本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信，特別是涉及一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、陣列天線波束成形技術(shù)在通信系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，衛(wèi)星上行鏈路抗干擾技術(shù)亟需研究以滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求。基于陣列天線的波束成形方法可以根據(jù)信道環(huán)境，調(diào)整天線各陣元的饋源權(quán)值，在期望信號(hào)來波方向上達(dá)到需要的增益，同時(shí)在干擾方向形成零陷，實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，將其應(yīng)用于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以有效的抑制干擾和噪聲，提高系統(tǒng)通信容量和服務(wù)質(zhì)量。

2、capon提出的最小方差無失真響應(yīng)(minimum?variance?distortionlessresponse，mvdr)的波束形成算法應(yīng)用廣泛，該算法在期望信號(hào)到達(dá)角等參數(shù)精確已知的情況下性能良好，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在估計(jì)誤差，該算法性能急劇下降。frost.o.j提出的線性約束最小方差波束形成器(linearly?constrained?minimum?variance，lcmv)，通過拓展主瓣或零陷寬度，提高了算法的穩(wěn)定性。reed提出了采樣矩陣求逆波束形成器(samplematrix?inverse，smi)，利用采樣協(xié)方差矩陣求逆法計(jì)算權(quán)值，降低了算法復(fù)雜度。但是以上算法均需要完美的信道狀態(tài)信息，現(xiàn)實(shí)中，信道狀態(tài)信息往往存在誤差，此時(shí)，以上算法的性能會(huì)急劇下降。波束成形技術(shù)本質(zhì)上是對(duì)空間上不同來向的信號(hào)進(jìn)行空域?yàn)V波，通過對(duì)信號(hào)的到達(dá)角進(jìn)行估計(jì)，獲得準(zhǔn)確的信號(hào)到達(dá)角信息，然后對(duì)信號(hào)到達(dá)角方向上的陣列增益進(jìn)行約束，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶信號(hào)的接收和對(duì)干擾和噪聲的抑制。使用基于到達(dá)角估計(jì)的波束成形抗干擾方法可以在有限的頻譜資源內(nèi)滿足更多的地面節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信需求，通過多節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以大大提高頻譜資源利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

2、為此，本發(fā)明提出了一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶間干擾及外部干擾的抑制，提高衛(wèi)星上行鏈路通信質(zhì)量。

3、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾裝置。

4、為達(dá)上述目的，本發(fā)明一方面提出一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾方法，包括：

5、建立基于平面陣列天線的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型，并通過低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收端接收信號(hào)；其中，接收端接收的信號(hào)包括多個(gè)地面節(jié)點(diǎn)發(fā)射的用戶信號(hào)和外部干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)；

6、利用多重信號(hào)分類算法估計(jì)用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的到達(dá)角；

7、通過將最大化sinr問題轉(zhuǎn)化為到達(dá)角增益約束下的功率最小化問題，抑制用戶間干擾和外部干擾以求解得到波束成形矩陣。

8、本發(fā)明實(shí)施例的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾方法還可以具有以下附加技術(shù)特征：

9、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，建立基于平面陣列天線的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型，并通過低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收端接收信號(hào)，包括：

10、基于低軌衛(wèi)星通信上行鏈路，發(fā)射端包含k個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)，接收端采用均勻線陣列天線，陣元數(shù)為n＝nx×ny，其中nx和ny分別表示x軸和y軸方向上的天線陣元數(shù)，存在m個(gè)干擾源，噪聲為各信道相互獨(dú)立的加性噪聲，接收端根據(jù)k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送的導(dǎo)頻信息來估計(jì)節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息，接收端陣列天線接收到的信號(hào)為：

11、

12、其中，sk(t)是第k(k＝1,2,...,k)個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的原始信號(hào)，dm(t)是第m(m＝1,2,...,m)個(gè)干擾信號(hào)，hk和gm為分別為第k個(gè)用戶信號(hào)和第m個(gè)干擾信號(hào)的信道向量，n(t)∈cn×1是噪聲向量；對(duì)于用戶節(jié)點(diǎn)k，接收端通過波束成形向量處理，其陣列天線輸出信號(hào)表示為：

13、

14、其中，表示求wk的共軛轉(zhuǎn)置，wk∈cn×1表示對(duì)第k個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行接收的波束成形向量，w＝[w1,w2,...,wk]表示接收k個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的波束成形矩陣；

