具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

多波束卫星是指使用多个天线分别产生彼此不重叠的点波束的卫星，其星上天线能在其覆盖范围内产生多个相互邻近的波束，具备高卫星资源利用率，高等效全向辐射功率，高波束覆盖质量和高通信系统容量。在多波束卫星通信系统中，多波束天线都位于同一颗卫星中，从而在前向链路的波束之间引入了严重的波束间干扰。多卫星通信系统使用卫星分集的方式实现虚拟MIMO(Multiple In Multiple Out多输入多输出技术)通信的卫星通信系统，该系统使用多颗卫星覆盖并同时服务相同区域，能够有效地提高系统吞吐量。基于预编码技术，在多输入多输出通信系统的下行链路中，发射端根据已知的信道状态信息对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配，可以有效提高系统性能并且降低系统对接收机算法的依赖程度。

需要预先说明的是，如图1所示，本发明适用于多个多波束卫星多终端通信场景，不同波束内的终端使用同一频段进行传输，受到波束间干扰影响。在多波束卫星通信系统中，多波束卫星的各个波束通常使用不同的发射天线发射信号，由于多波束卫星的发射天线的功率方向图并非理想的功率方向图，其发射功率并不会完全集中在目标方向，而是会在不同的方向上具备功率的流失，这将导致多波束卫星的不同波束间的功率在空间上存在混叠进而产生了波束间干扰。

如图2所示，多波束卫星的覆盖区域由多个相邻的点波束覆盖区域组成，每个点波束均使用相应的发射天线发射信号。由于每个天线均具备天线主瓣和天线旁瓣，其天线主瓣部分发射出的信号用于形成其点波束覆盖区域，其天线旁瓣部分将叠加到其他点波束覆盖区域内。故当不同的点波束均采用相同的频段进行信号传输时，不同点波束的天线主瓣均受到其余点波束和的天线旁瓣的影响产生波束间干扰。

每个点波束内处于同一分组即使用相同频率的终端之间所受的波束间干扰情况可以量化为波束间干扰信道矩阵。系统模型为：

y＝Wx+z (1)

其中，表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的发射向量，N_d＝N_s×N_b表示发射数据流的总个数，N_b表示多波束卫星的点波束的个数，N_s表示多波束卫星的个数；表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的接收向量；表示数据流上叠加的零均值复数高斯白噪声随机向量，其每一项的噪声方差均为W表示由波束间干扰信息组成的信道矩阵，其对角线元素表示非干扰项，非对角线元素表示干扰项。

鉴于此，本发明提供一种用于多个多波束卫星通信的预编码方法，所述方法包括步骤S101～S105：

步骤S101：对每个终端分别配置设定数量的发射模式，并进行初始化。

步骤S102：将全部终端在参考发射模式下的运行状态作为参考整体发射模式，并对参考整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到参考性能指标。

步骤S103：在参考整体发射模式下，依次更换每个终端的发射模式，并保持其余终端发射模式不变，对变更后的整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到比对性能指标。

步骤S104：按照设定规则对比每个终端对应的比对性能指标和参考性能指标，若参考性能指标大于终端当前的比对性能指标，则将该终端变更后的发射模式标记为最佳发射模式；若参考性能指标小于等于终端当前的比对性能指标，则将该终端的参考发射模式标记为最佳发射模式。

步骤S105：将各终端在对应最佳发射模式下的运行状态作为最佳整体发射模式，并根据最佳整体发射模式的最佳信道矩阵对待发送信号进行预编码。

在步骤S101中，为每个终端设计多种发射模式，发射模式是一个元素为0或1的矩阵，其行数与列数相等且每行每列的元素1的个数均为1。发射模式用于信关站在TH预编码前处理信道矩阵(即与信道矩阵相乘)，改变数据流的编码顺序进而改变TH预编码的编码性能。

在步骤S102中，为全部终端的每一个都设置参考发射模式，该参考发射模式可以是步骤S101中设定数量发射模式中的一种。另每个终端都处在相应的参考发射状态下，并将该整体发射模式作为参考整体发射模式。在参考整体发射模式下获取信道矩阵，并进行LQ分解，基于分解得到的参考下三角矩阵计算相应的参考性能指标。

具体的，步骤S102中，对参考整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到参考性能指标，包括：将参考整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到参考下三角矩阵和参考酉矩阵，将所述参考下三角矩阵的对角线元素进行平方并求和得到所述参考性能指标。

