CN115361052B - 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置 - Google Patents

一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN115361052B
CN115361052B CN202210905129.1A CN202210905129A CN115361052B CN 115361052 B CN115361052 B CN 115361052B CN 202210905129 A CN202210905129 A CN 202210905129A CN 115361052 B CN115361052 B CN 115361052B
Authority
CN
China
Prior art keywords
satellite
optimization problem
fairness
objective optimization
beam forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210905129.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115361052A (zh
Inventor
林敏�
孙士勇
黄庶沛
赵柏
阚鹏程
欧阳键
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 54 Research Institute
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
CETC 54 Research Institute
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 54 Research Institute, Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical CETC 54 Research Institute
Priority to CN202210905129.1A priority Critical patent/CN115361052B/zh
Publication of CN115361052A publication Critical patent/CN115361052A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115361052B publication Critical patent/CN115361052B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0408—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas using two or more beams, i.e. beam diversity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0426—Power distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H04B7/18532—Arrangements for managing transmission, i.e. for transporting data or a signalling message
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H04B7/18539—Arrangements for managing radio, resources, i.e. for establishing or releasing a connection
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1853—Satellite systems for providing telephony service to a mobile station, i.e. mobile satellite service
    • H04B7/18539—Arrangements for managing radio, resources, i.e. for establishing or releasing a connection
    • H04B7/18543—Arrangements for managing radio, resources, i.e. for establishing or releasing a connection for adaptation of transmission parameters, e.g. power control
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/24—Cell structures
    • H04W16/28—Cell structures using beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • H04W72/0473—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource the resource being transmission power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/02—Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
    • H04W84/04—Large scale networks; Deep hierarchical networks
