【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及衛星通信，特別涉及一種基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法。
技術介紹
1、在衛星通信領域，特別是針對甚低軌(vleo,very?low?earth?orbit)衛星網絡，高性能的波束賦形方法是提高波束能量、降低用戶間干擾、增強數據傳輸速率的關鍵。隨著空間技術的快速發展，vleo衛星因其低軌道特性，能夠提供更低的通信延遲和更強的信號強度，適用于vleo衛星的波束賦形技術亟待被提出。
2、目前，針對vleo衛星網絡的波束賦形技術，主流的解決方案是確定用戶終端位置，進而調整波束指向用戶進行數據傳輸。對于已知信道矩陣的波束賦形方法，全數字波束賦形算法由于功率消耗過高，因此可降低射頻鏈路數量，設計混合波束賦形算法降低功耗。對于優化目標的選取，主流方案是以總可達速率作為優化目標，因此公式推導的復雜度很高，也難以進行功率分配。
3、現有技術存在如下問題：
4、1、功率消耗過高：對于全數字衛星天線陣列，為每個天線配備一個射頻鏈路會大大增加功率，因此可以降低射頻鏈路數量，設計混合波束賦形算法來降低功耗。
5、2、優化過程推導復雜：主流的波束賦形算法以用戶的總可達速率為優化目標，在多用戶場景下，信干噪比表達式復雜，因此對于優化目標的優化與功率分配求解過程復雜。
6、3、實際場景可行性問題：目前波束賦形算法的設計使用的信道模型多為理想情況的信道模型，無法模擬真實的星地間信道環境，對于實際場景的可行性存在問題。
7、4、性能增強問題：對于現有的波束賦形技術
8、綜上所述，現有技術在應對vleo衛星網絡的多用戶波束賦形方面存在不足，亟需一種適用于真實場景的低功耗、易于推導的波束賦形方法。
技術實現思路
1、本專利技術要解決現有技術中甚低軌(vleo)衛星網絡中多用戶混合波束賦形方法存在的功率消耗過高、優化過程推導復雜、實際場景可行性差以及需要繼續增強性能的技術問題，提供一種基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法。
2、為了解決上述技術問題，本專利技術的技術方案具體如下：
3、一種基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，包括以下步驟：
4、步驟s1：建立包含一個vleo衛星和k個參數相同的用戶終端的星地通信系統；
5、步驟s2：對甚低軌衛星多用戶混合波束賦形問題進行建模；
6、步驟s3：對數字波束賦形矩陣進行設計；
7、步驟s4：對模擬波束賦形矩陣進行設計；
8、步驟s5：對各個用戶進行功率分配，設計功率分配矩陣；
9、步驟s6：求解最終的混合波束賦形矩陣；
10、步驟s7：完整鏈路仿真與性能分析。
11、在上述技術方案中，步驟s1具體為：建立的星地通信系統中，vleo衛星為天線數量為m的多天線衛星，天線為均勻面陣天線，衛星處于距地面hkm的甚低軌軌道；k個用戶終端為單天線終端，在rkm范圍內呈均勻分布，k個用戶終端的權重記為{α1,α2,...,αi,...,αk}；通信場景選取為非地面網絡城區場景下的視距傳播場景。
12、在上述技術方案中，步驟s2具體為：
13、vleo衛星為k個用戶終端發射的數據流為k路信號，vleo衛星天線搭載的射頻鏈路數量為nrf，混合波束賦形矩陣包含模擬波束賦形矩陣和數字波束賦形矩陣
14、k個用戶終端接收到的信號表示為：y＝hvrfvbs+n；
15、其中，為信道矩陣，為模擬波束賦形矩陣，為數字波束賦形矩陣，為發給k個用戶的信號，滿足為加性高斯白噪聲，服從分布；
16、混合波束賦形矩陣的表達式為：
17、
18、其中，β為標量因子，mse為均方誤差，σ為高斯白噪聲的標準差，ik為大小為k的單位矩陣。
19、在上述技術方案中，步驟s3具體為：
20、首先，弱化功率約束條件，將總功率約束歸一化，優化問題表示為：
21、
22、其中，tr(·)表示矩陣的跡；
23、接下來，引入標量因子，令vb＝βvu，將其帶入均方誤差mse的表達式中，得到：
24、
25、解出標量因子β的表達式為：
26、
27、接著，利用拉格朗日乘子法解優化問題，最優解滿足kkt條件，根據kkt條件求解出vu的閉式解為：
28、
