CN103780301A - 一种多波束卫星移动通信系统联合发送接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束卫星移动通信系统联合发送接收方法。本方法为：1）计算偏焦馈源的波束方向图以及偏焦馈源波束到口面场的路径；2）计算馈源的最优加权系数进行波束合成，得到准等相位波束；加权系数的计算方法为：在每一馈源的波束方向图上取多个参考点，对其进行采样，得到每一波束的采样点序列；设加权系数为则加权后每一馈源的采样点信号幅度相位为计算每一馈源的均方误差序列，然后利用均方误差和最小的优化目标确定每一馈源的加权系数；3）每个波束在自己服务区内为用户分配子载波资源，对位于边缘区域的用户启动联合发送接收机制进行信号发送接收。本发明能合成准等相位波束，大大提高波束边缘用户的通信性能。

Description

一种多波束卫星移动通信系统联合发送接收方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术，尤其涉及一种卫星移动通信系统中基于多参考点LMS准等相位波束合成的联合发送接收方法，属于通信技术领域。

背景技术

在现有的地面蜂窝通信系统中，为了提高频谱资源的利用率，频率复用因子为1的同频组网方式被广泛应用于实际系统中，例如隶属于2G移动通信系统的IS-95和3G通信系统（包括WCDMA、cmda2000和TD-SCDMA）。这种方式同时也是未来移动通信系统的发展趋势。在这种趋势下，如何解决同频小区干扰问题成为了当下新一代通信系统的研究热点之一。

小区间联合发送接收技术正是解决这个问题的有效方法之一。“Shamai S.O.Somekh,and BM Zaidel,“Multi-cell communications:An information theoreticperspective,”[C]//Proceedings of the Joint Workshop on Communications and Coding(JWCC’04).2004:14-17.”、“Gesbert D,Hanly S,Huang H,et al.Multi-cell MIMO cooperativenetworks:A new look at interference[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2010,28(9):1380-1408.”以及“Shamai S,Somekh O,Simeone O,et al.Cooperative multi-cell networks:impact of limited-capacity backhaul and inter-users links[J].arXiv preprint arXiv:0710.3888,2007.”给出了当前一些有效的小区间联合发送接收方法，其主要思路是对各个小区的发送数据进行预编码，从而达到分集增益或者干扰抑制的效果。“Somekh O,Zaidel B M,Shamai S.Sum rate characterization of joint multiple cell-site processing[J].Information Theory,IEEETransactions on,2007,53(12):4473-4497.”的研究表明，通过使用小区间联合发送接收技术，可以使同频组网蜂窝通信系统从干扰受限系统变为噪声受限系统，有效提高系统传输性能。

但是，在多小区联合发送接收技术的实用化过程中，还存在信道测量、反馈资源受限、数据共享和传输差错延迟等问题。“Zhang J,Chen R,Andrews J G,et al.Networked MIMO with clustered linear precoding[J].Wireless Communications,IEEETransactions on,2009,8(4):1910-1921.”给出了一种基站簇的概念，通过基站组簇来降低基站间信息共享的数据传输量。“Bhagavatula R,Heath R W.Adaptive limited feedback for sum-ratemaximizing beamforming in cooperative multicell systems[J].Signal Processing,IEEE Transactions on,2011,59(2):800-811”和“Shamai S,Zaidel B M.Enhancing the cellulardownlink capacity via co-processing at the transmitting end[C]//Vehicular Technology Conference,2001.VTC2001Spring.IEEE VTS53rd.IEEE,2001,3:1745-1749.”通过部分信息反馈来降低反馈占用的资源和数据共享的难度。“Zhang J,Andrews J G.Adaptive spatial intercellinterference cancellation in multicell wireless networks[J].Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,2010,28(9):1455-1468.”给出了一种基站只需要获得用户信道信息即可进行联合发送接受的方法。这些研究都在试图解决小区基站之间信息共享困难的问题，这些问题的解决将有利于提高新一代移动通信系统的容量和性能。目前，在LTE-Advance标准“3GPPTR36.814V1.4.1.Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release9),2009.”中已经提到了小区协作通信，其中联合发送接收技术得到了实际应用。

