一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法技术

本发明专利技术公开了一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，该方法为在卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户；通信和定位使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射导频和数据信号实施通信定位一体化；通过初始接入或跟踪的方式，在卫星端获得该卫星和用户的粗略位置信息，并基于此将经过预编码的导频和数据信号发送到各个用户；用户端从接收到的导频信号中估计出信道参数，并得到更精确的位置信息，将其反馈给卫星端。本发明专利技术充分利用频谱资源，基于低轨卫星同时实现无线通信和定位功能，大幅提升通信性能以及定位精度，实现通信全球覆盖和无缝定位。实现通信全球覆盖和无缝定位。实现通信全球覆盖和无缝定位。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法


[0001]本专利技术涉及一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法。属于卫星通信的


技术介绍

[0002]6G移动通信系统以其更高的频段、更宽的带宽、更大规模天线阵列，有望实现泛在且无缝的覆盖、增强通信能力和提高定位精度，从而可以再一个系统中实现通信定位一体化。通信定位一体化通过共享同一硬件平台，实现通信和定位的频谱共享，同时进行波形和信号的一体化处理，提高资源的利用率。现有的通信定位一体化工作主要集中在地面网络，然而，地面网络的通信定位一体化性能受到地面基础设施部署的限制，并且信号易被阻塞。在这些场景下，卫星网络可以作为地面网络的补充。
[0003]目前已有地面网络通信定位一体化系统下行链路的预编码设计研究，但地面和卫星系统信号传播特性存在显著差异，因此这些工作不能直接应用于卫星系统。具体来说，由于卫星与用户终端之间的长距离，以及收发器的移动性，系统存在较长的传播延迟和较大的多普勒频移。因此，卫星与用户终端之间的时变瞬时信道状态信息很难估计，估计的结果也可能是过时的，从而在大规模多输入多输出(MIMO)卫星通信定位一体化系统中使用瞬时信道状态信息进行下行预编码设计是一项富有挑战性的工作。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对上述现有技术，本专利技术提出一种基于慢变统计信道状态信息的卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，以权衡通信容量和定位精度，并运用谱效和平方位置误差下界来分别评估通信和定位的性能，从而实现频谱资源的有效利用，并大幅提升通信的容量以及定位的精度。
[0005]技术方案：本专利技术是一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，该方法为在卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户；通信和定位使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射导频和数据信号实施通信定位一体化；通过初始接入或跟踪的方式，在卫星端获得该卫星和用户的粗略位置信息，并基于此将经过预编码的导频和数据信号发送到各个用户；用户端从接收到的导频信号中估计出信道参数，并得到更精确的位置信息，将其反馈给卫星端；通信定位一体化预编码为基于谱效最大化和平方位置误差下界最小化原则和多目标优化的混合预编码方案；大规模MIMO天线阵列的每个天线单元独立发送信号，并采用全数字或模拟或混合的传输方式，在卫星和各用户终端的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端的位置信息的变化，更新通信定位一体化预编码。
