(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111162824 A(43)申请公布日 2020.05.15
(21)申请号 201911382098.0(22)申请日 2019.12.27
(71)申请人 中国人民解放军国防科技大学
地址 410073 湖南省长沙市开福区福元路1
号(72)发明人 毛志杰 周林 荆锋 陈英梅
高梅 屈亚运 王吉富 (74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214
代理人 罗笛(51)Int.Cl.
H04B 7/0456(2017.01)H04B 7/0408(2017.01)H04B 7/06(2006.01)H04B 7/08(2006.01)H04B 7/185(2006.01)
权利要求书2页 说明书9页 附图4页
(54)发明名称
一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统和实现方法(57)摘要
本发明公开了一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统及其实现方法，其中卫星系统包括若干信关站，所述信关站通过馈线链路双向连接至卫星，卫星通过用户链路双向连接至用户终端，信息交互路径包括信关站经过卫星传输至用户终端，以及用户终端通过卫星传输至信关站，所述信关站连接至核心网络；聚合多个信关站的馈电多波束带，利用频率复用增加所需带宽，利用多点波束结构实现高通量卫星通信，并且具有更大的服务灵活性。
CN 111162824 ACN 111162824 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统，其特征在于，包括若干信关站，所述信关站通过馈线链路双向连接至卫星，卫星通过用户链路双向连接至用户终端，信息交互路径包括信关站经过卫星传输至用户终端，以及用户终端通过卫星传输至信关站，所述信关站连接至核心网络。
2.根据权利要求1所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统，其特征在于，每个所述信关站只设置一个天线，每个所述卫星设置有若干天线。
3.一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，采用一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统，具体步骤如下：
步骤1：构造多波束信号模型，列出每个信关站的信道矩阵Hi；步骤2：对步骤1中的信道矩阵Hi进行优化；步骤3：利用馈电链路无噪音的特点将信道矩阵Hi进行简化；步骤4：采用置换方法为步骤3中的信道矩阵Hi构造规则LDPC-LU码；步骤5：将多个信关站的信道矩阵进行加权；步骤6：优化问题，实现对多波束卫星系统信道矩阵的编码。
4.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤1的构造信道模型的具体步骤为：
第K个波束的第i个UT接收离散等效基带信号模型写为yi＝HiD(x+z)+ni,i＝1,2,...,Nu (1)其中，向量yi∈CK×1是第i个UT接收到的信号，ni∈CK×1是第i个UT接收机噪声，假设ni是独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为
x∈CN×1为发送信号，z∈CN×1对应于馈线链路
矩阵Hi∈CK×N是信道矩
传输的噪声项，假设为独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为阵，其第k行用
表示，是位于第k个波束处的第i个UT信道矢量。该矢量包含每个天线单元
的信道系数n＝1,2,...N。
5.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤2的优化方法为：
由于波束的高方向性，消除了任何可能的多径；矩阵D∈RN×N整合馈源和有效载荷；不考虑非线性效应，矩阵D可表示为
D＝diag(m1,m2,...,mN) (2)式中，mn表示第n个馈送信号的振幅变化。在有完善的自动增益控制机制下，可以建立所有mn＝1，n＝1，2，...,N，D表示为一个单位矩阵。
馈电链路由直径7～9米的高增益抛物面天线和有效载荷支撑。在此带宽上馈送信号在馈送链路中可用频率多路复用。在这种情况下，馈送链路的信噪比SNR可定义为
