多波束功率动态分配方法、通信设备及低轨卫星通信系统与流程

1.本发明涉及卫星载波功率动态优化技术领域，特别是涉及一种多波束功率动态分配方法、通信设备及低轨卫星通信系统。


背景技术：

2.在卫星通信系统中，卫星载荷限制了传输功率和带宽，在有限星上资源条件下提高其利用率显得非常关键。在多波束卫星通信系统中，由于卫星终端在地理空间上的非均匀分布导致其业务量的非均匀分布，波束间的业务量分布差异较大，因此需要对功率资源进行合理化分配。星上功率资源对波束间的分配方式能否适应实际业务量非均匀分布的场景，以及对资源使用效率、系统容量等系统性能的提高至关重要。
3.目前，卫星通信系统资源的功率分配方法通常有固定分配方式和动态分配方式。固定功率分配方式的各个波束的资源已预先分配好，即使波束内终端用户处于空闲状态，无待传输业务，该波束内的空闲通信资源也不能被其他载波束内的终端用户所利用，造成空闲资源的浪费，利用率低。考虑到实际实时通信系统用户业务的变化，动态分配方式可以更好的满足未来卫星宽带通信业务高速率数据传输、高清电视传输等要求。动态分配方式中的自适应方法最常用的算法是注水算法，对于单用户系统或者资源固定分配的多用户系统来说是最佳的自适应功率分配算法之一，但是对于多用户系统来说，不能同时使用同一个子信道，当某用户所期望的最佳信道被其他用户使用时，则表明该用户不能被分配到最佳的子信道，对于多用户系统而言注水算法可能不再是最佳的功率分配算法。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多波束功率动态分配方法、通信设备及低轨卫星通信系统。
5.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种多波束功率动态分配方法，包括如下步骤：步骤s1，建立功率分配的目标函
[0006][0007]
数和约束关系：s.t.c1:γ
m
≥γ
thr
,其中，c
m
表示第m个波束的业务容量，γ
m
表示第
[0008][0009]
m个波束的信噪比，p
m
表示第m个波束的功率；γ
thr
表示信噪比阈值，p
t
表示总发射功率，m为正整数，m∈[1,m]；max()表示取最大值函数；步骤s2，实时获取各波束对应的信道信息，所述信道信息包括波束对应信道的信道估计系数，利用所述信道信息求解目标函数，计算分配给每个波束的功率p
m
；步骤s3，判断所有用户分配功率之和是否小于总功率，如果所有用户分配功率之和小于总功率，则停止迭代，得到各最佳功率，否则，继续执行步
骤s3。
[0010]
上述技术方案：现有技术中，是以多用户系统为主，多用户不能同时使用同一个子信道，当某用户所期望的最佳信道被其它用户使用时，则表明该用户不能被分配到最佳的子信道，基于上述问题，本发明利用瞬时信道信息，利用信道资源在不同用户间的分配，以容量最大化为优化目标建立目标函数，选择各波束最佳功率，实时调整和优化功率分配，以确保各用户波束功率实时更新。
[0011]
在本发明的一种优选实施方式中，所述步骤s2和步骤s3的具体过程包括：步骤a，初始化每个波束的功率值、每个波束的第一对偶变量μ和第二对偶变量λ、以及迭代次数i，i的初始值为i＝0，设置功率阈值δ，δ＞0；步骤b，执行第i+1次迭代，具体过程包括：按照功率分配公式为第m个波束分配功率：基于第m个波束的分配功率求取第m个波束第i+1次迭代的信噪比和分配的业务容量；其中，m为正整数，m∈[1,m]；p
m
(i+1)表示第m个波束在第i+1次迭代中分配的功率；μ
m
(i)表示第m个波束的第一对偶变量μ
m
在第i次迭代中的数值；λ
m
(i)表示第m个波束的第二对偶变量λ
m
在第i次迭代中的数值；a表示总带宽与总功率比值；h
m
表示第m个波束对应信道的信道估计系数；w
m
表示第m个波束的成形因子；|h
m
w
m
|2表示第m个波束的增益；σ2表示高斯白噪声；φ表示第m个波束的功率分配因子；α
m
表示第m个波束的编码调制系数；步骤c，若以下两个条件均满足，进入步骤e，若以下两个条件不能全部满足，进入步骤d：条件一：所有波束第i+1次迭代的信噪比均大于信噪比阈值，即γ
m
(i+1)≥γ
thr
；条件二：求取第i+1次迭代中所有波束分配的功率之和满足p
