CN112260749B - 一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法，适用于卫星通信技术领域。针对卫星信道衰落大，偏远地区的用户无法直接接入卫星的限制，建立用户，建立卫星、地面站、基站的自回传系统模型；针对某个通信时隙，卫星与基站分别计算各自的预波束赋型矢量；根据当前的波束赋型矢量，以地面用户的和速率为优化目标，获取最优的波束赋型矢量；判断是否满足迭代完成的条件；若满足，则根据奇异值分解获得最优的波束赋型矢量。其将卫星通信覆盖广的优势与蜂窝网络的优势相结合，有效消除地面网络与卫星网络间的相互干扰，提高了地面用户的总速率性能，节省了频谱资源。

Description

一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法

技术领域

本发明涉及一种波束赋型方法，尤其适用于卫星通信技术领域使用的一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法。

背景技术

近年来，由于智能终端在日常生活中的快速发展，人们对数据速率的要求不断提升。尽管第五代(5G)通信网络提出了毫米波、小蜂窝、波束赋型等几种先进技术来提高用户体验质量。但在较为偏远的地区，地面蜂窝网络的建设成本较高或根本无法建立。幸运的是，卫星通信作为一种地面网络的补充，利用现代通信和空间信息技术，能够为全球用户提供无缝覆盖和大容量宽带接入。此外，目前多家卫星机构，如Oneweb，SpaceX，Kepler等公司已经开始启动卫星项目。目前卫星通信已经在对地观测，灾后重建，智能运输系统等带来了众多收益。

由于卫星链路存在严重的路径损耗，仅具备高增益接收天线的设备才可接入卫星网络。但是，当前的大多数用户终端，例如手机和低功率物联网设备，都不具备高增益的卫星接收天线，因此无法直接接收微弱的卫星信号。为使所有地面用户成功连接到卫星网络，进一步提升通信网络的覆盖范围，整合的卫星与地面通信系统有待研究。其中，具有高增益天线的地面站用于接收来自卫星的信号，并将信号转发给地面基站，最后由基站将卫星信号转发给地面用户。此外，由于无线频谱的拥挤以及部分毫米波频段已分配给固定卫星业务，因此卫星和地面网络共享相同的频谱成为可能。为进一步提升频谱效率，需要研究卫星网络与地面网络使用相同频谱情况，即卫星自回传技术。自回传技术在蜂窝网络已被广泛应用，然而，结合卫星网络的卫星自回传仍需深入研究。

发明内容

发明目的：针对上述技术的不足之处，提供一种有效提升通信网络的覆盖范围与频谱效率，将所有地面用户接入卫星网络，步骤简单，链路间干扰小，频谱利用率高的毫米波卫星自回传的波束赋型方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的毫米波卫星自回传的波束赋型方法，其步骤如下：

步骤1：针对地面用户，建立卫星、地面站和基站建立毫米波自回传系统模型，其中地面站利用高增益的卫星天线为地面用户提供回传链路，基站通过光纤接收来自地面站的信号并将卫星信号转发给地面用户；通过卫星与地面站构成的回传链路及基站与地面用户构成的地面链路两个链路使用相同的毫米波频段从而提升频谱利用率；

步骤2：根据步骤1的毫米波自回传系统模型联合设计卫星与基站的波束赋型生成最优波束赋型矢量，最优波束赋型矢量需要优化地面所有用户速率之和，同时消除卫星与地面网络间的相互干扰，即卫星信号对地面用户存在干扰，基站对地面站存在干扰；

步骤3：将需要优化地面所有用户速率之和，同时消除卫星与地面网络间的相互干扰的最优波束赋型矢量转化成易于求解的凸问题，具体的，通过计算卫星与基站各自的预波束赋型矩阵，然后根据当前卫星与基站的波束赋型矩阵获取卫星与基站的最优波束赋型矩阵，并判断是否满足迭代完成的条件；

