一种卫星通信的大规模MIMO预编码分组方法

一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法
技术领域
1.本发明属于通信领域，尤其涉及一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法。


背景技术：

2.卫星通信与地面通信一样，采用无线电波的收发进行。相控阵天线可以用于多输入多输出(mimo，multiple-input multiple-output)的场景，同时接受多个用户的信号以及通过多波束技术同时发送多个信号给特定位置的用户。相控阵中，控制每一个阵元小天线的幅度与相位的装置称为波束赋形网络。波束赋形网络通过给定的用户位置和需要发送给每一个用户的信号，根据已知的相控阵数据，例如相控阵单元数量与排布等，通过光学和电磁学原理计算得出每个相控阵单元的参数。
3.随着快速上涨的用户需求，一个卫星同时服务的用户数将会很多，用户数相同频率同时发送的信号将会出现同频干扰。同时，用户数的增多也意味着波束的增多，在天线参数不变的情况下，预编码的计算效率和运行效率将会降低。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法,以解决随着快速上涨的用户需求，一个卫星同时服务的用户数将会很多，用户数相同频率同时发送的信号将会出现同频干扰，同时，用户数的增多也意味着波束的增多，在天线参数不变的情况下，预编码的计算效率和运行效率将会降低的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
6.一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法，包括以下步骤：
7.s1：建立相控阵模型，相控阵有mv×mu
个天线阵元，呈现阵元间距离为半个发送波长的矩阵排布；一共有k个用户需要通信，在一个区域内，根据已有用户的位置确认其与卫星的俯仰角与方位角，测量用户的信道向量；
8.s2：发送端使用用户的信道向量，利用波束增益最小化和用户正交位置最近化的原理进行用户选择，每次迭代选择一个用户索引，满足信道向量范数与波束增益和正交位置距离的加权和最小，获得分配好的用户集合构成射频链路用来发送传输信号；
9.s3：使用时分复用多波束通信的方法进行通信。
10.进一步的，s2中利用的波束增益方法使用了单个用户在相控阵下的波束在另一个用户下的信噪比来衡量用户之间的相关性，用户正交位置最近化的方法使用离散傅里叶变换矩阵计算用户的正交位置，使用用户离最近正交位置的距离衡量用户之间的相关性；用户正交位置最近化使得单独指向每个用户的波束不覆盖到同组的其他用户上，减小预编码后用户之间的干扰。
11.进一步的，s2具体包括以下步骤：
12.s2.1：对每个编号为k的用户，其俯仰角θk，方位角为φk，利用下列公式转移到余弦空间的坐标点(uk，vk)，其中uk，vk表示该空间下的横纵坐标，采用下式计算；
13.uk＝sinθ
k cosφk14.vk＝sinθ
k sinφk15.s2.2：使用现有的常用波束增益方法衡量用户信道矩阵的正交性，并据此计算用户的距离；波束增益最小化反映矩阵向量整体之间正交性的特点使用贪心方法计算用户的组别；计算用户组的信噪比和速率，使得速率最大化；波束增益采用指向每一用户单独的波束对其他用户所在位置的增益，用户a，b之间的波束增益使用下式计算，式中的mv，mu表示相控阵天线每行和每列的天线阵元数；
[0016][0017]
其中xu，xv为用户a，b之间的相对位置，使用下式计算；
[0018]
xu＝u
a-ub[0019]
xv＝v
a-vb[0020]
其中ua，va是用户a在余弦空间使用s2.1方法计算的坐标，ub，vb是用户b在余弦空间的坐标；j是虚数单位；
[0021]
s2.3：使用波束增益方法计算出来的增益为0的地方作为该用户的正交位置点，计算另一个用户和这个用户的正交位置最小的距离作为距离的衡量因素；用户在余弦空间的位置是(uk，vk)，相控阵阵元是mv×mu
时，用户在余弦空间的正交位置可以表示为时，用户在余弦空间的正交位置可以表示为p是从-mu取到mu之间的所有整数，q是从-mv取到mv之间的所有整数。用户a，b对应的最小距离s
a，b
使用下式计算；
[0022][0023]
其中yu和yv表示用户距离最近的正交位置的横纵间隔方向；
[0024][0025][0026]
s2.4：使用贪心方法每次选择信道范数最大的用户，枚举选取剩余的用户，使得每组用户在余弦空间中的波束增益与最小的正交距离的加权的和最小。
[0027]
设还未分组的用户集合为u，每次新分一个组使用贪心方法每次选择信道范数最大的用户a，也就是使得||ha||最大；ha是用户信道向量，是1
×mvmu
向量，满足
[0028][0029]
各hk是1
×mu
的向量，满足
[0030][0031]
其中
[0032][0033]
设该组已经含有的用户集合为v，枚举选取剩余的用户b，对每一个v中的用户a，使用s2.2计算的波束增益a
a,b
和使用s2.3计算的最小距离s
a,b
，计算用户a,b之间的加权和sa,b
；
[0034][0035]
其中μ,γ为可以设定的参数；
[0036]
对每一个v中的用户a计算加权和的值，其中最小的值是枚举所有剩余的用户b，计算所有的加权和最小值，得到最大的加权最小值这个值所对应的用户b就是下一个关注用户。即新的用户b满足