6.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤3的简化方法具体为
因为SNR的值极高，馈电链路被认为是无噪音的；这样，可以将(1)中的系统模型简化为
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CN 111162824 A
权 利 要 求 书
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yi＝Hix+ni,i＝1,2,...,Nu (4)在高馈信噪比假设之后，(4)中的系统模型不考虑中继处理效果。
7.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤4中编码过程具体为：
步骤4.1：对于码长为M×N的矩阵通过p个(i,k)子阵构成，其中(M,N)＝p，(i,k)子矩阵本身也是LDPC矩阵，列重量为1，行重量为k，第一个子矩阵为阶梯型，即第1行的k个1的列号是从i-1×k到i×k。
步骤4.2：矩阵H的其他子矩阵都是第一个子矩阵的左循环移位或右循环移位的置换矩阵。
步骤4.3：对信道矩阵H的子矩阵(i,k)进行LU分解，可以得到上三角矩阵U和下三角矩阵L。
步骤4.4：利用前向迭代法可以根据信息位来得到校验位，从而完成编码。
8.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤5中的加权步骤具体为：
多个GW预编码需要在以下两个方面进行处理：1)矩阵变换
将原始的预编码矩阵W变成块对角矩阵，即W＝block-diag{W1，...,WL} (5)
其中
和
是第l个GW(l＝1,...,L)相关的预编码矩阵。注意，对于多个GW预编码
换句话说，每个GW只能使用N个馈送信号的一个子集来处理信
号。实际上，第l个GW只传输KlNl预编码信号，而不是在单个GW场景中传输的KN信号。2)信道状态信息采集
采用地面/星载联合设计结构，可提供了大量的馈线链路带宽减少方法，原始的真实地面预编码矩阵被转换为
W→UV (6)
其中U∈CN×K是在卫星上进行的波束形成操作，V∈CK×K是在地面的GW进行的波束形成操作，在这种情况下，使用这种混合的星载/地面结构，而不是NK用户信号的原始预编码信号Ws，应改为传输Vs，它由K2用户信号构成；U是稀疏矩阵。
9.根据权利要求3所述的一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，其特征在于，所述步骤6中优化问题具体为：
通过优化以下问题来实现的：
优化问题p是一个非凸的四次约束二次问题，这个问题可以通过带有半定松弛方法来解决。
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说 明 书
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一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统和实现方法
技术领域
[0001]本发明属于卫星通讯技术领域，具体涉及一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统和实现方法。
背景技术
[0002]随着信息技术的快速发展和信息应用的日益丰富，人们对于卫星通信系统的通信质量和容量提出越来越高的要求，这直接推动了卫星通信全覆盖大容量高带宽需求的发展。卫星通信系统包括通信卫星、地球站、管理控制系统等组成，地球站又分为固定站、机动站或者海上或空中地球站(例如轮船、飞机或火车上)，可以实现无处不在信息传输和消息分发。可以预见的将来，卫星通信服务的多样化将结出许多果实，最大的好处是在未来通信中整合卫星和地面通信业务，特别是卫星通信和地面5G/6G相结合，将满足潜在新市场和新兴应用对卫星社区所追求的无处不在随时随地高宽带大容量的信息服务要求，涉及的领域包括地面移动宽带服务、商业航空、海事服务、无人区服务、机器和机器通信以及智能缓存供给等。在所有这些应用服务中，在信号处理层面面临着怎样解决频谱资源紧缺以及能源消耗的问题，其中卫星通信的带宽不足，服务灵活性较差的问题急需解决。发明内容
[0003]本发明的目的是提供一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统和实现方法，解决了现有技术中存在的卫星通信中带宽利用率低的问题。[0004]本发明所采用的技术方案是，
