[发明专利]一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法

说明书

本发明提出一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，包括如下步骤：步骤一：跳波束卫星通信系统的工作模式：步骤二：卫星视距信道的构建：步骤三：基于维特比算法和贪婪算法的跳变图样优化设计：步骤四：仿真验证与性能评估。在满足所有小区业务需求的情况下得到最小的发射功率。本发明通过低复杂度的数模混合预编码设计，有效地降低了接受端信号之间的干扰，同时减少了射频链的数量；通过跳变图样的预筛选，维特比算法和贪婪算法的应用，快速地复杂度地优化得到满足QoS需求的低功率跳变图样。与其他已有的方案相比，本发明的方法在性能和复杂度上有一定的优势，在功率受限的卫星通信系统下有较高的应用价值。

【技术领域】

本发明针对基于跳波束(beam hopping,BH)的卫星通信系统，考虑数模混合多波束成形，提出一种基于二进制开关矩阵的跳变多点波束图样的设计与优化方法，可在满足服务质量(Quality of Service,QoS)约束条件下显著降低卫星发射功率。本发明属于通信与信号处理领域。

【背景技术】

卫星通信系统将成为6G网络最重要的潜在技术之一，是实现空天地一体化的关键，其具有覆盖范围广、通信质量稳定和机动灵活的特点。5G集成、空间通信、地球观测、航空和海上跟踪通信等有前途的应用需要最新的卫星通信技术的支持，见文献[1]。随着这些应用的发展，卫星通信的系统设计也将侧重于数据业务，即多波束高通量卫星系统。然而，卫星大时空规模、业务分布不均的特点会导致时空频率资源利用不均，造成资源浪费，给卫星网络架构设计带来严峻挑战。

跳波束技术可以更好地满足业务需求不均衡的应用场景，避免无效覆盖的问题。此外，它还可以灵活分配和高效利用珍贵的卫星资源，实现更高的频谱和能量效率。为了满足时空不均匀的需求分布，一种基于深度强化学习的动态跳波束跳变图样和带宽分配方案被提出，见文献[2]，该方案灵活利用了时间、空间和频率的自由度，但是深度强化学习的计算复杂度使其在实际应用中难以实现。在文献[3]中，作者探索了一种组合学习和优化方法来设计跳波束跳变图样。研究表明，在功率和射频链数量限制下，可以通过优化跳变图样灵活调整系统的容量，以适应不均衡的流量需求，充分利用时间自由度，见文献[4]。

卫星通信系统中，同信道干扰是需要解决的一个难题。预编码技术可以在一定程度上抑制跳波束卫星的同信道干扰。在射频链有限的条件下，数字-模拟混合预编码优化可以使其达到接近数字预编码的性能。对于所有波束复用相同频谱的多波束卫星，一种通过连续优化算法进行用户调度和功率分配的方案被提出，见文献[5]，该算法在QoS和有限的功率预算限制下，实现了最大的系统吞吐量，但是其连续优化的复杂度在实际应用中难以接受。考虑到低轨卫星的能量有限，作者在文献[6]中提出了两种稳健的波束形成算法，以减少信道相位的不确定性，但是只考虑了全数字波束成形的情况。

目前，由于卫星的有限载荷限制，如何以低功耗、低复杂度以及较少射频链满足多小区用户的QoS需求仍存在技术挑战。

【发明内容】

(一)本发明的目的

针对基于跳波束的卫星通信系统，使用二进制开关矩阵表示不同时刻被点亮的小区序号，形成跳变图样。通过提出维特比算法和贪婪算法对跳变图样进行优化，以合理的计算复杂度满足所有用户QoS约束，并显著降低卫星总发射功率。

(二)技术方案

本发明提出一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，包括如下步骤：

步骤一：跳波束卫星通信系统的工作模式