协作通信是LTE-Advance中的关键技术之一，其目的是通过引入中继的概念，让基站与基站之间、基站与中继之间、中继与中继之间进行协作，以达到提升系统容量、降低用户干扰的目的。在“Ericsson,3GPP REV-080030,“LTE-Advanced–LTE evolution towardsIMT-Advanced Technology components,”3GPP TSG RAN IMT-Advanced Workshop,Shenzhen,China,April2008.”中联合发送接收技术是以多点协同（CoMP）概念被提出的，是一种有效提高小区边缘用户吞吐量的技术手段，目前对该技术的研究主要集中在反馈机制、传输方式、导频设计和同步技术上。

在多波束卫星移动通信系统中，多个波束的结构与地面的蜂窝网络小区相似，地面移动通信的小区组网、协作等技术均可用于多波束卫星移动通信系统中。考虑如图1所示的单反射面多波束卫星。在“Montgomery,J.P.,D.L.Runyon,and J.A.Fuller."Large multibeam lensantennas for EHF SATCOM."Military Communications Conference,1988.MILCOM88,Conference record.21st Century Military Communications-What's Possible1988IEEE.”中，多波束卫星的一个波束可以等同于地面的一个小区，波束的范围是以相对中心3dB能量衰减界限划分的。也就是说当用户位于波束边缘时，其接收到来自服务波束的信号能量将会相对波束中心有3dB的衰减。与地面蜂窝移动通信系统相同，由于在波束交界处干扰加大及覆盖质量下降，用户在波束边缘的信干噪比（SINR）将迅速衰减。

在新一代卫星移动通信系统的研究中，与地面B3G/4G通信技术的融合是发展趋势之一。LTE-Advanced中采用多点协作技术来提高小区边缘用户的通信质量，该技术也将被引入到新一代卫星移动通信系统中，用以提升波束边缘用户的通信质量。而且对于卫星移动通信系统来说，多个波束传输的数据都是由有限数量的信关站来处理的，在这些信关站之间进行数据信息共享相对地面系统来说非常简单，因此在卫星移动通信系统中更适合进行联合发送接收处理。

在“Cioni S,De Gaudenzi R,Rinaldo R.Channel estimation and physical layer adaptationtechniques for satellite networks exploiting adaptive coding and modulation[J].International journalof satellite communications and networking,2008,26(2):157-188.”中，联合发送接收处理需要对信道进行测量和预测。由于卫星通信具有传输时延长的特点，特别是对于GEO卫星来说，双跳传输时延达到约540ms，一般的信道预测算法并不能很好地预测如此长的时间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，针对多波束卫星移动通信系统，提供一种基于多参考点LMS准等相位卫星波束合成的联合发送接收方法，以解决卫星通信中联合发送接收算法中的信道估计需要实时测量与预测的高复杂度，进而导致联合发送接收技术不能够简单地应用于多波束卫星移动通信系统中的问题。