    • H04W84/06—Airborne or Satellite Networks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置，方法包括：基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；采用加权和方法对多目标优化问题进行处理，通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡。在兼顾卫星系统的能量效率和频谱效率的同时，还保证了用户之间的服务公平性。

Description

一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置，具体涉及一种兼顾能量效率和频谱效率的卫星通信下行链路波束成形方法。
背景技术
近年来，采用高增益点波束和频率复用技术的通信卫星凭借其在容量及单位带宽成本方面具有的独特优势，在未来的无线通信领域已经显示了广阔的应用前景。但是随着卫星用户对通信服务质量的需求不断提高，以及由于用户大规模接入引起的带宽资源紧张问题，如何在有限的频率资源条件下有效地提高卫星通信系统的频谱效率成为目前亟待解决的关键问题之一。其中，波束成形技术因具备用户间干扰抑制，实现频率复用，提升系统频谱效率等优势而备受国内外学者的青睐。目前，星载波束成形技术的研究主要有两种设计准则，一种是系统可达速率最大化，另一种是系统总功耗最小化。但是，在实际的卫星通信系统中，由于系统可达速率最大和系统总功耗最小是相互制约的，因此需要同时兼顾这两个性能指标的优化，以达到帕累托最优权衡，从而避免某项性能指标的提升导致其他系统性能指标的降低。此外，资源分配作为平衡无线通信系统整体性能和用户公平性的关键因素，对于资源有限的卫星通信系统而言更为重要。因此，如何在兼顾多个性能指标优化的同时合理实现用户服务的公平性是卫星通信系统中目前需要解决的关键问题之一。
发明内容
发明目的：针对现有的星载波束成形方法无法兼顾多个性能指标的折中问题，本发明的目的在于提出一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法。该方法在保证用户的可达速率满足要求的条件下，以频谱效率最大化与功率最小化为优化目标，对卫星波束成形权矢量进行优化，在兼顾系统的能量效率和频谱效率的同时，还保证多个用户间资源分配公平性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，包括：
基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；
基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；
采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，得到归一化单目标优化问题；
通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡；
以求得的最优波束成形权矢量来实现兼顾能效和谱效的卫星波束成形。
在一些实施例中，所述的α公平效用函数uα(Rm)表示为：
其中Rm表示第m个用户的可达速率；不同的α对应不同的公平等级；当α＝0时，表示完全没有考虑服务公平性要求，随着α的增大，用户间的服务公平性也随之提高，当α→∞时，表示实现了用户之间的绝对公平。
在一些实施例中，构建多目标优化问题，包括：
令其中Uα(wm)为公平性和速率、Rm(wm)为波束成形权矢量对应的可达速率；M为用户总个数；
多目标优化问题表述为：
式中，PT表示卫星发射功率，表示卫星最大发射功率，Ptot＝PT+Pc表示卫星通信系统的总功耗，Pc为卫星发射端的电路损耗，wm表示波束成形权矢量。
在一些实施例中，采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，包括：
将所述多目标优化问题转换为一个单目标优化问题，表示为：
其中，β∈(0,1)为加权参数；为公平性和速率的最小值；
对目标函数进行归一化处理，得到归一化单目标优化问题，表示为：
为公平性和速率的最大值；
其中，ζ为一个足够小的数，并且满足0＜ζ≤Rm；
通过调整加权参数β，研究给定α值时的归一化单目标优化问题。
在一些实施例中，所述多目标优化问题求解方法包括：采用循环坐标上升方法对波束成形权矢量wm进行循环更新，直至收敛。
进一步地，所述的循环坐标上升方法为：
在第i次循环时，选择第m个用户，使用包括CVX在内的凸优化工具包求解归一化单目标优化问题，获得的上升方向/>使用回溯直线搜索方法估计出一个合适的步长基于步长/>波束成形权矢量方向/>和上升方向/>求得下一次循环的波束成形权矢量/>循环迭代直至wm收敛；最后求得原多目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡。
第二方面，本发明提供了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
有益效果：本发明提供的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置，具有以下优点：不仅实现系统的能量效率和频谱效率性能指标间的很好折中，并基于α公平性效用函数保证多个用户间服务的公平性，从而实现卫星通信系统的有效传输。
附图说明
图1为本发明实施案例中多波束卫星下行链路波束成形模型示意图；
图2为本发明的具体实施方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，包括：
基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；
基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；
采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，得到归一化单目标优化问题；
通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡；
以求得的最优波束成形权矢量来实现兼顾能效和谱效的卫星波束成形。
在一些实施例中，提出了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法。不仅实现系统的能量效率和频谱效率性能指标间的很好折中，并基于α公平性效用函数保证多个用户间服务的公平性，从而实现卫星通信系统的有效传输。图1为多波束卫星下行链路波束成形模型示意图。如图1所示，本发明研究多波束卫星通信下行链路传输系统。它由一颗多波束通信卫星和M个用户组成。其中多波束卫星采用多馈源单反射面形式的星载天线，配置有L个馈源产生N个波束(M+1≤N≤L)。地面用户使用高增益的抛物面天线以补偿自由空间损耗。图2为具体实施方法流程图。