步骤4：若满足步骤3的迭代条件，则根据奇异值分解将最优波束赋型矩阵转化为卫星与基站最优的波束赋型矢量，从而完成毫米波卫星自回传的波束赋型。

步骤1中所述的毫米波自回传系统模型具体为；

设卫星配置N_s根天线，基站的天线数目为N_b，地面站与M个地面用户均为单天线；地面站的接收信号y_s为：

其中z_s表示地面站接收的高斯白噪声信号，x_s与x_m分别表示卫星与基站到用户m的发射信号，g_s与h_s分别为地面站与卫星，地面站与基站的信道状态信息，v与w_m分别为卫星与基站到地面用户m的波束赋型矢量，由于当前无线频谱资源的短缺，为进一步提升地面用户的通信性能，卫星网络与地面网络使用相同的毫米波频段，因此地面站接收到来自基站的干扰信号；其次，地面用户m的接收信号y_m为：

其中，z_m表示地面用户m接收的高斯白噪声信号，

表示基站到地面用户m的信道状态信息，

表示卫星到用户m的信道状态信息，由于地面与卫星网络使用了相同频段，地面用户接收到了来自卫星的干扰信号。

步骤2中所述优化地面所有用户速率之和，具体步骤为：

步骤2.1：根据步骤1建立的自回传系统模型，地面用户m的信息速率R_m表示为：

其中，

表示来自其他地面用户的干扰，

表示来自卫星的干扰，

表示用户m接收的热噪声功率；

卫星的回传容量R_s表示为：

其中，

为来自基站的干扰，

表示地面站接收的热噪声功率；

步骤2.2：以所有地面用户的信息速率之和为优化目标，建立优化问题，并满足卫星与基站的功率约束，每个用户的速率大于一定的速率门限，即：

其中，r₀表示每个地面用户的最低信息速率按要求，

表示地面用户的和速率不能超过卫星的回传容量，P_s是卫星的最大发射功率限制，P_T是基站的最大发射功率限制，此外该优化问题同时对卫星与基站的波束赋型矢量v与w_m进行联合优化，因此可消除卫星与地面网络间的相互干扰问题。

步骤3中所述最优的波束赋型矢量的具体获得方法：

步骤3.1：由于步骤2.2的优化问题是非凸的，首先引入预编码矩阵

与V＝vv^H，将R_m转化为两个凸函数相减的形式，即：

R_m＝α_m(W,V)-β_m(W,V) (6)

其中，α_m(W,V)与β_m(W,V)分别表示为：

此时，α_m(W,V)与β_m(W,V)均为关于预编码矩阵的凸函数；同理，R_s可以转化为：

R_s＝α_s(W,V)-β_s(W,V) (9)

其中，α_s(W,V)与β_s(W,V)分别表示为：

为将步骤2.2的优化问题转化为凸问题，在第k次迭代期间，将α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)分别近似为：

其中，W^k与Vk分别表示预编码矩阵W与V在第k次迭代期间的可行点。此外，函数γ的定义为：

其中，x,y分别表示函数γ的自变量参数，具体数值通过公式(12)，(13)与(14)定义。

综上，将步骤2.2的优化问题转化为凸问题，即：

步骤3.2：为求解步骤3.1的凸问题(15)，需要计算预编码矩阵的初始可行点W^k与V^k；因此在初始点优化问题中通过引入正的辅助变量

具体为：

利用内点法迭代求解上述问题(16)，从而获得凸问题(15)的初始可行点W^k与V^k；

步骤3.3：在第k次迭代期间，根据步骤3.2获得的可行点W^k与V^k，重新计算α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)，并将其带入步骤3.1的凸问题(15)，最终通过内点法计算获得最优的预编码矩阵

