一种多波束卫星系统中的多网关预编码方法

本发明属于多波束卫星，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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：

2、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：

3、构建用户侧的接收信号模型；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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。

9、可选的，所述接收信号模型表示为：

10、

11、其中，为第k个波束集群的第i个波束中的用户ik的接收信号，为从第k个网关管理的卫星上的mk根发射天线到用户ik的信道矩阵，是用户ik的接收天线数，为m×n维复数矩阵，为第k个网关用于将信号发送到用户ik的预编码矩阵，为发送到用户ik的符号个数，为第k个网关用于将信号发送到用户mk的预编码矩阵，为发送到用户mk的符号个数，为从第j个网关管理的卫星上的mj根发射天线到用户ik的信道矩阵，为第j个网关用于将信号发送到用户lj的预编码矩阵，为服从分布的加性高斯白噪声，为复数正态分布，为用户ik处的平均噪声方差，i为所有用户的集合，k为网关的总数量，ik为第k个波束集群中的波束总数量，ij为第j个波束集群中的波束总数量，为任意值。

12、可选的，所述估计信号表示为：

13、

14、其中，为信号的估计信号，为第k个网关用于将信号发送到用户ik的解预编码矩阵，·h为矩阵的共轭转置。

15、可选的，所述第一优化问题表示为：

16、

17、

18、其中，为求解最优的预编码矩阵，使目标函数最大化，为用户ik的权重，为用户ik的速率，logdet为行列式绝对值的以2为底的对数运算，s.t.为约束条件，tr为迹运算，pk为第k个网关管理馈源的总发射功率。

19、可选的，所述第二优化问题表示为：

20、

21、

22、

23、其中，为求解最优的解预编码矩阵和预编码矩阵，使目标函数最小化，tr为迹运算，s.t.为约束条件，pk为第k个网关管理馈源的总发射功率，为等价于，为期望运算。

24、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：

25、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：

26、

27、其中，为第k个网关用于将信号发送到用户ik的mmse解预编码矩阵，

28、根据所述mmse解预编码矩阵得到mmse矩阵，所述mmse矩阵表示为：

29、

30、其中，为第ik个用户的接收信号的最小均方误差矩阵。

31、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：

32、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：

33、

34、

35、其中，为求解最优的权重矩阵、解预编码矩阵和预编码矩阵,使目标函数最小化，为用户ik的权重，为第ik个接收机的权重矩阵，

36、检验的一阶最优性条件，得到最优的其中，为最优的

37、将所述矩阵加权和mse最小化问题中的和对应替换为和使所述矩阵加权和mse最小化问题等价为加权和速率最大化问题，以将功率约束整合到所述矩阵加权和mse最小化问题，转换为无约束加权和mse最小化问题，所述加权和速率最大化问题表示为：

38、

39、

40、其中，为求解最优的预编码矩阵，使目标函数最大化。

41、可选的，所述无约束加权和mse最小化问题表示为：

42、

43、其中，为求解最优的权重矩阵、解预编码矩阵和预编码矩阵，使目标函数最小化，

44、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：

45、采用封闭形式更新所述权重矩阵；

46、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：

47、

48、其中，为更新后的解预编码矩阵，

49、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。

50、可选的，所述预编码矩阵的更新公式为：

51、

52、其中，为更新后的预编码矩阵，αlj为第lj用户的优先程度，为第lj用户的解预编码矩阵，为第lj用户的权重矩阵，为第k个网关对第lj用户的信道矩阵。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果：

54、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。

55、以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。