CN112751594B - 基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法，即可变组数的自适应用户分组和速率最大化算法(Adaptive user grouping for sum‑rate maximization，简称AUG‑SM)，通过该算法能够基于最大化系统和速率的调度准则调度所有用户、服务所有用户，通过增加用户分组数量，在保证公平性同时，最大化系统和速率，即通过牺牲时隙资源获得系统平均和速率的提高，给卫星通信用户分组提供了另一种思路。

Description

基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体是一种基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法。
背景技术
卫星通信在通信领域发挥越来越重要的作用。从卫星通信运营商角度来说，目标是尽可能为更多用户提供服务；从用户来说，则是希望获得更大的吞吐量。由于能够为用户提供更大的带宽，不同波束之间的全频复用(Full Frequency Reuse，FFR)是未来发展的方向，但会不可避免地带来波束间的干扰。预编码是一种能够有效减轻波束间干扰的技术，其中迫零(Zero Forcing，ZF)预编码是一种常见的预编码方式，其复杂性较低且能够完全消除波束间干扰。
假设地面Ktot个用户均匀分布在N个波束内，一个波束覆盖多个用户。当地面用户众多时，卫星难免存在不能同时为所有用户提供服务的情况，为此需要进行用户分组，按序为所有用户提供服务。假设服务所有用户，需要T个时隙，对于第t(t＝1,2,…,T)个时隙，从Ktot个用户中选择Lt(Lt≤N)个用户，为了保证所选的Lt个用户能够通过空分多址同时服务到，在一个时隙内，每个波束内最多选择一个用户。在不同时隙中，采用时分多址技术为不同分组的用户提供服务，同时采用时分多址为同一组用户提供服务。
国家知识产权局于2019年3月29日公开的发明专利申请CN109547075A提出了两种多波束卫星通信系统的用户分组方案，但是两个方案分别存在以下问题：1、方案1考虑最大化原则，以实现小组最大化和速率，但是会导致部分用户得不到服务；2、方案2考虑公平性原则，实现了用户全选，但是会导致系统和速率的下降。
发明内容
针对现有卫星通信分组算法存在的技术缺陷，本发明提供一种基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法，在考虑系统和速率的同时，保证卫星同时服务到地面所有用户。
本发明保护一种基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法，包括以下步骤：
步骤1，初始化系统参数，系统参数包括用户集合、用户组数、用户组数上限；
步骤2，依次给每一用户组选择用户集合中具有最大信道增益的用户，即时将被选择的用户从用户集合中删除，直至每一用户组都具有第一个用户，计算各组和速率；
步骤3，选择用户集合中具有最大信道增益的用户，依次拟加入各用户组，找出加入该用户后和速率增加最大的用户组，并判断增加的和速率是否大于等于0；
若增加的和速率≥0，则将该用户加入该用户组；
若增加的和速率＜0，再判断用户组数是否达到上限；
若用户组数未达到上限，则为该用户创建一个新用户组；
若用户组数达到上限，则将该用户加入和速率增加最大的用户组；
步骤4，重复步骤3，直至所有用户分组完成。
进一步的，对于分在同一用户组的所有用户，根据信道条件对卫星给每一用户分配的功率进行注水，使得用户ml获得最优功率pl＝(μλl-1)+，其中λl表示用户ml的有效信道增益，μ表示注水水位；注水水位μ通过
Figure GDA0003251119030000021
求解。
本发明提出一种贪婪用户分组算法——可变组数的自适应用户分组和速率最大化算法(Adaptive user grouping for sum-rate maximization，简称AUG-SM)，通过该算法能够基于最大化系统和速率的调度准则调度所有用户、服务所有用户，通过增加用户分组数量，在保证公平性同时，最大化系统和速率，即通过牺牲时隙资源获得系统平均和速率的提高，给卫星通信用户分组提供了另一种思路；对于分在同一用户组的所有用户，根据信道条件对卫星给每一用户分配的功率进行注水，给信道状况好的用户多分配功率，给信道条件差的用户少分配功率，以最大化和速率。
附图说明
图1为本发明卫星通信用户分组方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，已知信道矩阵H、卫星天线数N、地面用户数量Ktot、卫星总功率ρ、噪声功率σ2，初始化系统参数，系统参数包括用户集合
Figure GDA0003251119030000031
用户组数T＝Ktot/N、用户组数上限Tmax；