与V^*。

步骤4中所述的奇异值分解最优波束赋型矩阵获取最优波束赋型矢量v^*与

利用下式：

其中，最优的预编码矩阵满足

τ^*与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征值，

与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征矢量。

有益效果：

1)本方法将卫星通信覆盖广的优势与蜂窝网络的优势相结合，提高了地面用户的总速率性能，并为所有的地面用户能够接入卫星网络提供了一种可行方案；

2)本方法所设计的卫星自回传系统，使得卫星与地面网络工作在相同的频段，有效节省频谱资源，提升系统的频率效率；

3)本方法能有效消除地面网络与卫星网络间的相互干扰，提升用户的速率性能。

附图说明

图1为本发明构造的整合卫星与地面网络的毫米波自回传系统图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明的一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法，包括以下步骤：

步骤1、针对地面用户，建立卫星、地面站、基站的毫米波自回传系统模型，其中地面站利用高增益的卫星天线为地面用户提供回传链路，基站通过光纤接收来自地面站的信号并将卫星信号转发给地面用户，由于目前网络频谱拥塞及进一步提升频谱利用率，卫星与地面站构成的回传链路及基站与地面用户构成的地面链路使用相同的毫米波频段来提升频谱效率，然而，卫星链路与地面链路使用相同的频谱会带来严重的干扰，即卫星信号对地面用户存在干扰，基站对地面站存在干扰；

所述卫星配置N_s根天线，基站的天线数目为N_b，地面站与M个地面用户均为单天线；地面站的接收信号y_s为：

其中z_s表示地面站接收的高斯白噪声信号，x_s与x_m分别表示卫星与基站到用户m的发射信号，g_s与h_s分别为地面站与卫星，地面站与基站的信道状态信息，v与w_m分别为卫星与基站到地面用户m的波束赋型矢量，由于当前无线频谱资源的短缺，为进一步提升地面用户的通信性能，卫星网络与地面网络使用相同的毫米波频段，因此地面站接收到来自基站的干扰信号；其次，地面用户m的接收信号y_m为：

其中，z_m表示地面用户m接收的高斯白噪声信号，

表示基站到地面用户m的信道状态信息，

表示卫星到用户m的信道状态信息，由于地面与卫星网络使用了相同频段，地面用户接收到了来自卫星的干扰信号；

步骤2、根据步骤1建立的系统模型，为提升网络频谱效率，建立以所有地面用户速率之和的优化问题，并满足基站与卫星的功率约束，每个地面用户的速率要大于最低速率门限的约束，为消除地面网络与卫星网络间的相互干扰，联合设计卫星与基站的波束赋型，来消除卫星与地面网络间的相互干扰；

优化地面所有用户速率之和的具体步骤为：

步骤2.1：根据步骤1建立的自回传系统模型，地面用户m的信息速率R_m表示为：

其中，

表示来自其他地面用户的干扰，

表示来自卫星的干扰，

表示用户m接收的热噪声功率；

卫星的回传容量R_s表示为：

其中，

为来自基站的干扰，

表示地面站接收的热噪声功率；

步骤2.2：以所有地面用户的信息速率之和为优化目标，建立优化问题，并满足卫星与基站的功率约束，每个用户的速率大于一定的速率门限，即：

其中，r₀表示每个地面用户的最低信息速率按要求，

表示地面用户的和速率不能超过卫星的回传容量，P_s是卫星的最大发射功率限制，P_T是基站的最大发射功率限制，此外该优化问题同时对卫星与基站的波束赋型矢量v与w_m进行联合优化，因此可消除卫星与地面网络间的相互干扰问题；

步骤3、为将步骤2中的原始优化问题转化成易于求解的凸问题，计算卫星与基站各自的预波束赋型矩阵，然后根据当前卫星与基站的波束赋型矩阵，获取卫星与基站的最优波束赋型矩阵，并判断是否满足迭代完成的条件；

最优的波束赋型矢量的具体获得方法：

步骤3.1：由于步骤2.2的优化问题是非凸的，首先引入预编码矩阵

与V＝vv^H，将R_m转化为两个凸函数相减的形式，即：

R_m＝α_m(W,V)-β_m(W,V) (6)

其中，α_m(W,V)与β_m(W,V)分别表示为：

此时，α_m(W,V)与β_m(W,V)均为关于预编码矩阵的凸函数；同理，R_s可以转化为：

R_s＝α_s(W,V)-β_s(W,V) (9)