本方法首先考虑通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性，然后以频谱效率最大化与功率最小化为优化目标，并且保证用户之间服务的公平性；为了实现卫星系统的频谱效率与能量效率之间的折中，以基于α公平效用函数系统频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；进而采用加权和方法处理多目标优化问题；最后通过凸优化和循环坐标上升方法求得多目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得两种性能指标间的帕累托最优权衡。详细步骤如下：
(1)根据香农公式，多波束卫星下行通信系统中第m个用户的可达速率
Rm＝log2(1+γm) (1)
其中γm表示第m个用户的输出信干噪比：
在公式(2)中表示信号功率；/>表示干扰功率。其中wm表示波束成形权矢量。gm表示卫星链路的信道矢量，通常可建模为：
在公式(3)中，表示雨衰系数，以dB为单位表示的服从对数正态随机分布/>μ和σr取决于卫星的通信频率和电波传播特性。bm＝[bm1,bm2,...,bmN]T表示卫星波束增益，它的每一个元素可以表示为：
其中，bmax表示卫星天线的最大增益，J1(·)和J3(·)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数，并且umn＝2.07123sinφmn/sinφ3dB，φmn表示第m个用户相对于第n个波束的偏轴角，φ3dB为单侧半功率波束宽度。公式(3)中，为信道响应矢量，其中的元素具体表示为：
其中，c表示光速，fc表示信号载波频率，dmn表示第m个馈元到第n个波束中心距离。此外，公式(6)中，Gr表示地面用户的抛物面天线增益。参考ITU的建议，其表达式为：
其中，Gmax表示抛物面天线轴向的最大增益，θm为第m个地面用户相对于卫星的离轴角。
(2)考虑到通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用效用函数来保证所有用户之间服务的公平性。其中，常用的效用函数为α公平效用函数，它可以表示为：
上式中不同的α对应不同的公平等级。当α＝0时，uα(Rm)＝Rm表示完全没有考虑服务公平性要求，随着α的增大，用户间的服务公平性也随之提高，当α→∞时，实现了用户之间的绝对公平。
(3)基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，同时使得卫星发射功率不超过其最大发射功率构建多目标优化问题，令具体优化问题可表述为：
式中，PT表示卫星发射功率，Ptot＝PT+Pc表示卫星通信系统的总功耗，Pc为卫星发射端的电路损耗。
(4)采用加权和方法对多目标优化问题进行转化，具体表示为：
其中，β∈(0,1)为加权参数。然后对目标函数进行归一化处理：
其中表示卫星通信系统的最大总功耗；
其中，ζ为一个足够小的数，并且满足0＜ζ≤Rm。
通过调整参数β，研究给定α值时频谱效率与系统功耗之间的折中问题，不同β情况下求解优化问题(11)得到的最优解共同构成了优化问题(9)的帕累托最优集合。
(5)采用循环坐标上升方法求得多目标优化问题的帕累托最优解集和最优波束成形权矢量。
首先，使用凸优化工具包求解上升方向具体实现步骤如下：在第i次循环时，选择第m个用户，通过求解优化问题(13)获得/>的上升方向/>
式中，和/>为第i-1次循环更新得到的权矢量；/>表示目标函数的梯度，其中
然后，采用回溯直线搜索方法估计出合适的步长，具体实现过程如下：
选定参数c∈(0,0.5)和ρ∈(0,1)，如果以下不等式成立：
则更新a＝ρa，直至不等式不成立为止，便得到了梯度上升的步长进一步可以得到下一次循环的波束成形权矢量/>
循环迭代直至收敛，就求得了优化问题(11)和(12)的最大值，即求得到
具体的基于循环坐标上升法的波束成形算法求解步骤如下：
1.输入
2.初始化迭代次数i＝0，
3.求解优化问题(14)得到的上升方向/>
4.使用回溯直线搜索方法得到上升步长
5.更新
6.更新迭代次数i＝i+1；
7.如果满足收敛条件|W(i)-W(i-1)|≤ε，迭代结束；否则执行步骤3；
将上述所得的代入经加权和处理的多目标优化问题(11)。再次使用循环坐标上升方法，对优化问题(11)进行求解：
令在第l次循环时，选择第m个用户，通过求解优化问题(17)获得/>的上升方向/>
式(19)中，和/>为第l-1次循环更新得到的权矢量；/>表示目标函数的梯度，其中
然后，使用回溯直线搜索方法估计合适的步长通过下式可以得到下一次循环的波束成形权矢量/>
根据上式循环迭代直至收敛，就得到了最优波束成形权矢量wm。
具体的基于循环坐标上升法的波束成形算法求解优化问题(11)步骤如下：
1.输入
2.初始化迭代次数l＝0和
3.求解优化问题(22)到的上升方向/>
4.使用回溯直线搜索方法得到上升步长
5.更新
6.更新迭代次数l＝l+1；
7.如果满足收敛条件|W(l)-W(l-1)|≤δ，迭代结束；否则执行步骤3。
实施例2
第二方面，本实施例提供了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
实施例3
第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。

Claims (7)

1.一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，其特征在于，包括：
基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；
基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；
采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，得到归一化单目标优化问题；
通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡；
