一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115833904A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211383684.9(22)申请日2022.11.07(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人杨涛韩志豪刘荣科(74)专利代理机构北京慧泉知识产权代理有限公司11232专利代理师王顺荣唐爱华(51)Int.Cl.H04B7/185(2006.01)权利要求书5页说明书12页附图4页(54)发明名称一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法(57)摘要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。CN115833904ACN115833904A权利要求书1/5页1.一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：跳波束卫星通信系统的工作模式：以再生转发模式运行的宽带多波束卫星通信系统，采用全频复用的方式；将卫星的覆盖区域划分为NC个小区，令Ki表示在第i个小区的用户数，i＝1,2,…,NC；卫星生成NB个点波束，即同时服务NB个小区；步骤二：卫星视距信道的构建：确定信道系数矩阵hi的详细信息，卫星配备了P×Q均匀平面阵列UPA天线，P和Q分别表示x轴和y轴方向上天线数，地面小区中的用户配备了单天线；步骤三：基于维特比算法和贪婪算法的跳变图样优化设计：用表示一个跳变周期内小区i的总速率需求；卫星对于第i个小区的总供应容量用Ri表示，与信道hi[t]和其对应的快照t的预编码矩阵W[t]相关，表示为Ri＝r(hi[t],W[t])；用向量表示所有小区速率的需求向量，Pt是第t个快照中卫星对所有小区的发射功率，用表示，其中，f是根据不同快照和容量需求计算相应最小发射功率的函数；考虑小区的信道增益具有很长的相干时间，并且业务需求在一个跳变周期内保持不变；相应的优化问题用P0表示：P0:其中，ati是跳变矩阵A中第t行i列的元素，是模拟预编码矩阵WRF中第t行i列的元素，NT＝PQ表示天线数量；约束C1要求小区i在一个跳变周期中的εi个快照中被点亮；约束C2限制在一个快照中NB个波束服务NB个小区；C3是模拟预编码约束，由于模拟预编码无法单独调整每个移相器上的信号幅值，因此WRF的每个元素具有相同的范数；步骤四：仿真验证与性能评估：在考虑卫星具有完美信道信息的情况下，进行仿真与评估。2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，其特征在于：在步骤一中，由于点波束覆盖范围窄，NB远小于NC；跳波束系统只有一部分小区在特定时间内被激活，卫星通过在不同时间控制波束的方向变化，使得NB个点波束能够在一个跳变周期内服务所有NC个小区；将在相同的驻留时间T内，同时被点亮的小区集合称作“快照”；2CN115833904A权利要求书2/5页每个跳变周期由NS个快照组成，持续时间为Ns×T；对于具有高数据速率需求的小区，在每个跳变周期的多个快照中被点亮；令为一个具有二进制元素的矩阵，ai,t＝1表示在快照t中小区i被点亮；跳变图样矩阵A中第t列的非零元素表示在第t个快照中被点亮的小区；矩阵A的第i行的非零元素表示小区i被点亮的快照序号；A的所有列都具有相同的列重NB，表示每个快照中有NB个小区被点亮；但是，由于速率需求的不均匀，A具有不同的行重；具有高数据速率需求的小区称为“高优先级小区”；在同一个小区内的用户，使用频分多址FDMA服务；为了方便表述，只关注一个用户的场景，省略了子载波频段索引；对于下行链路，快照t中的传输信号表示为：x[t]＝W[t]s[t]其中，表示此快照中对应的NB个小区的信号，W[t]表示对应于此快2照的预编码矩阵；si表示小区i的信号，i＝1,2,…,NC，其能量归一化，即E(|si|)＝1；预编码矩阵的维度为NT×NB，其中，NT为卫星的发射天线数量；在第t个快照中，小区i中用户的接收信号表示为：其中，变量t表示第t个快照，si[t]和sk[t]表示第i,k个小区用户的信号，wi[t]和wk[t]2分别对应第i,k个小区的预编码向量，zi[t]是快照t中小区i的均值为0和方差为