CN115459826A - 一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置 - Google Patents

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CN115459826A CN202211114554.5A CN202211114554A CN115459826A CN 115459826 A CN115459826 A CN 115459826A CN 202211114554 A CN202211114554 A CN 202211114554A CN 115459826 A CN115459826 A CN 115459826A
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Abstract

本发明公开了一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置，包括：将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解；基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；根据最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；根据最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；根据最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。本发明能够以极低的计算复杂度来获得优异的联合波束赋形增益，有利于提高卫星通信系统的接收性能。

Description

一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置
技术领域
本发明涉及信号与信息处理领域，具体涉及一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置。
背景技术
随着社会的发展，各领域对于高质量的卫星服务需求不断增加，着眼于国家安全和社会发展需要，北斗系统应运而生，并已经开始为社会各界提供服务。然而，通信技术发展的同时也使得无线传播环境日益恶化，严重影响北斗卫星信号的正常接收，导致北斗卫星服务质量下降。此外，在电网应用场景下，恶劣天气及自然环境又会进一步降低卫星信号接收质量，甚至完全阻断卫星信号。虽然现有一些先进技术方案能够在一定程度上缓解上述问题，但性能增益有限，而且通常需要额外的资源开销。因此，研究如何提高北斗卫星信号接收质量，保障北斗卫星导航系统通信服务质量具有重要意义。
近年来，智能反射面作为一种新兴的无线信道重构技术受到了广泛关注。它由大量被动无源反射单元组成，通过合理设计每个反射单元的反射系数来动态调节无线信道响应，能够有效提升无线信道质量。由于不需要额外的射频器件，能够有效降低系统能量消耗，因此特别适用于能量受限的卫星通信系统中。此外，智能反射面还具有部署灵活、兼容性强等特点，因此可以在现有北斗卫星通信系统中任意部署，不需要对原有系统进行大规模调整。可以看出，基于北斗卫星通信系统专有特性，智能反射面在该通信场景中的应用将越来越丰富。由于智能反射面通常采用调节反射相移的方式来实现无线信道重构，因此，合理调整每个反射单元的相移是十分重要的。
另一方面，3D波束赋形技术是另一种有效提升无线通信系统性能的重要手段。卫星通信中，为了尽可能利用天线辐射的能量，通常采用多天线技术来产生定向波束。因此，可以运用3D波束赋形技术来调整卫星天线波束指向，使辐射波束更加精准指向期望方向，提升期望方向上的卫星信号质量。由于天线辐射方向图通常采用下倾角来定义，因此，如何合理设置卫星天线下倾角是应用该技术最为关键的一步。
近年来，为了提升无线通信质量，学者们对智能反射面技术和3D波束赋形技术的联合设计展开了研究，从文献搜索的结果来看，现有联合设计主要采用交替优化和随机相移方案。然而，现有方案还存在计算复杂度高和性能不足的缺点，难以满足北斗卫星导航系统的高性能需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有联合3D波束赋形和智能反射面反射设计主要采用交替优化和随机相移方案，存在计算复杂度高和卫星通信系统接收性能不足的缺点，难以满足北斗卫星导航系统的高性能需求。
本发明目的在于提供一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置，为了提高北斗卫星导航系统的通信服务质量，本发明三级优化方法核心思想是联合3D波束赋形和智能反射面反射，先优化智能反射面相移矩阵，接着优化卫星天线下倾角，最后优化发送波束赋形矢量，最终根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。本发明不仅能够获得优异的联合波束赋形性能，而且具有更低的计算复杂度；提高卫星通信系统接收性能。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于三级优化的联合波束赋形方法，该方法包括：
将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；其中，从卫星到智能反射面之间的视距信道是一个矩阵，卫星天线的信号导向矢量、智能反射面天线的信号导向矢量是两个向量；
根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。
进一步地，所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位。
进一步地，所述最优的智能反射面相移矩阵的求解步骤为：
步骤A：构造矢量
Figure BDA0003844962350000021
其中，
Figure BDA0003844962350000022
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，diag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量，是个确定性的矢量；
步骤B：根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure BDA0003844962350000023
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
步骤C：根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure BDA0003844962350000024
进一步计算智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000031
进一步地，根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角，包括：
若所述反射链路信道增益小于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于直射链路
Figure BDA0003844962350000032
相对于卫星天线的倾斜角；
若所述反射链路信道增益大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道G相对于卫星天线的倾斜角。
