一种多波束卫星通信系统用户分组的方法及其装置与流程

本发明涉及一种多波束卫星通信系统用户分组的方法及其装置，属于无线通信技术领域。

背景技术：

随着智能设备的普及和地面移动通信速率的不断提升，卫星通信作为地面移动通信的延伸和补充，亟需提高数据传输速率以迎合更多的应用场景。多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,mimo)技术在地面的成功应用，促使研究人员积极探索mimo技术在卫星通信中的适用性。多波束卫星通信系统是mimo在卫星系统应用中的最成功的方案之一，目前商用的卫星系统均采用多波束卫星的方案。多波束卫星通信通过卫星的多波束天线形成几十甚至几百个能量高的窄点波束，覆盖地面的一定区域，实现卫星与该区域用户间的广播或多播通信服务。

为了支持太比特通信，多波束卫星通信系统需要使用尽可能大的用户带宽，这使得全频复用成为必然，但相邻波束间的干扰严重制约了系统性能。因此，需要采用在信号传输之前进行预编码。此外，由于地面用户数目远远大于卫星天线的数目，卫星在每个时隙只能选择一部分用户传输数据，用户分组的技术是十分必要的，它直接影响力整个卫星系统的传输速率表现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述多波束卫星通信系统的不足，提供一种在信号传输之前进行预编码的多波束卫星通信系统用户分组的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的

本发明一种多波束卫星通信系统用户分组的方法及其装置，其根据卫星服务用户场景的不同，对卫星服务的地面用户进行分组，分为两个方案：方案一只选择大部分用户被服务的情况，以实现小组最大化和速率，考虑的是最大化原则；方案二选择所有用户都被服务的情况，采用公平性原则。

本发明提供的方案一：一种多波束卫星通信系统用户分组的方法，其包括以下步骤：

步骤1、初始化系统参数，所述系统参数包括用户集合、小组总数和小组循环次数；

步骤2、判断小组循环次数是否小于等于小组总数，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤9；

步骤3、选择用户集合中用户信道向量的模值最大的用户，初始化用户小组，并更新用户集合，所述小组循环次数加1，计算当前小组和速率；

步骤4、判断小组用户个数是否小于等于波束个数，如果满足条件，执行步骤5，否则执行步骤2；

步骤5、根据用户分组选择标准，为上述完成初始化的小组集合分配合适的用户；

步骤6、将所选合适的用户加入当前小组构成临时小组，计算临时小组和速率；

步骤7、判断临时小组和速率是否大于当前小组和速率，如果满足条件，则执行步骤8，否则执行步骤4；

步骤8、更新当前小组集合和当前小组和速率，小组循环次数加1，执行步骤2；

步骤9、输出最后的用户分组集合；

步骤10、输出每个时隙的预编码矩阵。

本发明步骤5中，所述用户分组选择标准包括采用最大化和速率方法，所述合适的用户：

其中，表示小组中用户信道向量组成的信道矩阵。

本发明步骤5中，所述用户分组选择标准包括采用最大化信道容量方法，所述合适的用户：

其中，初始化矩阵a＝γi，用户m对应的信道向量hm，每一次迭代更新为

本发明提供的方案二：一种多波束卫星通信系统用户分组的方法，其包括以下步骤：

步骤1、初始化系统参数，所述系统参数包括用户集合、小组总数和小组循环次数；

步骤2、判断小组循环次数是否小于等于小组总数，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤4；

步骤3、选择用户集合中用户信道向量的模值最大的用户，初始化用户小组，并更新用户集合，所述小组循环次数加1，执行步骤2；

步骤4、判断用户集合是否为空集，如果满足条件，执行步骤9，否则执行步骤5；

步骤5、选择用户集合中的用户和相对应的信道向量，初始化小组循环次数；

步骤6、判断小组循环次数是否小于等于小组总数，如果满足条件，执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7、计算当前小组加入新用户增益，小组循环次数加1，执行步骤6；

