FDMA数字信道化卫星通信系统的信号传输优化方法

摘要

FDMA数字信道化卫星通信系统的信号传输优化加载方法，属于移动无线通信技术领域，其特征在于：为了实现最大化卫星转发器的通信容量，首先将地面用户发端功率设置为最大值，并在此基础上对卫星转发器的工作点进行一维搜索；对搜索范围内的每一个可能的工作点，使用多层优化方法，对各链路使用拉格朗日乘子法迭代求解增益参数，并对不能满足信噪比要求的链路进行增益修正，求得星上信道增益参数的最优值。以该最优值参数对星上转发器进行配置，改变星上高功放的工作点，最终达到整体通信容量最大化的目的。本发明适用于宽带多通道增益可调卫星转发器系统，尤其适用于采用数字信道化技术的卫星转发器系统，同时要求地面端上行发射功率可调。

主权项

一种适用于频分复用多址FDMA数字信道化卫星通信系统的信号传输优化方法，其特征在于该方法使用以下步骤实现对地面终端发送功率及星上转发器子信道增益的调整:步骤(1)：系统构造设定：M条链路占用M个子信道，每个链路单独占用一个子信道，每个地面发射终端具有可调的上行发射功率，用Ei表示，i=1,2,3……M，其中M为卫星转发器支持的链路数目，即地面发端或收端的数目，每个链路发射到卫星的信号上行发射功率Ei经上行空间衰减ai后到达卫星转发器输入端，记作xi，xi=Ei/ai，i=1,2,3……M，经过星上每个链路的增益Gi后由高功放发射回地面终端，下行损耗为bi；设定：优化目标为，系统的总和香农容量，用C(X,G,z)表示，X=(x1,x2,x3……xM)，G=(G1,G2,G3……GM)， C ( X , G , z ) = Σ i = 1 m B i · log 2 ( 1 + CI i ( x i , G i , z ) / B i ) , 其中， CI i ( x i , G i , z ) = x i G i / g ( z ) / b i ( kT s G i g ( z ) b i ) + ( h ( z ) P Bb i ) + kT i g ( z ) = 1 + ρ g * z h ( z ) = ρ h ( 1 + 1 / z ) 3 CIi(xi,Gi,z)表示链路i的信噪比值，其中z为星上高功放的待求工作点，因所有链路均经过星上高功放，因此工作点z值对所有链路i=1,2,3……M都是一致的，g(z)为增益压缩函数，其值只与工作点z有关，ρg为增益压缩常数，其典型值为1.2700，bi为i链路的下行损耗，B为所有链路的总带宽，k为玻尔兹曼常数，Ts为星上接收机的热噪声温度，P为星上高功放的发射功率参考值，Ti为链路i的热噪声温度，h(z)为交调干扰函数，其值只与工作点z有关，ρh为交调干扰常数，其典型值为0.123,各链路的待求增益Gi；步骤(2)：系统初始化发射终端设定：将所述的所有链路上行发射功率Ei设置为最大允许功率值。接收终端设定：给定各链路最低接收信噪比CIi,min值，地面接收终端收到的信号信噪比CIi(xi,Gi,z)必须高于该值以达到解调要求；步骤(3)：求解参数所述的星上转发器依次按照以下步骤实现信号传输的优化加载：步骤(3‑1)：设定：所述卫星转发器使用的高功放工作点z的搜索区间z为[0.1,1.5]，并在区间内以0.01步长改变z值；对每一个给定的z，按以下步骤求解增益参数Gi(z)，i=1,2,3,4……M：步骤(3‑1‑1)：将所有链路i，i=1,2,3……M定义为集合P，并定义空链路集合Q；步骤(3‑1‑2)：对所有P和Q中的链路先求排序参数λi，i=1,2,3……M： λ i , temp = ( kT s * kT s B i * G i , min 2 + A i ( 2 kT s B i + x i ) * G i , min + B i * A i 2 ) B i * x i * A i 其中， G i , min = ( h ( z ) P * CI i , min Bb i + CI i , min kT