[0037][0038]
π(b)是b对应的最小参数；s2.5：若关注用户b的最小值π(b)大于设定的阈值ψ，也就是不存在用户满足最小值π(b)大于设定的阈值ψ，则分组结束，在下一组继续分组；否则，将用户划入该用户组，直到用户已分配完毕。
[0039]
进一步的，所述s3中，计算出用户分组之后使用时分复用的方法，每个组占据一个时间段进行多波束通信，达到多用户高效率通信的目的。
[0040]
本发明的一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法，具有以下优点：
[0041]
1、本发明利用分组方法使得卫星可以应对大基数的用户；
[0042]
2、本发明用户组信道正交性的提升使得每个用户的信噪比提升，提升了速率和整体稳定性
附图说明
[0043]
图1为本发明的大规模mimo卫星分组传输系统分组流程图；
[0044]
图2为本发明的大规模mimo卫星分组传输系统示意图。
具体实施方式
[0045]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种卫星通信的大规模mimo预编码分组方法做进一步详细的描述。
[0046]
本发明实施例公开的一种的大规模mimo用户预编码分组方法，主要包括以下步骤：
[0047]
s1：天线配置大规模天线阵列，获取大规模用户的位置信息。
[0048]
s2：利用波束增益方法和正交位置方法分组，最大化用户组的正交性。
[0049]
s3：利用时分复用和多波束预编码方法对用户组进行通信。
[0050]
下面以图2所示的卫星大规模mimo传输系统为例。
[0051]
s1：相控阵有mv×mu
个天线阵元，呈现阵元间距离为半个发送波长的矩阵排布。一共有k个用户需要通信，在一定区域内，根据已有需要通信的用户的位置确认其与卫星的俯仰角与方位角，测量用户的信道向量；
[0052]
s2.1：对每个编号为k的用户，1≤k≤k，k为用户数。其俯仰角θk，方位角为φk，利用下列公式转移到余弦空间的坐标点(uk，vk)，其中uk，vk表示该空间下的横纵坐标，采用下式计算；
[0053]
uk＝sinθ
k cosφk[0054]
vk＝sinθ
k sinφk[0055]
s2.2：使用现有的常用波束增益方法衡量用户信道矩阵的正交性，并据此计算用户的距离；波束增益最小化反映矩阵向量整体之间正交性的特点使用贪心方法计算用户的组别；计算用户组的信噪比和速率，使得速率最大化；波束增益采用指向每一用户单独的波束对其他用户所在位置的增益，用户a，b之间的波束增益使用下式计算，式中的mv，mu表示相控阵天线每行和每列的天线阵元数；
[0056][0057]
其中xu，xv为用户a，b之间的相对位置，使用下式计算；
[0058]
xu＝u
a-ub[0059]
xv＝v
a-vb[0060]
其中ua,va是用户a在余弦空间使用s2.1方法计算的坐标，ub,vb是用户b在余弦空间的坐标；j是虚数单位；
[0061]
s2.3：使用波束增益方法计算出来的增益为0的地方作为该用户的正交位置点，计算另一个用户和这个用户的正交位置最小的距离作为距离的衡量因素；计算表明，用户的正交位置在余弦空间呈阵列形式排布；用户在余弦空间的位置是(uk,vk)，相控阵阵元是mv×mu
时，用户在余弦空间的正交位置可以表示为p是从-mu取到mu之间的所有整数，q是从-mv取到mv之间的所有整数。用户a,b对应的最小距离s
a,b
使用下式计算；
[0062][0063]
其中yu和ya表示用户距离最近的正交位置的横纵间隔方向；
[0064][0065][0066]
s2.4：使用贪心方法每次选择信道范数最大的用户，枚举选取剩余的用户，使得每组用户在余弦空间中的波束增益与最小的正交距离的加权的和最小。
[0067]
设还未分组的用户集合为u，每次新分一个组使用贪心方法每次选择信道范数最大的用户a，也就是使得||ha||最大；ha是用户信道向量，是1
×mvmu
向量，满足
[0068][0069]
各hk是1
×mu
的向量，满足
[0070][0071]
其中
[0072][0073]
设该组已经含有的用户集合为v，枚举选取剩余的用户b，对每一个v中的用户a，使用s2.2计算的波束增益a
a,b
和使用s2.3计算的最小距离s
a,b
，计算用户a,b之间的加权和s
a,b
；
[0074][0075]
其中μ,γ为可以设定的参数，根据模拟实验取μ＝0.5,γ＝2较为合适；
[0076]
对每一个v中的用户a计算加权和的值，其中最小的值是枚举所有剩余的用户b，计算所有的加权和最小值，得到最大的加权最小值这个值所对应的用户b就是下一个关注用户。即新的用户b满足
[0077][0078]
π(b)是b对应的最小参数；s2.5：若关注用户b的最小值π(b)大于设定的阈值ψ，也就是不存在用户满足最小值π(b)大于设定的阈值ψ，则分组结束，在下一组继续分组；否则，将用户划入该用户组，直到用户已分配完毕。
[0079]
s3：分好的用户组可以使用时分复用的通信方式，即计算出用户分组之后使用时分复用的方法，使用包含rzf在内的预编码方法在每个时间段对每组进行多波束通信，达到多用户高效率通信的目的。
[0080]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。