预编码，其中C为复数向量域，预编码矩阵表示为D∈C^M×K，中心信关站将预编码数据通过光纤或者微波发送给M个分布式远端信关站。M个分布式远端信关站接收的预编码数据表示为y_pc=Ds₁。

其中预编码方法，其预编码矩阵为D，在本发明实施例的前向传输阶段，馈电链路和用户链路共用星上馈源阵列，馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，星上前向信号处理矩阵为B_f，假设多个用户终端接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，则在破零准则下

根据RCI（Regularized Channel Inversion，正则信道反转）方法得到的预编码矩阵

其中n为接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为用户终端的数量，γ为中心信关站发送预编码数据至多个分布式远端信关站的功率。

A2.多个分布式远端信关站将预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，馈电链路上行数据作为馈电链路上行传输信道的输入，多波束卫星平台的星上馈源阵列接收馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据。

在本发明的实施例中，多个分布式远端信关站分布在多波束卫星平台的多个波束之中。

M个分布式远端信关站将预编码数据y_pc调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据y_fu，若M个分布式远端信关站与N个多波束卫星平台星上馈源阵列之间的馈电链路上行传输信道的馈电链路上行传输信道矩阵表示为H_fu∈C^N×M，并假设理想馈电链路不引入噪声，馈电链路上行数据y_fu作为馈电链路上行传输信道的输入，则多波束卫星平台的星上馈源阵列接收馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据可表示为y_s1=H_fuDs₁。

A3.多波束卫星平台对卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，多个用户终端接收用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据。

多波束卫星平台对卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，其中星上前向信号处理矩阵表示为B_f∈C^N×N，用户链路下行数据可表示为x_s1=B_fH_fuDs₁。用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，多个用户终端接收用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据。若用户链路下行传输信道矩阵为H_ud∈C^K×N，则K个用户终端接收的终端接收用户链路下行数据为y_f1=H_udB_fH_fuDs₁+n，其中n∈C^K×1为接收噪声。

其中，多波束卫星平台的信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其星上前向信号处理矩阵B_f为N×N的单位阵I_N×N，N为星上馈源阵列中馈源的数量。

多个馈源在多波束卫星平台发射功率有限的情况下，对用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为用户链路下行数据，P为多波束卫星平台发射功率决定的功率上限值。

A4.多个用户终端将终端接收用户链路下行数据恢复为前向用户数据。

在本发明的实施例中，多个用户终端也分布在多波束卫星平台的多个波束之中。

如图5所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的反向传输阶段示意图。

如图6所示，为根据本发明实施例的分布式地基波束成形传输方法的反向传输阶段的流程图。

步骤B的反向传输阶段进一步包括：

B1.多个用户终端将反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入，多波束卫星平台的星上馈源阵列接收用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据。

K个用户终端发送反向用户数据s₂∈C^K×1，将反向用户数据s₂调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据x，用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入。在本发明的实施例中的反向传输阶段，若用户链路上行传输信道矩阵为H_uu∈C^N×K，则多波束卫星平台的星上馈源阵列接收用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据为y_s2=H_uus₂+n，其中n∈C^N×1为接收噪声。

其中，在多个用户终端发射功率有限的情况下，对用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K。

B2.多波束卫星平台对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，多个分布式远端信关站接收馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据。

其中，星上反向信号处理矩阵表示为B_r∈C^N×N。

其中，多波束卫星平台的信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其星上反向信号处理矩阵B_r为N×N的单位阵I_N×N，N为星上馈源阵列中馈源的数量。

多波束卫星平台对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据为y_f2=B_r(H_uus₂+n)。若馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd∈C^M×N，并假设馈电链路不引入噪声，则馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，多个分布式远端信关站接收馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据可表示为y_g2=H_fdB_r(H_uus₂+n)。

B3.多个分布式远端信关站通过光纤或者微波发送信关站接收馈电链路下行数据至中心信关站。

B4.中心信关站对信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据。

中心信关站使用信号检测矩阵U对M个分布式远端信关站送来的信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测，实现多个用户终端信号检测。恢复上行用户数据可表示为：

$\tilde{s}={\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_r(H_{\mathrm{uu}}{s}_2+n)={\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_r{H}_{\mathrm{uu}}{s}_2+{\mathrm{UH}}_{\mathrm{fd}}{B}_{r}n.$

信号检测，其信号检测矩阵，若令H=H_fdB_rH_uu，并根据多个用户终端发送用户链路上行数据的功率限制，依据线性最小均方误差准则，信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

