考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法，首先考虑卫星与用户终端的移动性以及下行链路的长传输时延，采用统计信道信息；其次考虑功放引起的信号失真，基于非线性功放模型，建立发送端输入输出关系；接着运用Dinkelbach算法和投影梯度上升法得到等效全数字预编码器；然后问题转化为最小化混合预编码器与全数字预编码器之间的欧几里得距离；同时考虑高精度移相网络的高功耗和低精度移相网络的低增益，采用双精度移相网络来实现模拟预编码器，并采用迭代更新和量化的方法联合设计双精度移相网络和混合预编码器。本方法能够缓解非线性效应对系统性能的影响，保障系统的能效，同时降低系统功耗和实现的复杂度。实现的复杂度。实现的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信系统预编码方法，尤其涉及了一种考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法。

技术介绍

[0002]相比传统的地球静止卫星通信系统，非地球静止卫星通信系统具有更高的吞吐量和更低的延迟。其中，在500～2000公里高度部署的低轨道卫星通信系统因其小尺寸、低成本和链路损耗引起了广泛的关注。在卫星系统的前向链路中，可以考虑采用多波束和大规模多输入多输出技术，实现动态波束赋形。低轨卫星通常由太阳能电池板供电，其功耗一般是不可忽略的，提高能效可以减小卫星尺寸、延长设备寿命，在能源有限和绿色通信的背景下，低轨卫星通信系统应当考虑将高能效和低功耗作为设计的关键性能指标。
[0003]在实际应用中，传统传输方法会受到各种限制：首先，由于长的传播延迟和用户终端的移动性，很难在发射机处获得准确的瞬时信道状态信息，需要考虑采用统计信道状态信息；其次，传统的预编码设计假设功放工作在线性区，当传输功率稍大时，这一假设很难满足，因此需要考虑功放的非线性影响；另一方面，在传统的混合预编码结构中，模拟预编码器采用高精度或者低精度移相网络实现，但是，高精度移相网络的功耗较大而低精度移相网络阵列增益较小，需要在两者中进行权衡。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法，可以有效缓解非线性效应对系统性能的影响，降低功耗和成本，提高低轨卫星通信系统的能效和传输性能，降低实现复杂度。
[0005]技术方案：考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：在低轨卫星通信系统的传输端，采用统计信道状态信息；
[0007]步骤2：对所需传输的数据流s进行混合预编码，得到编码信号u＝VWs,其中V和W分别表示模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵，模拟预编码矩阵V由双精度移相网络实现，且双精度移相网络中，分辨率为r
H
和r
L
的高精度和低精度移相器个数分别为N
H
和N
L
，每个高精度和低精度移相器可取的相位值分别为和个，包含在集合和中，即
[0008][0009]其中，ψ
H
为高精度移相器的相位值，ψ
L
为低精度移相器的相位值；
[0010]每个移相器均与N
t
个开关相连，以此控制实际与天线相连接的移相器的精度，从而调节模拟预编码矩阵中每个元素的精度；具体的，对于全连接结构的模拟预编码器，其移
相网络中共包含N
t
M
t
个移相器和个开关，并且，模拟预编码器中采用高、低精度移相器的元素所对应的位置编号包含在集合和中；对于部分连接结构的模拟预编码器，天线被分为N
g
＝N
t
/M
t
组，因此该移相网络中只包含N
t
个移相器和个开关，并且根据采用部分连接结构时模拟预编码器的稀疏性，对其中的元素进行向量化处理，将向量化之后的等效模拟预编码器中采用高、低精度移相器的元素所对应的位置编号包含在集合和中；其中N
t
和M
t
分别表示天线数和射频链的数目；
[0011]步骤3：考虑功放引起的信号失真，基于非线性功放的三阶多项式模型，将第n个功放的瞬时增益建模为ρ
n
＝β1+β3|u
n
|2，β1和β3为描述功放非线性的系数，u
n
表示第n个编码信号，对于理想线性功放，β3＝0；对于编码信号u，非线性功放的输出建模为其中为对角线性增益矩阵，为编码矢量的自相关矩阵，d表示非线性失真，其自相关矩阵为上标H和T分别表示转置和共轭转置，|
·
|表示向量的模，表示数学期望，
⊙
表示Hadamard积；
[0012]步骤4：构建能量效率最大化的混合预编码优化设计问题，所述优化设计问题的优化目标为某个用户组的能量效率即该用户组内所有用户的平均和速率和该组总功耗的比值；式中，P
total
表示采用混合预编码架构消耗的总能量，下标为第n个放大器的功耗，P
max
和ξ
max
分别为非线性功放的输出功率的最大值和最高效率，P
rad,n
为第n个传输信号的自相关矩阵，且x
n
表示第n个传输信号，下标k∈{1,
…
,K}，K为用户数，B
w
为带宽，SINR
k
为该用户组中第k个用户的信干噪比，P
t
是传输机所消耗的能量；
[0013]对于采用双精度移相网络实现的模拟预编码器，约束条件分别为：
[0014]全连接结构：
[0015][0016]部分连接结构：
[0017][0018]以及总发射功率小于某个定值。
[0019]式中，分别表示全连接和部分连接下符合条件的模拟预编码矩阵的集合，[V]i,j
