[发明专利]一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置

权利要求书

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u_α(R_m)表示为：

其中R_m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U_α(w_m)为公平性和速率、R_m(w_m)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，P_T表示卫星发射功率，表示卫星最大发射功率，P_tot＝P_T+P_c表示卫星通信系统的总功耗，P_c为卫星发射端的电路损耗，w_m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；U_α^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≤R_m；

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w_m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w_m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。