[发明专利]一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法

说明书

本发明公开了一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，首先考虑卫星与用户终端的移动性以及两者之间的长传播延时，采用统计信道状态信息；其次，运用Dinkelbach和迭代加权均方误差和最小化算法得到功率约束下的全数字预编码器；接着，问题转化为最小化混合预编码器与全数字预编码器之间的欧几里得距离，对两者进行交替优化：对于采用全连接结构的混合预编码器，通过求解最小二乘问题并采用基于加速投影梯度的极小化优化算法；而对于部分连接结构，通过变量投影法并类似地采用极小化优化算法，可以得到两种情况下的数字和模拟预编码器。本发明方法能够保障低轨卫星通信系统的能效，同时降低系统功耗和实现的复杂度。

技术领域

本发明涉及卫星通信系统预编码方法，尤其涉及了一种适用于低轨卫星通信混合预编码方法。

背景技术

为满足下一代移动通信系统高吞吐量的数据速率需求，卫星通信系统已被广泛采用以提供广阔的覆盖区域，尤其是在人口稀少的地区。位于500至2000公里之间的低轨卫星，与GEO卫星相比，其相对较少的延迟，较小的路径损耗以及较低的生产和发射成本引起了广泛的关注。在卫星系统的前向链路中，可以考虑采用大规模多输入多输出传输。它可以提高自由度并提供两种类型的分集，即极化和空间分集，因此可以实现显著的容量增益。低轨卫星通常由太阳能电池板供电，其功耗一般是不可忽略的，提高能效可以减小卫星尺寸、延长设备寿命，在能源有限和绿色通信的背景下，低轨卫星通信系统应当考虑将高能效和低功耗作为设计的关键性能指标。

在实际应用中，传统传输方法会受到各种限制：一方面，由于长的传播延迟和用户终端的移动性，很难在发射机处获得准确的瞬时信道状态信息，需要考虑采用统计信道状态信息；另一方面，传统的在基带上以数字方式执行，并且每个天线元件需要一个射频链，这对于大型天线阵列而言既昂贵又耗能，同时，现有的模拟预编码以一系列移相器进行控制，成本低但硬件复杂，并且，它只能支持单流传输。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，可以有效降低功耗和硬件复杂度，提高低轨卫星通信系统的能效和传输性能。

技术方案：一种适用于低轨卫星通信的混合预编码方法，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；