表示矩阵V的第i行第j列的元素，表示向上取整；表示全连接模拟预编码器中采用低精度的移相器的元素所对应的位置编号，当R＝H时，表示部分连接模拟预编码器中采用高精度的移相器的元素所对应的位置编号，当R＝L时，表示部分连接模拟预编码
器中采用低精度的移相器的元素所对应的位置编号，表示采用全连接结构的模拟预编码矩阵V中由高精度或低精度移相器实现的元素的角度，表示采用部分连接结构的模拟预编码矩阵V中由高精度或低精度移相器实现的元素的角度；
[0020]步骤5：根据Dinkelbach算法和投影梯度上升法求解得到功率约束条件下的全数字预编码器；
[0021]步骤6：将优化设计问题转化为最小化模拟和数字预编码器的乘积与全数字预编码器之间的欧几里得距离，并对双精度移相网络和混合预编码器进行联合设计；若模拟预编码器采用全连接结构，采用基于交替优化和最大特征值投影的迭代更新量化方法得到数字和模拟预编码器；若模拟预编码器采用部分连接结构，可以通过基于变量投影法的迭代更新量化方法得到数字和模拟预编码器；
[0022]步骤7：在低轨卫星与各用户的移动过程中，随着低轨卫星与各用户间信道统计特性的变化，动态地实施所述双精度混合预编码方法。
[0023]有益效果：本专利技术提供的考虑功放非线性的双精度混合预编码方法考虑功放引起的信号失真，基于非线性功放模型，建立了发送端的输入输出关系，并通过建立全数字下的能量效率最大化问题得到等效全数字预编码器，接着，通过联合设计混合预编码器和双精度移相网络得到模拟和数字预编码器。该方法可以有效缓解功放非线性效应对系统性能的影响，降低功耗和成本，和采用高精度或低精度移相网络并假设功放工作在线性区的传统预编码方法相比，能够有效提高低轨卫星通信系统的能量效率和传输性能。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑功放非线性的低轨卫星通信双精度混合预编码方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在低轨卫星通信系统的传输端，采用统计信道状态信息；步骤2：对所需传输的数据流s进行混合预编码，得到编码信号u＝VWs，其中V和W分别表示模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵，模拟预编码矩阵V由双精度移相网络实现，且双精度移相网络中，分辨率为r
H
和r
L
的高精度和低精度移相器个数分别为N
H
和N
L
，每个高精度和低精度移相器可取的相位值分别为和个，包含在集合和中，即中，即其中，ψ
H
为高精度移相器的相位值，ψ
L
为低精度移相器的相位值；每个移相器均与N
t
个开关相连，以此控制实际与天线相连接的移相器的精度，从而调节模拟预编码矩阵中每个元素的精度；具体的，对于全连接结构的模拟预编码器，其移相网络中共包含N
t
M
t
个移相器和个开关，并且，模拟预编码器中采用高、低精度移相器的元素所对应的位置编号包含在集合和中；对于部分连接结构的模拟预编码器，天线被分为N
g
＝N
t
/M
t
组，因此该移相网络中只包含N
t
个移相器和个开关，并且根据采用部分连接结构时模拟预编码器的稀疏性，对其中的元素进行向量化处理，将向量化之后的等效模拟预编码器中采用高、低精度移相器的元素所对应的位置编号包含在集合和中；其中N
t
和M
t
分别表示天线数和射频链的数目；步骤3：考虑功放引起的信号失真，基于非线性功放的三阶多项式模型，将第n个功放的瞬时增益建模为ρ
n
＝β1+β3|u
n
|2，β1和β3为描述功放非线性的系数，u
n
表示第n个编码信号，对于理想线性功放，β3＝0；对于编码信号u，非线性功放的输出建模为其中为对角线性增益矩阵，为编码矢量的自相关矩阵，d表示非线性失真，其自相关矩阵为上标H和T分别表示转置和共轭转置，|
·
|表示向量的模，表示数学期望，
⊙
表示Hadamard积；步骤4：构建能量效率最大化的混合预编码优化设计问题，所述优化设计问题的优化目标为某个用户组的能量效率即该用户组内所有用户的平均和速率和该组总功耗的比值；式中，P
total
表示采用混合预编码架构消耗的总能量，下标n∈{1，...，N
t
}，为第n个放大器的功耗，P
max
和ξ
max
分别为非线性功放的输出功率的最大值和最高效率，P
rad，n
为第n个传输信号的自相关矩阵，且x
n
表示第n个传输信号，下标k∈{1，
…
，K}，K为用户数，B
w
为带宽，SINR
k
为该用户组中第k个用户的信干噪比，P
t
是传输机所消耗的能量；对于采用双精度移相网络实现的模拟预编码器，约束条件分别为：全连接结构：
部分连接结构：以及总发射功率小于某个定值。式中，分别表示全连接和部分连接下符合条件的模拟预编码矩阵的集合，[V]
i，j
表示矩阵V的第i行第j列的元素，表示向上取整；表示全连接模拟预编码器中采用低精度的移相器的元素所对应的位置编号，当R＝H时，表示部分连接模拟预编码器中采用高精度的移相器的元素所对应的位置编号，当R＝L时，表示部分连接模拟预编码器中采用低精度的移相器的元素所对应的位置编号，表示采用全连接结构的模拟预编码矩阵V中由高精度或低精度移相器实现的元素的角度，表示采用部分连接结构的模拟预编码矩阵V中由高精度或低精度移相器实现的元素的角度；步骤5：根据Dinkelba...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤力，强晓宇，李科新，黄彦，王闻今，高西奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：