与传统地基波束成形传输方法相比，分布式地基波束成形传输方法主要有以下两个特点：

（1）馈电链路与用户链路共用原用户链路专用的多个馈源和反射面天线

分布式地基波束成形传输方法舍弃了专门的馈电链路及相应的卫星平台设备，因此多波束卫星平台对多个用户终端和分布式信关站的发送和接收都是用同一套馈源及反射面天线。

（2）采用多个分布式远端信关站

分布式地基波束成形传输方法采用多个分布式远端信关站和一个中心信关站的结构，多个分布式远端信关站通过光纤或者微波连接到中心站信关站。由于馈电链路也使用多波束卫星平台反射面天线，因此多个分布式远端信关站的空间隔离受限于波束的大小。另一方面，多个分布式远端信关站的数量直接影响着系统容量。因此系统的理想状态是在每个波束范围内设置一个分布式远端信关站。而考虑到某些波束内无法部署地面设备，如海洋波束，因此实际的分布式远端信关站数量可能少于波束数目。

基于以上两点，分布式地基波束成形传输方法实际上是将传统地基波束成形传输方法中的分频复用馈电传输方式转变成了空分馈电传输方式，以地面复杂度的增加换取了卫星平台复杂度的降低，并解决了馈电带宽紧张的问题。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (16)

1.一种分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，包括：中心信关站、多个分布式远端信关站、多波束卫星平台和多个用户终端，其中，

所述中心信关站，在前向传输阶段，通过光纤或者微波与所述多个分布式远端信关站相连，用于对前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过所述光纤或者微波发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站；

在反向传输阶段，通过所述光纤或者微波与所述多个分布式远端信关站相连，用于对信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据；

所述多个分布式远端信关站，分布在所述多波束卫星平台的多个波束之中：

在前向传输阶段，通过所述光纤或者微波与所述中心信关站相连，并通过馈电链路上行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将所述预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，所述馈电链路上行数据作为所述馈电链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据；

在反向传输阶段，通过馈电链路下行传输信道与所述多波束卫星平台相连，并通过所述光纤或者微波与所述中心信关站相连，用于通过所述光纤或者微波发送所述信关站接收馈电链路下行数据至所述中心信关站；

所述多波束卫星平台，在前向传输阶段，通过所述馈电链路上行传输信道与所述多个分布式远端信关站相连，并通过用户链路下行传输信道与所述多个用户终端相连，用于对所述卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，所述用户链路下行数据作为所述用户链路下行传输信道的输入，所述多个用户终端接收所述用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据；

在反向传输阶段，通过用户链路上行传输信道与所述多个用户终端相连，并通过所述馈电链路下行传输信道与所述多个分布式远端信关站相连，用于对卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，所述馈电链路下行数据作为所述馈电链路下行传输信道的输入，所述多个分布式远端信关站接收所述馈电链路下行传输信道输出的所述信关站接收馈电链路下行数据；

所述多个用户终端，在前向传输阶段，通过所述用户链路下行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将所述终端接收用户链路下行数据恢复为所述前向用户数据；

在反向传输阶段，通过所述用户链路上行传输信道与所述多波束卫星平台相连，用于将反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，所述用户链路上行数据作为所述用户链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述用户链路上行传输信道输出的所述卫星接收用户链路上行数据。

2.如权利要求1所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，馈电链路和用户链路共用所述星上馈源阵列，在前向传输阶段，所述馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，所述用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，在反向传输阶段，所述用户链路上行传输信道矩阵为H_uu，所述馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd。

3.如权利要求1所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，所述星上馈源阵列在所述多波束卫星平台发射功率有限的情况下，对所述用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为所述用户链路下行数据，P为所述多波束卫星平台发射功率决定的功率上限值。

4.如权利要求1至3所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，所述预编码，其预编码矩阵为D，假设所述多个用户终端接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，其中B_f为星上前向信号处理矩阵，在破零准则下

根据正则信道反转方法得到所述预编码矩阵其中n为所述接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为所述多个用户终端的数量，γ为所述中心信关站发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站的功率。

5.如权利要求1至4所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，在所述多个用户终端发射功率有限的情况下，对所述用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K，其中x为所述用户链路上行数据。

6.如权利要求1至5所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，所述信号检测，其信号检测矩阵，根据所述多个用户终端发送所述用户链路上行数据的功率限制，若令H=H_fdB_rH_uu，其中B_r为星上反向信号处理矩阵，则依据线性最小均方误差准则，所述信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