其中，α_s(W,V)与β_s(W,V)分别表示为：

为将步骤2.2的优化问题转化为凸问题，在第k次迭代期间，将α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)分别近似为：

其中，W^k与V^k分别表示预编码矩阵W与V在第k次迭代期间的可行点。此外，函数γ的定义为：

其中，x,y分别表示函数γ的自变量参数，具体数值由公式(12)，(13)与(14)。

综上，步骤2.2的优化问题转化为凸问题，即：

步骤3.2：为求解步骤3.1的凸问题(15)，需要计算预编码矩阵的初始可行点W^k与V^k；因此在初始点优化问题中通过引入正的辅助变量

具体为：

利用内点法迭代求解上述问题(16)，从而获得凸问题(15)的初始可行点W^k与V^k；

步骤3.3：在第k次迭代期间，根据步骤3.2获得的可行点W^k与V^k，重新计算α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)，并将其带入步骤3.1的凸问题(15)，最终通过内点法计算获得最优的预编码矩阵

与V^*。

步骤4、若满足步骤3的迭代条件，则根据奇异值分解将最优波束赋型矩阵转化为卫星与基站最优的波束赋型矢量，奇异值分解最优波束赋型矩阵获取最优波束赋型矢量v^*与

利用下式：

其中，最优的预编码矩阵满足

τ^*与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征值，

与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征矢量。

试验中，为了验证所设计算法(PA)的性能，假设用户随机分布在1000km²的方形区域，基站位于中心，卫星的具有7个多波束天线，工作在20GHz，波束带宽为20MHz。此外，低轨卫星(LEO)的全向有效辐射功率为36.7dBW，地面站的天线增益为37.7dBi；中轨(MEO)及同步卫星(GEO)的地面站天线增益为41.7dBi，卫星的最大波束增益设为52dB。最后，将所提算法与其他基准算法进行比较，包括地面用户与卫星直接相连接的方案(DAS)，卫星网络与地面网络采用不同时隙资源的方案(TS)以及卫星与基站的波束赋型矢量独立优化的方案(IBS)。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。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 (3)

1.一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：针对地面用户，建立卫星、地面站和基站建立毫米波自回传系统模型，其中地面站利用高增益的卫星天线为地面用户提供回传链路，基站通过光纤接收来自地面站的信号并将卫星信号转发给地面用户；通过卫星与地面站构成的回传链路及基站与地面用户构成的地面链路两个链路使用相同的毫米波频段从而提升频谱利用率；

步骤2：根据步骤1的毫米波自回传系统模型联合设计卫星与基站的波束赋型生成最优波束赋型矢量，最优波束赋型矢量需要优化地面所有用户速率之和，同时消除卫星与地面网络间的相互干扰，即卫星信号对地面用户存在干扰，基站对地面站存在干扰；

所述优化地面所有用户速率之和，具体步骤为：

步骤2.1：根据步骤1建立的自回传系统模型，地面用户m的信息速率R_m表示为：

其中，

表示来自其他地面用户的干扰，

表示来自卫星的干扰，

表示用户m接收的热噪声功率；

卫星的回传容量R_s表示为：

其中，

为来自基站的干扰，

表示地面站接收的热噪声功率；

步骤2.2：以所有地面用户的信息速率之和为优化目标，建立优化问题，并满足卫星与基站的功率约束，每个用户的速率大于预设最低速率门限，即：

其中，r₀表示每个地面用户的最低信息速率按要求，

表示地面用户的和速率不能超过卫星的回传容量，P_s是卫星的最大发射功率限制，P_T是基站的最大发射功率限制，此外该优化问题同时对卫星与基站的波束赋型矢量v与w_m进行联合优化，因此可消除卫星与地面网络间的相互干扰问题；

步骤3：将需要优化地面所有用户速率之和，同时消除卫星与地面网络间的相互干扰的最优波束赋型矢量转化成易于求解的凸问题，具体的，通过计算卫星与基站各自的预波束赋型矩阵，然后根据当前卫星与基站的波束赋型矩阵获取卫星与基站的最优波束赋型矩阵，并判断是否满足迭代完成的条件；

