CN111614397A - 高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法，所述多天线无线传输方法主要包括以下步骤：用户向高空无人平台发送上行导频信号，高空无人平台接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取用户的非理想信道状态信息值；对用户进行分组；利用每个组的用户的非理想信道状态信息值，计算并发送预编码矩阵，进行信号传输。相较于现有技术，本发明适用于用户非均分布和空分自由度不足的实际场景，在不提高计算复杂度的基础上可以显著提高通信速率，对高空无人平台辅助多天线通信系统的发展具有重要的现实意义。

Description

高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法
技术领域
本发明涉及一种高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线接入设备的数量和传输数据量都在爆炸式地增长。为了保证用户对通信速率的需求，采用多天线技术可以提高系统容量，在不增加带宽与发射功率的前提下，提高系统的数据传输速率、减少误比特率以及改善无线信号的传送质量。因此，多天线技术已经成为无线通信系统中的一项关键技术。
高空无人平台(High Altitude Platform，HAP)通信系统也称为临近空间平台通信系统或平流层通信系统，是近年来受到广泛研究的新兴无线通信系统。高空无人平台可以是无人飞艇、无人飞行器或有人飞行器，高空无人平台通信系统利用高空无人平台搭载一定有效载荷，提供类似于低轨卫星的通信服务，一般飞行在平流层区域，高度在20km左右，具有生存能力强、滞空工作时间长、效费比高等优点，可以增强高时效要求的紧急任务执行能力，具有全天候工作能力及显著的区域性应用优势，可以以较低的成本在大的覆盖范围内提供全面的无线接入。
对于人口密度低和环境恶劣的偏远地区，部署大规模基础设施的成本可能较高，使得用户无法获得高数据速率的体验。
有鉴于此，确有必要提出一种高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高空无人平台通信系统及多天线无线传输方法，在不提高计算复杂度的基础上，显著提高通信速率。
为实现上述目的，本发明提供了一种多天线无线传输方法，应用于基于非理想信道状态信息的高空无人平台通信系统，多天线无线传输方法主要包括以下步骤：
步骤1、用户向高空无人平台发送上行导频信号，高空无人平台接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取用户的非理想信道状态信息值；
步骤2、根据步骤1中获取到的用户的非理想信道状态信息值，对用户进行分组；
步骤3、根据步骤2中分得的组，利用每个组的用户的非理想信道状态信息值，计算并发送预编码矩阵，进行信号传输。
可选的，步骤1中，假设高空无人平台有N根天线，用户集为Q，其中Q中共有K个单天线用户，高空无人平台利用用户发送的上行导频信号，对信道进行估计，并将用户等分成M个组，M＜K，每个组里有Km个用户，所获取的非理想信道状态信息值表示为：
Figure BDA0002503688150000021
其中，
Figure BDA0002503688150000022
表示高空无人平台与第k个用户之间的估计信道，k∈[1,2,…,K]；
Figure BDA0002503688150000023
是信道中的视距成分，向量大小为N×1；Tk是N×N的确定性非负定矩阵，表示第k个用户的空间相关性矩阵；
Figure BDA0002503688150000024
xk和vk都表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值、方差为
Figure BDA0002503688150000025
的独立同分布，τk为信道估计参数，表示信道估计的准确度，τk∈(0,1)，
Figure BDA0002503688150000026
∈表示属于；
Figure BDA0002503688150000027
表示矩阵的平方根运算；用户集Q的非理想信道状态信息值表示为
Figure BDA0002503688150000028
可选的，步骤2中，将用户按照相对于高空无人平台的天线的方位角和距离进行分组。
可选的，步骤2中，分组步骤具体包括：
S1、设置方位角和距离的阈值，分别用
Figure BDA0002503688150000031
和Δd表示；
S2、将用户按方位角进行分组，方位角之差小于
Figure BDA0002503688150000032
的用户被分在同一组中；
S3、根据步骤S2中基于方位角分出的组，再根据用户间的距离进行分组，使得同一组中的用户间的距离小于Δd。
可选的，步骤3中，所述预编码矩阵为：
Figure BDA0002503688150000033
其中，Gm表示第m个组的预编码矩阵，矩阵大小为N×Km；
Figure BDA0002503688150000034
表示大小为N×Km的矩阵，
Figure BDA0002503688150000035
大小为N×N，其中
Figure BDA0002503688150000036
矩阵大小为N×N，α为正则化参数；ζm表示满足高空无人平台发送功率约束的归一化参数，
Figure BDA0002503688150000037
可选的，所述预编码矩阵受发送功率的限制，满足
Figure BDA0002503688150000038
P＞0，其中，P表示下行发送功率，N表示高空无人平台的天线数，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)H表示矩阵的共轭转置运算。
可选的，所述正则化参数α由下式计算所得：
α＝arg max Rsum，
其中，
Figure BDA0002503688150000039