进一步地，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure BDA0003844962350000033
其中，
Figure BDA0003844962350000034
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure BDA0003844962350000035
为最优的智能反射面相移矩阵；G为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure BDA0003844962350000036
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000037
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000038
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
进一步地，根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形，包括：
根据最优的智能反射面相移矩阵对智能反射面进行配置，并调整智能反射面各反射单元对应的相位；
根据最优的卫星天线下倾角对卫星天线发送波束指向进行调整；以及
根据最优的发送波束赋形矢量对发送信号进行波束赋形处理。
第二方面，本发明又提供了一种基于三级优化的联合波束赋形装置，该装置包括：
信道分解单元，用于将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；其中，从卫星到智能反射面之间的视距信道是一个矩阵，卫星天线的信号导向矢量、智能反射面天线的信号导向矢量是两个向量；
智能反射面相移矩阵优化单元，用于根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；
卫星天线下倾角优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；
发送波束赋形矢量优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；
联合波束赋形单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。
进一步地，所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位；
所述最优的智能反射面相移矩阵的求解过程为：
构造矢量
Figure BDA0003844962350000041
其中，
Figure BDA0003844962350000042
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，diag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量，是个确定性的矢量；
根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure BDA0003844962350000043
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure BDA0003844962350000044
进一步计算智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000045
进一步地，所述最优卫星天线下倾角计算单元中根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角，包括：
若所述反射链路信道增益小于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于直射链路
Figure BDA0003844962350000046
相对于卫星天线的倾斜角；
若所述反射链路信道增益大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道G相对于卫星天线的倾斜角。
进一步地，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure BDA0003844962350000047
其中，
Figure BDA0003844962350000048
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure BDA0003844962350000049
为最优的智能反射面相移矩阵；G为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure BDA00038449623500000410
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure BDA00038449623500000411
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure BDA00038449623500000412
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于三级优化的联合波束赋形方法及装置，本发明采用一种三级优化策略，首先对智能反射面相移矩阵Φ进行优化，接着优化卫星天线下倾角θ，最后优化发送波束赋形矢量w，当完成三步优化处理后，根据所得最优
Figure BDA0003844962350000051
进行联合波束赋形处理。通过三级优化策略，简化了信号处理流程，降低了计算复杂度，提升了波束赋形增益，相较于“θ＝θd，随机相移方法”、“θ＝θr，随机相移方法”、“随机下倾角和随机相移方法”、“无智能反射面方法”，本发明方法具备更好的输出性能。因此，与现有方法相比，本发明所提方法能够以极低的计算复杂度来获得优异的联合波束赋形增益，有利于提高卫星通信系统在复杂电磁环境下的接收性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于三级优化的联合波束赋形方法流程图。
图2为本发明实施例1本发明方法与现有技术方法的对比仿真结果一。
图3为本发明实施例1本发明方法与现有技术方法的对比仿真结果二。
图4为本发明实施例1本发明方法与现有技术方法的对比仿真结果三。
图5为本发明一种基于三级优化的联合波束赋形装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本发明方法采用一种先优化智能反射面相移矩阵，接着优化卫星天线下倾角，最后优化发送波束赋形矢量的三级优化方法，当完成三步信号处理流程后，根据所得最优组合进行联合波束赋形处理。与现有方法相比，本发明所提方法能够以极低的计算复杂度来获得优异的联合波束赋形增益，有利于提高卫星通信系统在复杂电磁环境下的接收性能。
如图1所示，本发明一种基于三级优化的联合波束赋形方法，该方法包括：
步骤1，将从卫星到智能反射面之间的视距信道G进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；具体分解公式为G＝abH，其中a和b是确定性的矢量，a为卫星天线的信号导向矢量；b为智能反射面天线的信号导向矢量；(·)H表示共轭转置。
其中，从卫星到智能反射面之间的视距信道G是一个矩阵，卫星天线的信号导向矢量、智能反射面天线的信号导向矢量是两个向量；
步骤2，根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000061
