一种智能反射面辅助低轨卫星下行方法

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法。

背景技术：

1、随着物联网行业的快速发展，接入互联网的终端数量大幅增长。目前的5g通信技术受限于地面基站网络和计算能力，难以有效满足海量数据处理的需求，学术界和工业界已开始着手6g通信技术的研究。6g移动通信技术将融合人工智能、立体感知、卫星通信等技术，致力于实现全球范围的网络覆盖，包括偏远地区和海洋。其中卫星通信将发挥重要作用，通过低轨道卫星网络提供广域覆盖和高速连接，填补现有网络无法覆盖的空白区域。随着一些新兴行业的发展，对海量数据的传输提出了更高的要求，需要在星地联合中为星地通信提供一种大带宽的信息传输方式。但由于卫星运行高度、功率等限制，星地通信仍面临着诸多挑战，亟待新的技术来解决。

2、近年来，智能反射面作为一种潜在的革命性技术，在无线通信领域引起了广泛的关注。智能反射面由大量独立且可控的无源反射单元组成，无需额外的射频链路来执行复杂的信号处理操作，这使得其具有制造成本低、部署位置灵活、方便可控等优点。通过调整预设的相移矩阵，智能反射面可以动态地调整、改善信号传输信道，从而提高信息传输速率。目前，智能反射面已被大范围的研究，包括无线通信增强、多用户通信、室内导航和定位、环境感知和隐形传输等领域，并取得一定的成果。

3、将智能反射面运用到低轨卫星地面通信中，可以有效的解决传统卫星通信延迟高、频谱资源有限、卫星发射功率大等缺点，并且能够打破环境限制，为星地联合中低轨卫星下行通信提供一种有效的解决办法。

技术实现思路

1、本发明为提高复杂环境下低轨卫星下行通信信息传输速率，提出了一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法。

2、本发明所采用的具体技术方案如下:

3、一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法，包括如下步骤：

4、s1.在无线网络中，预先部署一个系统，所述系统包括一个配备有n根天线的低轨卫星、一块包含m个智能反射单元的无源智能反射面以及k个单天线用户设备；所述智能反射单元只改变低轨卫星发射信号的相位；所述智能反射面的反射系数矩阵为其中，diag{·}表示向量矩阵化，j表示虚数单位，θm表示第m个智能反射单元的相位反射系数；

5、s2.低轨卫星通过信道估计方法，获得低轨卫星直达第k个用户设备的信道状态信息hk、低轨卫星到智能反射面的信道状态信息g、智能反射面到第k个用户设备的信道状态信息gk；

6、s3.所述低轨卫星作为控制中心，根据信道状态信息和设定的最大发射功率pmax，利用一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输波束成形和反射矩阵设计方法求解第k个用户设备需要接收的数据信号sk的发射波束成形向量wk、智能反射面的反射系数矩阵；所述低轨卫星将反射系数矩阵通过下行信道传输给智能反射面；

7、s4.智能反射面根据所述反射系数矩阵调整各智能反射单元的相位反射系数后，低轨卫星根据发射波束成形向量wk构建低轨卫星发射信号然后低轨卫星将所述发射信号通过下行信道发送给各用户设备，各用户设备接收到低轨卫星发射信号后，对低轨卫星发射信号进行解码，完成低轨卫星下行信息的传输。

8、作为优选，所述步骤s3中，一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输波束成形和反射矩阵设计方法为：

9、s31.引入辅助变量βk，由构建一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输波束成形和反射矩阵设计方法的最终设计目标，所述最终设计目标为将最小化；其中，η表示低轨卫星发射信号与各用户设备需要接收的数据信号的均方误差值；γk为第k个用户设备需要接收的数据信号的信噪比；ek为低轨卫星发射信号与第k个用户设备需要接收的数据信号的均方误差值；msek,1为低轨卫星发射信号与第k个用户设备需要接收的数据信号的均方误差值的期望值，msek,1的函数形式为：