[0005]一种基于MIMO(多输入多输出)的多波束高通量卫星通信系统，其特征在于，包括若干信关站，所述信关站通过馈线链路双向连接至卫星，卫星通过用户链路双向连接至用户终端，信息交互路径包括信关站经过卫星传输至用户终端，以及用户终端通过卫星传输至信关站，所述信关站连接至核心网络。[0006]每个信关站只设置一个天线，每个所述卫星设置有若干天线。[0007]一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，采用一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统，具体步骤如下：[0008]步骤1：构造多波束信号模型，列出每个信关站的信道矩阵Hi；[0009]步骤2：对步骤1中的信道矩阵Hi进行优化；[0010]步骤3：利用馈电链路无噪音的特点将信道矩阵Hi进行简化；[0011]步骤4：采用置换方法为步骤3中的信道矩阵Hi构造规则LDPC-LU码；[0012]步骤5：将多个信关站的信道矩阵进行加权；[0013]步骤6：优化问题，实现对多波束卫星系统信道矩阵的编码。[0014]步骤1的构造信道模型的具体步骤为：
[0015]第K个波束的第i个用户终端(UT)接收离散等效基带信号模型写为[0016]yi＝HiD(x+z)+ni,i＝1,2,...,Nu (1)
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说 明 书
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其中，向量yi∈CK×1是第i个UT接收到的信号，ni∈CK×1是第i个UT接收机噪声，假设
x∈CN×1为发送信号，z∈CN×1对应于馈线
矩阵Hi∈CK×N是信
ni是独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为
链路传输的噪声项，假设为独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为道矩阵，其第k行用
表示，是位于第k个波束处的第i个UT信道矢量。该矢量包含每个天线
单元的信道系数n＝1,2,...N。
[0018]步骤2的优化方法为：[0019]由于波束的高方向性，消除了任何可能的多径；矩阵D∈RN×N整合馈源和有效载荷；不考虑非线性效应，矩阵D可表示为[0020]D＝diag(m1,m2,...,mN) (2)[0021]式中，mn表示第n个馈送信号的振幅变化。在有完善的自动增益控制机制下，可以建立所有mn＝1，n＝1，2，...,N，D表示为一个单位矩阵。
[0022]馈电链路一般由大直径高增益抛物面天线和有效载荷支撑。在此带宽上馈送信号在馈送链路中可用频率多路复用。在这种情况下，馈送链路的信噪比SNR可定义为
[0023][0024][0025]
步骤3的简化方法具体为
因为SNR的值极高，馈电链路被认为是无噪音的；这样，可以将(1)中的系统模型简
化为
yi＝Hix+ni,i＝1,2,...,Nu (4)
[0027]在高馈信噪比假设之后，(4)中的系统模型不考虑中继处理效果。[0028]步骤4中编码过程具体为：[0029]步骤4.1：对于码长为M×N的矩阵通过p个(i,k)子阵构成，其中(M,N)＝p，(i,k)子矩阵本身也是LDPC矩阵，列重量为1，行重量为k，第一个子矩阵为阶梯型，即第1行的k个1的列号是从i-1×k到i×k。[0030]步骤4.2：矩阵H的其他子矩阵都是第一个子矩阵的左循环移位或右循环移位的置换矩阵。
[0031]步骤4.3：对信道矩阵H的子矩阵(i,k)进行LU分解，可以得到上三角矩阵U和下三角矩阵L。
[0032]步骤4.4：利用前向迭代法可以根据信息位来得到校验位，从而完成编码。[0033]步骤5中的加权步骤具体为：
[0034]多个信关站(GW)预编码需要在以下两个方面进行处理：[0035]1)矩阵变换
[0036]将原始的预编码矩阵W变成块对角矩阵，即[0037]W＝block-diag{W1，...,WL} (5)
[0026][0038]
其中
和
是第l个GW(l＝1,...,L)相关的预编码矩阵。注意，对于多个GW预
换句话说，每个GW只能使用N个馈送信号的一个子集来处理
编码
信号。实际上，第l个GW只传输KlNl预编码信号，而不是在单个GW场景中传输的KN信号。
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2)信道状态信息采集
[0040]采用地面/星载联合设计结构，可提供了大量的馈线链路带宽减少方法，原始的真实地面预编码矩阵被转换为[0041]W→UV (6)
