1.一种基于不完美CSI的低轨卫星通信系统能效优化方法,其特征在于,包括:
S1:建立多用户多波束低轨卫星下行链路传输系统;
S2:基于多用户多波束低轨卫星下行链路传输系统构建最大化最小系统用户能效优化模型;构建最大化最小系统用户能效优化模型的过程包括:计算用户的瞬时可达速率和地球站的瞬时可达速率;根据用户的瞬时可达速率和地球站的瞬时可达速率构建中断速率约束;
构建功率分配系数约束和最大发射功率约束;
计算用户的功率消耗,根据用户的瞬时可达速率和功率消耗构建最小用户能效优化函数;
根据最小用户能效优化函数,以中断速率约束、功率分配系数约束和最大发射功率约束为约束条件构建最大化最小系统用户能效优化模型;
S3:根据不完美CSI构建高斯信道不确定模型;所述高斯信道不确定模型表示为:
其中,hm,n表示卫星到第m个波束内第n个用户的实际信道矢量,hk表示卫星与第k个地球站的实际信道矢量,表示卫星到第m个波束内第n个用户的实际信道矢量的信道增益估计值,表示卫星与第k个地球站的实际信道矢量的信道增益估计值,Δhm,n表示卫星到第m个波束内第n个用户的实际信道矢量的信道增益估计误差,Δhk表示卫星与第k个地球站的实际信道矢量的信道增益估计误差,Em,n表示Δhm,n的协方差矩阵,Ek表示Δhk的协方差矩阵;
S4:根据最大化最小系统用户能效优化模型和高斯信道不确定模型构建基于最大化最小系统用户能效的鲁棒资源分配模型;基于最大化最小系统用户能效的鲁棒资源分配模型表示为:C5:rank(Wm)=1
其中,Rm,n表示第m个波束内第n个用户的瞬时可达速率,Pm,n表示第m个波束内第n个用户的功率消耗,Rk表示第k个地球站的瞬时可达速率,Wm表示中间参数,αm,n表示第m个波束内第n个用户的功率分配系数,Pmax表示卫星发射的总功率,表示第m个波束内第n个用户的最小速率门限,表示第k个地球站的最小速率门限,M表示波束数量,N表示用户数量,Tr(·)表示矩阵的迹,Pr(·)表示概率,εm,n表示第m个波束内第n个用户最大允许通信速率的中断概率,εk表示第k个地球站最大允许通信速率的中断概率,rank(·)表示矩阵的秩;
S5:求解鲁棒资源分配模型,得到鲁棒资源分配方案;系统根据鲁棒资源分配方案进行资源分配以获得最优的系统能效。
2.根据权利要求1所述的一种基于不完美CSI的低轨卫星通信系统能效优化方法,其特征在于,所述多用户多波束低轨卫星下行链路传输系统具体包括:一颗多波束低轨道地球卫星,M个波束,每个波束服务N个系统用户和K个网内地球站。
3.根据权利要求1所述的一种基于不完美CSI的低轨卫星通信系统能效优化方法,其特征在于,计算用户的瞬时可达速率的公式为:其中,hm,n表示卫星到第m个波束内第n个用户的下行信道矢量,αm,n表示第m个波束内第n个用户的功率分配系数,αm,j表示第m个波束内第j个用户的功率分配系数,αi,n表示第i个波束内第n个用户的功率分配系数,M表示波束数量,N表示用户数量,wi表示卫星分配给第i个波束的权向量,表示第m个波束内第n个用户接收端的加性高斯白噪声的噪声功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于不完美CSI的低轨卫星通信系统能效优化方法,其特征在于,计算用户的功率消耗的公式为:其中,Pm,n表示第m个波束内第n个用户的功率消耗,ζ表示功率放大因子,αm,n表示第m个波束内第n个用户的功率分配系数,wm表示卫星分配给第m个波束的权向量,表示用户电路功率消耗。
5.根据权利要求1所述的一种基于不完美CSI的低轨卫星通信系统能效优化方法,其特征在于,求解鲁棒资源分配模型的过程包括:S41:采用丁克尔巴赫方法将非线性目标函数即最大化最小系统用户能效函数转化为等价的减法形式,并引入变量将目标函数转化成易处理的形式,得到重写的鲁棒资源分配问题;
S42:利用伯恩斯坦近似不等式将中断概率约束转化为确定性约束条件,采用等量代换、半正定松弛法和交替优化,将鲁棒资源分配问题转化为标准的凸优化子问题;
S43:采用凸优化工具对凸优化子问题进行求解,得到最优卫星波束成形矢量和功率分配因子即鲁棒资源分配方案。