[发明专利]一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法

权利要求书

1.一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用统计状态信息代替瞬时信道状态信息；

步骤2：构建能量效率最大化的混合预编码优化设计问题，所述优化设计问题的优化目标为用户组的能量效率即该用户组内所有用户的平均和速率与该组总功耗的比值；式中，P_total表示采用混合预编码架构消耗的总能量，表示数学期望，||·||₂为向量的2范数，V为模拟预编码器，w_k为用户组中第k个用户的数字预编码矢量，下标k∈{1,2,...,K}，K为用户数，B_w为带宽，SINR_k为第k个用户的信干噪比，ξ表示功率放大器无效性的常数，P_t、P_r、P_syn分别是传输机和接收机以及频率合成器所消耗的能量；

设移相器的分辨率为λ，步长为△＝2π/L，L为能实现的相位总数，L＝2^λ；对于采用分辨率有限的移项器实现的模拟预编码器，约束条件分别为：

全连接结构：

部分连接结构：

对于采用分辨率无限的移项器实现的模拟预编码器，约束条件分别为：

全连接结构：

部分连接结构：

以及总发射功率小于某个定值；

式中，分别表示全连接结构和部分连接结构下移相器分辨率有限时符合条件的模拟预编码矩阵的集合，分别表示全连接结构和部分连接结构下移相器分辨率无限时符合条件的模拟预编码矩阵的集合，V_i,j表示矩阵V的第i行第j列的元素，e表示自然底数，虚数单位θ表示移相器分辨率无限时模拟预编码器中每个元素的相位，M_t表示射频链的数目，N_t表示波束数，表示向上取整，m表示移相器的序号；

步骤3：根据Dinkelbach算法和迭代加权均方误差和最小化算法对功率约束条件下的全数字问题进行求解，得到功率约束条件下的全数字预编码器：

式中，混合预编码矢量b_k＝Vw_k，P表示总发射功率的上界；

步骤4：将优化设计问题转化为最小化混合预编码的模拟和数字预编码器的乘积与全数字预编码器之间的欧几里得距离：

其中，混合预编码矩阵B＝{b₁,…,b_K}，混合预编码矢量b_i＝Vw_i，i＝1,2...K；数字预编码矩阵W＝{w₁,…,w_K}，表示全连接或部分连接结构下满足条件的模拟预编码器的集合，||·||_F为矩阵的Frobenius范数；

步骤5：若模拟预编码器采用全连接结构，通过求解一个最小二乘问题得到数字预编码器，并采用一种基于块协调加速投影梯度的不精确的极小化优化算法分别得到移项器分辨率有限和无限情况下的模拟预编码器；

若模拟预编码器采用部分连接结构，通过变量投影法得到数字预编码器的封闭解，并采用一种基于块协调加速投影梯度的不精确的极小化优化算法得到模拟预编码器。

2.根据权利要求1所述的适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，其特征在于，所述步骤2中，信道矢量h_k＝v_kg_k，v_k是第k个用户的大规模均匀天线阵列的响应矢量，g_k服从瑞利分布且γ_k为g_k的均值，为用户组中第个用户的数字预编码矢量，N₀为噪声方差，上标H表示共轭转置，|·|表示向量的模。

3.根据权利要求2所述的适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，其特征在于，所述步骤3中,求解时将数学期望近似为：

式中，表示平均速率，表示第个用户的大规模均匀天线阵列的响应矢量。