7.如权利要求1至6所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，所述多波束卫星平台的所述信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其所述星上前向信号处理矩阵B_f和所述星上反向信号处理矩阵B_r均为N×N的单位阵I_N×N，N为所述星上馈源阵列中馈源的数量。

8.一种分布式地基波束成形传输方法，采用权利要求1-7任一项所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，多个分布式远端信关站分布在多波束卫星平台的多个波束之中，包括以下步骤：

A.前向传输阶段，所述前向传输阶段，中心信关站发送前向用户数据至多个用户终端；

B.反向传输阶段，所述反向传输阶段，所述多个用户终端发送反向用户数据至所述中心信关站。

9.如权利要求9所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

A1.所述中心信关站对所述前向用户数据进行预编码得到预编码数据，并通过光纤或者微波发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站；

A2.所述多个分布式远端信关站将所述预编码数据调制到馈电链路上行传输载频中，形成馈电链路上行数据，所述馈电链路上行数据作为馈电链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述馈电链路上行传输信道输出的卫星接收馈电链路上行数据；

A3.所述多波束卫星平台对所述卫星接收馈电链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到用户链路下行数据，所述用户链路下行数据作为用户链路下行传输信道的输入，所述多个用户终端接收所述用户链路下行传输信道输出的终端接收用户链路下行数据；

A4.所述多个用户终端将所述终端接收用户链路下行数据恢复为所述前向用户数据。

10.如权利要求8所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括：

B1.所述多个用户终端将所述反向用户数据调制到用户链路上行传输载频中，形成用户链路上行数据，所述用户链路上行数据作为用户链路上行传输信道的输入，所述多波束卫星平台的星上馈源阵列接收所述用户链路上行传输信道输出的卫星接收用户链路上行数据；

B2.所述多波束卫星平台对所述卫星接收用户链路上行数据进行信号处理和变频操作，得到馈电链路下行数据，所述馈电链路下行数据作为馈电链路下行传输信道的输入，所述多个分布式远端信关站接收所述馈电链路下行传输信道输出的信关站接收馈电链路下行数据；

B3.所述多个分布式远端信关站通过所述光纤或者微波发送所述信关站接收馈电链路下行数据至所述中心信关站；

B4.所述中心信关站对所述信关站接收馈电链路下行数据进行信号检测得到恢复反向用户数据。

11.如权利要求9和10所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，馈电链路和用户链路共用所述星上馈源阵列，在前向传输阶段，所述馈电链路上行传输信道矩阵为H_fu，所述用户链路下行传输信道矩阵为H_ud，在反向传输阶段，所述用户链路上行传输信道矩阵为H_uu，所述馈电链路下行传输信道矩阵为H_fd。

12.如权利要求9所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，所述星上馈源阵列在所述多波束卫星平台发射功率有限的情况下，对所述用户链路下行数据的功率增加限制条件E[(x_s1)^H(x_s1)]≤P，其中x_s1为所述用户链路下行数据，P为所述多波束卫星平台发射功率决定的功率上限值。

13.如权利要求9所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，所述预编码，其预编码矩阵为D，假设所述多个用户终端接收噪声满足E[nn^H]=I_K，若令H=H_udB_fH_fu，其中B_f为星上前向信号处理矩阵，在破零准则下

根据正则信道反转方法得到所述预编码矩阵

其中n为所述接收噪声，I_K为K×K阶单位矩阵，K为所述多个用户终端的数量，γ为所述中心信关站发送所述预编码数据至所述多个分布式远端信关站的功率。

14.如权利要求10所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，在所述多个用户终端发射功率有限的情况下，对所述用户链路上行数据的功率增加限制条件E[xx^H]=I_K，其中x为所述用户链路上行数据的功率。

15.如权利要求10所述的分布式地基波束成形传输方法，其特征在于，所述信号检测，其信号检测矩阵，根据所述多个用户终端发送所述用户链路上行数据的功率限制，若令H=H_fdB_rH_uu，其中B_r为星上反向信号处理矩阵，则依据线性最小均方误差准则，所述信号检测矩阵U为U^H=(I+H^H∑^-1H)^-1H^H∑^-1，其中∑=E[(H_fdB_rn)(H_fdB_rn)^H]，I为M×M阶单位矩阵。

16.如权利要求9和10所述的分布式地基波束成形传输系统，其特征在于，所述多波束卫星平台的所述信号处理，对于透明转发卫星平台不起作用，其所述星上前向信号处理矩阵B_f和所述星上反向信号处理矩阵B_r均为N×N的单位阵I_N×N，N为所述星上馈源阵列中馈源的数量。

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