步骤8、更新增益最大的小组，更新用户集合，执行步骤4；

步骤9、输出最后的用户分组集合；

步骤10、输出每个时隙的预编码矩阵。

本发明步骤7中，所述当前小组加入新用户后所得增益，包括第t小组加入新用户所得的增益v^(t)，即

其中，为第t用户小组为对应信道矩阵。

本发明步骤7中，步骤7中，所述当前小组新用户后所得增益为第t小组加入新用户所得的增益v^(t)，即

其中，初始化矩阵a^(t)＝γi，hm为用户m对应的信道向量。

将用户m加入新用户所得增益最大的小组每一次迭代更新矩阵为

其中，增益最大的小组序号为t^*＝max1≤t≤tv^(t)。

本发明一种多波束卫星通信系统用户分组的装置，其特征在于，其包括：

初始化模块，用于初始化用户集合、小组总数和小组循环次数；

小组初始化模块，用于选择用户集合中模值最大的用户，初始化小组集合；

小组分配模块，用于按照设定的用户分组选择标准，为完成初始化的小组集合分配合适的用户；

小组输出模块，用于输出最后的用户分组；

预编码设计模块，用于设计每个时隙的预编码矩阵。

其中，所述小组分配模块包括：

用户选择模块，用于选择用户集合中的用户和相对应的信道向量；

计算模块，用于计算用户加入小组后带来的增益；

选择更新模块，用于选择合适的用户，并且更新小组集合和用户集合。

进一步地，所述用户分组选择标准包括选择大部分用户被服务，实现小组最大化和速率。

进一步地，所述用户分组选择标准包括选择所有用户都被服务，实现小组最大化增益。

有益效果

本发明充分利用信道信息，针对卫星服务的地面用户场景的不同进行分组，提出了最大化系统和速率的方案和服务所有用户的方案，以确定卫星每个时隙服务用户，相比于现有的用户分组方案，大大提升了系统和速率，并且可以服务更多的用户。

附图说明

图1是本发明所适用的多波束卫星通信系统的结构示意图；

图2是本发明多波束卫星通信系统的用户分组方法的装置的结构示意图；

图3a是本发明多波束卫星通信系统的用户分组方法的实施例一的流程图；

图3b是本发明多波束卫星通信系统的用户分组方法的实施例二的流程图；

图4a和图4b是本发明与现有方案在不同发射功率下系统和速率的变化对比图；

图5a和图5b是本发明与现有方案在不同时隙数目下系统和速率的变化对比图；

图6是本发明与现有方案在不同时隙数目下服务用户总数的对比变化图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

本发明适用于多波束卫星通信场景，其系统结构如图1所示。假设一个多波束卫星通信系统包含一颗宽带卫星和k个地面用户。卫星采用单馈源单波束架构，反射面将n个馈源信号转换n个发送信号，每个信号在地面覆盖一片区域形成一个波束。我们使用全频复用技术，以提升频谱效率。

假设k个用户均匀分布在所有波束中，每个波束中都会有多个用户，因此有n＜＜k。为了能够同时服务多个用户，多波束卫星同时采用时分复用接入(timedivisionmultipleaccess，tdma)和空分复用接入(spacedivisionmultipleaccess,sdma)。根据tdma，卫星通信以帧单位为多个用户服务，每个帧包含t个时隙。在第t(t＝1,2…,t)时隙，有lt个用户，每个波束中最多选择1个用户以保证所选的lt个用户能被卫星通过sdma的方式服务。假设由k个用户构成的索引集为即第t个时隙所选的lt用户构成的用户集合为st，因此有

为了保证每个用户的公平性，每个用户在每一帧最多被服务一次，因此我们设置：

多波束卫星信道可以建模成：

h＝φc(2)

其中，矩阵代表用户和卫星之间不同传播路径引起的相位差异；实矩阵代表多波束天线模式。由于卫星天线馈源间距与传播路径相比很小，所以在直视传播环境(line-of-sight，los)中，用户与卫星不同馈源之间的相位通常认为是相同的。因此，矩阵φ为对角阵，对角元素为[φ]ii＝e^jφi,i＝1,…,k，φi为(0,2π]内均匀分布的变量。矩阵c包含接收天线增益、卫星辐射模式、路径损耗和噪声功率的影响。c矩阵第(k,n)个元素为

其中，gr为用户接收天线增益，gk,n为第n个馈源和第k个用户之间的增益。dk表示第k个用户和卫星之间的距离，λ为波长，k为玻尔兹曼常数，tr为晴空环境下接收噪声温度，bw为载波带宽。

假设第t个时隙选出的lt个用户的索引为m为用户集合中的用户，那么有st＝{m1,m2,…,mt}。st中lt个用户接收信号表示为那么第t个时隙的传输模型可以表示为

