本文发明专利技术涉及低轨卫星与终端通信技术领域，具体涉及一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法及系统，包括根据大规模MIMO的信道模型建立低轨卫星通信系统总速率模型；以地面终端设备的分组数量、地面终端设备的活跃变量和总功率为约束条件，建立以最大化系统总速率为优化目标的数学模型；设计基于深度强化学习的终端分组算法求解数学模型，保证通信系统总速率最优。
1、大规模多输入多输出（multiple-input multiple-output, mimo）技术利用大量天线，在同一时频资源上服务多个用户，从而极大地提高系统的频谱效率。将大规模mimo技术拓展应用于低轨卫星通信系统，能够充分利用大规模mimo的空间自由度，显著提高低轨卫星通信系统容量，提升频谱资源利用率。然而，低轨卫星所能同时服务的终端数量受卫星侧发射天线数量影响。当终端数量超过低轨卫星所能支持同时进行通信的终端数量时，若随机选择终端接入，则系统总速率、性能达不到最佳。因此，在大规模mimo系统中进行合理的终端分组对于系统容量、总速率、频谱利用率的提升起着关键作用。
2、当前，在大规模mimo场景中研究的分组算法大多是针对地面基站与用户的应用场景，这些分组算法通过天线功率分配、用户分组等方式实现系统总速率最大化的主要目标，但没有考虑过接收端的处理能力。在大规模mimo的低轨卫星系统中若不考虑卫星的处理能力这一限制条件，可能会出现卫星接收数据过多超过低轨卫星的处理能力的状况，造成星上缓存队列拥塞和丢包问题。
3、因此本专利技术针对上述问题，设计一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法及系统，在保证低轨卫星接收数据量不超过自己的处理能力的前提下，以最优化低轨卫星系统总速率为目标，利用深度强化学习算法求解用户分组最优解，相比于传统的分组算法来说其能够实现近乎最佳的性能和可承受的计算复杂度。
r/>技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供了一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法及系统。
2、在第一方面，本专利技术提供了一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法，包括以下步骤：
3、s1.根据大规模mimo的信道模型建立低轨卫星通信系统总速率模型；
4、s2.以地面终端设备的分组数量、地面终端设备的活跃变量和总功率为约束条件，建立以最大化系统总速率为优化目标的数学模型；
5、s3.设计基于深度强化学习的终端分组算法求解数学模型，保证通信系统总速率最优。
6、进一步的，步骤s1具体包括如下子步骤:
7、s11.构建包括一个低轨卫星和多个地面终端设备的大规模mimo低轨卫星通信系统；其中，低轨卫星部署有n根天线和nrf个射频链路，且n=nrf；所有地面终端设备均配置单根天线；将所有地面终端设备划分为l组，第l=1,2,…,l组的地面终端设备数量表示为|l|，且|l|≤nrf，将第l组的第i个地面终端设备表示为u(l,i)；同一组内的所有地面终端设备可以在同一时频资源上传输数据，不同分组的地面终端设备利用时分多址技术在不同的时隙被服务；
8、s12.基于大规模mimo低轨卫星通信系统，构建大规模mimo系统信道模型，包括：
9、设信道状态矩阵，，hnm表示低轨卫星上第n根天线与第m个地面终端设备天线的复信道增益；
10、第l组地面终端设备发送的信号经过信道后被低轨卫星接收，其表示为：
11、
12、其中，yl表示低轨卫星接收的经过信道传输的第l组地面终端设备发送的信号，表示第l组地面终端设备发送的信号经过信道的信道噪声集合，所有信道噪声均服从高斯分布，表示第l组地面终端设备传输的数据与波束成型矩阵的结合：
13、
14、其中，表示与信道状态矩阵h有关的波束成型矩阵，wi表示波束成型矩阵w第i列向量，表示第l组地面终端设备的发射功率矩阵；
15、第l组的第i个地面终端设备接收到的通过信道传输的信号表示为：
16、
17、其中，ni表示第l组的第i个地面终端设备的信号经过信道的信道噪声；
18、故第l组的第i个地面终端设备的sinr表示为：
19、
20、其中，表示第i个地面终端设备对应的信道噪声的功率；
21、s13.根据大规模mimo系统信道模型构建t时隙时系统的总速率，表示为：
