專利名稱：一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術領域，具體涉及一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法。

背景技術：
當今，許多衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用多波束頻分多址(Frequency-division multiple access，簡稱為FDMA)通信體制。在這種通信體制下，系統(tǒng)能夠兼容各種類型的地面終端，包括機載、艦載、車載甚至手持終端設備。對于如手持等小口徑終端所處的衛(wèi)星通信鏈路來說，衛(wèi)星的功率資源相比帶寬資源更為寶貴；同時，在這種多載波衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率放大器要同時放大多個載波。由于功放的非線性，多載波信號通過轉(zhuǎn)發(fā)器時，會產(chǎn)生互調(diào)干擾、強信號對弱信號的抑制等現(xiàn)象。通常，為了避免或降低這些現(xiàn)象對衛(wèi)星系統(tǒng)性能的影響，轉(zhuǎn)發(fā)器功放必須工作在線性區(qū)，這就導致衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率下降，并且導致大載波即功率較高的載波對小載波即功率較低的載波有某種抑制效應。多載波工作狀態(tài)妨礙了衛(wèi)星功率的有效利用。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的加載分析，尤其對系統(tǒng)中各通信鏈路可支持性分析，即確定各上行有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，簡稱為EIRP)、優(yōu)化衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的增益與轉(zhuǎn)發(fā)器中高功放(High Power Amplifier，簡稱為HPA)工作點的設置等，從而解決如何有效利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率、克服大載波對小載波的抑制等問題，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，意義非常重大，是系統(tǒng)優(yōu)化設計的一個重要研究課題。
傳統(tǒng)的透明轉(zhuǎn)發(fā)器只能對轉(zhuǎn)發(fā)器增益進行整體調(diào)整，因此大小載波共存、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率的有效利用問題一直困惑著多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)。隨著數(shù)字信道化技術的應用，上述問題的解決有了新的思路，并取得突破。在數(shù)字信道化技術中，每個上行用戶占用上行信道中一定帶寬的子信道，星上用濾波方法進行子信道分離，提取出各用戶信號，經(jīng)電路交換后，再把各用戶信號綜合在一起，進入下行波束。由此可見，在運用數(shù)字信道化技術后，多載波衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中各子信道的增益可分別調(diào)整，為鏈路可支持性分析提供新的思路。
衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性是指衛(wèi)星系統(tǒng)中地面終端的必需上行EIRP與其可提供的最大EIRP之間的關系，即在接收方載噪比滿足要求的條件下，如果發(fā)射方的必需上行EIRP小于其可提供的最大EIRP，則稱該通信鏈路具有可支持性，即在此情況下，該鏈路可維持正常的通信；否則，如果發(fā)射方的必需上行EIRP大于或等于其可提供的最大EIRP，則稱該通信鏈路不具有可支持性。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，具有可支持性的鏈路數(shù)越多，系統(tǒng)的容量也就越高。顯然，鏈路可支持性是反映衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的一項重要指標。對于數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，鏈路可支持性分析的任務是確定各鏈路的上行EIRP、優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)器中各子信道的增益，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)器中HPA的工作點，達到克服大、小載波共存難題，提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率的目的。可見，鏈路可支持性分析對于新型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的規(guī)劃和設計而言，具有非常重要的理論指導意義和工程實用價值。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中大小載波難以共存、轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率低的問題，提出一種衛(wèi)星通信的鏈路可支持性系統(tǒng)，并針對該系統(tǒng)，提出一種啟發(fā)式優(yōu)化方法。