一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法技术

本发明专利技术公开了一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，利用预编码产生广覆盖的功率图样，能够解决低地球轨道卫星大规模MIMO公共信号传输的功率覆盖问题。本发明专利技术首先利用卫星在海平面以上高度和地球平均半径等信息，基于三角几何关系计算功率图样应当覆盖的角度范围；然后以最小最大改进型克拉美罗界为目标，以各天线相等的发射功率为约束条件构建优化问题；再基于流形上的非单调共轭梯度法求得预编码矩阵。本发明专利技术有利于充分利用卫星功放容量，并且在覆盖范围内的平均接收功率及最小接收功率都高。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法
本专利技术属于通信
，涉及卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法。
技术介绍
随着信息社会的进一步发展，能够显著提升频谱和能量效率的大规模多输入多输出(MIMO，multiple-inputmultiple-output)技术已成为第五代移动通信(5G，5thgenerationmobilecommunication)的关键使能技术。在大规模MIMO系统中，基站(BS，basestation)侧部署大规模天线阵列，可产生空间域定向信号，进而可同时服务在同一时频资源下的数十个用户。该特点可应对无线数据业务需求的快速增长以及新业务需求带来的挑战。单个卫星即可观测地球上大片区域的特点使其能够同时链接多个被地理分隔的用户，因此适合为那些不便采用其他通信方式的偏远社区提供通信链路。为保持与地面通信系统的竞争力，卫星通信正跟随地面MIMO技术的步伐并从多天线
的丰硕研究成果中获得益处。一方面，针对用于交换用户特有数据的专用信道传输方法已有较为广泛的研究。另一方面，许多必要的同步与控制信息需要通过公共信道传递给所有用户而不仅仅是特定的活跃用户。公共信道的传输特点催生了在大规模MIMO系统中设计具有广覆盖特性预编码方法的需求。许多必要的同步与控制信息需通过公共信道传递给覆盖范围内的全体用户终端，因此针对公共信道设计的全向或广覆盖预编码也应关注同步性能。例如，现有技术“OmnidirectionalprecodingandcombiningbasedsynchronizationformillimeterwavemassiveMIMOsystems,IEEETrans.Commun.,vol.3,no.66,pp.1013–1026,2018.”基于Golay互补序列提出了全向预编码方法，并将加性高斯白噪声(AWGN，additivewhiteGaussiannoise)下的大规模MIMO通信同步检测问题视为二元统计假设检验构成的序列，并在此基础上采用漏检(MD，misseddetection)概率来刻画同步性能。现有技术“Broadcoverageprecoderdesignfor3DmassiveMIMOsystemsynchronization,IEEETrans.Commun.,vol.68,no.7,pp.4233–4246,2020.”通过考虑小区覆盖范围内漏检概率的公平性，建立了预编码设计准则，同时考虑在各个天线上相等的发射功率来高效利用基站侧功放(PA，poweramplifier)容量。尽管已有包括以上例子在内的一些面向地面大规模MIMO系统全向和广覆盖传输方法，但是这些技术尚未被应用于大规模MIMO卫星通信场景。现有卫星通信技术大多针对特定用户的数据传输，相较而言需要通过公共信道传递给用户的信息更合适采用基于全向或广覆盖功率图样的传输方法。除了从上述检测问题的视角看待同步性能，还可以从参数估计的角度出发对同步性能进行评价。例如，卫星通信中的传播延迟和多普勒效应使得时间和频率同步性能成为重要设计指标。克拉美罗界(CRB，Cramér-Raobound)作为任意无偏估计量方差的下界，可用作被视为参数估计问题的同步过程的性能基准。在某些场景中，除了需要估计的参数外，观测数据亦可能受其他多余参数的参数影响，此时对真CRB的评估在数学上十分困难。不过也可以采用数学上较容易处理的改进型克拉美罗界(MCRB，modifiedCramér-Raobound)作为任意无偏估计量方差的界。另外，还可以将标量MCRB推广至克拉美罗矢量界(MCRVB，modifiedCramér-Raovectorbounds)以用于矢量参数估计。因此可采用MCRVB作为符号定时偏移和频率偏移估计的基准，并将该基准用于预编码设计过程的时间与频率同步性能指标。从预编码设计方法的角度看，现有技术“Broadcoverageprecoderdesignfor3DmassiveMIMOsystemsynchronization,IEEETrans.Commun.,vol.68,no.7,pp.4233–4246,2020.”通过追求以漏检概率表征的同步性能公平性，提出了一种适合设计地面MIMO系统的广覆盖预编码设计准则。然而，该准则仍然存在改进的余地。例如，当追求覆盖范围内同步性能一致时，某些原可获取更高性能的用户终端因受限于那些同步性能较弱的终端而失去了部分潜在的增益。另外，现有技术“Broadcoverageprecoderdesignfor3DmassiveMIMOsystemsynchronization,IEEETrans.Commun.,vol.68,no.7,pp.4233–4246,2020.”以及现有技术“BroadcoverageprecodingdesignformassiveMIMOwithmanifoldoptimization,IEEETrans.Commun.,vol.67,no.4,pp.2792–2806,April2019.”中的预编码设计算法需要计算大维矩阵之间的相关距离，若能采用其他方法代替该计算过程，则算法的计算复杂度有望显著减小。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，能够实现对用户终端的广覆盖，在确保时间和频率同步性能的同时，相比现有类似技术手段取得更高的功率效率，并可进一步降低计算复杂度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，根据希望覆盖的地球表面区域，计算功率图样应当覆盖的角度范围。采用MT×ST维度的广覆盖预编码矩阵W对发射信号进行处理，使得信号在设定的角度范围内功率大小可以调整，其中ST是发射信号维度，MT是发射天线数量。并且各天线单元上的发射信号功率相同，最大化各射频通道和天线阵列的功率效率。具体地，本专利技术所述的卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，具体包括以下步骤：步骤1，根据卫星在海平面以上高度和地球平均半径信息，基于三角几何关系计算发射信号到地球表面用户终端的传输距离，设置所需广覆盖功率图样，追求在覆盖范围内最小接收功率点处的接收功率最大化；发射信号到地球表面用户终端的传输距离：卫星天线阵列与用户终端的距离表示为信号传输方向的函数，具体地，卫星天线阵列与某个用户终端的距离d(θT)表示为其中，θT是信号传输方向的天顶角，h是卫星在海平面以上的高度，r是地球的平均半径；广覆盖功率图样：用表示位于发射功率图样球面上的发射角样点(θp,φp)，其中，表示样点序数构成的集合，θp表示离散天顶角，φp表示离散方位角，则由MT×ST维度的广覆盖预编码矩阵W产生的离散功率图样a(θp,φp)表示为：或者其中，e(θp,φp)表示各发射天线的阵元图样，MT表示发射天线数量，ST表示发射流数量，vT(θp,φp)表示阵列导向矢量，ws表示预编码矩阵中第s列构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据卫星在海平面以上高度和地球平均半径信息，基于三角几何关系计算发射信号到地球表面用户终端的传输距离，设置所需广覆盖功率图样，追求在覆盖范围内最小接收功率点处的接收功率最大化；/n发射信号到地球表面用户终端的传输距离：卫星天线阵列与用户终端的距离表示为信号传输方向的函数，具体地，卫星天线阵列与某个用户终端的距离d(θ