22、
23、采用活跃变量表示第l组的第i个地面终端设备在t时隙是否有数据传输，当，表示第l组的第i个地面终端设备在t时隙有数据需要传输，当，表示第l组的第i个地面终端设备在t时隙没有数据需要传输；同时采用决策变量表示第l组的第i个地面终端设备在t时隙能否进行数据传输，当，表示第l组的第i个地面终端设备在时隙t可以传输数据，当，表示第l组的第i个地面终端设备在时隙t不能传输数据；其中，时一定为1；
24、基于此，低轨卫星通信系统总速率模型表示为：
25、。
26、进一步的，以最大化系统总速率为优化目标的数学模型表示为：
27、
28、其中，r表示系统总速率，，hnm表示低轨卫星上第n根天线与第m个地面终端设备天线的复信道增益；wi表示波束成型矩阵w第i列向量，pi表示第l组的第i个地面终端设备的发射功率；表示第l组的第i个地面终端设备在tl时隙的活跃变量， 表示第l组的第i个地面终端设备在t时隙的决策变量，表示第i个地面终端设备对应的信道噪声的功率。
29、进一步的，数学模型的相关约束条件为：
30、
31、
32、
33、
34、其中，|l|表示第l组的地面终端设备数量，n表示低轨卫星的天线数量，pmax表示低轨卫星最大发射功率，表示卫星处理能力，即卫星处理数据的速度，q表示卫星缓存队列的长度，t1表示时隙t的持续时间长度，rmax表示最大系统总速率。
35、进一步的，步骤s3设计基于深度强化学习的终端分组算法，包括：
36、s31.设t时隙的状态集为：，为第i个地面终端设备在t时隙的状态，sinrti为第i个地面终端设备在t时隙的sinr值，dti∈{0,1}为第i个地面终端设备在t时隙的活跃变量值；
37、s32.设t时隙的动作集为，为第i个地面终端设备在t时隙的动作，m为地面终端设备数量；
38、s33.定义奖励值r为：
39、
40、其中，表示第i个地面终端设备对应的信道噪声的功率，dti∈{0,1}为第i个地面终端设备在t时隙的活跃变量值；，hnm表示低轨卫星上第n根天线与第m个地面终端设备天线的复信道增益；wi表示波束成型矩阵w第i列向量，pi表示第l组的第i个地面终端设备的发射功率；表示卫星处理数据的速度，q表示卫星缓存队列的长度，rmax表示最大系统总速率；
41、s34.第i个地面终端设备根据时隙t及以前时隙的决策调整下一时隙t+1的状态，下一时隙t+1的状态集表示为，；然后根据下一时隙t+1的动作集，在时隙t+1进行终端分组时对时隙t+1的状态集进行状态值调整，表示为：
42、
43、其中，表示状态调整因子，与时本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下子步骤：
3.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法，其特征在于，以最大化系统总速率为优化目标的数学模型表示为：
4.根据权利要求3所述的一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法，其特征在于，数学模型的相关约束条件为：
5.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO卫星通信的终端分组方法，其特征在于，步骤S3设计基于深度强化学习的终端分组算法，包括：
6.一种大规模MIMO卫星通信的终端分组系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的一种大规模MIMO卫星通信的终端分组系统，其特征在于，以最大化系统总速率为优化目标的数学模型表示为：
【技术特征摘要】
1.一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法，其特征在于，步骤s1具体包括如下子步骤：
3.根据权利要求1所述的一种大规模mimo卫星通信的终端分组方法，其特征在于，以最大化系统总速率为优化目标的数学模型表示为：
4.根据权利要求3所述的一种大规模mimo卫星通信的终端分组...
【专利技术属性】
技术研发人员：王志刚，陈永刚，曹海涛，
申请(专利权)人：成都本原星通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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