[0042]其中U∈CN×K是在卫星上进行的波束形成操作，V∈CK×K是在地面的GW进行的波束形成操作，在这种情况下，使用这种混合的星载/地面结构，而不是NK用户信号的原始预编码信号Ws，应改为传输Vs，它由K2用户信号构成；U是稀疏矩阵。[0043]步骤6中优化问题具体为：[0044]通过优化以下问题来实现的：
[0045]
[0046]
优化问题p是一个非凸的四次约束二次问题，这个问题可以通过带有半定松弛方
法来解决。
附图说明
[0047]图1是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的结构框图；[0048]图2是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的模型示意图；
[0049]图3是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的基于MIMO多波束原理图；
[0050]图4是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法实施例中4种预编码方法的平均波束数据率图；
[0051]图5是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法预编码处理能力图；
[0052]图6是本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法译码码处理能力图；
[0053]图7本发明一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法不同码长时LDPC-LU编译码性能比较图。
具体实施方式
[0054]下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。[0055]一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统，包括若干信关站，所述信关站通过馈线链路双向连接至卫星，卫星通过用户链路双向连接至用户终端，信息交互路径包括信关站经过卫星传输至用户终端，以及用户终端通过卫星传输至信关站，所述信关站连接至核心网络。
[0056]每个信关站只设置一个天线，每个所述卫星设置有若干天线。[0057]一种基于MIMO的多波束高通量卫星通信系统的实现方法，采用一种基于MIMO的多
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波束高通量卫星通信系统，具体步骤如下：[0058]步骤1：构造多波束信号模型，列出每个信关站的信道矩阵Hi；[0059]步骤2：对步骤1中的信道矩阵Hi进行优化；[0060]步骤3：利用馈电链路无噪音的特点将信道矩阵Hi进行简化；[0061]步骤4：采用置换方法为步骤3中的信道矩阵Hi构造规则LDPC-LU码；[0062]步骤5：将多个信关站的信道矩阵进行加权；[0063]步骤6：优化问题，实现对多波束卫星系统信道矩阵的编码。[0064]步骤1的构造信道模型的具体步骤为：
[0065]第K个波束的第i个UT接收离散等效基带信号模型写为[0066]yi＝HiD(x+z)+ni,i＝1,2,...,Nu (1)[0067]其中，向量yi∈CK×1是第i个UT接收到的信号，ni∈CK×1是第i个UT接收机噪声，假设ni是独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为
x∈CN×1为发送信号，z∈CN×1对应于馈线
矩阵Hi∈CK×N是信
链路传输的噪声项，假设为独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为道矩阵，其第k行用
表示，是位于第k个波束处的第i个UT信道矢量。该矢量包含每个天线
单元的信道系数n＝1,2,...N。[0068]步骤2的优化方法为：[0069]由于波束的高方向性，消除了任何可能的多径；矩阵D∈RN×N整合馈源和有效载荷；不考虑非线性效应，矩阵D可表示为[0070]D＝diag(m1,m2,...,mN) (2)[0071]式中，mn表示第n个馈送信号的振幅变化。在有完善的自动增益控制机制下，可以建立所有mn＝1，n＝1，2，...,N，D表示为一个单位矩阵。
[0072]馈电链路一般由大直径高增益抛物面天线和有效载荷支撑。在此带宽上馈送信号在馈送链路中可用频率多路复用。在这种情况下，馈送链路的信噪比SNR可定义为
[0073][0074][0075]
步骤3的简化方法具体为