表示高空无人平台通信系统和无线传输速率的等效确定性表达式，
Figure BDA00025036881500000310
表示等效的第m个组中第k个用户的信干噪比。
可选的，
Figure BDA00025036881500000311
具体表示为：
Figure BDA00025036881500000312
其中，a表示该用户的信号功率，b表示来自其他用户的干扰功率，c表示噪声功率。
为实现上述目的，本发明还提供了一种高空无人平台通信系统，应用前述的多天线无线传输方法。
可选的，所述高空无人平台通信系统包括配备有多根天线的高空无人平台和多个单天线用户，所述高空无人平台作为发送端，用于根据非理想信道状态信息值计算出预编码矩阵，以进行信号的传输。
本发明的有益效果是：本发明仅利用非理想信道状态信息值，结合用户分组计算预编码矩阵，适用于用户非均分布和空分自由度不足的实际场景，在不提高计算复杂度的基础上可以显著提高通信速率，对高空无人平台辅助多天线通信系统的发展具有重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明高空无人平台通信系统的结构示意图。
图2是本发明多天线无线传输方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明揭示了一种高空无人平台通信系统，具体的说是一种基于非理想信道状态信息(Channel State Information，CSI)的高空无人平台的辅助多天线通信系统，所述高空无人平台通信系统包括配备有多根天线的高空无人平台和多个单天线用户，所述高空无人平台作为发送端，用于根据非理想信道状态信息值计算出预编码矩阵，以进行信号的传输。
如图2所述，本发明还揭示了一种多天线无线传输方法，应用于基于非理想信道状态信息的高空无人平台通信系统，多天线无线传输方法主要包括以下步骤：
步骤1、用户向高空无人平台发送上行导频信号，高空无人平台接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取用户的非理想信道状态信息值；
步骤2、根据步骤1中获取到的用户的非理想信道状态信息值，对用户进行分组；
步骤3、根据步骤2中分得的组，利用每个组的用户的非理想信道状态信息值，计算并发送预编码矩阵，进行信号传输。
以下将对步骤1-步骤3进行详细说明。
在步骤1中，假设高空无人平台有N根天线，用户集为Q，其中Q中共有K个单天线用户，高空无人平台利用用户发送的上行导频信号，对信道进行估计，并将用户任意等分成M个组，M＜K，每个组里有Km个用户，所获取的非理想信道状态信息值表示为：
Figure BDA0002503688150000051
其中，
Figure BDA0002503688150000052
表示高空无人平台与第k个用户之间的估计信道，k∈[1,2,…,K]；
Figure BDA0002503688150000053
是信道中的视距成分，向量大小为N×1；Tk是N×N的确定性非负定矩阵，表示第k个用户的空间相关性矩阵；
Figure BDA0002503688150000054
xk和vk都表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值、方差为
Figure BDA0002503688150000055
的独立同分布，τk为信道估计参数，表示信道估计的准确度，τk∈(0,1)，
Figure BDA0002503688150000056
∈表示属于；
Figure BDA0002503688150000057
表示矩阵的平方根运算；用户集Q的非理想信道状态信息值表示为
Figure BDA0002503688150000058
在
Figure BDA0002503688150000059
中，
Figure BDA00025036881500000510
和Tk均为可以精确估计出均值和协方差的统计量，而对于
Figure BDA00025036881500000511
的估计是存在误差的。
在步骤2中，将用户按照相对于高空无人平台天线的方位角和距离进行分组，具体分组步骤为：
S1、设置方位角和距离的阈值，分别用
Figure BDA00025036881500000512
和Δd表示；
S2、将用户按方位角进行分组，方位角之差小于
Figure BDA00025036881500000513
的用户被分在同一组中；
S3、根据步骤S2中基于方位角分出的组，再根据用户间的距离进行分组，使得同一组中的用户间的距离小于Δd。
根据上述方法，用户共被分成了M个组，其中第m个组里包含了Km个用户，m∈[1,2,…,M]，分组后高空无人平台与第m个组里的第k个用户之间的估计信道表示为
Figure BDA0002503688150000061
Figure BDA0002503688150000062
是矩阵
Figure BDA0002503688150000063
里的一个列向量。
在步骤3中，高空无人平台根据每个组的用户的非理想信道状态信息值设计的预编码矩阵为：
Figure BDA0002503688150000064
其中，Gm表示第m个组的预编码矩阵，矩阵大小为N×Km；预编码矩阵受发送功率的限制，满足
Figure BDA0002503688150000065
P＞0，P表示下行发送功率，N表示高空无人平台的天线数，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)H表示矩阵的共轭转置运算；根据发送预编码矩阵的约束条件，ζm表示满足高空无人平台发送功率约束的归一化参数，
Figure BDA0002503688150000066
Figure BDA0002503688150000067
表示大小为N×Km的矩阵，
Figure BDA0002503688150000068
大小为N×N，其中
Figure BDA0002503688150000069
