CN103560856A - 卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法和系统，在网络控制中心的控制下，卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据；地面站对共享数据进行预编码，得到的预编码数据通过地面信道发送给用户端；用户端接收到共享数据和预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据。卫星和地面协同为用户端提供通信服务，并在网络控制中心的调控下，共享向用户端发送的下行发送数据，实现发送信号的同步。本发明提供的部分预编码方法能够使得地面站根据用户端进行信道评估的反馈信息进行预编码，预编码的同时还能考虑卫星信道状态以及地面信道状态，可以减小综合移动通信系统中用户收到信息的误码率，提高通信质量，提升系统性能。

Description

卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法和系统

技术领域

本发明涉及空间通信技术领域，尤其涉及一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法和系统。

背景技术

未来移动通信网络不再只是采用单一的通信技术，往往会涉及不同的通信技术，如涉及的通信技术包括WiFi、WiMAX、2G/3G/3G+、LTE以及卫星通信等。其中将卫星移动通信系统与地面移动通信系统进行融合得到的综合移动通信系统被认为是下一代通信网络的重要部分。ITU(International Telecommunication Union，国际电信联盟)在NGN(Next-Generation Networks，下一代网络)的框架下定义了综合移动通信系统的概念，给出卫星/地面综合通信系统的两种具体形式：第一种是综合移动卫星业务系统，由卫星和地面站组成，其中，地面站是卫星的补充，并且由卫星资源、网络管理系统对地面站进行控制，地面站和卫星共享相同的频率资源；第二种是混合移动卫星业务系统，卫星和地面站相互连接，但是彼此独立运行，卫星、地面站网络也各自拥有独立的网络管理系统，不一定使用相同的频率资源。

对于同步卫星通信系统，由于卫星处于距离地面很高的同步卫星轨道，信号的RTT(Round-Trip Time，往返时延)可达500ms，使得卫星难以获得及时的CSI(Channel State Information，信道状态信息)进行预编码。因此，现有技术的卫星/地面综合通信系统采用链路增强技术，集中于空时编码、自适应调制编码技术等编码技术，仅需要接收端拥有信道状态信息CSIR(Channel State Information at the Receiver)或者发送端拥有信道状态统计信息(Statistical CSI)。

以上现有的卫星/地面综合通信系统中，地面站仅根据地面信道状态信息进行编码，难以获得用户的实时信道状态信息(InstantaneousCSI)，因此用户收到的数据误码率高，通信质量得到不到改善，用户性能得不到提升。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何减小综合移动通信系统中用户收到信息的误码率。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种综合移动通信的部分预编码方法，所述方法具体包括：

S1、卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据；

S2、地面站对所述共享数据进行预编码，得到的预编码数据通过地面信道发送给所述用户端；

S3、所述用户端接收到所述共享数据和所述预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给所述地面站。

进一步地，所述共享数据为在网络控制中心的控制下所述卫星和所述地面站共享的下行数据，实现发送数据的同步。

进一步地，所述地面站对所述反馈信息进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。

进一步地，所述地面站在发送功率约束条件下，根据所述卫星信道状态信息和所述地面信道状态信息对所述共享数据进行预编码。

进一步地，所述预编码之前还包括：

S21、初始化预编码矩阵和解码矩阵；

S22、根据所述解码矩阵进行最优化，得到最优解码矩阵；

S23、根据所述最优解码矩阵在满足发送功率的约束条件下进行迭代，得到最优预编码矩阵。

进一步地，所述解码数据用向量表示为

其中

为所述解码数据向量，所述G为解码矩阵，H_s为根据所述卫星信道状态信息得到的卫星信道矩阵，H_t为根据所述地面信道状态信息得到的地面信道矩阵，F为预编码矩阵，X为所述共享数据向量，N为高斯白噪声向量。

为解决上述问题，本发明还提供了一种综合移动通信的部分预编码系统，系统包括：网络控制中心、卫星、地面站和用户端；

所述网络控制中心控制所述卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据，控制所述地面站对所述共享数据进行预编码，再将得到的预编码数据通过地面信道发送给所述用户端；

所述用户端接收到所述共享数据和所述预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给所述地面站。

进一步地，所述系统还包括：卫星地面站，用于所述网络控制中心与所述卫星之间的通信连接。

进一步地，所述地面站对所述反馈信息进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。

进一步地，所述共享数据经所述卫星信道和/或所述地面信道发送之前还要对所述共享数据进行调制；所述用户端对所述预编码数据进行同步后，还进行解调，解调之后进行信道估计。