本发明的技术方案为：

一种多波束卫星移动通信系统联合发送接收方法，其步骤为：

1）根据卫星移动通信系统的偏置反射面天线参数和所选馈源摆放方式，计算偏焦馈源的波束方向图E(Φ,Ψ)以及偏焦馈源波束到口面场的路径；

2）计算所选馈源的最优加权系数，对所选馈源波束进行合成，得到准等相位波束；所述最优加权系数的计算方法为：

21）在每一馈源的波束方向图上取多个参考点，对其进行采样，得到每一波束方向图的波束采样点为序列

22）设所选馈源的加权系数为

则加权后每一馈源的采样点信号幅度相位为 $\hat{y}=\hat{w}X;$

23）计算每一馈源的均方误差序列，然后利用均方误差和最小的优化目标确定每一馈源的加权系数；

其中，K为参考点总数，N为所选馈源总数，X为每一波束采样点序列

构成的采样点矩阵；

3）每个波束在自己服务区内为用户分配子载波资源，对于位于边缘区域的用户启动联合发送接收机制进行信号发送接收处理。

进一步的，采用最陡下降法迭代求得每一馈源的最优加权系数。

进一步的，首先根据公式

计算每一馈源的误差序列；然后根据公式

计算每一馈源的均方误差序列。

进一步的，利用公式

计算每一所述均方误差序列的最小均方误差和；其中，

d_k表示第k个馈源的采样点序列。

进一步的，所述多个参考点为等间隔的多个参考点；N个馈源信号的加权系数和为1。

进一步的，将每一馈源的波束服务区分为若干区域，其中半径为r的中心区域为区域1，分配的子载波资源组成集合C_m；其他区域为边缘区域，分配的资源组成集合E_m。

进一步的，子载波资源组成集合C_m与所有与波束m相邻的波束的并集的交集为空；波束m为该区域1所在波束。

进一步的，当用户位于区域1接入时，若剩余资源L_m=F₁-C_m∪E_m非空，则优先将L_m中未被邻波束用于联合发送接收的资源分配给该用户，并纳入C_m；其中，F1为该用户所在波束的子载波资源集合。

进一步的，当用户位于边缘区域中的某一区域接入时，其相邻两个波束为波束a和波束b；若剩余资源L_m=F₁-C_m∪E_m非空，则将Lm中波束a或波束b未被邻波束利用的资源分配给该用户并纳入E_m。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中针对多波束卫星通信系统，提供了一种基于多参考点LMS准等相位卫星波束合成的联合发送接收方法，从波束合成算法和优化准则入手，通过合成准等相位波束，简化联合发送接收算法中的信道估计部分，使得联合发送接收技术可以较简单地应用于多波束卫星移动通信系统中。该技术的使用，能够合成准等相位波束，其最大相位误差为0.36弧度，这将有利于提高波束边缘用户的通信性能，SIR的提升会使频谱效率提升约9.3%，对优化多波束卫星移动通信系统的服务质量具有一定的意义和必要性。

附图说明

图1是单反射面多波束卫星天线示意图；

图2是偏置反射面天线示意图；

图3是坐标变换示意图；

图4是偏焦馈源波束到口面场的路径计算示意图；

图5是抛物反射投影口面示意图；

图6是波束采样点在复平面表示示意图；

图7是波束合成网络模型及加权系数示意图；

图8是联合发送接收示意图；

图9是联合发送接收处理流程示意图；

图10是波束内部区域划分示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。

本发明的基于多参考点LMS准等相位卫星波束合成的联合发送接收方法，其步骤为：

1、通过偏置反射面天线参数，以及馈源摆放方式进行数值计算，得到偏焦馈源的波束方向图E(Φ,Ψ)。偏置反射面天线如图2，坐标变换如图3，利用图4进行偏焦馈源波束到口面场的路径计算。

2、选定准等相位波束为目标合成波束，在抛物反射投影口面等相位，抛物反射投影口面如图5，提出多参考点的LMS算法，在目标波束上进行采样，波束采样点在复平面表示如图6，利用最小化均方误差和的优化目标，采用最陡下降法迭代求得馈源的最优加权系数。波束合成网络模型及加权系数示意图如图7。具体步骤如下：

1）在选定的目标合成波束上进行等间隔采样，目标波束采样点为序列

2）利用多参考点的LMS算法，最小化均方误差和为优化目标，采用最陡下降法迭代求得馈源的最优加权系数。设第m个馈源的波束方向图为E_m(Φ,Ψ)，在其上取K个参考点，则有目标波束序列

$\hat{d}=\left[\begin{array}{cccc}{E}_m({\mathrm{\Φ}}_1,{\mathrm{\ψ}}_1)& E_m({\mathrm{\Φ}}_2,{\mathrm{\Ψ}}_2)& ...& \end{array}{E}_m({\mathrm{\Φ}}_K,{\mathrm{\Ψ}}_K)\right].$

N个馈源信号在加权系数为1时，K个参考点的幅度相位为

设加权系数为对每一个馈源进行加权，则有经过加权后每个参考点（即采样点）上的信号幅度相位为

$\hat{y}=\hat{w}X.$

则有误差序列为

$\hat{e}=\hat{d}-\hat{y},$

进一步有均方误差序列为

本发明提出多参考点的LMS算法，因此采用的优化准则为均方误差和最小，即

$\min \{\mathrm{\ξ}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_k\},$

其中，有

${\mathrm{\ξ}}_k={|d_k-\hat{w}X{(k,:)}^T|}^2.$

d_k表示第k个采样点序列，使用最陡下降法迭代求得最优加权系数。最陡下降法的原理在于每次让加权系数往函数梯度的反方向变化，因为梯度方向是函数增加最快的方向，其反方向则是降低最快的方向，即