所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位。
具体地，所述最优的智能反射面相移矩阵的求解步骤为：
步骤A：构造矢量
Figure BDA0003844962350000062
其中，
Figure BDA0003844962350000063
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，diag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量，是个确定性的矢量；
步骤B：根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure BDA0003844962350000064
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
步骤C：根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure BDA0003844962350000065
进一步计算智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000066
步骤3，根据所述最优的智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000067
计算反射链路信道增益
Figure BDA0003844962350000068
根据所述反射链路信道增益
Figure BDA0003844962350000069
与从卫星到地面接收机之间的信道增益
Figure BDA00038449623500000610
之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角
Figure BDA00038449623500000611
具体地，根据所述反射链路信道增益
Figure BDA00038449623500000612
与从卫星到地面接收机之间的信道增益
Figure BDA00038449623500000613
之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角
Figure BDA00038449623500000614
包括：
若所述反射链路信道增益
Figure BDA00038449623500000615
小于从卫星到地面接收机之间的信道增益
Figure BDA00038449623500000616
则最优的卫星天线下倾角等于直射链路
Figure BDA00038449623500000617
相对于卫星天线的倾斜角，即
Figure BDA00038449623500000618
若所述反射链路信道增益
Figure BDA00038449623500000619
大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益
Figure BDA00038449623500000620
则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道G相对于卫星天线的倾斜角，即
Figure BDA00038449623500000621
其中，
Figure BDA00038449623500000622
为从卫星到地面接收机之间的信道，
Figure BDA00038449623500000623
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，θd为直射链路
Figure BDA00038449623500000624
相对于卫星天线的倾斜角，θr为反射链路中G相对于卫星天线的倾斜角。
步骤4，根据所述最优的智能反射面相移矩阵
Figure BDA00038449623500000625
和最优的卫星天线下倾角
Figure BDA00038449623500000626
计算得到最优的发送波束赋形矢量
Figure BDA0003844962350000071
具体地，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure BDA0003844962350000072
其中，
Figure BDA0003844962350000073
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure BDA0003844962350000074
为最优的智能反射面相移矩阵；G为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure BDA0003844962350000075
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000076
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000077
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
步骤5，根据所述最优的智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000078
最优的卫星天线下倾角
Figure BDA0003844962350000079
和最优的发送波束赋形矢量
Figure BDA00038449623500000710
对通信信号进行联合波束赋形，包括：
根据最优的智能反射面相移矩阵
Figure BDA00038449623500000711
对智能反射面进行配置，并调整智能反射面各反射单元对应的相位；
Figure BDA00038449623500000712
中各对角线元素的相位即为智能反射面各反射单元对应的相位；
根据最优的卫星天线下倾角
Figure BDA00038449623500000713
对卫星天线发送波束指向进行调整；以及
根据最优的发送波束赋形矢量
Figure BDA00038449623500000714
对发送信号进行波束赋形处理。
根据以上本发明方法流程，进行仿真实验，如下：
仿真实验具体条件为：卫星轨道高度为21528km、θr＝10°、θd＝15°、卫星发送功率为10W、卫星天线数为16、卫星天线增益为25dBi、地面接收机噪声功率为-110dBm。
图2为本发明方法在卫星轨道高度为21528km、θr＝10°、θd＝15°、3dB波束宽度为θ3dB＝10°、卫星发送功率为10W、卫星天线数为16、卫星天线增益为25dBi、智能反射面单元数为200、地面接收机噪声功率为-110dBm时，在不同智能反射面位置时的本发明方法。
图2为本发明方法在上述具体仿真条件下，在不同智能反射面位置时本发明方法与“θ＝θd，随机相移方法”、“θ＝θr，随机相移方法”、“随机下倾角和随机相移方法”、“无智能反射面方法”的接收信噪比对比曲线。图2中横坐标为智能反射面与地面接收机之间的距离(单位：m)，纵坐标为信噪比(单位：dB)。图2中的标记“○”代表本发明方法，“□”代表“θ＝θd，随机相移方法”，“◇”代表“θ＝θr，随机相移方法”，“△”代表“随机下倾角和随机相移方法”，“+”代表“无智能反射面方法”。
