一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法

技术领域

本发明属于多波束卫星技术领域，具体涉及一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法。

背景技术

多波束卫星利用多个点波束实现对整个服务区域的覆盖，通过频率复用有效增加卫星系统吞吐量。然而，该技术也面临着严重的同频干扰问题，预编码技术是一种可以有效抑制多波束卫星系统波束间干扰的关键技术。卫星发射端根据提前获知的CSI(信道状态信息)，在信号发送前进行预处理操作，克服波束间干扰，然而当波束数量巨大时，馈电链路不能支持所有波束信号。

因此，当波束数量巨大时，如何提高多波束卫星系统的速率成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法，所多网关预编码方法包括：

构建用户侧的接收信号模型；

基于所述接收信号模型得到估计信号，其中，所述估计信号是根据预编码矩阵和解预编码矩阵得到的；

基于所述预编码矩阵，建立以总发射功率为约束、加权和速率最大化为目标的第一优化问题；

基于所述预编码矩阵和所述解预编码矩阵，建立以总发射功率为约束、和MSE最小化为目标的第二优化问题；

令所述第一优化问题和所述第二优化问题的全局最优解相同，建立加权和速率最大化问题与矩阵加权和MSE最小化问题之间的等价性，并将约束条件整合到和MSE最小化目标中，以转化为无约束加权和MSE最小化问题；

更新权重矩阵和所述解预编码矩阵，并固定所述权重矩阵和所述解预编码矩阵，以根据所述无约束加权和MSE最小化问题更新所述预编码矩阵，直至达到预设条件，完成多网关的预编码。

可选的，所述接收信号模型表示为：

其中，

可选的，所述估计信号表示为：

其中，

可选的，所述第一优化问题表示为：

其中，

可选的，所述第二优化问题表示为：

其中，

可选的，在建立以总发射功率为约束、和MSE最小化为目标的第二优化问题之后，还包括：

固定所有预编码矩阵并最小化和MSE得到MMSE解预编码矩阵，所述MMSE解预编码矩阵表示为：

其中，

根据所述MMSE解预编码矩阵得到MMSE矩阵，所述MMSE矩阵表示为：

其中，

可选的，建立加权和速率最大化问题与矩阵加权和MSE最小化问题之间的等价性，并将约束条件整合到和MSE最小化目标中，以转化为无约束加权和MSE最小化问题，包括：

获取矩阵加权和MSE最小化问题，所述矩阵加权和MSE最小化问题表示为：

其中，

检验

将所述矩阵加权和MSE最小化问题中的

其中，

可选的，所述无约束加权和MSE最小化问题表示为：

其中，

可选的，更新权重矩阵和所述解预编码矩阵，并固定所述权重矩阵和所述解预编码矩阵，以根据所述无约束加权和MSE最小化问题更新所述预编码矩阵，包括：

采用封闭形式更新所述权重矩阵；

更新所述解预编码矩阵，所述解预编码矩阵的更新公式表示为：

其中，

固定更新后的权重矩阵和更新后的解预编码矩阵，根据所述无约束加权和MSE最小化问题更新所述预编码矩阵。

可选的，所述预编码矩阵的更新公式为：

其中，

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的多网关预编码方法首先构建用户侧接收信号模型，然后建立以总发射功率为约束，加权和速率最大化为目标的优化问题，以及以总发射功率为约束，和MSE最小化为目标的优化问题，在两个优化问题全局最优解相同的意义上，建立了加权和速率最大化问题与矩阵加权和MSE最小化问题之间的等价性，将约束条件整合到和MSE最小化目标中，转化为无约束加权和MSE最小化问题，最后使用块坐标下降法来求解目标函数，通过固定解预编码矩阵和权重矩阵，更新预编码矩阵，来最小化加权和MSE目标函数。采用本发明方法，能有效提高多波束卫星系统的速率。

以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法的流程示意图。本发明提供一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法，该多网关预编码方法包括：