29、最終，根據vb＝βvu求得數字波束賦形矩陣vb。
30、在上述技術方案中，步驟s4具體為：
31、首先，將所求得的β和vu帶入到均方誤差mse的表達式中，目標函數j(vrf)表達式為：
32、
33、接下來，使用流形優化算法求解模擬波束賦形矩陣vrf，定義j(vrf)關于模擬波束賦形矩陣vrf的共軛梯度得到：
34、
35、其中，表示vrf的共軛；
36、接著，使用流形優化算法，將滿足恒模約束的所有可行解表示成一個流形并沿著黎曼梯度在切線空間中進行搜索，使用armijo-goldstein條件確定步長；
37、最后，將搜索點映射回到流形，通過流形算法的反復迭代，確定模擬波束賦形矩陣vrf的最優解。
38、在上述技術方案中，步驟s5具體為：
39、首先，將k個用戶的混合波束賦形矩陣向量歸一化，第k個用戶的混合波束賦形向量表示為：
40、
41、記總功率為p，功率分配矩陣為p＝diag(p1,...pk)，其中diag(·)表示將向量對角化，用戶的總功率滿足則功率分配后的數字波束賦形矩陣為混合波束賦形矩陣為：
42、
43、接下來，表示出第k個用戶的接收信干噪比，表達式為：
44、
45、第k個用戶速率表示為：
46、rk＝log2(1+sinrk)
47、其中，為h的第k行，vb,k為vb的第k列；
48、由于將功率分配問題簡化為：
49、
50、其中，αk為第k個用戶的權重；
51、最優解用注水算法求得：
52、
53、其中，qk,k為q的第k個主對角線元素，λ的選取滿足：
54、
55、在上述技術方案中，步驟s6具體為：將步驟s3、步驟s4、步驟s5中求得的數字波束賦形矩陣、模擬波束賦形矩陣和功率分配矩陣相乘，得到混合波束賦形矩陣的最終結果：
56、v＝vrfvbp。
57、在上述技術方案中，步驟7具體為：
58、衛星側生成發給k個用戶終端的信號向量，使用步驟s6中所求的混合波束賦形矩陣將其映射到m個天線上進行發送，經過信道頻率響應矩陣并添加高斯白噪聲后被用戶終端接本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟S1具體為：建立的星地通信系統中，VLEO衛星為天線數量為M的多天線衛星，天線為均勻面陣天線，衛星處于距地面hkm的甚低軌軌道；K個用戶終端為單天線終端，在rkm范圍內呈均勻分布，K個用戶終端的權重記為{α1,α2,...,αi,...,αK}；通信場景選取為非地面網絡城區場景下的視距傳播場景。
3.根據權利要求1所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟S2具體為：
4.根據權利要求3所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟S3具體為：
5.根據權利要求4所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟S4具體為：
6.根據權利要求5所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟S5具體為：
7.根據權利要求6所述的基于流形優化的甚低軌
8.根據權利要求7所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟7具體為：
...【技術特征摘要】
1.一種基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟s1具體為：建立的星地通信系統中，vleo衛星為天線數量為m的多天線衛星，天線為均勻面陣天線，衛星處于距地面hkm的甚低軌軌道；k個用戶終端為單天線終端，在rkm范圍內呈均勻分布，k個用戶終端的權重記為{α1,α2,...,αi,...,αk}；通信場景選取為非地面網絡城區場景下的視距傳播場景。
3.根據權利要求1所述的基于流形優化的甚低軌衛星多用戶混合波束賦形方法，其特征在于，步驟...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李鑫，孫明輝，鮑大志，張校寧，余龍丹，
申請(專利權)人：長光衛星技術股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。