从图2可以看出，随着智能反射面不断远离地面接收机，反射链路的路径损耗不断增加，因此接收信噪比不断降低。然而，本发明方法始终具有优异的接收性能，智能反射面与地面接收机之间的距离越小，本发明方法的有效性越高。另一方面，由于“无智能反射面方法”没有额外的辅助通信链路，因此接收信噪比保持不变。
图3为本发明方法在在卫星轨道高度为21528km、智能反射面与地面接收机之间的距离为100m、θr＝10°、θd＝15°、3dB波束宽度为θ3dB＝10°、卫星发送功率为10W、卫星天线数为16、卫星天线增益为25dBi、地面接收机噪声功率为-110dBm时，在不同智能反射面反射单元数时的本发明方法。
图3为本发明方法在上述具体仿真条件下，在不同智能反射面反射单元数时本发明方法与“θ＝θd，随机相移方法”、“θ＝θr，随机相移方法”、“随机下倾角和随机相移方法”、“无智能反射面方法”的接收信噪比对比曲线。图3中横坐标为智能反射面反射单元数，纵坐标为信噪比(单位：dB)。图3中的标记“○”代表本发明方法，“□”代表“θ＝θd，随机相移方法”，“◇”代表“θ＝θr，随机相移方法”，“△”代表“随机下倾角和随机相移方法”，“+”代表“无智能反射面方法”。
从图3可以看出，随着智能反射面反射单元数增加，本发明方法和随机相移方法的接收信噪比逐步提升，表明增加智能反射面反射单元数能够有效提升接收信号质量。然而，随机相移方法的性能提升十分有限。相反的，本发明方法能够有效提升接收信噪比，智能反射面反射单元数越多，性能增益越高，体现了本发明方法的先进性。
图4为本发明方法在卫星轨道高度为21528km、智能反射面与地面接收机之间的距离为100m、θr＝10°、θd＝15°、卫星发送功率为10W、卫星天线数为16、卫星天线增益为25dBi、智能反射面反射单元数为200、地面接收机噪声功率为-110dBm时，在不同3dB波束宽度时的本发明方法。
图4为本发明方法在上述具体仿真条件下，在不同3dB波束宽度时本发明方法与“θ＝θd，随机相移方法”、“θ＝θr，随机相移方法”、“随机下倾角和随机相移方法”、“无智能反射面方法”的接收信噪比对比曲线。图4中横坐标为3dB波束宽度，纵坐标为信噪比(单位：dB)。图4中的标记“○”代表本发明方法，“□”代表“θ＝θd，随机相移方法”，“◇”代表“θ＝θr，随机相移方法”，“△”代表“随机下倾角和随机相移方法”，“+”代表“无智能反射面方法”。
从图4可以看出，增加3dB波束宽度有助于提升地面接收机的接收性能。然而，随机相移方法在低3dB波束宽度时性能较差，虽然接收性能随着3dB波束宽度的增加快速提升，但总体性能仍然远低于本发明方法，进一步体现了本发明方法的有效性和通用性。
由此可知，本发明方法采用一种三级优化策略，首先对智能反射面相移矩阵Φ进行优化，接着优化卫星天线下倾角θ，最后优化发送波束赋形矢量w，当完成三步优化处理后，根据所得最优
Figure BDA0003844962350000091
进行联合波束赋形处理。通过三级优化策略，简化了信号处理流程，降低了计算复杂度，提升了波束赋形增益，相较于“θ＝θd，随机相移方法”、“θ＝θr，随机相移方法”、“随机下倾角和随机相移方法”、“无智能反射面方法”，本发明方法具备更好的输出性能。因此，与现有方法相比，本发明所提方法能够以极低的计算复杂度来获得优异的联合波束赋形增益，有利于提高卫星通信系统在复杂电磁环境下的接收性能。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种基于三级优化的联合波束赋形装置，该装置支持实施例1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法；该装置包括：
信道分解单元，用于将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；其中，从卫星到智能反射面之间的视距信道是一个矩阵，卫星天线的信号导向矢量、智能反射面天线的信号导向矢量是两个向量；
智能反射面相移矩阵优化单元，用于根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；
卫星天线下倾角优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；
发送波束赋形矢量优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；
联合波束赋形单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。
作为进一步地实施，所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位；
所述最优的智能反射面相移矩阵的求解过程为：
构造矢量
Figure BDA0003844962350000092
其中，
Figure BDA0003844962350000093
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，diag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量，是个确定性的矢量；
根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure BDA0003844962350000094
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure BDA0003844962350000101
进一步计算智能反射面相移矩阵
Figure BDA0003844962350000102
作为进一步地实施，所述最优卫星天线下倾角计算单元中根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角，包括：
若所述反射链路信道增益小于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于直射链路
Figure BDA0003844962350000103
相对于卫星天线的倾斜角；
若所述反射链路信道增益大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道G相对于卫星天线的倾斜角。
作为进一步地实施，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure BDA0003844962350000104
其中，
Figure BDA0003844962350000105
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure BDA0003844962350000106
为最优的智能反射面相移矩阵；G为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure BDA0003844962350000107
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000108
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure BDA0003844962350000109
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
各个单元的执行过程按照实施例1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
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。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，该方法包括：