$w_{k+1}=w_k+\mathrm{\μ}[-{\▿}_{w}f\left(w_k\right)],$

其中f(w)是关于w的函数，

是w_k处的函数梯度值，μ为步进值。当μ越小时，算法迭代次数将越多，但精确度会越好。

经过多次迭代后，在收敛的情况下结果趋于稳态，此时加权系数将位于函数的最小值处。该方法在函数随时间变化时也能自动适应并找寻新函数的最小值，所以很适合用于自适应波束合成中。对于本文提到的卫星波束合成，一般情况下均方误差函数是固定的，此时该算法依旧适用，而且没有对算法速度的要求，可以采用更小的步进值从而获取更精确的结果。

对于其中单独一个均方误差ξ_k，其梯度为

$\begin{array}{c}{\▿}_{\hat{w}}{\mathrm{\ξ}}_k={\▿}_{\hat{w}}{|d_k-\hat{w}X{(k,:)}^T|}^2\\ ={\▿}_{\hat{w}}\left\{\right[d_k-\hat{w}X{(k,:)}^T\left]{[d_k-\hat{w}X{(k,:)}^T]}^{*}\right\}\\ ={\▿}_{\hat{w}}[{\left|d_k\right|}^2-d_{k}X{(k,:)}^H\stackrel{}{{\hat{w}}^{*}}-\hat{w}X{(k,:)}^T{d}_k^{*}+\hat{w}X{(k,:)}^{T}X{(k,:)}^H{\hat{w}}^{*}]\\ =-2[{X(k,:)}^T{d}_k^{*}-{X(k,:)}^{T}X{(k,:)}^H{\hat{w}}^{*}]\\ =-2{X(k,:)}^T{[d_k-y_k]}^{*}\\ =-2e_k^{*}X{(k,:)}^T\end{array}.$

那么均方误差和的梯度值为

${\▿}_{\hat{w}}\mathrm{\ξ}={\▿}_{\hat{w}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ξ}}_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\▿}_{\hat{w}}{\mathrm{\ξ}}_k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}-{2e}_k^{*}X{(k,:)}^T=-2{\hat{e}}^{*}{X}^T.$

因此多参考点的LMS算法采用的迭代公式为

$\hat{w}(n+1)=\hat{w}\left(n\right)+2\mathrm{\μ}{\hat{e}}^{*}{X}^T.$

3）利用通过多参考点的LMS算法计算出的馈源加权系数

进行波束合成，得到准等相位波束。

3、进行联合发送接收处理，联合发送接收示意图如图8，联合发送接收处理流程如图9（x代表发送数据，y代表接收数据）。本联合发送接收方案利用准等相位波束的特征，通过调整相邻波束的信号相位，使其达到基于等增益合并的相干叠加来获取有用信号能量增益。

对于每个波束，通过数值计算仿真确定半径r，在其服务范围内将波束划分为7个区域，如图10所示。图中波束中心区域的半径为r，边缘六个区域分别以波束中心点到相邻波束中心点的连线作为边界。联合发送接收方案如下：

(1)该系统为任意频分系统，用户默认开启卫星定位功能，这个设定在卫星通信中是合理的，因为满足卫星通信要求的信道状况同时也将满足卫星定位要求；

(2)每个波束在自己服务区内为用户分配子载波资源，且不会主动使用相邻波束的子载波资源；图3的场景，中间波束的子载波资源集合为F₁，则邻波束一、三、五的子载波资源集合为F₂，邻波束二、四、六的子载波资源集合为F₃；