（三）有益效果

本发明提供了一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法和系统，在网络控制中心的控制下，卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据；地面站对共享数据进行预编码，得到的预编码数据通过地面信道发送给用户端；用户端接收到共享数据和预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据。卫星和地面协同为用户端提供通信服务，并在网络控制中心的调控下，共享向用户端发送的下行发送数据，实现发送信号的同步。共享数据在通过地面信道传输之前还要进行预编码，用户端最后接收到的数据有卫星信道传输的数据，这部分数据没有经过预编码，也有地面信道传输的数据，这部分数据是经过预编码，所以本发明中提供的预编码其实是部分预编码。因此，本发明提供的部分预编码方法能够使得地面站根据用户端进行信道评估的反馈信息进行预编码，预编码的同时还能考虑卫星信道状态以及地面信道状态，可以减小综合移动通信系统中用户收到信息的误码率，提高通信质量，提升系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例一中的一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例一中求解预编码矩阵的流程示意图；

图3为本发明提供的部分预编码与传统编码方式信号的对比仿真图；

图4为本发明实施例二中的一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码系统的组成示意图；

图5为本发明实施例二中提供的一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码系统最佳实施方式的场景示意图；

图6为本发明实施例二中的一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码系统的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

本实施例中提供了一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法，步骤流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据。

步骤S2、地面站对共享数据进行预编码，得到的预编码数据通过地面信道发送给用户端。

步骤S3、用户端接收到共享数据和预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给地面站。

通过上述步骤，使得卫星和地面协同为用户端提供通信服务，并在网络控制中心的调控下，共享向用户端发送的下行发送数据，实现发送信号的同步。共享数据在通过地面信道传输之前还要进行预编码，用户端最后接收到的数据有卫星信道传输的数据，这部分数据没有经过预编码，也有地面信道传输的数据，这部分数据是经过预编码，所以本发明中提供的预编码其实是部分预编码。该方法能够使得地面站根据用户端进行信道评估的反馈信息进行预编码，预编码的同时还能考虑卫星信道状态以及地面信道状态，可以减小综合移动通信系统中用户收到信息的误码率，提高通信质量，提升系统性能。

优选地，由于卫星和地面组成的综合移动通信系统中卫星和地面站共享相同的频率资源，当它们协同为用户端提供通信服务，通过卫星和信道发送的数据为共享数据，共享数据为在网络控制中心的控制下卫星和地面站共享的下行数据，实现发送数据的同步。

预编码技术就是在已知信道状态信息的情况下，通过在发送端对发送的信号做一个预先的处理，以方便接收端进行信号检测。本实施例中就是在地面站对共享数据进行预编码。

预编码之前还包括：

步骤S21、初始化预编码矩阵和解码矩阵。

步骤S22、根据解码矩阵进行最优化，得到最优解码矩阵。

步骤S23、根据最优解码矩阵在满足发送功率的约束条件下进行迭代，得到最优预编码矩阵。

地面站收到用户端发送的反馈信息，并对其进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。在时分双工（Time Division Duplex，TDD）通信系统中，地面站根据用户端反馈的信道估计情况获得信道状态信息，根据信道互异性可以获得用户端的地面信道状态信息。

地面站在发送功率约束条件下，根据卫星信道状态信息和地面信道状态信息对共享数据进行预编码，编码过程中需要根据预编码矩阵和解码矩阵进行计算。

本实施例中解码数据用向量表示为

$\hat{X}=G(H_s+H_{t}F)X+\mathrm{GN}$                公式（1）

其中

为解码数据向量，G为解码矩阵，H_s为根据卫星信道状态信息得到的卫星信道矩阵，H_t为根据地面信道状态信息得到的地面信道矩阵，F为预编码矩阵，X为共享数据向量，N为高斯白噪声向量。

在通信网络中通用发送功率约束条件为

$\mathrm{tr}\left(F^H{Q}_{l}F\right)\≤q_l,\∀l$                     公式（2）

其中tr(·)表示矩阵的迹，(·)^H表示矩阵的共轭转置，Q_l用于表示不同的功率约束，q_l为发送功率限制，q_l>0。

该功率约束可以使用不同的Q_l表示多种常用的功率约束形式，其中总功率约束：Q_l=I；单天线(天线t)功率约束：Q_l除第t个对角元素以外，所有元素为0；部分天线(集合T)功率约束：Q_l除T对应的对角元素以外，所有元素为0。

