一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法

1.本发明属于卫星通信领域，涉及多波束卫星预编码问题，具体涉及一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法。


背景技术：

2.随着人们对互动多媒体服务和宽带互联网访问等新兴应用需求的迅速增加，传统的卫星通信已经难以支持当前日益增长的高吞吐量的数据速率需求，多波束架构已经成为下一代卫星通信系统的发展趋势。
3.相比于传统的单波束卫星系统，多波束卫星通信系统可以采用频率复用技术来提高频谱利用率，实现更高的系统传输性能。为了提供更高的数据速率，积极的全频率复用受到了广泛关注，然而由于波束旁瓣的存在，全频率复用会导致严重的波束间干扰。在发射端对信号进行预处理的预编码技术能够有效缓解全频率复用带来的波束间干扰，提升系统的吞吐量性能。
4.在卫星多播场景中，每个波束同时服务一个用户组，卫星把传输给该用户组中多个用户的数据封装在同一个帧中，该用户组中多个用户收到的数据是相同的，预编码矢量的设计是对应于各个用户组的。因此，需要将预编码的设计转化为多组多播预编码优化问题。
5.在多波束卫星通信系统中，星载资源是有限的，用户的通信需求存在差异性。传统的多组多播预编码技术不考虑用户的流量需求，无法通过灵活的预编码对吞吐量进行调整，容易造成资源浪费，不适用于有具体吞吐量需求的场景。