步骤S103和S104中，通过并行优化的方式，选择每个终端的最佳发射模式。具体的，在参考整体发射模式的基础上，分别改变每个终端的发射模式，对将改变后的整体发射模式计算比对性能指标，并与参考性能指标进行对比，以选择每个终端的最佳发射模式。

具体的，步骤S103中，对变更后的整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到比对性能指标，包括：将变更后的整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到对比三角矩阵和对比酉矩阵，将所述对比下三角矩阵的对角线元素进行平方并求和得到所述对比性能指标。

步骤S105中，按照每个终端选择的最佳发射模式运行，组建为所有数据流之间的最佳整体发射模式，并基于该最佳整体发射模式对应的最佳信道矩阵进行预编码。具体的，步骤S105中，预编码采用TH预编码。

在一些实施例中，为限制复杂度，为每个终端设置两种发射模式，如图3所示，相应的所述用于多个多波束卫星通信的预编码方法包括步骤S201～S205：

步骤S201：对多个终端分别设置第一发射模式和第二发射模式，并进行初始化。

步骤S202：将全部终端在第一发射模式下的运行状态作为参考整体发射模式，并对参考整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到参考性能指标。

步骤S203：在参考整体发射模式下，依次更换每个终端的发射模式为第二发射模式，并保持其余终端发射模式不变，对变更后的整体发射模式的信道矩阵进行LQ分解得到比对性能指标。

步骤S204：分别对比每个终端对应的比对性能指标和所述参考性能指标，若参考性能指标大于终端当前的比对性能指标，则将第二发射模式标记为相应终端的最佳发射模式；若参考性能指标小于等于终端当前的比对性能指标，则将第一发射模式标记为相应终端的最佳发射模式。

步骤S205：将各终端在对应最佳发射模式下的运行状态作为最佳整体发射模式，并根据所述最佳整体发射模式的最佳信道矩阵对待发送信号进行预编码。本实施例中，可以采用TH预编码。

在本实施例中，步骤S201，为每个终端设计两个发射模式并且初始化每个终端的发射模式。步骤S202中，根据每个终端的发射模式初始化所有数据流的整体发射模式，将该整体发射模式设为参考整体发射模式。对信道矩阵进行LQ分解得到性能指标，将该性能指标设为参考性能指标。步骤S203和步骤S204中，使用并行结构优化每个终端的发射模式，在参考整体发射模式的基础上分别更换每个终端的多个数据流之间的发射模式，除当前终端以外的其余终端的多个数据流之间的发射模式不变，并重新计算性能指标。使用选择方案对该性能指标和参考性能指标进行比较后选择出当前终端的多个数据流之间的最佳发射模式：若参考性能指标大于当前性能指标，则当前终端的最佳发射模式为更换后的发射模式，反之则当前终端的最佳发射模式为更换前的发射模式。步骤S205中，选择出每个终端的多个数据流之间的最佳发射模式之后，将每个终端的多个数据流之间的最佳发射模式组建为所有数据流之间的最佳整体发射模式。通过所有数据流之间的最佳整体发射模式得到最佳信道矩阵后进行TH预编码。

下面结合一具体实施例对步骤S201～S205进行说明，提供一种用于多个多波束卫星通信系统的TH预编码方法，如图3、图4和图5所示，包括步骤1)～10)：

1)依次对每个终端的多个数据流设计发射模式P_i，为限制复杂度，为每个终端设计两种发射模式，表示为下式2和3：

其中，表示矩阵大小为N_s×N_s的单位矩阵，表示矩阵大小为N_s×N_s的反向单位矩阵，i表示终端的序号且满足1≤i≤N_b，N_b表示多波束卫星的点波束的个数。

2)每个终端的多个数据流之间的发射模式选择可以得到所有数据流的整体发射模式P⁽⁰⁾，如下式4：

3)通过P⁽⁰⁾，得到改变行排列顺序之后的信道矩阵W⁽⁰⁾和进行LQ分解后得到的相应的下三角矩阵A⁽⁰⁾矩阵和酉矩阵B⁽⁰⁾矩阵，将整体发射模式P⁽⁰⁾设为参考整体发射模式。

W⁽⁰⁾＝P⁽⁰⁾W＝A⁽⁰⁾B⁽⁰⁾ (2)