优化问题：

min c(G,F)=ε||E||²=tr{[G(H_s+H_tF)-I][G(H_s+H_tF)-I]^H+σ²GG^H}  公式（3）

$s.t.\mathrm{tr}\left(F^H{Q}_{l}F\right)\≤q_l,\∀l$

其中E表示误差向量，ε(·)表示数学期望，c(·)表示均方误差（MeanSquare Error,MSE），σ是噪声功率密度。

使用Lagrangian（拉格朗日）对偶以及Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最优化条件，得到

$L(\mathrm{\μ},G,F)=c(G,F)+\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_l[\mathrm{tr}\left(F^H{Q}_{l}F\right)-q_l]$            公式（4）

其中，μ_l是对应于第l个功率约束的拉格朗日乘子。

预编码矩阵F和解码矩阵G可以相互表示为：

G=(H_s+H_tF)^H[(H_s+H_tF)(H_s+H_tF)^H+σ²I]^-1      公式（5）

$F=[H_t^H{G}^H{\mathrm{GH}}_t+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_l{Q}_l{]}^{-1}{H}_t^H{G}^H(I-{\mathrm{GH}}_s)$              公式（6）

为通过解码矩阵G得到最优预编码矩阵F，可以采用子梯度法迭代求解μ_l，

${\mathrm{\μ}}_l^{(j+1)}=\max \{{\mathrm{\μ}}_l^{\left(j\right)}+t_l[\mathrm{tr}\left(F^H{Q}_{l}F\right)-q_l],0\}$                 公式（7）

其中t_l是μ_l对应的子梯度步长。

得到最优预编码矩阵F的方法为迭代算法、cvx、Gurobi、MOSEK等优化软件求解。

下面以迭代算法求解最优预编码矩阵F为例进行说明：

1.初始化预编码矩阵F和解码矩阵G。

μ_l,t_l

其中L为约束条件的数目。

首先i=0时，选择初始解码矩阵G⁽⁰⁾。

2.根据公式（5）计算解码矩阵G⁽ⁱ⁾。

3.得到解码矩阵G⁽ⁱ⁾后，分别根据公式（6）计算预编码矩阵F^(j)和梯度

j=0。

3.1按照公式（7）对梯度

进行更新。

3.2再将更新后的梯度

带入到公式（7）中，更新预编码矩阵F^(j)。

3.3重复步骤3.1-3.2，直到||F^(j+1)-F^(j)||²<ξ_F，其中ξ_F为第一收敛系数，并且ξ_μl为第二收敛系数。利用子梯度法得到最优预编码矩阵，判断是否收敛，

4.重复步骤2-3，直到||G^(j+1)-G^(j)||²<ξ_G，ξ_G为第三收敛系数

上述求解最优过程中有三个收敛条件，ξ_μl,ξ_F和ξ_G分别为这三个收敛条件的收敛系数，需要根据信道状态和噪声功率进行合理取值，上述步骤流程示意图如图2所示。

按照本实施例提供给的部分预编码方法与传统的编码方法得到的仿真对比图如图3所示。其中向量（R,T_s,T_t）中的三个元素分别用于表示用户天线数、卫星天线数和地面站天线数。图中将用户天线数为2、卫星天线数为2和地面天线数为2的分集、传统编码和本实施例提供的部分预编码进行对比。另外，图中还提供了用户天线数为2、卫星天线数为2和地面天线数为4的分集、传统编码和本实施例提供的部分预编码进行对比。

根据图3中可见，在用户天线数为2、卫星天线数为2和地面天线数为2的通信系统中，当信噪比SNR=8dB时，传统编码的误码率BER在0.1～0.2之间，而部分预编码的误码率BER在0.03～0.04之间；当信噪比SNR=12dB时，传统编码的误码率BER约为0.06，而部分预编码的误码率BER约为0.003。在用户天线数为2、卫星天线数为2和地面天线数为4的通信系统中，当信噪比SNR=8dB时，传统编码的误码率BER约为0.08，而部分预编码的误码率BER约为0.02；当信噪比SNR=12dB时，传统编码的误码率BER约为0.02，而部分预编码的误码率BER约为0.001。

有仿真图对比可知，对于天线数目相同时，本实施例提供的部分预编码相比较传统编码误码率BER有所降低，而且随着信噪比的增大误码率降低的速度也随之加快。

实施例二

本实施例提供了一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码系统，该系统的组成示意图如图4所示，包括：网络控制中心10、卫星10、地面站30和用户端40。