【技术特征摘要】
1.一种卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据卫星在海平面以上高度和地球平均半径信息，基于三角几何关系计算发射信号到地球表面用户终端的传输距离，设置所需广覆盖功率图样，追求在覆盖范围内最小接收功率点处的接收功率最大化；
发射信号到地球表面用户终端的传输距离：卫星天线阵列与用户终端的距离表示为信号传输方向的函数，具体地，卫星天线阵列与某个用户终端的距离d(θT)表示为其中，θT是信号传输方向的天顶角，h是卫星在海平面以上的高度，r是地球的平均半径；
广覆盖功率图样：用表示位于发射功率图样球面上的发射角样点(θp,φp)，其中，表示样点序数构成的集合，θp表示离散天顶角，φp表示离散方位角，则由MT×ST维度的广覆盖预编码矩阵W产生的离散功率图样a(θp,φp)表示为：



或者



其中，e(θp,φp)表示各发射天线的阵元图样，MT表示发射天线数量，ST表示发射流数量，vT(θp,φp)表示阵列导向矢量，ws表示预编码矩阵中第s列构成的矢量；
步骤2，以最小最大改进型克拉美罗界为目标，以各天线相等的发射功率为约束条件构建优化问题，再基于流形上的非单调共轭梯度法进行优化，求得最优预编码矩阵；
最小最大改进型克拉美罗界为目标，表示为：



其中，d2(θp)表示卫星天线阵列与某个用户终端的距离平方；
各天线相等的发射功率，预编码矩阵W满足约束条件即预编码矩阵W在oblique流形上，表示MT维单位矩阵；
非单调共轭梯度法：第k次迭代的搜索步长μ(k)满足如下非单调条件：



其中



其中，表示目标函数，c1为常数，表示取实部，D(k)表示搜索方向，为流形上的黎曼梯度，表示黎曼梯度与搜索方向的内积，m表示正整数；
步骤3，基于求得的最优预编码矩阵对信号进行广覆盖预编码处理并发送，对地球表面的用户终端实现广覆盖。


2.根据权利要求1所述卫星大规模MIMO广覆盖预编码传输方法，其特征在于：步骤1中根据卫星在海平面以上高度和地球平均半径信息，基于三角几何关系计算发射信号到地球表面用户终端的传输距离的方法：
步骤111，为发射信号构建以URA几何中心C为原点的球面坐标系，于是信号传输方向在球面坐标系中表示为(θT,φT)；将发射机侧导向矢量v(θ,φ)记作vT(θT,φT)；令d(θT,φT)表示卫星URA几何中心与某一用户终端的距离，令表示各发射天线的阵元图样，其中mx＝1,2,...,Mx与my＝1,2,...,My为发射天线阵元的索引，Mx和My分别表示沿x轴和y轴的天线数量，URA上全体发射天线阵元具有相同的阵元图样：
步骤112，令点O表示地球的几何中心，并将地球的平均半径记作r；令点A表示星下点，即卫星与地心连线在地球表面的交点；令h表示卫星在海平面以上的高度，该数值近似等于表示卫星位置的点C与星下点A之间的距离；令点P表示任意用户终端的位置，于是传播距离d(θT,φT)就是CP的长度；对于天底指向的情形，传播距离与方位角φT无关，因此符号d(θT,φT)简化为d(θT)；当天底指向...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，郭伟然，卢安安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32