[0006]所述通过发射导频和数据信号实施通信定位一体化，引入权重系数ρ∈[0,1]，来权衡通信和定位的性能。
[0007]所述通信定位一体化预编码，其设计方法为：
[0008]为设计卫星通信定位一体化系统包括数字和模拟预编码器的混合预编码器，建立
如下优化问题，以最大化下行谱效R
sum
的同时最小化和平方误差下界令数字预编码器的集合W
BB,n
表示第n个子载波上的数字预编码器，N
sc
表示子载波数，并定义目标函数为一矢量上标T表示转置，W
RF
表示模拟预编码器，于是，相应的多目标优化问题表示为：
[0009][0010]式中，表示矩阵Frobenius范数。问题是基于通信和定位指标的矢量的最大化问题，将该矢量最大化问题定义为同时最大化通信和定位指标，公式(1)中，P表示传输功率预算，模拟预编码器所需满足的约束集合其中，和分别表示全连接和部分连接结构下模拟预编码器应当满足的约束条件，对于部分连接结构，天线单元被分为N
rf
组，每组拥有N
g
＝N
t
/N
rf
个天线单元，N
t
表示天线总数，于是，相应的模拟预编码器可以用块对角矩阵的形式表示，也即，w
RF,i
表示模拟预编码器W
RF
第i列的非零部分，blkdiag{
·
}表示块对角矩阵。
[0011]所述通信定位一体化预编码，其中每一个子载波上的信号设计数字预编码器，同时，为所有子载波上的信号设计一个公共的模拟预编码器；
[0012]步骤1：对通信，令第n个子载波上数字和模拟预编码器的乘积为W
n
＝W
RF
W
BB,n
，将用户k第n个子载波上的线性接收器表示为u
k,n
，令其集合K表示总用户数，并引入辅助权重变量ω
k,n
表示第k个用户和第n个子载波上的权重变量，这样，最大化谱效就等效转化为最小化加权和均方误差，也即，
[0013][0014]式中，ε
k,n
(W
n
,u
k,n
)表示估计信号和传输信号s
k,n
的均方误差，log(
·
)表示对数，由下式给出
[0015][0016]其中，h
k,n
表示第k个用户第n个子载波上的信道，w
k,n
表示第k个用户的预编码向量，w
i,n
表示第i个用户的预编码向量，上标H表示共轭转置，N0表示噪声方差，|
·
|表示取幅度，表示取期望；
[0017]步骤2：对定位，将第n个子载波上数字和模拟预编码器的乘积视为一个整体，即，
旨在设计预编码器来最小化和平方位置误差下界，从而建立了如下优化问题
[0018][0019]式中，E＝[e1,e2,e3]，其中，表示第i个元素为1其余元素均为0的矢量，表示第k个用户关于卫星和第k个用户之间的信道参数的费舍尔信息矩阵，Tr{
·
}表示取迹；
[0020]于是，和平方位置误差下界的最小化就转化为混合预编码器的乘积与问题中得到的预编码器之间的欧几里得距离的最小化；
[0021]步骤3：令辅助矩阵则问题转化为下列秩约束优化问题
[0022][0023]式中，rank{
·
}表示取秩，A≥B表示A
‑
B半正定；
[0024]步骤4：引入辅助变量满足
[0025][0026]注意到费舍尔信息矩阵的半正定性，利用舒尔补的性质，将公式(6)表示为
[0027][0028]因此，问题转化为
[0029][0030]步骤5：为提高运算效率，将松弛问题的最优解表示为
[0031][0032]式中，Z
n
表示3K
×
3K的半正定矩阵，辅助矩阵L
n
＝[V
n V
n,x V
n,y
]，其中，辅助矩阵V
n
＝[v
1,n
,...,v
K,n
]，v
k,n
表示第k个用户的阵列响应，对于d∈{x,y}，辅助矩阵定义为阵列响应v
k,n
