基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111447631A(43)申请公布日2020.07.24(21)申请号202010147087.0H04L29/08(2006.01)(22)申请日2020.03.05(71)申请人南京邮电大学地址210003江苏省南京市栖霞区文苑路9号(72)发明人林敏袁祖霞刘笑宇孔槐聪吴晓欢(74)专利代理机构南京纵横知识产权代理有限公司32224代理人董建林(51)Int.Cl.H04W24/02(2009.01)H04W52/30(2009.01)H04W52/38(2009.01)H04B7/185(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图2页(54)发明名称基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法(57)摘要本发明公开了一种基于非正交多址技术（NOMA）的星地联合波束形成和功率分配方法，在该网络中，卫星通信子网络服务多个地面站，地面蜂窝子网络服务多个蜂窝用户，两个子网络实现频谱共享。首先，地面蜂窝子网络中采用NOMA技术，基于蜂窝用户之间信道的相关性和信道增益的差异性，提出了多用户分簇方法；其次，在用户服务质量得到保证，以及卫星和基站发射功率受限的条件下，建立整个系统的和速率最大化的优化问题；接着，采用S-Procedure和泰勒展开法，将该非凸问题转换成凸优化问题，并进一步利用迭代罚函数法得到卫星和基站的最优波束形成权矢量和功率分配因子。本发明将波束形成和非正交多址技术相结合，为提升星地融合网络信息传输的有效性提供技术方案。CN111447631ACN111447631A权利要求书1/3页1.基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法，其特征在于，包括以下过程：以信道增益和信道相关性为指标，对地面蜂窝用户进行分簇；所述地面蜂窝用户分簇后，按照预定的约束条件，以所述星地联合系统的和速率最大化为准则，建立优化问题的目标函数；将所述优化问题转化成含有迭代变量的凸优化问题；通过求解所述凸优化问题，计算得到卫星及基站处的最优波束形成权矢量和功率分配因子，并按照波束生成结果为卫星和基站分配发射功率。2.根据权利要求1所述的基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法，其特征在于，所述对所述地面蜂窝用户进行分簇，包括如下步骤：步骤1、将全部所述蜂窝用户K放入一个集合中S中，设待分组第m簇集合为Sm，初始化m＝0；步骤2、将满足ci,j≥ρ，ζi,j≥γ条件的蜂窝用户构成一个新集合Gm，定义NOMA效用函数计算dij最大值，并获得相应的蜂窝用户j；其中，ρ为预设的相关阈值，γ为信道增益差分阈值，ci,j为信道相关性，ζi,j为信道增益差分值，hi,hj表示蜂窝用户i，j的信道增益；步骤3、将Gm集合中的第i个蜂窝用户移到第m簇集合Sm中，更新第i个蜂窝用户顺序如果集合Sm中存在不能满足相关阈值ρ和信道增益差分阈值γ要求的蜂窝用户，重复步骤2，并将该蜂窝用户从集合Sm中删除；步骤4、重复步骤3，直到集合Gm＝0，至此第m簇集合Sm构成；步骤5、将第m簇集合Sm中的蜂窝用户从集合S中移除，回到步骤2，直到集合S为空，即所有K个蜂窝用户都被分配到蜂窝用户配对簇中。3.根据权利要求1所述的基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法，其特征在于，所述约束条件为：第l个地面站信干噪比γl和第m簇第k个蜂窝用户信干噪比γm,k分别大于阈值门限Λl，Λm,k，卫星天线发射功率不大于Ps,j、基站天线发射功率不大于Pb,i；其中，Ps,j为卫星天线第j根天线功率，Pb,i为基站天线第i根天线功率。4.根据权利要求3所述的基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法，其特征在于，所述优化问题的目标函数为：2CN111447631A权利要求书2/3页其中，M为蜂窝用户总簇数，Km为第m簇蜂窝用户总数，L为地面站总数，Rm,k为第m簇第k个蜂窝用户的接收信号可达速率，Rl为地面站接收信号可达速率，ws为卫星对地面站波束形成权矢量，wm为基站对蜂窝用户波束形成权矢量，为基站天线第i根天线波束形成权矢量平方，为卫星天线第j根天线波束形成权矢量平方，Nb为基站天线总数，Ns为卫星天线总数，αm,k为第(m,k)蜂窝用户功率分配因子。5.根据权利要求4所述的基于非正交多址技术的星地联合波束形成和功率分配方法，其特征在于，所述采用S-Procedure和泰勒展开算法，将所述优化问题转化成含有迭代变量的凸优化问题，包括如下步骤：步骤1、令则上述式(1)为：其中，fl为基站和地面站之间信道衰落系数，fm,k为卫星和第(m,k)地面蜂窝用户之间信道衰落系数，gl为卫星和地面站信道衰落系数，gm,k为基站和第(m,k)地面蜂窝用户之间信道衰落系数，wn为基站对蜂窝用