其中，W表示由波束间干扰信息组成的信道矩阵。

4)将下三角矩阵A⁽⁰⁾的对角线元素进行平方并求和可以得到其中表示下三角矩阵A⁽⁰⁾中第k行第k列的对角线元素。为了更加直观地表示和值令则可以得到发射模式P⁽⁰⁾对应的δ⁽⁰⁾，将该性能指标设为参考性能指标。

5)使用并行结构优化每个终端的发射模式，在参考整体发射模式P^(o)的基础上，分别将第i个终端的多个数据流之间的发射模式更改为除第i个终端以外的其余终端的多个数据流之间的发射模式不变，我们可以得到所有数据流的发射模式P⁽ⁱ⁾，下三角矩阵A⁽ⁱ⁾以及对应的δ⁽ⁱ⁾，其中W⁽ⁱ⁾＝P⁽ⁱ⁾W＝A⁽ⁱ⁾B⁽ⁱ⁾，获得δ⁽ⁱ⁾之后，我们使用一种选择方案来比较发射模式P⁽⁰⁾和发射模式P⁽ⁱ⁾的性能优劣：若δ⁽⁰⁾≥δ⁽ⁱ⁾，则第i个终端的最佳发射模式为反之则为

6)选择出每个终端的多个数据流之间的最佳发射模式之后，将每个终端的多个数据流之间的最佳发射模式组建起来得到所有数据流之间的最佳整体发射模式P^(b)。

7)通过P^(b)，得到改变行排列顺序之后的信道矩阵W^(b)。

W^(b)＝P^(b)W＝A^(b)B^(b) (3)

其中，W表示由波束间干扰信息组成的信道矩阵，其对角线元素表示非干扰项，非对角线元素表示干扰项。通过对信道矩阵W^(b)进行LQ分解可以得到矩阵A^(b)和B^(b)。其中A^(b)矩阵是LQ分解得到的下三角矩阵；B^(b)矩阵是LQ分解得到的酉矩阵，满足I是单位矩阵。

根据A^(b)和B^(b)矩阵进行TH预编码，计算所述最佳酉矩阵的共轭矩阵C^(b)，所述最佳三角矩阵的对角矩阵D^(b)和用于减去干扰的反馈矩阵E^(b)，计算式如下：

E^(b)＝D^(b)A^(b) (10)

其中，C^(b)矩阵是B^(b)矩阵的共轭转置，B^(b)是酉矩阵，用于引入空间相关性。D^(b)矩阵是对角矩阵，其对角线元素通过A^(b)矩阵的对角线元素得到。a_i，i，i＝1，2，...，N_d是A^(b)矩阵第i行第i列的元素。E^(b)矩阵是反馈矩阵，用于从当前数据流中减去先前数据流对当前数据流的干扰。

8)对所述待发射信号的向量x进行处理得到发射中间向量v^(b)，计算式为：

其中，表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的发射向量，N_d＝N_s×N_b表示发射数据流的总个数，N_b表示多波束卫星的点波束的个数，N_s表示多波束卫星的个数；发射中间向量v^(b)是对发射向量x处理后得到的向量；函数M表示模运算，

9)相应的接收向量y^(b)为：

其中，表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的接收向量；表示数据流上叠加的零均值复数高斯白噪声随机向量，其每一项的噪声方差均为γ是缩放因子，用于控制发射功率。dTHP和cTHP为两种TH预编码部署方式，dTHP将对角矩阵D^(b)放置在终端，cTHP将对角矩阵D^(b)放置在信关站，如TH预编码框图所示。

10)接收向量y^(b)在每个接收端通过得到接收中间向量y和解码向量如下式：

其中，接收中间向量y是对接收向量y^(b)进行行置换后得到的向量，解码向量是对向量y进行模运算后得到的向量，函数M表示模运算。

对本实施例所述用于多个多波束卫星通信系统的TH预编码方法进行性能仿真，具体仿真参数如下表1：

表1仿真参数表

如图6所示，在误码率为10^-4，调制方式为QPSK(正交相移键控)时，基于本发明的并行排序MMSE-dTHP(结合并行排序技术的基于最小均方误差准则的分布式TH预编码)与多分支MMSE-dTHP(结合分布式技术的基于最小均方误差准则的分布式TH预编码)和MMSE-dTHP(基于最小均方误差准则的分布式TH预编码)相比具有大约5dB的增益，与ZF预编码和MMSE预编码算法相比均具有大约9dB的增益。其原因是，并行排序MMSE-dTHP使用并行结构获取了所有数据流之间的最佳发射模式。