運用該優(yōu)化方法來優(yōu)化處理所述鏈路可支持性系統(tǒng)的全局最優(yōu)結(jié)果，得到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中各子信道最佳增益和各鏈路的最佳發(fā)射功率。該鏈路可支持性系統(tǒng)通過對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸出中的最大載波功率進行最小化，達到如下目的 a)盡量縮小轉(zhuǎn)發(fā)器中各載波功率的差別，避免各載波功率參差不齊，從而可以將轉(zhuǎn)發(fā)器工作點設置在最優(yōu)位置，提高轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率； b)最小化各終端的上行EIRP，使得盡可能多的鏈路能實現(xiàn)正常通信，從而提高系統(tǒng)的容量。
為了達到上述目的，提出了一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)，該系統(tǒng)由最大值選取模塊、對數(shù)障礙處理模塊、可調(diào)衰減模塊、罰函數(shù)處理模塊以及可調(diào)放大模塊五個模塊組成。其中，第一輸入信號輸入對數(shù)障礙處理模塊，對數(shù)障礙處理模塊的輸出信號輸入可調(diào)衰減模塊；第二輸入信號輸入最大值選取模塊；第三輸入信號輸入罰函數(shù)處理模塊，罰函數(shù)處理模塊的輸出信號輸入可調(diào)放大模塊；最大值選取模塊和可調(diào)放大模塊兩個模塊輸出信號的和信號與可調(diào)衰減模塊輸出信號的差信號成為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的輸出信號。
基于本發(fā)明上述系統(tǒng)，一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法包括以下步驟 步驟一初始化 構(gòu)造兩個鄰域，選擇初始點并制定處理過程的終止條件； 步驟二選取初始鄰域 選取一個鄰域作為初始鄰域； 步驟三獲取初始鄰域中的新點 隨機獲取點作為初始鄰域中的新點； 步驟四局部搜索 將步驟三中獲取的新點作為初始點，在另一個鄰域中作局部搜索得到另一個新點； 步驟五鄰域變更。
綜上所述，運用本發(fā)明提出的鏈路可支持性系統(tǒng)以及本發(fā)明提出的衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法對數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行分析，能夠很有效地解決傳統(tǒng)多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的固有問題，提高系統(tǒng)的容量，即一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠容納更多的不同種類的地面終端；同時提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率，更有效地利用衛(wèi)星的功率資源。該鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法對數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計工程師來說，具有非常重要的理論指導意義和工程實用價值。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 (1)本系統(tǒng)在數(shù)字信道化技術的配合應用下，解決了傳統(tǒng)多載波透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的固有問題大小載波難以共存、轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率不高； (2)本方法是一種全局最優(yōu)方法，與諸如序列二次規(guī)劃方法等經(jīng)典的優(yōu)化方法相比，后者在優(yōu)化處理本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)時，對初值的選取非常敏感，初值不同，獲取的結(jié)果不同，且差別很大；前者則沒有這種缺陷。



圖1為現(xiàn)有數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道模型； 圖2為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)框圖； 圖3為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法中確定線搜索步長的方法流程圖； 圖4為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法流程圖。
圖中1.衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器2.第M地面發(fā)射終端 3.第一地面發(fā)射終端 4.第M地面接收終端 5.第一地面接收終端6.最大值選取模塊 7.對數(shù)障礙處理模塊 8.可調(diào)衰減模塊9.罰函數(shù)處理模塊 10.可調(diào)放大模塊
