CN111835406A - 适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法。本发明引入随机变量表示信道状态信息反馈延时等导致的信道相位不确定性,并采用资源效率这一新的衡量标准来实现能效与谱效间的权衡。本发明将能效谱效联合优化的鲁棒预编码设计建模为总功率约束和服务质量约束下的资源效率最大化问题;通过半正定松弛将初始问题的波束优化变量转换为半定正矩阵;然后利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代算法进行交替求解;最后基于解的秩,采用特征值分解得到最优预编码矢量或者采用随机化方法得到次优预编码矢量。本发明所提出的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,能够有效实现系统能效与谱效间的权衡,相比传统方法能够显著提高系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信系统预编码方法,尤其涉及了一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法。
背景技术
受新的应用需求和技术需求的推动,卫星通信需要在大范围内提供更高的传输速率,因此采用了积极的全频率复用来满足不断增长的吞吐量的需求,然而由此带来的问题就是波束间干扰严重。多波束联合信号处理可以减轻波束间干扰,从而提高系统性能,因此将重点研究卫星侧的波束成形方案。同时,由于全球能源需求的不断增长以及能源相关运营成本的飙升,如何设计高效的节能网络也成为了无线通信研究的重点之一。现如今,频谱效率一直是优化卫星通信传输速率的主要性能指标,但数据流量的快速增长往往伴随着能源消耗的急剧增加。对于多波束卫星通信的预编码设计来说,提高能量效率减少功率消耗也是至关重要的。然而,能效优化和谱效优化在一定程度上是冲突的,能效的增加可能会导致谱效性能的损失,反之亦然,因此,如何在预编码设计中取得能效与谱效优化之间权衡从而获得系统的最优性能具有极为重要的意义。
在实际应用中,传统传输方法会受到各种限制:一方面,在现行的卫星标准例如DVB-S2和DVB-S2X中,卫星把传输给多个用户的数据封装在同一个帧中,在此场景下,预编码矩阵中的一个预编码矢量不再对应于一个用户,而是对应于一个用户组,因此可以将预编码设计问题转换为多组多播的预编码优化问题;另一方面,由于卫星通信系统的长距离时延等多种原因,很难获得理想的发射机信道状态信息,因此,考虑不完全信道状态信息的鲁棒预编码设计对卫星通信系统具有重要意义。针对以上两方面,本发明给出一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法。
发明内容
发明目的:本发明目的在于提出一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,该方法建立在多组多播优化问题基础上,通过对用户速率求期望并使系统资源效率最大化,可以有效降低信道相位不确定性带来的负面影响,实现有效的能效和谱效的联合优化,同时相比忽略信道相位不确定性的传统方法,显著提高多波束卫星通信系统的传输性能。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,包括如下步骤:
(1)引入信道相位误差表示卫星信道的相位不确定性,将实际信道矢量表示为估计信道矢量与信道相位误差矢量的哈达玛积;
(2)对用户速率求数学期望,取用户组内最小值,并对所有用户组求和得到系统频谱效率将频谱效率除以系统总功耗得到系统能量效率式中,K表示用户组数,B为带宽,SINRi,k为第k个用户组中第i个用户的信干噪比,Ptot表示系统总功耗;
(4)构建资源效率最大化的鲁棒预编码设计问题,所述设计问题的优化目标为系统资源效率RE,约束条件为所有用户的平均信干噪比大于设定门限值γi,k,总辐射功率小于设定门限值P,wk为用户组的预编码矢量;引入辅助变量,对原始优化问题进行等效变换;
(5)引入平均速率和平均信干噪比的近似以及半正定松弛,对等效优化问题进行转化;
(6)利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代问题,交替求解优化问题得到半正定松弛下的最优解;
(7)判断步骤(6)所得解的秩是否为一,若为一,则采用特征值分解,得到原始优化问题的最优预编码矢量,若秩不全为一,则采用随机化方法得到近似的次优预编码矢量。
作为优选,步骤(5)中,半正定松弛转化后的问题可以表示为:
作为优选,步骤(6)中,利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代问题:
其中W(λ)代表变量集合λ为内层迭代次数,内层迭代是对于固定的yk和y'k,利用初始可行点求解上述问题,迭代求解直到达到内层收敛阈值,得到结果和外层迭代是分别更新yk和y'k的值,求解上述问题直到收敛,从而获得最优波束成形矩阵