其中表示为多波束卫星与lt个用户之间的信道，表示多波束卫星与ml用户之间的信道，l＝1,…,lt。表示第t个时隙的传输信号。表示均值为0噪声方差为σ²独立同分布加性高斯白噪声同分布的加性高斯白噪声(additivewhitegaussiannoise，awgn)，即为了消除由信道矩阵引起的波束间干扰，引入预编码矩阵进行预处理来对抗信道失真。假设

x＝ws(5)

其中表示预编码矩阵，表示发送信号，表示给用户ml发送的信号，l＝1,…,lt。假设其相互独立且模值为1，即将式(5)带入式(4)，得

用户ml的接收信号可以表示为

用户ml的信干噪比(signaltointerferenceplusnoiseratio,sinr)为

用户ml的可达速率表示为

预编码采用zf预编码，可以表示为

w＝αf(10)

其中f表示未归一化的预编码矩阵，α是归一化因子，分别表示为

ρ表示发射功率，σ²表示噪声方差，那么用户ml的sinr表示为

那么用户ml的可达速率可以表示为

那么对于含有k个用户的小组，总和速率为

本发明一种多波束卫星通信系统用户分组的方法的装置，如图2所示，其包括：初始化模块、小组初始化模块、小组分配模块、小组输出模块和预编码设计模块。具体地，初始化模块用于初始化参数的设置，初始化参数包括初始化用户集合、设置小组总数和初始化小组循环次数。小组初始化模块用于选择用户集合中模值最大的用户，初始化设定的小组集合。小组分配模块用于按照设定的用户分组选择标准，为完成初始化的小组集合分配合适的用户，其包括用户选择模块、计算模块和选择更新模块，用于为用户按照所设计的准则分配小组。其中，用户选择模块用于选择用户集合中的用户及其对应的信道向量；计算模块用于计算用户加入小组后带来的增益；选择更新模块，用于选择合适的用户，并且更新小组集合和用户集合。小组输出模块用于输出最后的用户分组，并进一步通过预编码设计模块设计预编码矩阵，通过预处理来对抗多波束卫星与用户之间的信道失真。

本发明一种多波束卫星通信系统用户分组的方法，其根据卫星服务用户场景的不同，对卫星服务的地面用户进行分组，一般分为两组：一组只选择大部分用户被服务的情况，以实现小组最大化和速率，考虑的是最大化原则；另一组选择所有用户都被服务的情况，采用公平性原则。

针对上述方法，本发明提出了两种方案：最大化系统和速率的方案和服务所有用户的方案。具体如下。

实例一：最大化系统和速率方案，其多波束卫星通信系统在最大化和速率场景下的用户分组方法的流程图，见图3a所示。

设计原则：在指定时隙总数的条件下，最大化小组的系统和速率。

随着小组中用户数目的增多，小组的系统和速率呈先升后降的趋势。因此每一个小组，都有一个最优的用户数目，这个最优用户数目与系统波束的个数相关。为了最大化系统和速率，使每个小组选择最优的用户数目，由此提出最大化和速率用户分组算法(sum-ratemaximizationusergrouping，smug)和低复杂度最大化和速率用户分组算法(lowcomplexitysum-ratemaximizationusergrouping，lcsmug)，其中，低复杂度最大化和速率用户分组算法采用最大化信道容量方法。

方法1：smug算法

步骤1、初始化用户集合设置小组总数为t，初始化小组循环次数t＝0。

步骤2、判断小组循环次数t是否小于等于小组总数t，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤9。

步骤3、循环计算用户集合k中所有用户信道向量的模值，并选择模值最大的用户u^*，即

初始化小组用户将u^*加入小组用户即从用户集合中除去用户u^*，即小组循环次数t加1。通过式(14)计算当前小组的和速率

步骤4、判断小组用户个数是否小于等于波束个数n，即如果满足条件，执行步骤5，否则执行步骤2。

步骤5、根据当前用户小组创建临时用户小组m为用户集合中的用户，选择合适的用户m^*，使系统最大化和速率，即选择用户分组标准为

其中，表示临时用户小组中用户信道向量组成的信道矩阵。

根据式(14)，在为当前用户小组分配新的用户时，是固定的，因此最大化相当于最大化等价于最小化因此在选择合适用户的时候，可以将用户集合中的用户m临时加入到当前用户构成临时用户小组然后计算临时用户小组的选择最小的值对应的用户m^*，对应于式(16)。

