[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

说明书

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。

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。

在一些实施例中，构建多目标优化问题，包括：