10、

11、其中，vk表示第k个用户设备的接收增益；其中，hk表示低轨卫星到第k个用户设备的等效信道状态信息，wk、wj分别为第k个、第j个用户设备需要接收的数据信号的发射波束成形向量；表示高斯白噪声的方差；|·|2表示绝对值的平方；(·)h表示矩阵的共轭转置；log2(·)表示取对数；(·)-1表示求倒数运算或者求矩阵的逆运算；

12、s32.引入循环计数辅助变量t、t1、t2，并分别初始化t＝1、t1＝1、t2＝1；tmax为t的最大迭代次数；为t1的最大迭代次数；为t2的最大迭代次数；

13、在第t个迭代轮次中，分别初始化所述发射波束成形向量其中，||·||2表示矢量的2-范数；表示平方根；i为单位矩阵；

14、s33.在第t1个迭代轮次中，hk＝hk+ghihgk，更新更新更新令利用第一求解算法求出在迭代过程中使η最小化的解

15、s34.若或η值收敛，则执行步骤s35-s39；

16、若且η值不收敛，令t1＝t1+1，重复执行步骤s33；

17、s35.引入惩罚项系数ξ、φ、ρ；引入辅助变量τk、ξk，由τk、ξk可将msek,1重新表示为其中，re{·}表示取实部；

18、分别初始化其中，randn(m,1)表示(m,维的高斯随机向量；diag(·)表示对角矩阵化；(·)*表示虚数共轭；(·)τ表示矩阵转置；

19、s36.在第t2个迭代轮次中，更新

20、

21、令

22、其中，分别为第m行元素；利用第二求解算法求出在迭代过程中使λ最小化的解同时得到

23、其中，

24、s37.若或λ值收敛，则输出θfinal2，同时执行步骤s38-s39；

25、若且λ值不收敛，则令t2＝t2+1，更新惩罚项系数重复执行步骤s36；

26、s38.计算当前所有用户设备的信息传输和速率rt，rt的函数形式为：

27、

28、其中，rk表示低轨卫星到第k个用户设备的信息传输速率，rk的函数形式为：

29、

30、s39.若t≥tmax或rt值收敛，输出和θfinal2；

31、若t＜tmax且rt值不收敛，令t＝t+1，分别初始化t1＝1、t2＝1，更新重复执行步骤s33-s39。

32、作为优选，所述第一求解算法为内点法或调用cvx工具包实现。

33、作为优选，所述第二求解算法为内点法或调用cvx工具包。

34、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

35、本发明提出的智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法，解决了卫星通信复杂环境中信息传输速率低、运行功率大、延迟高等问题。本发明提出的智能反射面辅助的波束成形和反射矩阵系数设计方法，交替优化用户波束成形向量和智能反射面反射系数，具有计算复杂度低、时延小、能耗低等优点。

技术特征：

1.一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种智能反射面辅助的卫星下行传输方法，其特征在于，所述步骤s3中，一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输波束成形和反射矩阵设计方法为：

3.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助的卫星下行传输方法，其特征在于，所述第一求解算法为内点法或调用cvx工具包实现。

4.根据权利要求2所述的一种智能反射面辅助的卫星下行传输方法，其特征在于，所述第二求解算法为内点法或调用cvx工具包。

技术总结
本发明公开了一种智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法。在无线网络中，预先部署一个系统，该系统由多个单天线用户设备、一个多天线低轨卫星和包括若干反射单元的智能反射面组成，其中智能反射面部署在地面用户设备附近。根据信道估计获取的星地信道状态信息，低轨卫星分别为各用户设备所需的信号设计波束成形向量，同时调整智能反射面反射系数。低轨卫星根据设计的波束成形向量构建并广播信号，一部分经过星地下行信道直接到达用户设备，另一部分经调整好的智能反射面反射后到达用户设备。用户设备接收信号并进行解码，完成信息传输。本发明为6G天地一体化网络提供了一种有效的智能反射面辅助的低轨卫星下行传输方法。

技术研发人员：姚文飞,陈晓明
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19