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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明提出一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，包括如下步骤：步骤一：跳波束卫星通信系统的工作模式：步骤二：卫星视距信道的构建：步骤三：基于维特比算法和贪婪算法的跳变图样优化设计：步骤四：仿真验证与性能评估。在满足所有小区业务需求的情况下得到最小的发射功率。本发明通过低复杂度的数模混合预编码设计，有效地降低了接受端信号之间的干扰，同时减少了射频链的数量；通过跳变图样的预筛选，维特比算法和贪婪算法的应用，快速地复杂度地优化得到满足QoS需求的低功率跳变图样。与其他已有的方案相比，本发明的方法在性能和复杂度上有一定的优势，在功率受限的卫星通信系统下有较高的应用价值。

主权项：1.一种卫星通信系统中跳波束图样设计与优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：跳波束卫星通信系统的工作模式：以再生转发模式运行的宽带多波束卫星通信系统，采用全频复用的方式；将卫星的覆盖区域划分为NC个小区，令Ki表示在第i个小区的用户数，i＝1,2,…,NC；卫星生成NB个点波束，即同时服务NB个小区；步骤二：卫星视距信道的构建：确定信道系数矩阵hi的详细信息，卫星配备了P×Q均匀平面阵列UPA天线，P和Q分别表示x轴和y轴方向上天线数，地面小区中的用户配备了单天线；步骤三：基于维特比算法和贪婪算法的跳变图样优化设计：用表示一个跳变周期内小区i的总速率需求；卫星对于第i个小区的总供应容量用Ri表示，与信道hi[t]和其对应的快照t的预编码矩阵W[t]相关，表示为Ri＝rhi[t],W[t]；用向量表示所有小区速率的需求向量，Pt是第t个快照中卫星对所有小区的发射功率，用表示，其中，f是根据不同快照和容量需求计算相应最小发射功率的函数；考虑小区的信道增益具有很长的相干时间，并且业务需求在一个跳变周期内保持不变；相应的优化问题用P0表示： 其中，ati是跳变矩阵A中第t行i列的元素，是模拟预编码矩阵WRF中第t行i列的元素，NT＝PQ表示天线数量；约束C1要求小区i在一个跳变周期中的εi个快照中被点亮；约束C2限制在一个快照中NB个波束服务NB个小区；C3是模拟预编码约束，由于模拟预编码无法单独调整每个移相器上的信号幅值，因此WRF的每个元素具有相同的范数；步骤四：仿真验证与性能评估：在考虑卫星具有完美信道信息的情况下，进行仿真与评估；在步骤一中，由于点波束覆盖范围窄，NB远小于NC；跳波束系统只有一部分小区在特定时间内被激活，卫星通过在不同时间控制波束的方向变化，使得NB个点波束能够在一个跳变周期内服务所有NC个小区；将在相同的驻留时间T内，同时被点亮的小区集合称作“快照”；每个跳变周期由NS个快照组成，持续时间为Ns×T；对于具有高数据速率需求的小区，在每个跳变周期的多个快照中被点亮；令为一个具有二进制元素的矩阵，ai,t＝1表示在快照t中小区i被点亮；跳变图样矩阵A中第t列的非零元素表示在第t个快照中被点亮的小区；矩阵A的第i行的非零元素表示小区i被点亮的快照序号；A的所有列都具有相同的列重NB，表示每个快照中有NB个小区被点亮；但是，由于速率需求的不均匀，A具有不同的行重；具有高数据速率需求的小区称为“高优先级小区”；在同一个小区内的用户，使用频分多址FDMA服务；为了方便表述，只关注一个用户的场景，省略了子载波频段索引；对于下行链路，快照t中的传输信号表示为：x[t]＝W[t]s[t]其中，表示此快照中对应的NB个小区的信号，W[t]表示对应于此快照的预编码矩阵；si表示小区i的信号，i＝1,2,…,NC，其能量归一化，即E|si|2＝1；预编码矩阵的维度为NT×NB，其中，NT为卫星的发射天线数量；在第t个快照中，小区i中用户的接收信号表示为： 其中，变量t表示第t个快照，si[t]和sk[t]表示第i,k个小区用户的信号，wi[t]和wk[t]分别对应第i,k个小区的预编码向量，zi[t]是快照t中小区i的均值为0和方差为σ2的加性高斯白噪声AWGN，是对应于该小区的信道系数向量；每个用户的期望信号都会被波束间干扰和噪声所破坏，快照t中小区i的信干噪比SINR表示为γi[t]： 其中，σ2表示噪声功率；快照t中小区i中用户的实现速率Ri[t]表示为：Ri[t]＝log1+γi[t]W[t]遵循混合预编码结构，减少系统所需的射频链的数量；它由一个数字预编码器和一个使用模拟移相器的射频预编码器组成，分解为W＝WRFWD，WRF和WD分别表示模拟和数字预编码矩阵，C表示复数集合；模拟预编码通过调整射频链上每根天线的移相器权重来控制波束方向，实现发送信号叠加，由于无法单独调整每个移相器上的信号幅值，因此WRF的每个元素具有相同的范数。

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