t
表示总发射功率；步骤d，迭代更新所有波束的第一对偶变量μ和第二对偶变量λ，第m个波束的第一对偶变量μ
m
和第二对偶变量λ
m
迭代更新公式为：其中，δμ、δλ分别表示第一对偶变量μ和第二对偶变量λ的迭代步长；令i＝i+1，返回步骤b；步骤e，将第i+1次迭代中各波束分配得到的功率作为各波束的最佳功率。
[0012]
上述技术方案：通过为每个波束引入一对对偶因子迭代更新各波束分配功率，同时利用条件一和条件二作为对用户信噪比的要求和系统总功率的限制要求，实现各个用户波束功率的最佳选择，能满足不同业务需求，在星上资源一定的情况下实现功率分配的最优化，达到功率优化的目的。
[0013]
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤b中，获取第m个波束在第i+1次迭代中的信噪比为：
[0014]
上述技术方案：能快速准确获得波束的信噪比。
[0015]
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤b中，获取第m个波束在第i+1次迭代中分配的业务容量为：c
m
(i+1)＝aα
m
p
m
(i+1)，其中，α
m
表示第m个波束的编码调制系数。
[0016]
上述技术方案：能快速基于波束功率合理地为波束分配业务容量。
[0017]
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤a，基于每个波束的初始化功率值获取的初始信噪比应小于信噪比阈值，以及初始业务需求应小于该波束的业务需求。
[0018]
上述技术方案：便于后续迭代顺利进行。
[0019]
在本发明的一种优选实施方式中，还包括条件三，在所述步骤c中，若条件一、条件二、条件三均满足，进入步骤e，若条件一、条件二、条件三不能全部满足，进入步骤d；所述条件三为：第m个波束在第i+1次迭代中分配的业务容量c
m
(i+1)满足：其中，e
m
表示第m个波束链路对应误码率；d
m
表示平均最大容许时延限制值；t
m
表示第m个波束的业务需求。
[0020]
上述技术方案：使分配的功率能保证各波束用户信道容量的要求。
[0021]
在本发明的一种优选实施方式中，基于目标函数获取功率分配公式的过程包括：基于目标函数和约束条件定义lagrangian函数：对lagrangian函数求导，得到：基于上式获得功率分配公式为：
[0022]
上述技术方案：基于自适应分配资源，采用lagrangian函数解决功率选择的凸优化问题，与平均功率算法等传统算法相比，能最优化功率分配，实现星上载荷有限资源的优化调度。
[0023]
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种通信设备，所述通信设备可同时与多个用户设备无线通信，所述通信设备执行本发明所述的多波束功率动态分配方法的步骤分配与多个用户设备的通信波束的功率。
[0024]
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种卫星通信设备，所述卫星通信设备可同时与地面的多个用户设备无线通信，所述卫星通信设备执行本发明所述的多波束功率动态分配方法的步骤分配与多个用户设备的通信波束的功率。
[0025]
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第四个方面，本发明提供了一种多波束低轨卫星通信系统，包括设于低轨卫星上的卫星通信设备、基站端、接收机端以及k个用户，k为正整数；所述卫星通信设备利用k个用户对所有子载波的下行信道条件进行估计获得各下行信道的信道估计系数，为每个用户分配一个子载波，在下行链路总发射功率的约束下按照本发明所述的多波束功率动态分配方法为每个用户的子载波分配功率，将每个用
户分配的子载波以及子载波功率反馈至基站端；所述基站端根据卫星通信设备反馈的每个用户分配的子载波以及子载波功率为每个用户分配一个子载波块，将调制后的子载波块内的数据进行快速傅里叶变换，在快速傅里叶变换处理后的数据的符号之间添加保护间隔，将添加了保护间隔的数据发送至接收机端；所述接收机端从接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换后的数据进行解调处理，结合基站端对用户的子载波块分配信息从解调处理后的数据中提取各用户数据并发送。
[0026]
上述技术方案：针对多用户卫星通信系统的功率自适应分配，提出一种基于对偶因子解决凸优化问题的资源动态分配技术方案，利用信道资源在不同用户间的分配，实现对发射功率的分配，以容量最大化为优化目标。通过对对偶因子迭代计算，基于各用户需求度，选择各用户最佳功率，直至得到最佳功率停止迭代。充分利用瞬时信道信息，在星上资源一定的情况下实现功率分配的最优化，达到功率优化的目的。
附图说明
[0027]
图1是本发明一具体实施方式中多波束功率动态分配方法的流程示意图；
[0028]
图2是本发明一具体应用场景中多波束功率动态分配方法的实现流程示意图；
[0029]
图3是本发明一具体实施方式中多波束低轨卫星通信系统的结构示意图；
[0030]
图4是本发明另一具体应用场景中总功率收敛性的仿真图。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0034]
本发明公开了一种多波束功率动态分配方法，在一种优选实施方式中，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0035]
步骤s1，功率分配的目标是在给定总发射功率p
t
的条件下，最大化系统的平均需求容量，因此，以容量最大化为优化目标，为各子载波动态分配功率，建立功率分配的目标函数和约束关系：
[0036][0037]
其中，c
m
表示第m个波束的业务容量，γ
m
表示第m个波束的信噪比，p
m
表示第m个波束的功率；γ
thr
表示信噪比阈值，p
t
表示总发射功率，m为正整数，m∈[1,m]；max()表示取最大值函数；
[0038]
步骤s2，实时获取各波束对应的信道信息，信道信息包括波束对应信道的信道估计系数，利用信道信息求解目标函数，计算分配给每个波束的功率p
m
；
[0039]
步骤s3，判断所有用户分配功率之和是否小于总功率，如果所有用户分配功率之和小于总功率，则停止迭代，得到各最佳功率，否则，继续执行步骤s2。
[0040]
在本实施方式中，实时获取的信道信息优选但不限于还包括高斯白噪声、波束的成形因子、波束的功率分配因子、平均最大容许时延限制值。波束也可叫做点波束或用户波束。设定共有m点波束对应用户，限制条件c1是系统各用户信噪比的要求，限制条件c2是系统总功率限制要求。
[0041]
在本实施方式中，构建多波束卫星通信系统波束容量模型中，设定一个多波束卫星通信系统，每个点波束对应一个用户。
[0042]
在一种优选实施方式中，步骤s2和步骤s3的具体过程包括：
[0043]
步骤a，初始化每个波束的功率值、每个波束的第一对偶变量μ和第二对偶变量λ、以及迭代次数i，i的初始值为i＝0，设置功率阈值δ，δ＞0；
[0044]
步骤b，执行第i+1次迭代，具体过程包括：
[0045]
按照功率分配公式为第m个波束分配功率：
[0046][0047]
基于第m个波束的分配功率求取第m个波束第i+1次迭代的信噪比和分配的业务容量；
[0048]
其中，m为正整数，m∈[1,m]；p
m
(i+1)表示第m个波束在第i+1次迭代中分配的功率；μ
m
(i)表示第m个波束的第一对偶变量μ
m
在第i次迭代中的数值；λ
m
(i)表示第m个波束的第二对偶变量λ
m
在第i次迭代中的数值；a表示总带宽与总功率比值；h
m
表示第m个波束对应信道的信道估计系数；w
m
表示第m个波束的成形因子；|h
m
w
m
|2表示第m个波束的增益；σ2表示高斯白噪声；φ表示第m个波束的功率分配因子；α
m
表示第m个波束的编码调制系数；
[0049]
步骤c，若以下两个条件均满足，进入步骤e，若以下两个条件不能全部满足，进入步骤d：
[0050]
条件一：所有波束第i+1次迭代的信噪比均大于信噪比阈值，即γ
m
(i+1)≥γ
thr
；
[0051]
条件二：求取第i+1次迭代中所有波束分配的功率之和满足
p
t
表示总发射功率；
[0052]
步骤d，迭代更新所有波束的第一对偶变量μ和第二对偶变量λ，第m个波束的第一对偶变量μ
m
和第二对偶变量λ
m
迭代更新公式为：
[0053][0054]
其中，δμ、δλ分别表示第一对偶变量μ和第二对偶变量λ的迭代步长；
[0055]
令i＝i+1，返回步骤b；
[0056]
步骤e，将第i+1次迭代中各波束分配得到的功率作为各波束的最佳功率。
[0057]
在本实施方式中，通过引入对偶因子，进行最优化迭代更新，直至得到最佳功率停止迭代，达到功率优化的目的。
[0058]
在本实施方式的一种应用场景中，实施流程示意图如图2所示，具体包括：
[0059]
(1)构建多波束卫星通信系统波束容量模型，生成目标函数，给出功率、
[0060][0061]
信噪比限制的约束条件，如下：s.t.c1:γ
m
≥γ
thr
。
[0062][0063]
(2)引入非负对偶变量μ和λ，生成lagrangian函数，每个对偶变量和每个点波束的功率初始化值，确保各个点波束容量c
m
低于业务需求t
m
，各信噪比低于阈值，并设定一个最小值δ用于判断功率计算约束条件。
[0064]
(3)对lagrangian函数求导，得出非负对偶变量μ和λ与功率的关系，求得各用户波束对应的最佳功率值，计算分配给每个点波束的功率p
m
。
[0065]
(4)对偶因子迭代计算，如果满足条件|∑p
m
‑
p
t
|<δ，即所有用户分配功率之和小于总功率，停止迭代，得到各最佳功率。否则，继续执行步骤(3)。
[0066]
在一种优选实施方式中，在步骤b中，获取第m个波束在第i+1次迭代中的信噪比为：
[0067]
在一种优选实施方式中，在步骤b中，获取第m个波束在第i+1次迭代中分配的业务容量为：c
m
(i+1)＝aα
m
p
m
(i+1)，其中，α
m
表示第m个波束的编码调制系数。根据上述c
m
与p
m
的关系，分配给每个波束有效功率，确保在星上功率资源有限情况下，尽可能提高点波束业务容量。同时给各用户点波束设定误码率阈值为γ
thr
，保证点波束用户信道容量的要求。
[0068]
在一种优选实施方式中，在步骤a，基于每个波束的初始化功率值获取的初始信噪比应小于信噪比阈值，以及初始业务需求应小于该波束的业务需求。
[0069]
在一种优选实施方式中，还包括条件三，在步骤c中，若条件一、条件二、条件三均
满足，进入步骤e，若条件一、条件二、条件三不能全部满足，进入步骤d；
[0070]
条件三为：第m个波束在第i+1次迭代中分配的业务容量c
m
(i+1)满足：其中，e
m
表示第m个波束链路对应误码率；d
m
表示平均最大容许时延限制值；t
m
表示第m个波束的业务需求。
[0071]
在本实施方式中，由于卫星通信系统业务中有时延与信噪比限制，考虑到延时与业务需求有关，第m个波束在第i+1次迭代中分配的业务容量c
m
(i+1)由上述条件三的限制，以保证点波束用户信道容量的要求。
[0072]
在一种优选实施方式中，基于目标函数获取功率分配公式的过程如下：在功率优化中，对于目标函数和约束条件的优化问题，引入对偶因子μ和λ，利用lagrangian函数和次梯度算法，利用凸优化问题的解决方法进行非线性规划问题的优化，具体为：
[0073]
基于目标函数和约束条件定义lagrangian函数：
[0074][0075]
对偶变量μ和λ分别表示与功率限制和信噪比限制有关，可将该问题转为对偶问题写作：
[0076][0077]
考虑到信噪比为：
[0078][0079]
对lagrangian函数求导，得到：
[0080][0081]
基于上式获得功率分配公式为：
[0082]
在每次迭代中，上述功率分配公式中的μ
m
和λ
m
需为本次迭代的迭代值。
[0083]
在本发明多波束功率动态分配方法的一种应用场景中，对分配方法的总功率收敛性进行了仿真，仿真结果如图4所示，可以看出迭代次数到一定的时候，就能找到合适的功率分配，保证有限资源下合理分配。
[0084]
本发明提供的上述多波束功率动态分配方法与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0085]
1)本发明的多波束功率动态分配方法是以多用户系统为主，由于采用tdma的接入方式，多用户不能同时使用同一个子信道，当某用户所期望的最佳信道被其他用户使用时，则表明该用户不能被分配到最佳的子信道，而通过本发明的分配技术可实现多用户系统的
功率资源动态需求；
[0086]
2)本发明的多波束功率动态分配方法，基于自适应分配资源，采用lagrangian函数解决功率选择的凸优化问题，与平均功率算法等传统算法相比，能最优化功率分配，实现星上载荷有限资源的优化调度；
[0087]
3)本发明的多波束功率动态分配方法，利用瞬时信道信息，实时调整功率分配，以确保各用户波束功率对应传输信道实时更新；
[0088]
4)本发明的多波束功率动态分配方法，通过引入对偶因子迭代更新，具有一定的灵活性，可实现各个用户波束功率最佳选择，满足不同业务需求。
[0089]
因此，本发明的多波束功率动态分配方法，针对多用户卫星通信系统的功率自适应分配，提出一种基于对偶因子解决凸优化问题的资源动态分配方法，利用信道资源在不同用户间的分配，实现对发射功率的分配，以容量最大化为优化目标。通过对对偶因子迭代计算，基于各用户需求度，选择各用户最佳功率，直至得到最佳功率停止迭代。充分利用瞬时信道信息，在星上资源一定的情况下实现功率分配的最优化，达到功率优化的目的。
[0090]
本发明还公开了一种通信设备，在一种优选实施方式中，通信设备可同时与多个用户设备无线通信，通信设备执行上述多波束功率动态分配方法的步骤分配与多个用户设备的通信波束的功率。
[0091]
在本实施方式中，通信设备可同时发出多个波束。
[0092]
本发明还公开了一种卫星通信设备，在一种优选实施方式中，卫星通信设备可同时与地面的多个用户设备无线通信，卫星通信设备执行上述多波束功率动态分配方法的步骤分配与多个用户设备的通信波束的功率。
[0093]
本发明还公开了一种多波束低轨卫星通信系统，在一种优选实施方式中，如图3所示，包括设于低轨卫星上的卫星通信设备、基站端、接收机端以及k个用户，k为正整数；
[0094]
卫星通信设备利用k个用户对所有子载波的下行信道条件进行估计获得各下行信道的信道估计系数，为每个用户分配一个子载波，在下行链路总发射功率的约束下按照上述多波束功率动态分配方法为每个用户的子载波分配功率，将每个用户分配的子载波以及子载波功率反馈至基站端；基站端根据卫星通信设备反馈的每个用户分配的子载波以及子载波功率为每个用户分配一个子载波块，将调制后的子载波块内的数据进行快速傅里叶变换，在快速傅里叶变换处理后的数据的符号之间添加保护间隔，将添加了保护间隔的数据发送至接收机端；接收机端从接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换后的数据进行解调处理，结合基站端对用户的子载波块分配信息从解调处理后的数据中提取各用户数据并发送。
[0095]
在本实施方式中，k个用户通过信道估计所有子载波的下行信道条件，产生动态功率资源分配，将载波与功率分配信息反馈到基站端，在下行链路总发射功率的约束下执行资源分配。在每个资源分配的瞬间，基站根据所有用户的信道估计参数，给各个用户分配子载波块。当分配子载波块时，只能根据用户在子载波块上的信道条件，将一个子载波块分配给一个用户。对调制后的所有的子载波块内的数据进行快速逆傅里叶变换(ifft)，并在每个符号添加保护间隔来避免符号间干扰。之后，系统将数据传输到频率选择性衰减信道中。在接收机端，首先从所接收的数据中删除保护间隔并执行快速傅里叶变换(fft)。其次，估计子载波块的信道条件。最后，根据子载波块的分配和由基站提供的调制结果对子载波块
上的数据进行解调，提取每个用户的数据。
[0096]
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、结构、材料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一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料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。
[0097]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。