以求得的最优波束成形权矢量来实现兼顾能效和谱效的卫星波束成形；
其中所述的α公平效用函数uα(Rm)表示为：
其中Rm表示第m个用户的可达速率；不同的α对应不同的公平等级；当α＝0时，表示完全没有考虑服务公平性要求，随着α的增大，用户间的服务公平性也随之提高，当α→∞时，表示实现了用户之间的绝对公平。
2.根据权利要求1所述的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，其特征在于，构建多目标优化问题，包括：
令其中Uα(wm)为公平性和速率、Rm(wm)为波束成形权矢量对应的可达速率；M为用户总个数；
多目标优化问题表述为：
式中，PT表示卫星发射功率，表示卫星最大发射功率，Ptot＝PT+Pc表示卫星通信系统的总功耗，Pc为卫星发射端的电路损耗，wm表示波束成形权矢量。
3.根据权利要求2所述的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，其特征在于，采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，包括：
将所述多目标优化问题转换为一个单目标优化问题，表示为：
其中，β∈(0,1)为加权参数；Uα min为公平性和速率的最小值；
对目标函数进行归一化处理，得到归一化单目标优化问题，表示为：
为公平性和速率的最大值；
其中，ζ为一个足够小的数，并且满足0＜ζ≤Rm；
通过调整加权参数β，研究给定α值时的归一化单目标优化问题。
4.根据权利要求1所述的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，其特征在于，所述多目标优化问题求解方法包括：采用循环坐标上升方法对波束成形权矢量wm进行循环更新，直至收敛。
5.根据权利要求4所述的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，其特征在于，所述的循环坐标上升方法为：
在第i次循环时，选择第m个用户，使用包括CVX在内的凸优化工具包求解归一化单目标优化问题，获得的上升方向/>使用回溯直线搜索方法估计出一个合适的步长/>基于步长/>波束成形权矢量方向/>和上升方向/>求得下一次循环的波束成形权矢量/>循环迭代直至wm收敛；最后求得原多目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡。
6.一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述方法的步骤。
CN202210905129.1A 2022-07-29 2022-07-29 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置 Active CN115361052B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210905129.1A CN115361052B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210905129.1A CN115361052B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115361052A CN115361052A (zh) 2022-11-18
CN115361052B true CN115361052B (zh) 2023-07-25

Family

ID=84031974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210905129.1A Active CN115361052B (zh) 2022-07-29 2022-07-29 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115361052B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117639903B (zh) * 2024-01-23 2024-05-07 南京控维通信科技有限公司 一种基于noma辅助的多用户卫星通信方法及系统

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017012583A1 (zh) * 2015-07-23 2017-01-26 索尼公司 无线通信系统中的装置和方法
CN107864512A (zh) * 2017-11-01 2018-03-30 南京邮电大学 一种基于博弈论的蜂窝异构网络资源分配方法
WO2018094565A1 (zh) * 2016-11-22 2018-05-31 深圳大学 脉冲噪声下的波束成形方法及装置
CN110289895A (zh) * 2019-07-05 2019-09-27 东南大学 能效谱效联合优化的大规模mimo下行功率分配方法
EP3641156A1 (en) * 2018-10-19 2020-04-22 Universität der Bundeswehr München Satellite communications system and method for transmitting a bit stream therewith
CN111405571A (zh) * 2020-03-12 2020-07-10 清华大学 卫星无人机混合网络的频谱共享方法
CN111835406A (zh) * 2020-06-30 2020-10-27 东南大学 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
CN112202486A (zh) * 2020-09-08 2021-01-08 南京邮电大学 多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质
CN114698105A (zh) * 2020-12-28 2022-07-01 北京信息科技大学 一种密集异构网络中基于多策略多目标联合优化的资源分配方法