步骤1、构建用户侧的接收信号模型。

具体的，考虑K个网关，其中网关k(k＝1,2,...,K)，网关k管理卫星上M

I＝{i

其中，K为网关的总数量，I

令

其中，x

假设

其中，Tr为迹运算，P

假设波束之间为全频率复用模式，构建的用户侧接收信号模型表示为：

其中，

每个用户信号传输过程中受到的干扰不仅来自于该用户所在集群内的其他用户信号，还包括其他集群内的用户信号产生的干扰。

步骤2、基于接收信号模型得到估计信号，其中，估计信号是根据预编码矩阵和解预编码矩阵得到的。

具体的，假设不同用户的信号彼此独立，并且与接收机噪声无关。将干扰视为噪声，并考虑线性解预编码策略，因此，估计信号表示为：

其中，

步骤3、基于预编码矩阵，建立以总发射功率为约束、加权和速率最大化为目标的第一优化问题。

这里，第一优化问题表示为：

其中，

步骤4、基于预编码矩阵和解预编码矩阵，建立以总发射功率为约束、和MSE(MSE为均方误差)最小化为目标的第二优化问题。

具体的，在

其中，

第二优化问题表示为：

其中，

步骤5、得到MMSE解预编码矩阵和MMSE矩阵。

步骤5.1、固定所有预编码矩阵并最小化和MSE得到MMSE解预编码矩阵，MMSE解预编码矩阵表示为：

其中，

步骤5.2、根据MMSE解预编码矩阵得到MMSE矩阵，MMSE矩阵表示为：

其中，

步骤6、令第一优化问题和第二优化问题的全局最优解相同，建立加权和速率最大化问题与矩阵加权和MSE最小化问题之间的等价性，并将约束条件整合到和MSE最小化目标中，以转化为无约束加权和MSE最小化问题。

步骤6.1、获取矩阵加权和MSE最小化问题，矩阵加权和MSE最小化问题表示为：

其中，

步骤6.2、检验

具体的，最小化上述问题的最优

步骤6.3、将矩阵加权和MSE最小化问题中的

具体的，将矩阵加权和MSE最小化问题中的

其中，

定义

在全局最优解V相同的意义上，等价于加权和速率最大化问题。将功率约束整合到矩阵加权和MSE最小化问题，转换为无约束加权和MSE最小化问题。

这里，无约束加权和MSE最小化问题表示为：

其中，

步骤7、更新权重矩阵和解预编码矩阵，并固定权重矩阵和解预编码矩阵，以根据无约束加权和MSE最小化问题更新预编码矩阵，直至达到预设条件，完成多网关的预编码。

具体的，采用块坐标下降法求解无约束加权和MSE最小化问题，通过固定解预编码矩阵和权重矩阵，更新预编码矩阵，来最小化MSE成本函数，循环迭代更新三个变量，直至达到预设条件(即系统和速率性能收敛)，缩放预编码矩阵，以满足功率限制。

也就是说，每个优化变量U,V,W中都是凸的，使用块坐标下降法来求解目标函数。特别地，通过顺序固定三个变量中的两个，并更新第三个，来最小化加权和MSE目标函数。

步骤7.1、初始化权重矩阵、解预编码矩阵为零矩阵，预编码矩阵由ZF方法初始化，计算

计算功率缩放因子

步骤7.2、采用封闭形式更新最优的权重矩阵，权重矩阵的更新公式表示为：

步骤7.3、更新所述解预编码矩阵，解预编码矩阵的更新公式表示为：

其中，

步骤7.4、固定更新后的权重矩阵和更新后的解预编码矩阵，根据无约束加权和MSE最小化问题更新预编码矩阵。

具体的，固定更新后的解预编码矩阵和更新后的和权重矩阵后，相对于

其中，

步骤7.5、循环步骤7.2-7.5，判断是否达到预设条件，若是(即当系统的和速率性能收敛时)，则缩放预编码矩阵，以满足功率约束，若否，则根据更新后的解预编码矩阵、更新后的权重矩阵和更新后的预编码矩阵，利用上述公式迭代更新解预编码矩阵、权重矩阵和预编码矩阵，直至达到预设条件。

这里，预设条件为下一次的和速率减上一次的和速率小于或者等于预设值。预设条件表示为：

其中，

这里，缩放预编码矩阵的具体操作为：计算功率缩放因子

本发明提供的多网关预编码方法首先构建用户侧接收信号模型，然后建立以总发射功率为约束，加权和速率最大化为目标的优化问题，以及以总发射功率为约束，和MSE最小化为目标的优化问题，在两个优化问题全局最优解相同的意义上，建立了加权和速率最大化问题与矩阵加权和MSE最小化问题之间的等价性，将约束条件整合到和MSE最小化目标中，转化为无约束加权和MSE最小化问题，最后使用块坐标下降法来求解目标函数，通过固定解预编码矩阵和权重矩阵，更新预编码矩阵，来最小化加权和MSE目标函数。采用本发明方法，能有效提高多波束卫星系统的速率。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。