一种LEO卫星通信系统混合预编码方法

本发明属于无线通信，涉及卫星通信，具体涉及一种leo卫星通信系统的混合波束成形方法。

背景技术：

1、近年来，多波束低轨道leo卫星网络凭借全域无缝覆盖、低传输时延、灾害应急可靠接入等优势，成为天地一体化信息网络的核心组成部分。受制于星上载荷体积、功耗与硬件成本约束，leo卫星难以为每根天线配备独立射频链路，混合数字、模拟波束成形架构成为星载多波束赋形的主流实现方案。该架构通过采用数量远少于天线总数的射频链路，在控制硬件开销的条件下实现高效波束调控，从而显著提升系统频谱效率及用户服务质量。然而，leo卫星高速运动导致卫星链路状态及网络拓扑动态变化，带来时变覆盖范围、动态星地信道，同时存在星上总发射功率、移相器恒模等硬件约束，如何综合考虑网络动态特性、复杂用户需求及用户多样化需求，设计高效混合波束成形及波束调度策略以实现系统性能提升成为重要的研究课题。现有研究已经考虑多波束卫星通信系统的资源分配问题，但较少考虑混合波束成形及波束调度问题，难以实现系统综合性能优化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种leo卫星通信系统混合预编码方法，针对包含多个leo卫星和多个地面用户的通信系统，建模系统奖励函数作为优化目标，优化确定点波束调度策略及混合预编码，提高系统性能。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种leo卫星通信系统混合预编码方法，该方法包括：

4、s1：建模卫星通信网络模型，具体包括：系统由多个leo卫星及用户组成，令m表示leo卫星的数量，sm表示第m个leo卫星，；将用户划分成g个用户簇，令cg表示第g个用户簇，cg包含ng个单天线用户，，ug,k表示cg的第k个用户；建模用户簇覆盖标识，若时隙t，sm覆盖cg，则，反之；leo卫星采用平面天线阵列，令nt表示leo卫星的发送天线数量，nx、ny分别表示水平方向及垂直方向的天线数量，可得，每个卫星可产生一个宽波束及多个点波束，点波束数量为n，宽波束可覆盖一个用户簇，点波束仅可服务一个用户，同一卫星内部所有点波束采用全频复用；将系统时间t划分为连续等长时隙，时隙时长为；建模星地信道模型，令时隙t，sm到ug,k的信道增益表示为hm,g,k(t)；

5、s2：建模波束调度变量，具体包括：令表示卫星宽波束与用户簇之间的调度变量，若时隙t，sm的宽波束可覆盖cg，，反之，；令表示时隙t，sm的点波束与ug,k间的调度变量，若时隙t，sm的点波束服务ug,k, ，反之，；

6、s3：构建卫星发送信号与用户接收信号模型，具体包括：令时隙t，sm的发送信号表示为，建模为：，其中，为时隙t，sm发送至ug,k的原始符号，，分别为时隙t的模拟预编码矢量和数字预编码,nrf为leo卫星射频链的数量；令表示时隙t，ug,k接收到的来自sm的信号，建模为：；

7、s4：建模系统频谱效率，具体地，令表示ug,k接收sm发送的信号时对应的频谱效率，建模为：，其中，表示ug,k在时隙t的信干噪比，建模为：

8、

9、令表示时隙t，系统的频谱效率，建模如下：

10、

11、s5：建模资源分配约束条件，具体地，任意时隙各卫星所有点波束的总发送功率小于等于卫星总的发送功率；卫星模拟预编码恒模约束；任意时隙一个用户簇最多被一个宽波束照亮，任意时隙一个宽波束最多服务一个用户簇；任意时隙一个用户最多被一个卫星的一个点波束照亮，任意时隙一个点波束最多照亮一个用户；仅当用户位于卫星覆盖区域，才可被宽波束服务；卫星点波束仅可服务宽波束已覆盖的用户；；

12、s6：确定候选用户簇，基于贪婪算法确定宽波束调度策略；

13、s7：建模系统状态、动作及奖励函数；

14、s8：构建并训练参数化深度q网络pdqn网络；

15、s9：基于pdqn算法确定点波束调度策略及混合预编码；

16、进一步，步骤s1中，建模星地信道模型，具体包括：时隙t，sm到ug,k的信道增益可建模为，其中，表示sm的发送天线增益，表示ug,k的接收天线增益，表示光速，表示时隙t，sm与ug,k之间的距离，表示多普勒频移，表示传播时延，表示载波频率，表示阵列响应因子，可建模为，其中和分别表示x轴和y轴方向的阵列响应向量，表示克罗内克积。

17、进一步，步骤s5中，建模资源分配约束条件，具体包括：

18、1）卫星波束发射功率约束：任意时隙各卫星所有点波束的总发射功率小于等于卫星总的发射功率，则有：

19、

20、其中，pmax表示卫星总发射功率；

21、2）卫星模拟预编码恒模约束，则有：

22、

23、3）波束照明约束：任意时隙一个用户簇最多被一个宽波束照亮，任意时隙一个宽波束最多服务一个用户簇，则有：

24、，

25、

26、任意时隙一个用户最多被一个卫星的一个点波束照亮，且一个点波束最多照亮一个用户，则有：

27、，

28、

29、仅当用户位于卫星覆盖区域，才可被宽波束服务，则有：

30、

31、卫星点波束仅可服务宽波束已覆盖的用户，则有：

32、

33、进一步，步骤s6中，确定宽波束调度算法，具体包括：令表示时隙t，sm的候选用户簇，若用户组位于卫星覆盖范围内，则为该卫星的候选用户组，即：若，；基于用户簇信道传输性能确定卫星宽波束调度策略，令表示时隙t, sm和cg之间信道传输性能度量，建模为：，选择信道传输性能度量最优的用户簇作为宽波束调度用户簇，即：若，则。

34、进一步，步骤s7中，建模系统状态、动作及奖励函数，具体包括：定义时隙t,系统状态空间，其中，为时隙t，卫星sm的状态，定义为：；定义时隙t，系统动作空间，其中，为时隙t，卫星sm的动作，定义为：；t时隙的系统奖励函数定义为，其中，p1为波束发射功率惩罚，p2为恒模惩罚。

35、进一步，步骤s8中，构建并训练参数化深度q网络pdqn网络，具体包括：对系统动作空间进行处理，将连续动作，表示为离散动作的函数，即、；基于深度确定性策略梯度ddpg方法确定最优连续动作、；给定当前时刻t的系统状态及对应的连续动作、，基于深度q网络dqn方法确定最优离散动作；

36、令、、、，可建模q函数如下：

37、

38、其中，为折扣因子；给定，可确定最优模拟预编码及最优数字预编码：

39、

40、将视为一个由系统状态到混合预编码策略的映射，即及，可得：

41、

42、分别采用神经网络及对及、进行估计，其中，为价值网络，表示该网络的权值；为基于确定策略梯度的网络，表示该网络的权值；给定，对应的满足：；采用梯度下降法更新及。

43、进一步，步骤s9中，基于pdqn算法确定点波束调度策略及混合预编码，具体包括：在满足卫星波束发射功率、预编码及波束照明等约束条件下，以最大化系统累积奖励为目标，优化确定资源分配策略：

44、

45、其中，分别为sm的最优点波束调度、模拟预编码及数字预编码。

46、本发明的有益效果在于：本发明方法能够在满足总发射功率、模拟预编码恒模等硬件约束的前提下，基于波束调度、宽点波束混合预编码联合优化策略，最大化用户整体频谱效率，显著提升leo卫星网络系统传输性能。

47、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。