本發(fā)明屬于無線通信，針對(duì)地空快時(shí)變下通信的高時(shí)效性和干擾抑制需求，具體涉及一種多天線5g?aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾抑制方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有技術(shù)中將5091-5150?mhz頻段用于機(jī)場(chǎng)地面5g航空移動(dòng)機(jī)場(chǎng)通信系統(tǒng)（aeronautical?mobile?airport?communications?system,?aeromacs）網(wǎng)絡(luò)，以提供高效的無線通信速率。然而，該頻段同時(shí)也分配給非地球靜止軌道衛(wèi)星的固定衛(wèi)星服務(wù)（fixedsatellite?service,?fss）系統(tǒng)的上行鏈路。即aeromacs網(wǎng)絡(luò)與fss系統(tǒng)的共存時(shí)，存在fss射頻干擾，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面頻譜兼容的目標(biāo)，要使得干擾閾值不超過fss衛(wèi)星接收機(jī)等效噪聲值的2%。針對(duì)地空（ground?to?air?,?g2a）傳輸對(duì)衛(wèi)星fss系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的問題，目前，多輸入多輸出（multiple-input?multiple-output,?mimo）技術(shù)利用定向波束，自適應(yīng)保護(hù)通信系統(tǒng)免受干擾，但在快速變化的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面通信信道條件下，mimo干擾抑制仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題：首先，針對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面信道特性的頻繁變化要求不斷地傳輸導(dǎo)頻信號(hào)以進(jìn)行實(shí)時(shí)信道估計(jì)，這將產(chǎn)生無法承受的導(dǎo)頻開銷并顯著降低通信效率。其次，波束賦形矩陣應(yīng)隨著相干時(shí)間決定的信道變化而更新，這就要求在相對(duì)較低的計(jì)算復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)干擾抑制的波束賦形技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)高時(shí)效性的mimo干擾抑制方案以提高快速信道變化環(huán)境下的傳輸可靠性至關(guān)重要。

2、在mimo干擾抑制技術(shù)中，信道估計(jì)和波束賦形是兩個(gè)關(guān)鍵方面。現(xiàn)有的基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)算法，例如最小二乘法（least?squares,?ls）、最小均方誤差法（minimum?meansquare?error,?mmse）。盡管能夠提供準(zhǔn)確的信道估計(jì)，但會(huì)導(dǎo)致較大的導(dǎo)頻開銷。此外，基于盲信道估計(jì)算法雖然無需導(dǎo)頻，但需要通過信號(hào)子空間和噪聲子空間的分解來估計(jì)信道，這往往導(dǎo)致較高的計(jì)算復(fù)雜度。在信道估計(jì)的基礎(chǔ)上，可以利用mimo混合波束賦形（hybrid?beamforming,?hbf）技術(shù)進(jìn)行干擾抑制并增強(qiáng)接收端所需的信號(hào)強(qiáng)度。hbf結(jié)合了模擬波束賦形和數(shù)字波束賦形的優(yōu)點(diǎn)，能夠在減少射頻鏈路數(shù)量的同時(shí)，提供接近于全數(shù)字波束賦形的性能。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)研究都主要集中在靜態(tài)場(chǎng)景下的應(yīng)用，而未充分考慮動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的干擾抑制問題。

3、針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種多天線5g?aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾抑制方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)迭代優(yōu)化（alternating?optimization,?ao）hbf的干擾抑制模型，將地空信道矩陣作為輸入，自適應(yīng)映射到hbf權(quán)重矩陣并作為輸出。本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)-門控循環(huán)單元（generative?adversarial?networks-gated?recurrent?unit,gan-gru）地空信道矩陣預(yù)測(cè)算法獲得了精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)精度，提出的迭代優(yōu)化混合波束賦形（ao?hbf）干擾抑制方法實(shí)現(xiàn)了較低的均方誤差（mean?squared?error，mse），實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的波束賦形。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種多天線5g?aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾抑制方法，首先，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的gan-gru法對(duì)地空信道矩陣進(jìn)行跟蹤；其次，通過ao?hbf的干擾抑制法降低aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾；最后，在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面快速信道場(chǎng)景下驗(yàn)證本發(fā)明所提出的方案，在歷史的地空信道矩陣樣本數(shù)量不足且精度低的情況下，獲得了精確的預(yù)測(cè)結(jié)果；在滿足對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)最大干擾功率約束下的前提下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的波束賦形和頻譜兼容效果。

2、本發(fā)明提供了一種多天線5g?aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾抑制方法，具體步驟如下：

3、步驟1.構(gòu)建最大干擾功率約束下的接收端最小均方誤差問題；

4、步驟2.構(gòu)建基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型；使用基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型獲得預(yù)測(cè)地空信道矩陣；