如图7所示，在误码率为10^-4，调制方式为QPSK时，基于本发明的并行排序MMSE-cTHP(结合并行排序技术的基于最小均方误差准则的集中式TH预编码)与多分支MMSE-cTHP(结合分布式技术的基于最小均方误差准则的集中式TH预编码)和MMSE-cTHP(基于最小均方误差准则的集中式TH预编码)相比具有大约1.2dB的增益。

如图8所示，相比多分支cTHP(结合分布式技术的集中式TH预编码)和cTHP(集中式TH预编码)，基于本发明的并行排序cTHP(结合并行排序技术的集中式TH预编码)具有更高的信道容量性能。

另一方面，本发明提供一种多波束卫星通信系统，包括：

信关站，用于采用步骤S101～S105或步骤S201～S205所述用于多个多波束卫星通信的预编码方法对星座映射后的待发射信号，并进行多载波调制得到调制信号。

多个多波束卫星，用于将步骤S101～S105或步骤S201～S205所述用于多个多波束卫星通信的预编码方法中所述的最佳发射模式进行传输；

地面终端，接收所述多波束卫星传输的所述调制信号，并进行多载波解调、预编码解码和星座解映射。

在一些实施例中，多波束卫星对调制信号添加高斯白噪声。

在一些实施例中，采用上述用于多个多波束卫星通信的预编码方法对星座映射后的待发射信号，包括：

对所述最佳整体发射模式的最佳信道矩阵进行LQ分解，得到最佳三角矩阵A^(b)和最佳酉矩阵B^(b)；

计算所述最佳酉矩阵的共轭矩阵C^(b)，所述最佳三角矩阵的对角矩阵D^(b)和用于减去干扰的反馈矩阵E^(b)，计算式如下：

E^(b)＝D^(b)A^(b) (10)

其中，C^(b)矩阵是B^(b)矩阵的共轭转置，B^(b)是酉矩阵，用于引入空间相关性。D^(b)矩阵是对角矩阵，其对角线元素通过A^(b)矩阵的对角线元素得到。a_i，i，i＝1，2，...，N_d是A^(b)矩阵第i行第i列的元素。E^(b)矩阵是反馈矩阵，用于从当前数据流中减去先前数据流对当前数据流的干扰。

对所述待发射信号的向量x进行处理得到发射中间向量v^(b)，计算式为：

其中，表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的发射向量，N_d＝N_s×N_b表示发射数据流的总个数，N_b表示多波束卫星的点波束的个数，N_s表示多波束卫星的个数；M(·)表示模运算，

在一些实施例中，地面终端对所述调制信号的接收向量y^(b)为：

其中，表示不同点波束下的终端在同一时刻使用相同频段传输的数据流组成的接收向量；表示数据流上叠加的零均值复数高斯白噪声随机向量，其每一项的噪声方差均为γ是缩放因子，用于控制发射功率；dTHP和cTHP为两种TH预编码部署方式，dTHP将对角矩阵D^(b)放置在终端，cTHP将对角矩阵D^(b)放置在信关站；

计算接收向量y^(b)在每个接收端通过得到接收中间向量y和解码向量计算式为：

接收中间向量y是对接收向量y^(b)进行行置换后得到的向量，解码向量是对向量y进行模运算后得到的向量，M(·)表示模运算。

另一方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

综上所述，本发明所述用于多个多波束卫星通信的预编码方法、通信系统及装置中，所述方法针对单个终端的多个数据流设计了两种发射模式，使用并行结构优化针对每个终端的多个数据流抉择出最佳发射模式并构建所有终端的最佳整体发射模式，包括两个部分：第一个部分是在参考整体发射模式的基础上，分别改变每个终端的发射模式，得到整体发射模式然后计算对比性能指标；第二个部分是选择方案，根据对比性能指标选择出每个终端的最佳发射模式并构建最佳整体发射模式。根据最佳整体发射模式的最佳信道矩阵对待发送信号进行预编码，在不增加卫星成本和复杂度的条件下，获得了较高的系统误码率性能。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。