[发明专利]适用于多波束卫星通信系统的高能效鲁棒预编码方法

说明书

本发明提出了一种适用于多波束卫星通信系统的高能效鲁棒预编码方法。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造成的信道相位不确定性；然后考虑卫星通信系统能量受限的特性，对用户速率关于上述随机变量求数学期望取用户组内最小值除以该组总功耗得到用户组的能量效率，进而将鲁棒预编码设计问题建模为用户组能效约束下的总功率最小化问题；最后通过半正定松弛和序贯优化方法将初始总功率最小化问题转化为一系列迭代求解的凸优化子问题，并采用高斯随机化方法得到每个用户组的预编码矢量。本发明所提出的高能效鲁棒预编码方法，相比传统预编码方法能够显著提高多波束卫星通信系统的性能和能效。

技术领域

本发明涉及卫星通信系统预编码方法，具体涉及了一种适用于多波束卫星通信系统的高能效鲁棒预编码方法。

背景技术

随着高吞吐量需求的显著提升，多波束系统框架已经成为下一代卫星通信系统的发展趋势，在广阔的覆盖区域内由多个波束为地面终端提供服务。如何减小波束间干扰是多波束卫星通信系统中一个亟待解决的问题。在采取同频组网的多波束卫星通信系统中，通过在发射端进行多波束联合预编码，可以达到减小波束间干扰的目的。另外，随着信息通信技术中能量消耗的急剧增长，在能源有限和追求绿色通信的背景下，能量效率已经成为卫星通信中一个重要的考虑因素。卫星通常由太阳能电池板供电，因此卫星通信系统的功耗是不可忽略的，追求高能效和低功耗已经成为未来卫星通信系统设计的趋势。

在现行的卫星标准例如DVB-S2和DVB-S2X中，预编码矩阵中的一个预编码矢量对应一个用户组，卫星把传输给此用户组多个用户的数据封装在同一个帧中，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。同时，高传播时延造成的信道相位不确定性使得发射端难以获得实际的信道状态信息，因此需要针对过时信道信息设计鲁棒的预编码方法。针对以上因素，本发明给出一种基于每个用户组能效约束的多波束卫星通信系统鲁棒预编码方法。

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系统中的高能效鲁棒预编码方法，该方法在建立多组多播优化问题的基础上，通过对用户速率求期望并结合对用户组的能效约束，有效减少信道相位不确定性带来的不利影响，与不考虑信道相位不确定性的传统方法相比，提高多波束卫星通信系统的能效和传输性能。

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系统的高能效鲁棒预编码方法，包括如下步骤：

(1)引入随机变量表示信道相位不确定性，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乘积；

(2)对用户速率关于上述随机变量求数学期望取用户组内最小值除以该组总功耗得到用户组的能量效率下标k∈{1,...,K}，K为用户组数，B为带宽，SINR_i,k为第k个用户组中第i个用户的信干噪比，ξ为常数，Tr(·)表示矩阵的迹，w_k为用户组的预编码矢量，上标H表示共轭转置，P₀表示每个用户组的基本功耗；

(3)构建总功率最小化的鲁棒预编码优化设计问题，所述优化设计问题的优化目标为约束条件为每个用户组能量效率EE_k均大于某一能效门限值E_k；

(4)引入数学期望近似和半正定松弛，将原始优化问题转化为凸规划差分问题；

(5)利用序贯优化方法将凸规划差分问题转化为标准的凸优化问题，求解此凸优化问题得到半正定松弛下的最优解，即原始优化问题的次优预编码矩阵；

(6)采用高斯随机化方法进行功率再分配，得到每个用户组满足秩一条件的预编码矢量。

作为优选，步骤(1)中引入的随机变量表示为其中表示实值高斯分布，为相位误差的方差，I为单位矩阵，下标i表示用户组中的用户编号。