步骤6、将合适的用户m^*加入当前用户小组构成临时用户小组即根据式(14)计算临时小组和速率

步骤7、判断临时小组和速率是否大于当前小组和速率如果满足条件，则执行步骤8，否则执行步骤2。

步骤8、将当前小组更新为临时小组，即当前小组和速率更新为临时小组和速率，即将用户m^*从用户集合中除去，即执行步骤4。

步骤9、输出即所求得的用户分组集合。

步骤10、根据式(10)和式(11)输出每个时隙的预编码矩阵。

方法2：lcsmug算法

smug算法在选择用户的过程中需要多次计算高维矩阵的逆，因此复杂度很高。我们针对这一缺陷做出改进，从信道容量的角度出发，对于的信道传输模型，其信道容量可以定义为

其中γ＝ρ/σ²，表示发射功率与噪声方差的比值。在当前用户小组的基础上，现在想要选择一个新的用户m，定义形成的新的用户小组为那么式(17)可以展开分解为

其中，in表示n维单位矩阵。

步骤1、初始化用户集合设置小组总数为t，初始化小组循环次数t＝0。

步骤2、判断小组循环次数t是否小于等于小组总数t，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤4。

步骤3、初始化矩阵a＝γi。循环计算用户集合中所有用户信道向量的模值，并选择模值最大的用户u^*，见式(15)。初始化用户小组将u^*加入用户小组即从用户集合中除去用户u^*，即小组循环次数t加1。通过式(14)计算当前小组的和速率通过式(19)更新矩阵a。

步骤4、判断用户小组是否小于等于波束个数n，即如果满足条件，执行步骤5，否则执行步骤2。

步骤5、选择用户集合中的用户m，以及对应的信道向量hm；根据当前用户小组计算加入新用户所得的增益值，其中，为第t(t＝1,2…,t)个时隙所选的lt个用户构成的用户集合，t为卫星通信单位帧所包含的时隙个数。

根据每个用户加入当前小组所得的增益值选择合适的用户m^*，用户分组选择标准为最大化信道容量方法，即

根据式(18)，最大化等效于最大化：

进一步等效于最大化：由于可以预先计算，因此定义那么在选择合适的用户时可以计算用户集合中的用户m的选择最大值对应的用户m^*，对应于式(20)。

步骤6、将合适的用户m^*加入当前用户小组构成临时用户小组即通过式(14)计算临时小组和速率通过式(19)更新矩阵a。

步骤7、判断临时小组和速率是否大于当前小组和速率如果满足条件，则执行步骤8，否则执行步骤2。

步骤8、将当前用户小组更新为临时用户小组，即当前小组和速率更新为临时小组和速率，即将用户m^*从用户集合中除去，即执行步骤4。

步骤9、输出即所求得的用户分组集合。

步骤10、根据式(10)和式(11)输出每个时隙的预编码矩阵。

实例二：服务所有用户方案，其多波束卫星通信系统在服务所有用户场景下的用户分组方法的流程图，见图3b所示。

设计标准：在指定时隙总数下，服务地面所有用户。

由于实例一考虑最大化原则，为了小组最大化和速率，只能选择大部分用户。而卫星信道改变比较缓慢，即剩下的部分用户可能永远不会被服务。针对这一缺陷，实例二采用公平性原则，考虑所有用户都被服务的情况。由此提出服务所有用户的最大化和速率用户分组算法(smugwithfullselectionofusers，smug-fs)和服务所有用户的低复杂度最大化和速率用户分组算法(lcsmugwithfullselectionofusers，lcsmug-fs)。

方法3：smug-fs算法

步骤1、初始化用户集合设置小组总数为t，初始化小组循环次数t＝0。

步骤2、判断小组循环次数是否小于等于小组总数，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤4。

步骤3、计算用户集合中所有用户信道向量的模值并选择模值最大的用户u^*，见式(15)。将u^*加入用户小组从用户集合中除去用户u^*，即小组循环次数t加1，执行步骤2。

步骤4、判断用户集合是否为空集，如果满足条件，执行步骤9，否则执行步骤5；

步骤5、选择用户集合中的用户m，对应的信道向量为hm，初始化小组循环次数t为0；

步骤6、判断小组循环次数t是否小于等于小组总数t，如果满足条件，执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7、第t用户小组为对应信道矩阵计算第t小组加入新用户所得的增益v^(t)，即