具體實施例方式 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本發(fā)明是一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法。圖1是現(xiàn)有數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道模型，該模型包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器1、第M地面發(fā)射終端2、第一地面發(fā)射終端3、第M地面接收終端4以及第一地面接收終端5，其中衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器1接收來自第一地面發(fā)射終端3和第M地面發(fā)射終端2的上行信號，并將接收到的信號進行處理后分別發(fā)送給第一地面接收終端5和第M地面接收終端4。對應該信道模型，假定一個子信道可以容納幾個小載波，一個大載波可以占用幾個相鄰子信道。不考慮天線的數(shù)量，單個轉(zhuǎn)發(fā)器具有N個子信道以容納M個載波，且每個轉(zhuǎn)發(fā)器中只有一個HPA，它的非線性導致互調(diào)干擾。對于鏈路i，其中i＝1，2，…，M，記地面發(fā)射終端的上行EIRP為Ei，上行鏈路損耗為ai，它包括自由空間損耗、散射損耗、雨衰、以及衛(wèi)星接收天線增益Gu，a，下行鏈路損耗為bi，它包括衛(wèi)星發(fā)射天線增益Gd，a、自由空間損耗、散射損耗、雨衰、以及地面接收終端的天線增益。轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的各載波功率為xi，輸出端的各載波功率為yi。令k表示玻爾茲曼常數(shù)，Ts表示轉(zhuǎn)發(fā)器的系統(tǒng)噪聲溫度，Ti表示該鏈路中接收終端的系統(tǒng)噪聲溫度。則轉(zhuǎn)發(fā)器可建模為具有密度為kTs的加性噪聲、理想子信道Gn、理想濾波、無記憶非線性，其中n＝1，2，…，N。對所有的子信道來說，加性噪聲和非線性都相同，但增益和濾波不同。轉(zhuǎn)發(fā)器的總增益體現(xiàn)在各子信道增益Gn上，且在小信號情況下，HPA的增益為1。
當衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本參數(shù)已知時，上行路徑損耗即為已知，此時，確定終端的必需上行EIRP等效于確定轉(zhuǎn)發(fā)器必需的輸入功率xi，其中i＝1，2，…，M。
為了分析鏈路可支持性，還要確定轉(zhuǎn)發(fā)器的工作點，在該工作點上來評估HPA非線性對多載波信號的影響，根據(jù)該影響去優(yōu)化工作點的設置。為此，定義轉(zhuǎn)發(fā)器的工作點為在沒有增益壓縮的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)器輸出的總功率相對于飽和功率P的歸一化值，記為z，則 其中Gn為第n個子信道的增益，Gn(i)為分配給鏈路i的第n個子信道的增益，n(i)表示子信道n分配給鏈路i，Bn表示第n個子信道的帶寬。
定義增益壓縮量是轉(zhuǎn)發(fā)器工作點z的函數(shù)，為簡單起見，假設所有鏈路的增益壓縮均相同，記為g(z)，則對于鏈路i來說，終端的上行信號通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器后得到的凈增益為Gn(i)/g(z)，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出載波功率yi＝xiGn(i)/g(z)。
假設互調(diào)干擾為白色，且其譜密度是工作點的函數(shù)，記歸一化的互調(diào)干擾特征函數(shù)為h(z)，則轉(zhuǎn)發(fā)器輸出處的實際互調(diào)干擾譜密度為h(z)P/B，此處B為轉(zhuǎn)發(fā)器的總帶寬。
因此，在建模時，對轉(zhuǎn)發(fā)器輸出的最大載波功率進行最小化，同時保證鏈路的載噪比滿足系統(tǒng)誤碼率性能要求，據(jù)此，數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性建模為 式(2)是挑選出轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出所有載波功率中的最大值，并對該最大值進行最小化。
假定鏈路i支持的總數(shù)據(jù)率為Rb，ci為該鏈路必需的載噪比，根據(jù)系統(tǒng)接收方Eb/N0的需求，有 其中Eb是發(fā)送每比特信息所需的能量，N0是噪聲譜密度。要使鏈路i滿足系統(tǒng)誤碼率性能的要求，則必須使得該鏈路中接收方的實際載噪比大于等于ci，即 其中分子yi/bi表示接收終端解調(diào)器入口處的信號功率；分母表示噪聲和干擾，包括放大的上行鏈路噪聲

鄰道干擾

互調(diào)干擾

以及下行鏈路噪聲kTi。此處，Δij為鏈路i濾波器中殘留鏈路j的轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率，即 Δij＝∫Si(f)Sj(f)df 其中Si(f)和Sj(f)分別表示載波i和載波j的歸一化功率譜密度。