(3)，将每个波束划分为七个区域，区域1的用户使用的子载波资源组成集合C_m，其他区域用户使用的资源组成集合E_m；

(4)当用户位于区域2～6时，将会启动联合发送接收机制，即对于E_m中的子载波资源，是需要相邻波束与其进行联合发送接收处理的。设每个波束用来与其他波束进行联合发送处理的子载波资源集合为G_m，对于使用子载波资源F₁的波束，满足

(5)为了使区域1的用户不受到相邻波束联合发送接收的干扰，在资源分配时应保证相邻六个波束不会使用到区域1中用户正在使用的子载波资源，也就是说要满足

该表达式的含义为，区域1的用户使用的子载波资源组成集合C_m，与所有与波束m相邻的波束的并集的交集为空；波束m为该区域1所在波束。

在这个方案下，分配资源的具体过程如下：

当用户位于区域1接入时，若剩余资源L_m=F₁-C_m∪E_m非空，则优先将L_m中未被邻波束用于联合发送接收的资源，即

L_m-(∪_{波束i与波束m相邻}G_i)   （3）

分配给用户，并纳入C_m。括号内的含义为所有与波束m相邻的波束的并集。

当用户位于区域2～6中的某一区域接入时，假设其相邻两个波束为波束a和波束b。则在相邻两个波束满足方案描述（5）的情况下为用户分配资源，即将资源

L_m-(∪_{波束i与波束a或b相邻}C_i)   （4）

分配给用户，并纳入E_m。括号内的含义为所有与波束a或波束b相邻的波束的并集。

当用户从区域1进入区域2～6时，首先判断其使用的资源是否属于方案（4），是则直接通知邻波束进行联合发送接收，并将资源从C_m挪到E_m；否则重新分配方案（4）的资源。

当用户从区域2～6进入区域1时，同样是判断用户所使用的资源是否属于方案（3），是则直接通知邻波束进行联合发送接收，并将资源从C_m挪到E_m；否则对资源进行重新分配。

以上虽然仅仅是参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可能对本发明进行的形式和细节上的任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多波束卫星移动通信系统联合发送接收方法，其步骤为：

1）根据卫星移动通信系统的偏置反射面天线参数和所选馈源摆放方式，计算偏焦馈源的波束方向图E(Φ,Ψ)以及偏焦馈源波束到口面场的路径；

2）计算所选馈源的最优加权系数，对所选馈源波束进行合成，得到准等相位波束；所述最优加权系数的计算方法为：

21）在每一馈源的波束方向图上取多个参考点，对其进行采样，得到每一波束方向图的波束采样点为序列

22）设所选馈源的加权系数为

则加权后每一馈源的采样点信号幅度相位为 $\hat{y}=\hat{w}X;$

23）计算每一馈源的均方误差序列，然后利用均方误差和最小的优化目标确定每一馈源的加权系数；

其中，K为参考点总数，N为所选馈源总数，X为每一波束采样点序列

构成的采样点矩阵；

3）每个波束在自己服务区内为用户分配子载波资源，对于位于边缘区域的用户启动联合发送接收机制进行信号发送接收处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于采用最陡下降法迭代求得每一馈源的最优加权系数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于首先根据公式

计算每一馈源的误差序列；然后根据公式

计算每一馈源的均方误差序列。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于利用公式

计算每一所述均方误差序列的最小均方误差和；其中，d_k表示第k个馈源的采样点序列。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多个参考点为等间隔的多个参考点；N个馈源信号的加权系数和为1。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于将每一馈源的波束服务区分为若干区域，其中半径为r的中心区域为区域1，分配的子载波资源组成集合C_m；其他区域为边缘区域，分配的资源组成集合E_m。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于子载波资源组成集合C_m与所有与波束m相邻的波束的并集的交集为空；波束m为该区域1所在波束。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于当用户位于区域1接入时，若剩余资源L_m=F₁-C_m∪E_m非空，则优先将L_m中未被邻波束用于联合发送接收的资源分配给该用户，并纳入C_m；其中，F1为该用户所在波束的子载波资源集合。

9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于当用户位于边缘区域中的某一区域接入时，其相邻两个波束为波束a和波束b；若剩余资源L_m=F₁-C_m∪E_m非空，则将Lm中波束a或波束b未被邻波束利用的资源分配给该用户并纳入E_m。

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