对d轴上的到达角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，其特征在于，该方法为在卫星端配备大规模MIMO天线阵列，同时服务于多个用户；通信和定位使用相同的频谱资源和同一硬件平台，通过发射导频和数据信号实施通信定位一体化；通过初始接入或跟踪的方式，在卫星端获得该卫星和用户的粗略位置信息，并基于此将经过预编码的导频和数据信号发送到各个用户；用户端从接收到的导频信号中估计出信道参数，并得到更精确的位置信息，将其反馈给卫星端；通信定位一体化预编码为基于谱效最大化和平方位置误差下界最小化原则和多目标优化的混合预编码方案；大规模MIMO天线阵列的每个天线单元独立发送信号，并采用全数字或模拟或混合的传输方式，在卫星和各用户终端的动态移动过程中，随着卫星与各用户终端的位置信息的变化，更新通信定位一体化预编码。2.根据权利要求1所述的卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，其特征在于，所述通过发射导频和数据信号实施通信定位一体化，引入权重系数ρ∈[0,1]，来权衡通信和定位的性能。3.根据权利要求2所述的卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，其特征在于，所述通信定位一体化预编码，其设计方法为：为设计卫星通信定位一体化系统包括数字和模拟预编码器的混合预编码器，建立如下优化问题，以最大化下行谱效R
sum
的同时最小化和平方误差下界令数字预编码器的集合W
BB,n
表示第n个子载波上的数字预编码器，N
sc
表示子载波数，并定义目标函数为一矢量上标T表示转置，W
RF
表示模拟预编码器，于是，相应的多目标优化问题表示为：式中，||
·
||
F
表示矩阵Frobenius范数。问题是基于通信和定位指标的矢量的最大化问题，将该矢量最大化问题定义为同时最大化通信和定位指标，公式(1)中，P表示传输功率预算，模拟预编码器所需满足的约束集合其中，和分别表示全连接和部分连接结构下模拟预编码器应当满足的约束条件，对于部分连接结构，天线单元被分为N
rf
组，每组拥有N
g
＝N
t
/N
rf
个天线单元，N
t
表示天线总数，于是，相应的模拟预编码器可以用块对角矩阵的形式表示，也即，w
RF,i
表示模拟预编码器W
RF
第i列的非零部分，blkdiag{
·
}表示块对角矩阵。4.根据权利要求3所述的卫星大规模MIMO通信定位一体化的发送方法，其特征在于，所述通信定位一体化预编码，其中每一个子载波上的信号设计数字预编码器，同时，为所有子载波上的信号设计一个公共的模拟预编码器；步骤1：对通信，令第n个子载波上数字和模拟预编码器的乘积为W
n
＝W
RF
W
BB,n
，将用户k第
n个子载波上的线性接收器表示为u
k,n
，令其集合K表示总用户数，并引入辅助权重变量ω
k,n
表示第k个用户和第n个子载波上的权重变量，这样，最大化谱效就等效转化为最小化加权和均方误差，也即，式中，ε
k,n
(W
n
,u
k,n
)表示估计信号和传输信号s
k,n
的均方误差，log(
·
)表示以2为底的对数函数，由下式给出其中，h
k,n
表示第k个用户第n个子载波上的信道，w
k,n
表示第k个用户的预编码向量，w
i,n
表示第i个用户的预编码向量，上标H表示共轭转置，N0表示噪声方差，|
·
|表示取幅度，表示取期望；步骤2：对定位，将第n个子载波上数字和模拟预编码器的乘积视为一个整体，即，旨在设计预编码器来最小化和平方位置误差下界，从而建立了如下优化问题式中，E＝[e1,e2,e3]，其中，表示第i个元素为1其余元素均为0的矢量，表示第k个用户关于卫星和第k个用户之间的信道参数的费舍尔信息矩阵，Tr{
·
}表示取迹；于是，和平方位置误差下界的最小化就转化为混合预编码器的乘积与问题中得到的预编码器之间的欧几里得距离的最小化；步骤3：令辅助矩阵则问题转化为下列秩约束优化问题式中，rank{
·
}表示取秩，A≥B表示A
‑
B半正定；步骤4：引入辅助变量满足注意到费舍尔信息矩阵的半正定性，利用舒尔补的性质，将公式(6)表示为因此，问题转化为
步骤5：为提高运算效率，将松弛问题的最优解表示为式中，Z
n
表示3K
×
3K的半正定矩阵，辅助矩阵L
n
＝[V
n V
n,x V
n,y
]，其中，辅助矩阵V
n
＝[v
1,n
,...,v
K,n
]，v
k,n
表示第k个用户的阵列响应，对于d∈{x,y}，辅助矩阵表示第k个用户的阵列响应，对于d∈{x,y}，辅助矩阵定义为阵列响应v<...

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