矩阵大小为N×N，α为正则化参数。
正则化参数α由下式计算所得：
α＝arg max Rsum，
其中，
Figure BDA00025036881500000610
表示高空无人平台通信系统和无线传输速率的等效确定性表达式，其中
Figure BDA00025036881500000611
表示等效的第m个组中第k个用户的信干噪比，具体表示成：
Figure BDA00025036881500000612
其中，a表示该用户的信号功率，b表示来自其他用户的干扰功率，c表示噪声功率，这三个参数只取决于信道的统计信息，包括信道h的均值、用户的协方差矩阵T和信道的不确定性量τ。
综上所述，相较于现有技术，本发明仅利用非理想信道状态信息值，结合用户分组计算预编码矩阵，适用于用户非均分布和空分自由度不足的实际场景，在不提高计算复杂度的基础上可以显著提高通信速率，对高空无人平台辅助多天线通信系统的发展具有重要的现实意义。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多天线无线传输方法，应用于基于非理想信道状态信息的高空无人平台通信系统，其特征在于，多天线无线传输方法主要包括以下步骤：
步骤1、用户向高空无人平台发送上行导频信号，高空无人平台接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取用户的非理想信道状态信息值；
步骤2、根据步骤1中获取到的用户的非理想信道状态信息值，对用户进行分组；
步骤3、根据步骤2中分得的组，利用每个组的用户的非理想信道状态信息值，计算并发送预编码矩阵，进行信号传输。
2.根据权利要求1所述的多天线无线传输方法，其特征在于，步骤1中，假设高空无人平台有N根天线，用户集为Q，其中Q中共有K个单天线用户，高空无人平台利用用户发送的上行导频信号，对信道进行估计，并将用户等分成M个组，M＜K，每个组里有Km个用户，所获取的非理想信道状态信息值表示为：
Figure FDA0002503688140000011
其中，
Figure FDA0002503688140000012
表示高空无人平台与第k个用户之间的估计信道，k∈[1,2,…,K]；
Figure FDA0002503688140000013
是信道中的视距成分，向量大小为N×1；Tk是N×N的确定性非负定矩阵，表示第k个用户的空间相关性矩阵；
Figure FDA0002503688140000014
xk和vk都表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值、方差为
Figure FDA0002503688140000015
的独立同分布，τk为信道估计参数，表示信道估计的准确度，τk∈(0,1)，
Figure FDA0002503688140000016
∈表示属于；
Figure FDA0002503688140000017
表示矩阵的平方根运算；用户集Q的非理想信道状态信息值表示为
Figure FDA0002503688140000018
3.根据权利要求2所述的多天线无线传输方法，其特征在于：步骤2中，将用户按照相对于高空无人平台的天线的方位角和距离进行分组。
4.根据权利要求3所述的多天线无线传输方法，其特征在于：步骤2中，分组步骤具体包括：
S1、设置方位角和距离的阈值，分别用
Figure FDA0002503688140000021
和Δd表示；
S2、将用户按方位角进行分组，方位角之差小于
Figure FDA0002503688140000022
的用户被分在同一组中；
S3、根据步骤S2中基于方位角分出的组，再根据用户间的距离进行分组，使得同一组中的用户间的距离小于Δd。
5.根据权利要求1所述的多天线无线传输方法，其特征在于：步骤3中，所述预编码矩阵为：
Figure FDA0002503688140000023
其中，Gm表示第m个组的预编码矩阵，矩阵大小为N×Km；
Figure FDA0002503688140000024
表示大小为N×Km的矩阵，
Figure FDA0002503688140000025
大小为N×N，其中
Figure FDA0002503688140000026
矩阵大小为N×N，α为正则化参数；ζm表示满足高空无人平台发送功率约束的归一化参数，
Figure FDA0002503688140000027
6.根据权利要求5所述的多天线无线传输方法，其特征在于：所述预编码矩阵受发送功率的限制，满足
Figure FDA0002503688140000028
其中，P表示下行发送功率，N表示高空无人平台的天线数，tr(·)表示矩阵的求迹运算，(·)H表示矩阵的共轭转置运算。
7.根据权利要求5所述的多天线无线传输方法，其特征在于：所述正则化参数α由下式计算所得：
α＝arg max Rsum，
其中，
Figure FDA0002503688140000029
表示高空无人平台通信系统和无线传输速率的等效确定性表达式，
Figure FDA00025036881400000210
表示等效的第m个组中第k个用户的信干噪比。
8.根据权利要求7所述的多天线无线传输方法，其特征在于，
Figure FDA00025036881400000211
具体表示为：
Figure FDA0002503688140000031
其中，a表示该用户的信号功率，b表示来自其他用户的干扰功率，c表示噪声功率。
9.一种高空无人平台通信系统，其特征在于，应用权利要求1-8中任一项所述的多天线无线传输方法。
10.根据权利要求9所述的高空无人平台通信系统，其特征在于：所述高空无人平台通信系统包括配备有多根天线的高空无人平台和多个单天线用户，所述高空无人平台作为发送端，用于根据非理想信道状态信息值计算出预编码矩阵，以进行信号的传输。
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