步骤2，依次给每一用户组选择用户集合中具有最大信道增益的用户，即时将被选择的用户从用户集合中删除，直至每一用户组都具有第一个用户，计算各组和速率；
步骤3，选择用户集合中具有最大信道增益的用户，依次拟加入各用户组，找出加入该用户后和速率增加最大的用户组，并判断增加的和速率是否大于等于0；
若增加的和速率≥0，则将该用户加入该用户组；
若增加的和速率＜0，再判断用户组数是否达到上限；
若用户组数未达到上限，则为该用户创建一个新用户组；
若用户组数达到上限，则将该用户加入和速率增加最大的用户组；
步骤4，重复步骤3，直至所有用户分组完成。
通过上述用户分组方法能够基于最大化系统和速率的调度准则调度所有用户、服务所有用户，通过增加用户分组数量，在保证公平性同时，最大化系统和速率，即通过牺牲时隙资源获得系统平均和速率的提高，给卫星通信用户分组提供了另一种思路。
实施例2
通常分在同一用户组的所有用户都获得相同速率，以保证组内用户的公平性，但也一定程序上限制了系统和速率。
对于分在同一用户组的所有用户，本实施例根据信道条件对卫星给每一用户分配的功率进行注水，具体注水分配方式描述如下。
将卫星天线发送信号x表示为
Figure GDA0003251119030000041
其中
Figure GDA0003251119030000042
表示预编码矩阵，
Figure GDA0003251119030000043
表示功率分配矩阵(对角矩阵)，
Figure GDA0003251119030000044
表示用户发送到卫星的信号，服从独立同分布，即
Figure GDA0003251119030000045
所有用户的接收信号表示为
Figure GDA0003251119030000046
第ml(l＝1,2,…,Lt)个用户接收到的信号为
Figure GDA0003251119030000047
第ml个用户的SINR为
Figure GDA0003251119030000048
为了消除用户间干扰，使用ZF预编码，即
Figure GDA0003251119030000049
则第ml个用户的SINR可以表示为
Figure GDA00032511190300000410
第ml个用户可实现的和速率为
Figure GDA00032511190300000411
在第t(t＝1,2,…,T)个时隙，卫星通过SDMA同时服务某用户组的Lt个用户，可实现的和速率为
Figure GDA00032511190300000412
那么T个时隙的和速率，即所有用户的和速率为
Figure GDA00032511190300000413
最大化Rtotal即最大化每个时隙的和速率
Figure GDA0003251119030000051
约束条件为
Figure GDA0003251119030000052
由此，和速率最大化问题转化成了对用户进行最优功率分配的问题。本实施例注水分配的核心思想是，给信道状况好的用户多分配功率，给信道条件差的用户少分配功率，以最大化和速率。
对于分在同一用户组的所有用户，根据信道条件对卫星给每一用户分配的功率进行注水，使得用户ml获得最优功率pl＝(μλl-1)+，其中
Figure GDA0003251119030000053
表示用户ml的有效信道增益，μ表示注水水位，(x)+表示max(0,x)；注水水位μ通过
Figure GDA0003251119030000054
求解。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.基于和速率最大化的卫星通信用户分组方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，初始化系统参数，系统参数包括用户集合、用户组数、用户组数上限；
步骤2，依次给每一用户组选择用户集合中具有最大信道增益的用户，即时将被选择的用户从用户集合中删除，直至每一用户组都具有第一个用户；
步骤3，选择用户集合中具有最大信道增益的用户，依次拟加入各用户组，找出加入该用户后和速率增加最大的用户组，并判断增加的和速率是否大于等于0，计算各组和速率；
若增加的和速率≥0，则将该用户加入该用户组；
若增加的和速率＜0，再判断用户组数是否达到上限；
若用户组数未达到上限，则为该用户创建一个新用户组；
若用户组数达到上限，则将该用户加入和速率增加最大的用户组；
步骤4，重复步骤3，直至所有用户分组完成。
2.根据权利要求1所述的卫星通信用户分组方法，其特征在于，对于分在同一用户组的所有用户，根据信道条件对卫星给每一用户分配的功率进行注水，使得用户ml获得最优功率pl＝(μλl-1)+，其中λl表示用户ml的有效信道增益，μ表示注水水位；注水水位μ通过
Figure FDA0002842450300000011
求解。
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