技术实现要素：

6.本发明针对上述问题，在多波束卫星通信系统中，设计了一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法，在功率约束和流量需求约束下提高最差用户的吞吐量满足度，可以有效提升多波束卫星通信系统的灵活性与公平性，更适用于有具体吞吐量需求的场景。
7.所述基于流量需求的公平多组多播预编码方法，具体步骤如下：
8.步骤一、搭建多波束卫星通信场景，卫星通过多个波束向地面用户终端提供服务，在单个时隙每个波束为一个用户组提供服，发射端获取每个用户的信道状态信息；
9.第k个用户组中第i个用户的信道矢量表示为hi,,表示第k个用户组。
10.步骤二、利用用户的可达速率与用户的流量需求之比，构建基于流量需求的公平多组多播预编码优化目标；
11.优化目标为最大化最小用户的吞吐量满足度：
[0012][0013]
wk表示第k个用户组中用户的预编码矢量，下标k∈{1
…
g}，g为通信场景中的波束数目，亦即用户组数目，ck表示第k个用户组中用户的可达速率，fk是第k个用户组中用户的
流量需求。
[0014]
该优化目标要满足的约束条件如下；
[0015]
s.t.ck≤fk[0016][0017][0018][0019]
w为带宽，sinri为第k个用户组中第i个用户的信干噪比，表示噪声功率；pn为发射功率限制的常数；下标n∈{1
…nt
}，n
t
为发射天线数，表示发射天线n的发射功率，该值要小于阈值pn。
[0020]
步骤三：根据凸优化理论，通过引入辅助变量γ简化优化目标，使用半正定松弛技术，并去掉秩一约束将原问题转化为松弛问题。
[0021]
通过辅助变量γ简化后的优化目标和约束条件为：
[0022][0023][0024]
γ≤1
[0025][0026]
将问题转化为松弛问题如下：
[0027][0028][0029]
γ≤1
[0030][0031][0032]
其中，问题去掉了秩一约束rank(xk)＝1。
[0033]
步骤四：引入辅助变量t将松弛问题转化为可行性问题，并结合二分搜索方法，用凸优化工具求解，得到松弛问题的最优解。
[0034]
具体为：
[0035]
首先，初始化二分搜索的下界和上界和上界在每次迭代过程中，对于一个给定的γ≤1，通过引入辅助变量t，将松弛问题转化为可行性问题
[0036][0037][0038][0039]
t≤1
[0040][0041]
然后，用凸优化工具求解可行性问题来检查γ是否为可行值，如果是，则更新二分搜索的下界否则更新上界直到满足ε表示搜索的求解精度。
[0042]
最终得到松弛问题的最优解
[0043]
步骤五：判断松弛问题的最优解是否满足秩一约束，如果是，则直接采用特征值分解得到原问题的最优解；否则采用高斯随机化方法进行秩一近似，生成候选解，并对候选解进行可行性功率控制，得到原问题的近似解，最终得到每个用户组的最优预编码矢量。
[0044]
本发明的优点在于：
[0045]
1)本发明一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法，考虑到用户的通信需求存在差异性，针对用户流量需求设计优化问题，相比于传统多组多播预编码技术，更适用于有具体吞吐量需求的场景。
[0046]
2)本发明一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法，考虑了流量需求约束，限制用户的可达速率小于等于流量需求，确保流量需求不会被过度满足从而节省星上功率，减少资源浪费。
[0047]
3)本发明一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法，优化目标是最大化最小用户的吞吐量满足度，使得每个用户的可达速率与流量需求的匹配程度一致，在公平性意义上取得了最优，有效提升了系统的公平性。
附图说明
[0048]
图1为本发明一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法的流程图；
[0049]
图2为本发明搭建的多波束卫星通信多播场景示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0051]
本发明提供了一种基于流量需求的公平多组多播预编码方法，考虑了系统的灵活性和公平性，可以有效提升系统的传输性能，更适用于有具体吞吐量需求的场景。
[0052]
如图1所示，具体步骤如下：
[0053]
步骤一、搭建多波束卫星通信场景，卫星通过多个波束向地面用户终端提供服务，在单个时隙每个波束为一个用户组提供服务。发射端获取每个用户的信道状态信息；
[0054]
如图2所示，从网关发送的信号首先通过馈线链路传递给卫星，经卫星转发后，由地面用户终端接收。系统采用全频率复用和时分复用，在每个时隙内每个波束同时为一个用户组中的多个单天线用户提供服务。第k个用户组中第i个用户的信道矢量表示为hi,,表示第k个用户组。
[0055]
步骤二、针对第k个用户组，利用该用户组中用户的可达速率与用户的流量需求之比，构建基于流量需求的公平多组多播预编码优化问题；
[0056]
优化目标为在发射功率约束和流量需求约束下，最大化最小的用户吞吐量满足度，用户的吞吐量满足度为该用户的可达速率与该用户的流量需求的比值。即优化目标如下：
[0057][0058]
wk表示第k个用户组中用户的预编码矢量，下标k∈{1
…
g}，g为通信场景中的波束数目，亦即用户组数目，ck表示第k个用户组中用户的可达速率，fk是第k个用户组中用户的流量需求。
[0059]
该优化目标要满足的约束条件如下；
[0060]
s.t.ck≤fk[0061][0062][0063][0064]
w为带宽，sinri为第k个用户组中第i个用户的信干噪比，表示噪声功率；pn为发射功率限制的常数；下标n∈{1
…nt
}，n
t
为发射天线数，表示发射天线n的发射功率；
[0065]
该优化设计问题包含两个约束条件，分别为发射功率约束和流量需求约束。
[0066]
发射功率约束限制天线n的发射功率小于阈值pn；
[0067]
流量需求约束ck≤fk限制用户的可达速率小于等于流量需求，确保流量需求不会被过度满足从而节省星上功率，减少资源浪费。
[0068]
本优化目标和约束条件考虑了用户的流量需求，相比于不考虑流量需求的传统的多组多播预编码技术，更适用于有具体吞吐量需求的卫星多播场景；并且发射功率约束考虑了更符合实际的单天线功率约束。
[0069]
步骤三：根据凸优化理论，通过引入辅助变量γ简化优化目标，使用半正定松弛技术，并去掉秩一约束将原问题转化为松弛问题。
[0070]
在问题取得最优时，对于所有k来说是相等的，因此引入一个辅助变量：
将原优化目标和约束条件等效并进一步展开为：
[0071][0072][0073]
γ≤1
[0074][0075]
第一个约束是非凸约束，使用半正定松弛技术，并通过去掉秩一约束将问题转化为松弛问题：
[0076][0077][0078]
γ≤1
[0079][0080][0081]
其中，问题去掉了秩一约束rank(xk)＝1。
[0082]
步骤四：引入辅助变量t将松弛问题转化为可行性问题，并结合二分搜索方法，用凸优化工具求解，得到松弛问题的最优解。
[0083]
具体为：在γ为常量的情况下，问题是凸的，可以使用二分搜索法来找到符合条件的γ，得到问题的最优解。初始化二分搜索的下界和上界和上界在每次迭代过程中，对于一个给定的γ≤1，通过引入辅助变量t，将松弛问题转化为可行性问题该可行性问题在检查可行性的同时，当速率约束易满足时还节省了每根天线的发射功率。
[0084][0085][0086][0087]
t≤1
[0088][0089]
然后，用凸优化工具求解可行性问题来检查γ是否为可行值，如果是，则更新二分搜索的下界否则更新上界直到满足ε表示搜索的求解精度。
[0090]
最终得到松弛问题的最优解
[0091]
步骤五：判断松弛问题的最优解是否满足秩一约束，如果是，则直接采用特征值分解得到原问题的最优解作为每个用户组的最优预编码矢量；否则采用高斯随机化方法进行秩一近似，生成候选解，并对候选解进行可行性功率控制，得到原问题的近似解，最终得到每个用户组的最优预编码矢量。
[0092]
设高斯随机化次数为n，对于每一次随机化过程，首先生成候选解候选解表达式为其中，uk是特征向量组成的酉矩阵，σk是对角线元素为特征值的对角矩阵，通过对进行特征值分解得到，vk～cn(0,i)，cn表示循环对称复高斯分布。
[0093]
然后对候选解求解可行性功率控制问题进行功率控制。
[0094][0095][0096]
γ≤1
[0097][0098]
其中，表示用户组k的功率控制因子。相应地，将问题转化为可行性问题用二分搜索法进行求解，得到预编码矢量
[0099][0100][0101][0102]
在n次高斯随机化过程中，取最大γ值对应的预编码矢量为原问题的近似解，作为每个用户组的最优预编码矢量。