因为SNR的值极高，馈电链路被认为是无噪音的；这样，可以将(1)中的系统模型简
化为
yi＝Hix+ni,i＝1,2,...,Nu (4)
[0077]在高馈信噪比假设之后，(4)中的系统模型不考虑中继处理效果。[0078]步骤4中编码过程具体为：[0079]步骤4.1：对于码长为M×N的矩阵通过p个(i,k)子阵构成，其中(M,N)＝p，(i,k)子矩阵本身也是LDPC矩阵，列重量为1，行重量为k，第一个子矩阵为阶梯型，即第1行的k个1的列号是从i-1×k到i×k。[0080]步骤4.2：矩阵H的其他子矩阵都是第一个子矩阵的左循环移位或右循环移位的置换矩阵。
[0081]步骤4.3：对信道矩阵H的子矩阵(i,k)进行LU分解，可以得到上三角矩阵U和下三
[0076]
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角矩阵L。
[0082]步骤4.4：利用前向迭代法可以根据信息位来得到校验位，从而完成编码。[0083]步骤5中的加权步骤具体为：
[0084]多个GW预编码需要在以下两个方面进行处理：[0085]1)矩阵变换
[0086]将原始的预编码矩阵W变成块对角矩阵，即[0087]W＝block-diag{W1，...,WL} (5)
[0088]
其中
和
是第l个GW(l＝1,...,L)相关的预编码矩阵。注意，对于多个GW预
换句话说，每个GW只能使用N个馈送信号的一个子集来处理
编码
信号。实际上，第l个GW只传输KlNl预编码信号，而不是在单个GW场景中传输的KN信号。[0089]2)信道状态信息采集
[0090]采用地面/星载联合设计结构，可提供了大量的馈线链路带宽减少方法，原始的真实地面预编码矩阵被转换为[0091]W→UV (6)
[0092]其中U∈CN×K是在卫星上进行的波束形成操作，V∈CK×K是在地面的GW进行的波束形成操作，在这种情况下，使用这种混合的星载/地面结构，而不是NK用户信号的原始预编码信号Ws，应改为传输Vs，它由K2用户信号构成；U是稀疏矩阵。[0093]步骤6中优化问题具体为：[0094]通过优化以下问题来实现的：
[0095]
优化问题p是一个非凸的四次约束二次问题，这个问题可以通过带有半定松弛方
法来解决。
[0097]基于MIMO的多波束高通量卫星系统，聚合多个信关站的馈电多波束带，可以利用频率复用增加所需带宽，利用多点波束结构实现高通量卫星通信，并且具有更大的服务灵活性。[0098]系统架构如图1所示，由多个信关站(GW)、一个卫星和多个区域的用户终端(UT)组成。GW连接到核心网络，从GW到卫星和从卫星到UT的链路分别称为馈线链路和用户链路。在图1所示的通常星形配置中，馈电线链路具有高方向性和增益。由于该链路的信噪比大大高于用户链路中的信噪比，满足不同用户需要。此外，根据通信的方向，当链路从GW传输到UT时，它被称为前向链路；当链路从UT传输到GW时，它被称为反向链路。前向链路通过卫星从GW到UT。返回链路通过卫星从UT传输到GW。馈电链路将GW与卫星连接(双向)，而用户链路将UT与卫星连接(双向)。在Ku和Ka波段，卫星通常使用具有多个馈源(即阵列馈送反射器)的反射器天线。[0099]一、多波束卫星系统模型
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[0096]
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考虑一个卫星信关站时，其中每个UT只有一个天线，而卫星配备有N个天线，这些
天线组合在一起形成由K个固定波束组成的波束辐射图案。对于每个波束，假设每个波束同时服务的Nu用户总数(即，卫星服务用户总数为KNu)。[0101]假设所有波束都在同一频带内辐射，传输单载波调制信号，因为高功放(HPA)的非线性对多载波信号(例如，DVB-S2X使用单载波调制)造成了衰落。第K个波束的第i个UT接收离散等效基带信号模型写为
[0102]yi＝HiD(x+z)+ni,i＝1,2,...,Nu (1)
[0103]
其中，向量yi∈CK×1是第i个UT接收到的信号(即，表示第i个UT在第k个波束处接x∈CN×1为发送信号，z∈CN×1对应于馈线链路传输的噪声项，假设为独立同分布零
收的信号)，ni∈CK×1是第i个UT接收机噪声，假设ni是独立同分布零均值高斯白噪声，且方差为
均值高斯白噪声，且方差为
[0104]
矩阵Hi∈CK×N是信道矩阵，其第k行用
表示，是位于第k个波束处的第i个UT信道
矢量。该矢量包含每个天线单元的信道系数n＝1,2,...N，在系统模型中图2描述了构造Hi方法。正如在K＝3和Nu＝2的示例中所观察到的，这些通道矩阵的不同行H1∈CK×N与H2∈CK×N是由位于每个波束上的UT通道矢量形成的。