将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；
根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；
根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。
2.根据权利要求1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位。
3.根据权利要求2所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，所述最优的智能反射面相移矩阵的求解步骤为：
步骤A：构造矢量
Figure FDA0003844962340000011
其中，
Figure FDA0003844962340000012
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，diag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量；
步骤B：根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure FDA0003844962340000013
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
步骤C：根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure FDA0003844962340000014
计算智能反射面相移矩阵
Figure FDA0003844962340000015
4.根据权利要求1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角，包括：
若所述反射链路信道增益小于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于直射链路相对于卫星天线的倾斜角；
若所述反射链路信道增益大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道相对于卫星天线的倾斜角。
5.根据权利要求1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure FDA0003844962340000021
其中，
Figure FDA0003844962340000022
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure FDA0003844962340000023
为最优的智能反射面相移矩阵；G为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure FDA0003844962340000024
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure FDA0003844962340000025
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure FDA0003844962340000026
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
6.根据权利要求1所述的一种基于三级优化的联合波束赋形方法，其特征在于，根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形，包括：
根据最优的智能反射面相移矩阵对智能反射面进行配置，并调整智能反射面各反射单元对应的相位；
根据最优的卫星天线下倾角对卫星天线发送波束指向进行调整；以及
根据最优的发送波束赋形矢量对发送信号进行波束赋形处理。
7.一种基于三级优化的联合波束赋形装置，其特征在于，该装置包括：
信道分解单元，用于将从卫星到智能反射面之间的视距信道进行分解，得到卫星天线的信号导向矢量和智能反射面天线的信号导向矢量；
智能反射面相移矩阵优化单元，用于根据卫星天线的信号导向矢量，基于反射链路信道增益最大化，求解最优的智能反射面相移矩阵；
卫星天线下倾角优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵，计算反射链路信道增益；根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角；
发送波束赋形矢量优化单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵和最优的卫星天线下倾角，计算得到最优的发送波束赋形矢量；
联合波束赋形单元，用于根据所述最优的智能反射面相移矩阵、最优的卫星天线下倾角和最优的发送波束赋形矢量，对通信信号进行联合波束赋形。
8.根据权利要求7所述的一种基于三级优化的联合波束赋形装置，其特征在于，所述最优的智能反射面相移矩阵中各对角线元素的相位，即为智能反射面各反射单元对应的相位；
所述最优的智能反射面相移矩阵的求解过程为：
构造矢量
Figure FDA0003844962340000031
其中，
Figure FDA0003844962340000032
为从智能反射面到地面接收机之间的信道，djag{·}表示生成对角化矩阵，a是卫星天线的信号导向矢量；
根据构造的矢量v，计算智能反射面第n个反射单元的最优相移值
Figure FDA0003844962340000033
其中，vn表示矢量v的第n个元素，arg{·}表示返回当前复数的相位；
根据智能反射面各反射单元最优相移值
Figure FDA0003844962340000034
计算智能反射面相移矩阵
Figure FDA0003844962340000035
9.根据权利要求7所述的一种基于三级优化的联合波束赋形装置，其特征在于，所述最优卫星天线下倾角计算单元中根据所述反射链路信道增益与从卫星到地面接收机之间的信道增益之间的大小关系，得到最优的卫星天线下倾角，包括：
若所述反射链路信道增益小于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于直射链路相对于卫星天线的倾斜角；
若所述反射链路信道增益大于等于从卫星到地面接收机之间的信道增益，则最优的卫星天线下倾角等于反射链路中视距信道相对于卫星天线的倾斜角。
10.根据权利要求7所述的一种基于三级优化的联合波束赋形装置，其特征在于，所述最优的发送波束赋形矢量的计算公式为：
Figure FDA0003844962340000036
其中，
Figure FDA0003844962340000037
为最优的发送波束赋形矢量；
Figure FDA0003844962340000038
为最优的智能反射面相移矩阵；g为从卫星到智能反射面之间的视距信道；P为卫星发送功率；
Figure FDA0003844962340000039
为从卫星到地面接收机之间的信道；
Figure FDA00038449623400000310
为从智能反射面到地面接收机之间的信道；
Figure FDA00038449623400000311
θ3dB为3dB波束宽度，||·||表示求解矢量的二范数；(·)H表示共轭转置。
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