小组循环次数加1，执行步骤6。

步骤8、选择加入新用户所得增益最大的用户小组即t^*＝max1≤t≤tv^(t)，

将用户m加入临时用户小组从用户集合中除去用户m，即执行步骤4。

步骤9、输出即所求得的用户分组集合。

步骤10、根据式(10)和式(11)输出每个时隙的预编码矩阵。

方法4：lcsmug-fs算法

步骤1、初始化用户集合设置小组总数为t，初始化小组循环次数t＝0。

步骤2、判断小组循环次数是否小于等于小组总数，若满足条件，执行步骤3，否则执行步骤4。

步骤3、初始化矩阵计算用户集合中所有用户信道向量的模值并选择模值最大的用户u^*，见式(15)。将u^*加入用户小组通过式(19)更新矩阵a^(t)，从用户集合中除去用户u^*，即小组循环次数t加1，执行步骤2。

步骤4、判断用户集合是否为空集，如果满足条件，执行步骤9，否则执行步骤5；

步骤5、选择用户集合中的用户m，用户m对应的信道向量为hm，初始化小组循环次数t为0；

步骤6、判断小组循环次数t是否小于等于小组总数t，如果满足条件，执行步骤7，否则执行步骤8；

步骤7、计算第t小组加入新用户所得的增益v^(t)，

小组循环次数t加1，执行步骤6。

步骤8、选择加入新用户所得增益最大的小组即t^*＝max1≤t≤tv^(t)，将用户m加入新用户所得增益最大的小组通过式(19)更新矩阵a^(t*)，再选择合适的小组t^*每一次迭代更新矩阵为

从用户集合中除去用户m，即执行步骤4。

步骤9、输出即所求得的用户分组集合。

步骤10、根据式(10)和式(11)输出每个时隙的预编码矩阵。

为了验证本发明方法的效果，将本发明方法与现有的多天线下行正交分组算法(multipleantennadownlinkorthogonalclustering，madoc)方案进行仿真对比验证实验：假设多波束卫星在同步轨道运行，通过反射面将16个馈源产生16个波束服务地面用户，地面上320个用户均匀分布在16个波束中。卫星载波频率为20ghz(ka波段)，用户链路带宽b为500mhz，用户天线增益为41.7dbi，地面用户接收品质因数g/t为17.68db/k，玻尔兹曼常数κ＝1.38×10^-23j/k。定义小组平均和速率即系统平均和速率为

图4a和图4b比较了本发明用户分组方法和现有用户分组方法madoc算法在不同发射功率下小组平均和速率对比曲线图。设置发送功率为12dbw到24dbw，时隙数目为20。从图4a中可以看出，在发送功率为12dbw到24dbw，sumg算法性能要优于madoc算法；从图4b中可以看出，在发送功率为12dbw到24dbw，lcsmug算法性能要优于madoc算法；从图4a中可以看出，当发射功率大于20dbw时，sumg-fs算法的性能优于madoc算法；从图4b中可以看出，当发射功率大于19dbw时，lcsmug-fs算法的性能也优于madoc算法。

图5a和图5b比较了本发明用户分组方法和现有用户分组方法madoc算法在不同时隙数量下小组平均和速率对比曲线图。设置放射功率为16dbw。从图5a和图5b中可以看出，对于sumg、lcsmug和madoc算法，随着时隙数目的增加，小组平均和速率均呈下降趋势；从图5a和图5b中可以看出，而对于sumg-fs和lcsmug-fs算法，小组平均和速率呈先上升后下降的趋势。从图中可以看出，sumg和lcsmug算法性能要优于madoc算法，当时隙数目大于22时，sumg-fs和lcsmug-fs算法的性能要优于madoc算法，当时隙数目大于26时，sumg-fs和lcsmug-fs算法的性能要优于sumg和lcsmug算法。

图6比较了本发明用户分组方法和现有用户分组方法madoc算法在不同时隙数量下服务用户总数对比曲线图。由于sumg-fs和lcsmug-fs算法考虑服务所有的用户，因此没有参与仿真。可以看出，随着时隙数目的增加，sumg、lcsmug和madoc算法服务用户总数都呈上升趋势，sumg和lcsmug算法相比于madoc算法可以服务更多的用户，此外在时隙数目小于24时，smug算法可以比lcsmug算法服务更多的用户。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。