CN114759973A (zh) * 2022-04-08 2022-07-15 重庆邮电大学 一种多波束卫星系统下基于能效优化的功率分配方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017012583A1 (zh) * 2015-07-23 2017-01-26 索尼公司 无线通信系统中的装置和方法
WO2018094565A1 (zh) * 2016-11-22 2018-05-31 深圳大学 脉冲噪声下的波束成形方法及装置
CN107864512A (zh) * 2017-11-01 2018-03-30 南京邮电大学 一种基于博弈论的蜂窝异构网络资源分配方法
EP3641156A1 (en) * 2018-10-19 2020-04-22 Universität der Bundeswehr München Satellite communications system and method for transmitting a bit stream therewith
CN110289895A (zh) * 2019-07-05 2019-09-27 东南大学 能效谱效联合优化的大规模mimo下行功率分配方法
CN111405571A (zh) * 2020-03-12 2020-07-10 清华大学 卫星无人机混合网络的频谱共享方法
CN111835406A (zh) * 2020-06-30 2020-10-27 东南大学 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
CN112202486A (zh) * 2020-09-08 2021-01-08 南京邮电大学 多波束卫星通信鲁棒波束成形方法、装置及其存储介质
CN114698105A (zh) * 2020-12-28 2022-07-01 北京信息科技大学 一种密集异构网络中基于多策略多目标联合优化的资源分配方法
CN114759973A (zh) * 2022-04-08 2022-07-15 重庆邮电大学 一种多波束卫星系统下基于能效优化的功率分配方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Robust Beamforming for Enhancing User Fairness in Multibeam Satellite Systems With NOMA;Zining Wang等;IEEE Transactions on Vehicular Technology;全文 *
一种能量和频谱效率兼顾的多波束卫星系统功率分配策略;阚茜;许小东;;中国科学技术大学学报(02);全文 *
基于下行NOMA的多波束卫星通信稳健波束成形算法;阚鹏程等;天地一体化信息网络;全文 *
认知星地混合网络中针对实时业务的高能效功率分配方法;汪晴;石盛超;边东明;朱宏鹏;徐星辰;;通信技术(06);全文 *
面向卫星-地面协同通信系统的物理层安全传输设计;欧阳键;许拔;袁灿;姜杨威;庄天行;;电讯技术(12);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115361052A (zh) 2022-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111447631A (zh) 基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法
CN113938183B (zh) 多波束卫星系统下基于非正交多址的通信资源分配方法
CN111818533A (zh) 一种基于智能反射面的无线通信系统设计方法
CN113873575B (zh) 智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法
CN111200459B (zh) 一种上行多波束卫星的信道分配和功率控制方法
CN114070365B (zh) 一种智能反射表面辅助的低射频复杂度多用户mimo上行频谱效率优化方法
CN103178886B (zh) 波束赋形方法、通信站及移动站
CN104320169B (zh) 多用户3d‑mimo系统中三维波束赋形设计方法
CN115361052B (zh) 一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置
CN113783812B (zh) 基于同步透射反射智能表面同步信号增强及干扰抑制方法
US20040090938A1 (en) Method of optimizing radiation pattern of smart antenna
CN101848021A (zh) 一种智能天线阵广播波束权值的生成方法和装置
CN111262617B (zh) 一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法
CN113852402B (zh) 一种irs辅助的noma-mimo大容量接入方法
CN114785387B (zh) 智能全向面辅助的多用户miso下行加权和速率优化方法
CN113922849B (zh) 一种毫米波mimo-noma系统下的用户分组和功率分配方法
CN115865159A (zh) 适用于无蜂窝毫米波mimo系统的角度域混合波束成形方法
CN115021779A (zh) Ris辅助的mimo系统的离散相移设计方法和装置
CN115133969A (zh) 毫米波大规模mimo-noma系统的性能提高方法
CN117119498B (zh) 一种反馈受限下ris辅助的通信系统下行传输方法及装置
Wang Optimal joint dual transmitter receiver diversity and power control for wireless networks
CN114025368B (zh) 分布式智能反射表面辅助d2d通信方法及系统
CN114900266A (zh) 基于opgw接头盒的oam-mimo系统能效优化方法
CN117527012A (zh) 一种leo卫星通信系统下的高能效资源分配方法
CN117692030A (zh) 一种mimo系统能效优化方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant