一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置与流程

1.本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置，具体涉及一种兼顾能量效率和频谱效率的卫星通信下行链路波束成形方法。


背景技术：

2.近年来，采用高增益点波束和频率复用技术的通信卫星凭借其在容量及单位带宽成本方面具有的独特优势，在未来的无线通信领域已经显示了广阔的应用前景。但是随着卫星用户对通信服务质量的需求不断提高，以及由于用户大规模接入引起的带宽资源紧张问题，如何在有限的频率资源条件下有效地提高卫星通信系统的频谱效率成为目前亟待解决的关键问题之一。其中，波束成形技术因具备用户间干扰抑制，实现频率复用，提升系统频谱效率等优势而备受国内外学者的青睐。目前，星载波束成形技术的研究主要有两种设计准则，一种是系统可达速率最大化，另一种是系统总功耗最小化。但是，在实际的卫星通信系统中，由于系统可达速率最大和系统总功耗最小是相互制约的，因此需要同时兼顾这两个性能指标的优化，以达到帕累托最优权衡，从而避免某项性能指标的提升导致其他系统性能指标的降低。此外，资源分配作为平衡无线通信系统整体性能和用户公平性的关键因素，对于资源有限的卫星通信系统而言更为重要。因此，如何在兼顾多个性能指标优化的同时合理实现用户服务的公平性是卫星通信系统中目前需要解决的关键问题之一。


技术实现要素：

3.发明目的：针对现有的星载波束成形方法无法兼顾多个性能指标的折中问题，本发明的目的在于提出一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法。该方法在保证用户的可达速率满足要求的条件下，以频谱效率最大化与功率最小化为优化目标，对卫星波束成形权矢量进行优化，在兼顾系统的能量效率和频谱效率的同时，还保证多个用户间资源分配公平性。
4.技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.第一方面，提供一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，包括：
6.基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；
7.基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；
8.采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，得到归一化单目标优化问题；
9.通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡；
10.以求得的最优波束成形权矢量来实现兼顾能效和谱效的卫星波束成形。
11.在一些实施例中，所述的α公平效用函数u
α
(rm)表示为：
[0012][0013]
其中rm表示第m个用户的可达速率；不同的α对应不同的公平等级；当α＝0时，表示完全没有考虑服务公平性要求，随着α的增大，用户间的服务公平性也随之提高，当α
→
∞时，表示实现了用户之间的绝对公平。
[0014]
在一些实施例中，构建多目标优化问题，包括：
[0015]
令其中u
α
(wm)为公平性和速率、rm(wm)为波束成形权矢量对应的可达速率；m为用户总个数；
[0016]
多目标优化问题表述为：
[0017][0018][0019][0020]
式中，p
t
表示卫星发射功率，表示卫星最大发射功率，p
tot
＝p
t
+pc表示卫星通信系统的总功耗，pc为卫星发射端的电路损耗，wm表示波束成形权矢量。
[0021]
在一些实施例中，采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，包括：
[0022]
将所述多目标优化问题转换为一个单目标优化问题，表示为：
[0023][0024][0025]
其中，β∈(0,1)为加权参数；为公平性和速率的最小值；
[0026]
对目标函数进行归一化处理，得到归一化单目标优化问题，表示为：
[0027][0028][0029]
为公平性和速率的最大值；
[0030][0031]
其中，ζ为一个足够小的数，并且满足0＜ζ≤rm；
[0032][0033]
通过调整加权参数β，研究给定α值时的归一化单目标优化问题。
[0034]
在一些实施例中，所述多目标优化问题求解方法包括：采用循环坐标上升方法对波束成形权矢量wm进行循环更新，直至收敛。
[0035]
进一步地，所述的循环坐标上升方法为：
[0036][0037]
在第i次循环时，选择第m个用户，使用包括cvx在内的凸优化工具包求解归一化单目标优化问题，获得的上升方向使用回溯直线搜索方法估计出一个合适的步长基于步长波束成形权矢量方向和上升方向求得下一次循环的波束成形权矢量循环迭代直至wm收敛；最后求得原多目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡。
[0038]
第二方面，本发明提供了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形装置，包括处理器及存储介质；
[0039]
所述存储介质用于存储指令；
[0040]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
[0041]
第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
[0042]
有益效果：本发明提供的兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法及装置，具有以下优点：不仅实现系统的能量效率和频谱效率性能指标间的很好折中，并基于α公平性效用函数保证多个用户间服务的公平性，从而实现卫星通信系统的有效传输。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施案例中多波束卫星下行链路波束成形模型示意图；
[0044]
图2为本发明的具体实施方法流程图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046]
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0047]
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
[0048]
实施例1
[0049]
一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法，包括：
[0050]
基于通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性；
[0051]
基于卫星发射功率不超过最大发射功率的约束条件下，以基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；
[0052]
采用加权和方法对所述多目标优化问题进行处理，得到归一化单目标优化问题；
[0053]
通过凸优化和循环坐标上升方法求得归一化单目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得能量效率和频谱效率两种性能指标间的帕累托最优权衡；
[0054]
以求得的最优波束成形权矢量来实现兼顾能效和谱效的卫星波束成形。
[0055]
在一些实施例中，提出了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形方法。不仅实现系统的能量效率和频谱效率性能指标间的很好折中，并基于α公平性效用函数保证多个用户间服务的公平性，从而实现卫星通信系统的有效传输。图1为多波束卫星下行链路波束成形模型示意图。如图1所示，本发明研究多波束卫星通信下行链路传输系统。它由一颗多波束通信卫星和m个用户组成。其中多波束卫星采用多馈源单反射面形式的星载天线，配置有l个馈源产生n个波束(m+1≤n≤l)。地面用户使用高增益的抛物面天线以补偿自由空间损耗。图2为具体实施方法流程图。
[0056]
本方法首先考虑通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用α公平效用函数表征在功率和频谱资源预算约束下用户之间的服务公平性，然后以频谱效率最大化与功率最小化为优化目标，并且保证用户之间服务的公平性；为了实现卫星系统的频谱效率与能量效率之间的折中，以基于α公平效用函数系统频谱效率最大化和功率最小化为准则，构建多目标优化问题；进而采用加权和方法处理多目标优化问题；最后通过凸优化和循环坐标上升方法求得多目标优化问题的最优波束成形权矢量，获得两种性能指标间的帕累托最优权衡。详细步骤如下：
[0057]
(1)根据香农公式，多波束卫星下行通信系统中第m个用户的可达速率
[0058]rm
＝log2(1+γm)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0059]
其中γm表示第m个用户的输出信干噪比：
[0060][0061]
在公式(2)中表示信号功率；表示干扰功率。其中wm表示波束成形权矢量。gm表示卫星链路的信道矢量，通常可建模为：
[0062][0063]
在公式(3)中，表示雨衰系数，以db为单位表示的服从对数正态随机分布μ和σr取决于卫星
的通信频率和电波传播特性。bm＝[b
m1
,b
m2
,...,b
mn
]
t
表示卫星波束增益，它的每一个元素可以表示为：
[0064][0065]
其中，b
max
表示卫星天线的最大增益，j1(
·
)和j3(
·
)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数，并且u
mn
＝2.07123sinφ
mn
/sinφ
3db
，φ
mn
表示第m个用户相对于第n个波束的偏轴角，φ
3db
为单侧半功率波束宽度。公式(3)中，为信道响应矢量，其中的元素具体表示为：
[0066][0067]
其中，c表示光速，fc表示信号载波频率，d
mn
表示第m个馈元到第n个波束中心距离。此外，公式(6)中，gr表示地面用户的抛物面天线增益。参考itu的建议，其表达式为：
[0068][0069]
其中，g
max
表示抛物面天线轴向的最大增益，θm为第m个地面用户相对于卫星的离轴角。
[0070]
(2)考虑到通信卫星采用多波束技术同时服务多个地面用户，采用效用函数来保证所有用户之间服务的公平性。其中，常用的效用函数为α公平效用函数，它可以表示为：
[0071][0072]
上式中不同的α对应不同的公平等级。当α＝0时，u
α
(rm)＝rm表示完全没有考虑服务公平性要求，随着α的增大，用户间的服务公平性也随之提高，当α
→
∞时，实现了用户之间的绝对公平。
[0073]
(3)基于α公平效用函数的频谱效率最大化和功率最小化为准则，同时使得卫星发射功率不超过其最大发射功率构建多目标优化问题，令具体优化问题可表述为：
[0074][0075]
式中，p
t
表示卫星发射功率，p
tot
＝p
t
+pc表示卫星通信系统的总功耗，pc为卫星发射端的电路损耗。
[0076]
(4)采用加权和方法对多目标优化问题进行转化，具体表示为：
[0077][0078]
其中，β∈(0,1)为加权参数。然后对目标函数进行归一化处理：
[0079][0080]
其中表示卫星通信系统的最大总功耗；
[0081][0082]
其中，ζ为一个足够小的数，并且满足0＜ζ≤rm。
[0083][0084]
通过调整参数β，研究给定α值时频谱效率与系统功耗之间的折中问题，不同β情况下求解优化问题(11)得到的最优解共同构成了优化问题(9)的帕累托最优集合。
[0085]
(5)采用循环坐标上升方法求得多目标优化问题的帕累托最优解集和最优波束成形权矢量。
[0086]
首先，使用凸优化工具包求解上升方向具体实现步骤如下：在第i次循环时，选择第m个用户，通过求解优化问题(13)获得的上升方向
[0087][0088]
式中，和为第i-1次循环更新得到的权矢量；表示目标函数的梯度，其中
[0089][0090]
然后，采用回溯直线搜索方法估计出合适的步长，具体实现过程如下：
[0091]
选定参数c∈(0,0.5)和ρ∈(0,1)，如果以下不等式成立：
[0092][0093]
则更新a＝ρa，直至不等式不成立为止，便得到了梯度上升的步长进一步可以
得到下一次循环的波束成形权矢量
[0094][0095]
循环迭代直至收敛，就求得了优化问题(11)和(12)的最大值，即求得到
[0096]
具体的基于循环坐标上升法的波束成形算法求解步骤如下：
[0097]
1.输入
[0098]
2.初始化迭代次数i＝0，
[0099]
3.求解优化问题(14)得到的上升方向
[0100]
4.使用回溯直线搜索方法得到上升步长
[0101]
5.更新
[0102]
6.更新迭代次数i＝i+1；
[0103]
7.如果满足收敛条件|w
(i)-w
(i-1)
|≤ε，迭代结束；否则执行步骤3；
[0104]
将上述所得的代入经加权和处理的多目标优化问题(11)。再次使用循环坐标上升方法，对优化问题(11)进行求解：
[0105]
令在第l次循环时，选择第m个用户，通过求解优化问题(17)获得的上升方向
[0106][0107]
式(19)中，和为第l-1次循环更新得到的权矢量；表示目标函数的梯度，其中
[0108][0109]
然后，使用回溯直线搜索方法估计合适的步长通过下式可以得到下一次循环的波束成形权矢量
[0110][0111]
根据上式循环迭代直至收敛，就得到了最优波束成形权矢量wm。
[0112]
具体的基于循环坐标上升法的波束成形算法求解优化问题(11)步骤如下：
[0113]
1.输入
[0114]
2.初始化迭代次数l＝0和
[0115]
3.求解优化问题(22)到的上升方向
[0116]
4.使用回溯直线搜索方法得到上升步长
[0117]
5.更新
[0118]
6.更新迭代次数l＝l+1；
[0119]
7.如果满足收敛条件|w
(l)-w
(l-1)
|≤δ，迭代结束；否则执行步骤3。
[0120]
实施例2
[0121]
第二方面，本实施例提供了一种兼顾能效和谱效的卫星波束成形装置，包括处理器及存储介质；
[0122]
所述存储介质用于存储指令；
[0123]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
[0124]
实施例3
[0125]
第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
[0126]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0127]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0128]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0129]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0130]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。