[0105]假设Ku和Ka频段用户链路带宽为500MHz，是一个平坦的衰落信道，即使对于移动卫星系统也是如此。由于波束的高方向性，消除了任何可能的多径。矩阵D∈RN×N整合馈源和有效载荷。不考虑非线性效应，矩阵D可表示为[0106]D＝diag(m1,m2,...,mN) (2)[0107]式中，mn表示第n个馈送信号的振幅变化。在有完善的自动增益控制机制下，可以建立所有mn＝1，n＝1，2，...,N，D表示为一个单位矩阵。
[0108]馈电链路一般由大直径高增益抛物面天线和有效载荷支撑。在此带宽上馈送信号在馈送链路中可用频率多路复用。在这种情况下，馈送链路的信噪比(SNR)可定义为
[0109][0110]
SNR的值极高，因此，馈电链路被认为是无噪音的。这样，可以将(1)中的系统模型yi＝Hix+ni,i＝1,2,...,Nu (4)
在高馈信噪比假设之后，(4)中的系统模型不考虑中继处理效果。为更深入地解析Hi，假设该矩阵为其中则矩阵
是满列秩矩阵，包含天线辐射模式和路径损耗，Fi∈CK×N表示传播表示为
简化为
[0111][0112][0113][0114][0115]
效果的随机项矩阵。运算符表示Hadamard积。
[0116]
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[0117]
[0118]用表示第i个UT在第k个波束与卫星之间的距离，λ表示载波波长，表示UT接
收天线增益。是指第n个馈送给第i个用户的第k个波束的增益。由于每个馈送的高方向性，对于远离每个馈送的波束区域的用户来说，这些增益非常低。
[0119]
由光束辐射模式和无线电波传播引起的时变相位用表示相位值包含不同
的成分。特别地，
[0120][0121]
其中表示由射频信号传播引起的相位变化，这取决于到卫星的超声波距离。
是接收器的低噪声变频器的相位偏移，假设为高斯，平均值为零，标准偏差为0.3°，当使用超稳定振荡器时，θ平均值为零，标准PL,n表示假定为高斯的有效载荷振荡器相位偏移，
偏差约为2°。
[0122]
的值取决于所采用设备的多天线解决方案。如果卫星使用直接辐射元件(即相
是k用户的方向矢量，因此，只要相位
得到补偿，就将范德
控阵孔径)，则蒙结构赋予矩阵
例如，在L波段卫星系统中，星载波束形成是通过直接辐射元件完成的
(这是国际海事卫星组织和全球卫星系统的情况)。相反，在Ku和Ka波段，卫星通常使用具有多个馈源(即阵列馈送反射器)的反射器天线，如图3所示，显示了这些毫米波频率下所需的卫星增益。
[0123]此外，在式(4)中，所有馈送信号在同一时间瞬间撞击到UT天线(即，同时传输的帧之间没有时间偏差)。再加上在发送器上假设完美的信道状态信息，使得提出的H矩阵预编码技术成为可能。如果没有完美的信道状态信息，则必须设计与地面无线通信相同的策略。在这种情况下，卫星方案不会引发任何新的信号处理问题，因此，本文不在阐述解决这一问题的方法。
[0124]为了确定(5)的描述，注意到，从一个用户到不同天线元件的大气衰减系数是相同的。这是由于与卫星高度相比，天线元件的间隔相对较小。因此，
其中每个衰
减系数独立于传输馈送。值得注意的是，没有多径，并且在10GHz以上(即Ku波段以上)的频率中存在强光视线。当没有阻塞时，可以假定为衰落信道(Ricean)分布；因此，(4)为视线通道建模。
[0125]假设有多个GW，则多波束预编码包括在地理上位置分离，通常相互连接的GW传输预编码信号。等效馈电线可以聚合不同GW的馈电线的带宽，并且可以适应频率复用增加时所需的带宽增加。此外，如果其中一个GW发生故障或出现非常不利的衰落，则可以重新路由流量以保持系统容量，系统结构如图1所示。
[0126]多个GW多波束方案与多小区C-RAN系统之间的密切关系，在该系统中，每个小区前端的带宽容量都是有限的，每个GW也是如此。基于单GW设计方案，多个GW预编码需要在两个
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方面进行处理。[0127]首先，原始的预编码矩阵W变成块对角矩阵，即[0128]W＝block-diag{W1，...,WL} (8)
[0129]
其中
和
是第l个GW(l＝1,...,L)相关的预编码矩阵。注意，对于多个GW预
换句话说，每个GW只能使用N个馈送信号的一个子集来处理
编码