在具体实施时,随着地面端用户的移动,卫星与各用户之间的波束域信道信息发生变化,卫星侧根据不同的应用场景以相应时间间隔更新波束域信道信息,动态实施能效谱效权衡的鲁棒方法。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)研究了应用于多波束卫星通信的能效与谱效的权衡。传统卫星通信的优化只针对于单独的能效优化或谱效优化,但二者在一定程度上是冲突的,能效的增加可能会导致谱效性能的损失,反之亦然;本发明既没有实现最大的能效,也没有实现最大的谱效,而是实现了能效与谱效之间的权衡,获得多波束卫星通信系统的最优性能。
(2)相比忽略信道相位不确定性的传统方法,所提出的鲁棒预编码方法能够显著提高多波束卫星通信系统的传输性能。
(3)通过对平均速率求近似,显著降低了优化问题实现的复杂度;利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代算法,进行系统能效谱效联合优化的预编码设计,获得逼近最优的预编码矢量,有效平衡系统的能效和谱效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅表明本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为多组多播的多波束卫星移动通信系统示意图。
图2为本发明的方法总体流程图。
图3为本发明实施例的详细方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出的适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,能够实现能效和谱效的联合优化,有效降低信道相位不确定性带来的负面影响,相比传统方法有显著的性能增益。图1为系统配置示意图,系统采用全频率复用,Nt个波束同时服务Nu个用户,每个用户配备单天线。设同一时隙内服务的用户组集合为且K=Nt,每个用户组由一个波束服务。如图2所示,该方法首先考虑卫星通信系统中信道传播长延时特性,用随机变量表示由信道状态信息反馈延时等导致的信道相位不确定性,采用一种新的衡量标准——资源效率,来实现能效与谱效间的权衡。进而将鲁棒预编码设计问题建模为服务质量约束和总功率约束下的资源效率最大化问题;采用近似平均速率和近似平均SINR的封闭形式,然后通过半正定松弛将问题的优化变量转换为正半定矩阵,接着利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代算法进行交替求解。最后,基于上述问题解的秩,采用特征值分解得到最优预编码矢量或者采用随机化方法得到次优预编码矢量。详细步骤如图3所示,具体如下:
Ai的第(m,n)个元素为:
(2)计算系统频谱效率SE和能量效率EE:
其中B为带宽,为第k个用户组中第i个用户的信干噪比,wk为用户组的预编码矢量,下标k表示用户组编号,ξ为表示功率放大器低效性的常数,Nt表示波束数,Pc表示每个天线的恒定电路功耗,P0表示与天线数目无关的卫星基本功耗,N0为噪声方差。
(3)计算系统资源效率RE:
(4)求解资源效率最大化问题,即在保证服务质量和总功率限制的条件下,最大化资源效率。给出资源效率最大化问题:
(10)判断上述问题解的秩是否为一,若为一,则采用特征值分解得到对应的最优预编码矢量其中υk和uk分别为的主特征值和特征向量;若秩不全为一,则采用随机化方法,例如:高斯随机化方法,得到次优但可行的预编码矢量。
随着地面端用户的移动,卫星与各用户之间的波束域信道信息发生变化,卫星侧根据不同的应用场景以相应时间间隔更新波束域信道信息,动态实施上述能效谱效权衡的鲁棒方法。
应当指出,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)引入信道相位误差表示卫星信道的相位不确定性,将实际信道矢量表示为估计信道矢量与信道相位误差矢量的哈达玛积;
(2)对用户速率求数学期望,取用户组内最小值,并对所有用户组求和得到系统频谱效率将频谱效率除以系统总功耗得到系统能量效率式中,K表示用户组数,B为带宽,SINRi,k为第k个用户组中第i个用户的信干噪比,Ptot表示系统总功耗;
(4)构建资源效率最大化的鲁棒预编码设计问题,所述设计问题的优化目标为系统资源效率RE,约束条件为所有用户的平均信干噪比大于设定门限值γi,k,总辐射功率小于设定门限值P,wk为用户组的预编码矢量;引入辅助变量,对原始优化问题进行等效变换;
(5)引入平均速率和平均信干噪比的近似以及半正定松弛,对等效优化问题进行转化;
(6)利用二次变换和MM算法组成嵌套迭代问题,交替求解优化问题得到半正定松弛下的最优解;
(7)判断步骤(6)所得解的秩是否为一,若为一,则采用特征值分解,得到原始优化问题的最优预编码矢量,若秩不全为一,则采用随机化方法得到近似的次优预编码矢量。
10.根据权利要求1所述的适用于多波束卫星通信的能效谱效权衡的鲁棒预编码方法,其特征在于,随着地面端用户的移动,卫星与各用户之间的波束域信道信息发生变化,卫星侧根据不同的应用场景以相应时间间隔更新波束域信道信息,动态实施能效谱效权衡的鲁棒预编码方法。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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