所述最优的波束赋型矢量的具体获得方法：

步骤3.1：由于步骤2.2的优化问题是非凸的，首先引入预编码矩阵

与V＝vv^H，将R_m转化为两个凸函数相减的形式，即：

R_m＝α_m(W,V)-β_m(W,V) (6)

其中，α_m(W,V)与β_m(W,V)分别表示为：

此时，α_m(W,V)与β_m(W,V)均为关于预编码矩阵的凸函数；同理，R_s可以转化为：

R_s＝α_s(W,V)-β_s(W,V) (9)

其中，α_s(W,V)与β_s(W,V)分别表示为：

为将步骤2.2的优化问题转化为凸问题，在第k次迭代期间，将α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)分别近似为：

其中，W^k与V^k分别表示预编码矩阵W与V在第k次迭代期间的可行点；

综上，将步骤2.2的优化问题转化为凸问题，即：

步骤3.2：为求解步骤3.1的凸问题(15)，需要计算预编码矩阵的初始可行点W^k与V^k；因此在初始点优化问题中通过引入正的辅助变量

具体为：

利用内点法迭代求解上述问题(16)，从而获得凸问题(15)的初始可行点W^k与V^k；

步骤3_.3：在第k次迭代期间，根据步骤3_.2获得的可行点W^k与V^k，重新计算α_m(W,V)，β_s(W)与β_m(W,V)，并将其带入步骤3.1的凸问题(15)，最终通过内点法计算获得最优的预编码矩阵

与V^*；

步骤4：若满足步骤3的迭代条件，则根据奇异值分解将最优波束赋型矩阵转化为卫星与基站最优的波束赋型矢量，从而完成毫米波卫星自回传的波束赋型；

其中z_s表示地面站接收的高斯白噪声信号，x_s与x_m分别表示卫星与基站到用户m的发射信号，g_s与h_s分别为地面站与卫星，地面站与基站的信道状态信息，v与w_m分别为卫星与基站到地面用户m的波束赋型矢量，由于当前无线频谱资源的短缺，为进一步提升地面用户的通信性能，卫星网络与地面网络使用相同的毫米波频段，因此地面站接收到来自基站的干扰信号；z_m表示地面用户m接收的高斯白噪声信号，

表示基站到地面用户m的信道状态信息，

表示卫星到用户m的信道状态信息，由于地面与卫星网络使用了相同频段，地面用户接收到了来自卫星的干扰信号。

2.根据权利要求1所述的毫米波卫星自回传的波束赋型方法，其特征在于，步骤1中所述的毫米波自回传系统模型具体为；

设卫星配置N_s根天线，基站的天线数目为N_b，地面站与M个地面用户均为单天线；地面站的接收信号y_s为：

其中z_s表示地面站接收的高斯白噪声信号，x_s与x_m分别表示卫星与基站到用户m的发射信号，g_s与h_s分别为地面站与卫星，地面站与基站的信道状态信息，v与w_m分别为卫星与基站到地面用户m的波束赋型矢量，由于当前无线频谱资源的短缺，为进一步提升地面用户的通信性能，卫星网络与地面网络使用相同的毫米波频段，因此地面站接收到来自基站的干扰信号；其次，地面用户m的接收信号y_m为：

其中，z_m表示地面用户m接收的高斯白噪声信号，

表示基站到地面用户m的信道状态信息，

表示卫星到用户m的信道状态信息，由于地面与卫星网络使用了相同频段，地面用户接收到了来自卫星的干扰信号。

3.根据权利要求1所述毫米波卫星自回传的波束赋型方法，其特征在于奇异值分解最优波束赋型矩阵获取最优波束赋型矢量v^*与

利用下式：

其中，最优的预编码矩阵满足

τ^*与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征值，

与

分别表示最优预编码矩阵V^*与

的特征矢量。

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