15、信道向量表示為：

16、hk＝αk·vk，

17、其中，αk為信道增益，vk為均勻平面陣列的導(dǎo)向向量，表示為：

18、

19、其中，表示求克羅內(nèi)克積，和分別表示第k個(gè)用戶信號(hào)在x軸方向和y軸方向上的到達(dá)角；和分別為：

20、

21、其中，[·]t表示求轉(zhuǎn)置操作；干擾信號(hào)信道向量表示為類似的形式：

22、gm＝αm·vm。

23、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用多重信號(hào)分類算法估計(jì)用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的到達(dá)角，包括：

24、基于得到的均勻平面陣列接收信號(hào)模型，計(jì)算接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣：

25、

26、其中，t是接收數(shù)據(jù)的快拍數(shù)，x＝[x(1),x(2),...,x(t)]為信號(hào)x(t)的采樣值；

27、使用二維music算法對(duì)信號(hào)aoa進(jìn)行估計(jì)，首先對(duì)進(jìn)行特征值分解：

28、

29、其中，λs和λn分別為信號(hào)功率對(duì)角矩陣和噪聲功率對(duì)角矩陣，us和un分別為信號(hào)子空間和噪聲子空間，[·]h表示求共軛轉(zhuǎn)置操作；信號(hào)的二維aoa譜函數(shù)表示為：

30、

31、對(duì)上式進(jìn)行二維譜峰搜索，得到信號(hào)aoa對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向向量集，使用已知的用戶信號(hào)信道狀態(tài)信息找到集合中向量與差值的l2范數(shù)的平方的最小值：

32、

33、依次對(duì)k個(gè)用戶信號(hào)的導(dǎo)向向量進(jìn)行識(shí)別，剩余m個(gè)向量為干擾信號(hào)aoa對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向向量，將用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的導(dǎo)向向量依次排列，得到接收信號(hào)導(dǎo)向向量矩陣：

34、

35、在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過將最大化sinr問題轉(zhuǎn)化為到達(dá)角增益約束下的功率最小化問題，抑制用戶間干擾和外部干擾以求解得到波束成形矩陣，包括：

36、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻譜效率表示為：

37、

38、其中，sinrk為第k個(gè)用戶的信干噪比，sinrk表示為：

39、

40、其中，和分別表示用戶信號(hào)，干擾信號(hào)和噪聲的功率；求解最優(yōu)波束成形向量可以表示為最大化sinr問題：

41、

42、通過帶入信道公式，將最大化功率比轉(zhuǎn)化為對(duì)信號(hào)aoa約束下的最小化功率問題：

43、

44、其中，ak＝[0…ξk…0]t為約束向量，ξk為幅值約束，通過拉格朗日乘子法求得上述優(yōu)化問題的解為：

45、

46、其中，w＝[w1?w2…wk]，a＝[a1?a2…ak]，為了保證信號(hào)的無失真輸出，將幅值約束設(shè)置為為第k個(gè)用戶信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信道增益。

47、為達(dá)上述目的，本發(fā)明第二方面實(shí)施例提出一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾裝置，包括：

48、通信系統(tǒng)模型構(gòu)建模塊，用于建立基于平面陣列天線的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)模型，并通過低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收端接收信號(hào)；其中，接收端接收的信號(hào)包括多個(gè)地面節(jié)點(diǎn)發(fā)射的用戶信號(hào)和外部干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)；

49、信號(hào)估計(jì)模塊，用于利用多重信號(hào)分類算法估計(jì)用戶信號(hào)和干擾信號(hào)的到達(dá)角；

50、問題求解模塊，用于通過將最大化sinr問題轉(zhuǎn)化為到達(dá)角增益約束下的功率最小化問題，抑制用戶間干擾和外部干擾以求解得到波束成形矩陣。

51、本發(fā)明實(shí)施例的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的波束成形抗干擾方法和系統(tǒng)，針對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)上行鏈路面臨的復(fù)雜干擾環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的基于二維到達(dá)角估計(jì)的波束成形抗干擾方案，首先使用二維music算法對(duì)信號(hào)的到達(dá)角進(jìn)行估計(jì)，利用得到的準(zhǔn)確信號(hào)到達(dá)角信息構(gòu)建對(duì)特定角度上進(jìn)行接收幅值約束的優(yōu)化問題，以閉式解的形式給出了最優(yōu)的波束成形矩陣，對(duì)用戶間干擾及外部干擾進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，提高衛(wèi)星上行鏈路通信質(zhì)量。

52、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。