[发明专利]一种多波束卫星的高能效智能动态波束成形方法

说明书

本发明提出了一种适用于多波束卫星的高能效智能动态波束成形方法，用于卫星移动通信系统，首先对其能效问题建模，设计为卫星系统传输每比特信息所需的功耗最小的动态波束优化问题；再利用半正定松弛方法，并结合Minorize‑Maximization迭代算法用以解决凸规划差分问题，然后通过二次变换进一步将目标函数转化为标准凸优化问题，迭代求解，得到半正定松弛条件下的最优解。若解的秩不为一，采用高斯随机化方法进行功率再分配，最终得到满足秩一条件的动态波束成形矢量，在功率再分配的过程中，还需将目标函数利用同样的方法转化为凸优化问题求解，本发明的一种适用于多波束卫星的高能效智能动态波束成形方法，能够实现最大化系统能效，从而提升卫星多波束系统性能。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及了一种适用于多波束卫星通信系统的高能效智能动态波束成形方法。

背景技术

随着卫星通信系统对数据速率的需求越来越高，多波束系统框架已成为一种发展趋势。传统多波束通信系统采用的是固定多波束覆盖技术，点波束之间采用蜂窝结构完全全区域的无缝覆盖，鉴于卫星系统在实际的通信场景中的活跃用户相对少，传统覆盖方式存在资源利用效率低等缺点。因此，动态多波束覆盖技术逐渐得到重视和研究。在这种动态多波束卫星系统中，一个波束服务一个用户的理念被提出，这种覆盖方式是以用户为中心的服务机制，可以有效的提升用户的信号质量。

另外，随着可持续发展、追求绿色通信的观念逐渐被重视，能量效率已经成为卫星通信中的一个重要考虑因素。卫星通常由太阳能电池板供电，因此卫星通信系统追求高能效、低功耗已然成为一种趋势。

除此之外，深度学习算法的快速发展、海量数据获取渠道的增多以及硬件计算和存储能力的显著提升使得人工智能在近些年来呈现爆炸式的发展，本技术将通信技术与人工智能等技术深度融合，实现更智能化的系统设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种多波束卫星通信系统的高能效智能动态波束成形方法。

技术方案：

本发明所述的一种多波束卫星通信系统的高能效智能动态波束成形方法，包括如下步骤：

(1)对卫星通信的下行链路的信道进行分析，考虑多普勒频移与传播延时，表征出相控阵天线发送到每个用户的信道响应矢量；

(2)以系统的能效最大化为目标，将卫星通信系统的总能耗除以用户的信息速率总和作为目标函数；

(3)建立高能效动态波束优化设计问题，并以各个用户服务质量的保证与相控阵天线的每个子天线功率限制为约束条件；

(4)利用半正定松弛方法，并结合Minorize-Maximization迭代算法用以解决凸规划差分问题，然后通过二次变换进一步将目标函数转化为标准凸优化问题，迭代求解该问题，求得半正定松弛条件下的最优解；

(5)若该最优解矩阵的秩为一，则可直接得到动态波束成形矢量；若不为一，利用高斯随机化进行功率再分配，得到最终的成形矢量；

(6)在功率再分配的优化过程中，引入深度学习技术，搭建卷积神经网络，输入参数为信道自相关矩阵与半正定松弛条件下的最优解，输出为所分配的功率，通过它们之间的映射关系，取代迭代过程。

作为优选，步骤(1)中相控阵天线发送到用户k的信道响应可表示为：其中，其中是由于卫星移动导致的多普勒频移，为传播延时，g_k是信道增益系数，为相控阵天线的下行链路响应矢量。