5、步驟3.基于預(yù)測(cè)地空信道矩陣，構(gòu)建基于ao?hbf的干擾抑制模型；

6、步驟4.使用步驟3獲得的基于ao?hbf的干擾抑制模型獲得抗干擾混合波束賦形，使用抗干擾混合波束賦形降低對(duì)fss系統(tǒng)的干擾。

7、可選地，步驟1中構(gòu)建最大干擾功率約束下的接收端最小均方誤差問題的具體步驟為：

8、構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸階段中子載波上ac端的接收信號(hào)模型，所述接收信號(hào)模型包括子載波的地空gs-ac信道矩陣、gs端子載波的基帶預(yù)編碼矩陣、gs端的射頻預(yù)編碼矩陣、ac端的子載波的基帶組合矩陣和ac端的射頻組合矩陣；

9、基于數(shù)據(jù)傳輸階段中子載波上ac端的接收信號(hào)模型構(gòu)建均方誤差mse模型。

10、可選地，基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型包括基于gan的地空信道數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊和基于gru的信道預(yù)測(cè)模塊。

11、可選地，基于gan的地空信道數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊包括gan輸入層、生成模型、判別模型、訓(xùn)練模型和模型評(píng)估模塊。

12、可選地，基于gru的信道預(yù)測(cè)模塊包括gru輸入層、gru單元和輸出層。

13、可選地，通過最小化基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型的損失函數(shù)訓(xùn)練基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型，表達(dá)式為：

14、

15、其中，為基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型的第個(gè)幀預(yù)測(cè)的地空信道矩陣，為第幀仿真地空信道矩陣；表示均值符號(hào)；l表示總幀數(shù)。

16、可選地，基于ao?hbf模型包含射頻預(yù)編碼器、基帶預(yù)編碼器、射頻組合器和基帶組合器。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有現(xiàn)如下有益效果：

18、（1）本發(fā)明的方法所提出的?gan-gru?的地空信道矩陣預(yù)測(cè)法，在歷史的地空信道矩陣樣本數(shù)量不足且精度低的情況下，能夠進(jìn)行地空信道數(shù)據(jù)增強(qiáng)以提高未來多個(gè)幀長(zhǎng)的地空信道矩陣預(yù)測(cè)精度；

19、（2）發(fā)明的方法所獲得的頻譜兼容方案在滿足對(duì)衛(wèi)星干擾不超過最大功率約束的前提下，用ao算法實(shí)現(xiàn)收發(fā)聯(lián)合混合波束賦形，降低對(duì)fss系統(tǒng)的干擾；

20、（3）發(fā)明的方法所提出的ao?hbf的干擾抑制方法，采用流形優(yōu)化（manifoldoptimization,?mo）算法解決了射頻預(yù)編碼器和射頻組合器恒模約束問題。

技術(shù)特征：

1.一種多天線5g?aeromacs對(duì)fss系統(tǒng)的干擾抑制方法，其特征在于，具體步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干擾抑制方法，其特征在于，步驟1中構(gòu)建最大干擾功率約束下的接收端最小均方誤差問題的具體步驟為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的干擾抑制方法，其特征在于，基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型包括基于gan的地空信道數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊和基于gru的信道預(yù)測(cè)模塊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的干擾抑制方法，其特征在于，基于gan的地空信道數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊包括gan輸入層、生成模型、判別模型、訓(xùn)練模型和模型評(píng)估模塊。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的干擾抑制方法，其特征在于，基于gru的信道預(yù)測(cè)模塊包括gru輸入層、gru單元和輸出層。

6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任一項(xiàng)所述的干擾抑制方法，其特征在于，通過最小化基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型的損失函數(shù)訓(xùn)練基于gan-gru的地空信道矩陣預(yù)測(cè)模型，表達(dá)式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干擾抑制方法，其特征在于，基于ao?hbf模型包含射頻預(yù)編碼器、基帶預(yù)編碼器、射頻組合器和基帶組合器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種多天線5G?AeroMACS對(duì)FSS系統(tǒng)的干擾抑制方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)中的干擾抑制方法存在較大的導(dǎo)頻開銷，抑制干擾過程復(fù)雜，未充分考慮動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的干擾抑制問題。本發(fā)明的干擾抑制方法將地空信道矩陣作為輸入，自適應(yīng)映射到HBF權(quán)重矩陣并作為輸出，同時(shí)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)?門控循環(huán)單元地空信道矩陣預(yù)測(cè)法獲得了精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)精度，提出的AO?HBF干擾抑制方法實(shí)現(xiàn)了較低的均方誤差MSE模型，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的波束賦形。

技術(shù)研發(fā)人員：趙晶晶,蔡開泉,蘇晶,朱衍波,周全
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6