i ) ÷ ( x i b i - CI i , min kT s g ( z ) b i ) 且 A i = A i ( x i , z ) = ( x i + kT s * B i ) * ( ( kT i * b i * g ( z ) + P * h ( z ) * g ( z ) B ) z * P ) Gi,min为链路i在满足信噪比条件下的最小增益，Ai(xi,z)为中间变量方便表达和计算，k为玻尔兹曼常数，Ts为星上接收机的热噪声温度，Bi为链路i的带宽，bi为链路i的下行衰减，B为所有链路的总带宽，P为星上发射机的参考功率，对λi,temp的大小值进行降序排序可得排序参数λi，i=1,2,3……M，即：λ1=maxM{λi,temp}……λM=minM{λi,temp}，i=1,2,3……M；步骤(3‑1‑3)：对所有集合P中的链路执行以下步骤，对集合Q中的链路参数不作改动，对集合P中的所有链路i，i=1,2,3……M且i∈P，使用拉格朗日乘子法LM迭代求解可能的各链路增益参数Gi，： G i ( x i , z ) = - 2 B i A i ( ( 2 kT s B i A i + A i x i ) 2 - 4 kT s B i A i ( kT s B + x i ) * ( A i - x i λ i ) + ( 2 kT s B i A i + A i x i ) ) 其中，Ai(xi,z)为中间变量方便表达和计算，，λi为排序参数；步骤(3‑1‑4)：将步骤(3‑1‑3)中迭代求得的增益参数G1、G2……Gi，i∈P回代入如下所述的信噪比公式，检验P中的各链路是否满足各自链路的最低信噪比要求； CI i ( x i , G i , z ) = x i G i / g ( z ) / b i ( kT s G i g ( z ) b i ) + ( h ( z ) P Bb i ) + kT i > CI i , min 步骤(3‑1‑5)：若P中所有链路i，i=1,2,3……M且i∈P全部能满足各自的最低信噪比要求，则此时的增益参数G1、G2……GM即为当前z值下所求的转发器各个子信道的最优增益值G(z)=(G1(z),G2(z),G3(z)……GM(z)),记录当前z值和G(z)值，将G(z)回代入容量计算式： C ( X , G , z ) = Σ i = 1 m B i · log 2 ( 1 + CI i ( x i , G i , z ) / B i ) , 记录该z值对应的香农容量C(X,G,z)的值，结束步骤(3‑1)的所有迭代，进入步骤(3‑2)；步骤(3‑1‑6)：若集合P中的各条链路i中仅有一部分链路能够满足对应链路的最低信噪比要求，而另一部分链路无法满足各自的最低信噪比要求，将这部分不能满足的链路从集合P中移除，并加入集合Q。且对于这部分加入Q的链路：利用如下计算方法，计算它们在工作点定值z下若要满足最低信噪比时需要的最小增益参数值Gi,min： G i , min = ( h ( z ) P * CI i , min Bb i + CI i , min kT i ) ÷ ( x i b i - CI i , min kT s g ( z ) b i ) 将这些求得的Gi,min直接赋值给这部分对应链路链路的增益Gi，此时集合P和Q已被改变，回到步骤(3‑1‑2)继续计算迭代求解；步骤(3‑1‑7)：若集合P中的全部链路i（i=1,2,3……M）全部都不能满足各自的最低信噪比要求，则在该工作点z下无解；对z值和相关参数不作记录，终止步骤(3‑1)的迭代，进入步骤(3‑2)；步骤(3‑2)：若z值小于1.5，则z=z+0.01，回到步骤(3‑1‑1)重复执行求解；若z值等于1.5，则进入步骤(4)；步骤(4)：将每次执行步骤(3‑1‑5)后记录的香农容量C(X,G,z)作比较，找到最大的容量值Cmax(X,G,z)按照其对应的G(z)参数对所有M个信道作配置，完成优化加载。