网络控制中心10控制卫星20通过卫星信道向用户端40发送共享数据，控制地面站30对共享数据进行预编码，再将得到的预编码数据通过地面信道发送给用户端40。

用户端40接收到共享数据和预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给地面站30。

系统还包括：卫星地面站50，用于网络控制中心10与卫星20之间的通信连接。

本实施例提供的上述系统最佳场景示意图如图5所示。图5中卫星和地面站指向用户端的实现表示发送共享数据，用户端指向地面站的虚线表示用户端将信道评估得到的信道状态信息反馈给地面站。

地面站30对反馈信息进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。

共享数据经卫星信道和/或地面信道发送之前还要对共享数据进行调制，用户端对预编码数据进行同步后还进行解调，解调之后进行信道估计。

上述系统的工作原理示意图如图6所示，控制网络控制中心向卫星和地面站提供共享数据，共享数据被调制后经过卫星信道进行传输，在地面站经过预编码之后再进行调制，之后经过地面信道进行传输。在用户端接收到的两路信号均会受到一定的信道固有的噪声干扰，用户端进行信号同步，之后进行解调，再进行信道估计，信道估计会得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息，将这些信道状态信息反馈给地面站，以用于预编码。预编码过程中使用的预编码矩阵和解码矩阵都是经过都次迭代，得到满足收敛条件的最优预编码矩阵和最优解码矩阵。最后根据最优预编码矩阵和最优解码矩阵进行预编码和解码得到的数据误码率明显小于传统编码得到数据的误码率。

因此，本实施例提供的部分预编码系统中卫星和地面协同为用户端提供通信服务，并在网络控制中心的调控下，共享向用户端发送的下行发送数据，实现发送信号的同步。共享数据在通过地面信道传输之前还要进行预编码，用户端最后接收到的数据有卫星信道传输的数据，这部分数据没有经过预编码，也有地面信道传输的数据，这部分数据是经过预编码，所以本发明中提供的预编码其实是部分预编码。因此，本发明提供的部分预编码方法能够使得地面站根据用户端进行信道评估的反馈信息进行预编码，预编码的同时还能考虑卫星信道状态以及地面信道状态，可以减小综合移动通信系统中用户收到信息的误码率，提高通信质量，提升系统性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S1、卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据；

S2、地面站对所述共享数据进行预编码，得到的预编码数据通过地面信道发送给所述用户端；

S3、所述用户端接收到所述共享数据和所述预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给所述地面站。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共享数据为在网络控制中心的控制下所述卫星和所述地面站共享的下行数据，实现发送数据的同步。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地面站对所述反馈信息进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述地面站在发送功率约束条件下，根据所述卫星信道状态信息和所述地面信道状态信息对所述共享数据进行预编码。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预编码之前还包括：

S21、初始化预编码矩阵和解码矩阵；

S22、根据所述解码矩阵进行最优化，得到最优解码矩阵；

S23、根据所述最优解码矩阵在满足发送功率的约束条件下进行迭代，得到最优预编码矩阵。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述解码数据用向量表示为

其中

为所述解码数据向量，所述G为解码矩阵，H_s为根据所述卫星信道状态信息得到的卫星信道矩阵，H_t为根据所述地面信道状态信息得到的地面信道矩阵，F为预编码矩阵，X为所述共享数据向量，N为高斯白噪声向量。

7.一种卫星-地面综合移动通信的部分预编码系统，其特征在于，所述系统包括：网络控制中心、卫星、地面站和用户端；

所述网络控制中心控制所述卫星通过卫星信道向用户端发送共享数据，控制所述地面站对所述共享数据进行预编码，再将得到的预编码数据通过地面信道发送给所述用户端；

所述用户端接收到所述共享数据和所述预编码数据，进行同步、信道估计和解码，得到解码数据，并将信道估计的反馈信息发送给所述地面站。

8.如权利要求7所述的部分预编码系统，其特征在于，所述系统还包括：卫星地面站，用于所述网络控制中心与所述卫星之间的通信连接。

9.如权利要求7所述的部分预编码系统，其特征在于，所述地面站对所述反馈信息进行分析得到卫星信道状态信息和地面信道状态信息。

10.如权利要求7所述的部分预编码系统，其特征在于，所述共享数据经所述卫星信道和/或所述地面信道发送之前还要对所述共享数据进行调制；所述用户端对所述预编码数据进行同步后还进行解调，解调之后进行信道估计。

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