信号。实际上，第l个GW只传输KlNl预编码信号，而不是在单个GW场景中传输的KN信号。[0130]第二方面是信道状态信息采集。每个GW只能访问其服务用户的反馈信息，但每个GW需要相邻波束的信道状态信息，以减少产生的干扰。因此，不同的GW必须交换一组矩阵，需要处理通信开销。这种信道状态信息的交换与地面多小区方案中的共享挑战是相同的。
[0131]
在实际的部署中，GW之间的的多级优化可能有利于实现，前提是不同的GW
连接之间存在一定的QoS要求。[0132]最后，(8)中的预编码结构类似于稀疏波束形成。[0133]采用地面/星载联合设计结构，可提供了大量的馈线链路带宽减少方法，原始的真实地面预编码矩阵被转换为[0134]W→UV (9)
[0135]其中U∈CN×K是在卫星上进行的波束形成操作，V∈CK×K是在地面的GW进行的波束形成操作，在这种情况下，使用这种混合的星载/地面结构，而不是NK用户信号的原始预编码信号Ws，应改为传输Vs，它由K2用户信号构成；U是稀疏矩阵。考虑到覆盖面积大，充分分离的波束是不会相互干扰。因此，如果U被设计成稀疏的，那么数字波束形成可以降低有效载荷实现成本。
[0136]一种基于MIMO多波束线性低复杂度多波预编码方案，通过优化以下问题来实现的：
[0137]
优化问题p是一个非凸的四次约束二次问题(QCQP)，这个问题可以通过带有半定
松弛(SDR)方法来解决,由于该方法是线性低复杂度非凸优化方案，该方法适用于中型覆盖区域(即中型波束)。[0139]二、多波束卫星系统处理方法
[0140]在基于MIMO的多波束高通量卫星系统中，采用置换方法来构造规则LDPC-LU码。[0141]第一步，对于码长为M×N的矩阵通过p个(i,k)子阵构成，其中(M,N)＝p，(i,k)子矩阵本身也是LDPC矩阵，列重量为1，行重量为k，第一个子矩阵为阶梯型，即第1行的k个1的列号是从i-1×k到i×k。[0142]第二步，矩阵H的其他子矩阵都是第一个子矩阵的左循环移位或右循环移位的置换矩阵。
[0143]第三步，对信道矩阵H的子矩阵(i,k)进行LU分解，可以得到上三角矩阵U和下三角
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矩阵L。
第四步，利用前向迭代法可以根据信息位来得到校验位，从而完成编码。
[0145]LDPC-LU码的迭代译码算法中，在给定接收信号和信道估计的条件下，在迭代的每一步中，对于有噪序列的每一个符号，都要进行后验概率的估计，然后把所估计到的值输入下一次迭代，这样可以获得较好的结果。LU分解编码算法运算的复杂度与码长N是成线性关系的。
[0146]3系统性能与方法解析
[0147]基于MIMO多波束同时服务所有用户在的平均信道矩阵上进行MMSE预编码处理。在设计低复杂度的预编码时，即发现代表Nu的最佳信道。卫星信道具有很强的视线，并且在用户信道矢量上没有相位变化。如图4所示，描述了多波MMSE和卫星LDPC预编码的性能。多用户MIMO预编码的LU分解方法是通过使用子空间来减少束间干扰，可以满足高通量处理能力。
[0148]我们考虑了120个波束的波束图，每个天线的最大功率限制为45W。结果得到了超过1000次蒙特卡罗运行结果和单位方差噪声。图4还描述了当多GW执行上述编译或不执行某个编译(即随机调度)时的平均波束数据速率。[0149]显然，用户数越大，Block-LU和多波MMSE获得的可实现率越低。在所有情况下，与多波MMSE相比，Block-LU可以获得更大的数据速率。在这两种情况下，预编码的影响都是显著的。
[0150]然而，多波MMSE的计算复杂度远低于Block-LU，并且在每帧用户数增加时不会显著增加。相反，随着UT数量的增加，Block-LU需要更多的计算时间来计算预编码矩阵。[0151]在任何情况下，尽管多波MMSE的计算复杂度较低，但在服务于大覆盖区域时，它仍然面临着实现挑战(即，随着K的增长，矩阵求逆运算成为一种计算要求较高的运算)。利用SDR来解决，可以得到较好的性能。
[0152]当信关站的数目L＝3和L＝6时，利用上述多波束LDPC-LU预编码方式，其误码率(BER)与Eb/N0的关系如图5所示。同时系统的译码性能与信关站的关系如图6所示。因此，基于MIMO的多波束高通量卫星系统和处理方法可以得到很好处理能力。[0153]为了更好地分析LDPC-LU编译码性能的影响因素，在其他条件不变的前提下，将信息码长分别设置为2048、4608、5760，译码后误码率随信噪比的变化曲线如图7所示。由图可见在同样信噪比的情况下，码长越长，误码率越低，信道编码的性能越好。所以LDPC-LU编码适合中长码编码，但是有上限限制。
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