因此，衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)可完整表述為 minimize subject to 式(5)是本發(fā)明數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性系統(tǒng)的數(shù)學表達式。其中yi＝xiGn(i)/g(z)。這里，xi和Gn(i)為設計變量，其中i＝1，2，…，M。第一個約束條件1≤i≤M確保各鏈路接收方載噪比滿足系統(tǒng)誤碼性能要求；第二個約束條件確保轉(zhuǎn)發(fā)器中HPA的工作點遠離非線性區(qū)域。通過對數(shù)障礙法和罰函數(shù)法將(5)式轉(zhuǎn)化為 式(6)是(5)式的非約束優(yōu)化表現(xiàn)形式。其中fi(Y)與(5)式中一致；μ為障礙因子，取值為10-5；σ為罰因子，取值為100。
因此，本發(fā)明提出的衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)由最大值選取模塊6、對數(shù)障礙處理模塊7、可調(diào)衰減模塊8、罰函數(shù)處理模塊9以及可調(diào)放大模塊10五個模塊組成，如圖2所示。其中，第一輸入信號輸入對數(shù)障礙處理模塊7，對數(shù)障礙處理模塊7的輸出信號輸入可調(diào)衰減模塊8；第二輸入信號輸入最大值選取模塊6；第三輸入信號輸入罰函數(shù)處理模塊9，罰函數(shù)處理模塊9的輸出信號輸入可調(diào)放大模塊10；最大值選取模塊6和可調(diào)放大模塊10兩個模塊輸出信號的和信號與可調(diào)衰減模塊8輸出信號的差信號成為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的輸出信號。其中，最大值選取模塊6，對應式(6)中的max1≤i≤M yi，從第二輸入信號中挑選出最大輸入信號；對數(shù)障礙處理模塊7，對應(6)式中的對第一輸入信號取對數(shù)，然后求和；可調(diào)衰減模塊8將對數(shù)障礙處理模塊7的輸出結(jié)果進行可變衰減調(diào)節(jié)，衰減量為μ；罰函數(shù)處理模塊9，對應(6)式中的(z-q(X，G))2，檢測第三輸入信號的電平與預期電平之間的誤差，然后將該誤差的平方作為輸出信號；可調(diào)放大模塊10對罰函數(shù)處理模塊9的輸出信號進行可調(diào)放大調(diào)節(jié)，放大量為σ。
下面設計一種有效的優(yōu)化方法對上面建立的鏈路可支持性系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，得到其全局最優(yōu)結(jié)果各載波在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入處的功率xi和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中各子信道的增益Gn，其中i＝1，2，…，M，n＝1，2，…，N；最后，根據(jù)該全局最優(yōu)結(jié)果去配置所研究的數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括對該系統(tǒng)各終端的上行EIRP的設置、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中功率放大器的設置，完成系統(tǒng)鏈路可支持性分析的任務。為此，要構(gòu)造兩個鄰域N1和N2。
N1鄰域的構(gòu)造步驟為 a)獲取隨機搜索方向 根據(jù)如下方法獲取4M個不同的隨機搜索方向d1，d2，…，d4M 其中u為均勻分布在區(qū)間
上的隨機數(shù)； b)確定線搜索區(qū)間 設待求問題的自變量x∈[xL，xU]，第j次迭代過程中，當前點為xj，當前搜索方向為dj，考慮到當前搜索方向dj可以為正數(shù)、負數(shù)或0，因此將搜索步長λj限制為非負，即λj≥0。
由于 xL≤xj≤xU (7) 則迭代一次后得到的點xj+λjdj也應該滿足 xL≤xj+λjdj≤xU (8) 設xL(i)，xU(i)，xj(i)和dj(i)分別表示xL，xU，xj和dj的第i個分量，其中i＝1，2，…，2M；xL是自變量x的下界，xU是自變量x的上界，xj是當前點，dj是當前搜索方向。根據(jù)(8)式則有 xL(i)≤xj(i)+λjdj(i)≤xU(i) 又根據(jù)(7)式 xL(i)≤xj(i)≤xU(i) 所以 情況一當dj(i)＝1時，可得0≤λj≤xU(i)-xj(i) 針對所有分量，關于λj的結(jié)果取交集，得到dj(i)＝1(i＝1，2，…，2M)時λj的線搜索區(qū)間[a，b]為 情況二當dj(i)＝0時，可得0≤λj＜+∞ 針對所有分量，關于λj的結(jié)果取交集，得到dj(i)＝0(i＝1，2，…，2M)時λj的線搜索區(qū)間[a，b]為
為 c)確定搜索步長 首先，初始化 令搜索步長λi的初次增加量l＝1，該增加量的壓縮因子s＝10，搜索范圍的變化量δ＝0.5，搜索過程的門限δf＝0.05，最佳搜索步長λ*＝λi＝a，當前最佳函數(shù)結(jié)果min＝f(x+λid)； 其次，搜索步長擾動 令搜索步長λi增加一個定量l，并檢查增加后的搜索步長是否超出步驟二制定的搜索步長范圍，如果超出了，則擴展搜索范圍a＝λ*-δ，b＝λ*+δ，并記錄當前函數(shù)結(jié)果f(x+λ*d)作為最佳結(jié)果，將搜索步長的增加量壓縮為l/s；如果沒有超出，則檢查當前函數(shù)結(jié)果f(x+λid)是否小于記錄的最佳結(jié)果，如果是，則重復該擾動過程，否則，轉(zhuǎn)入搜索終止； 最后，獲取搜索步長 壓縮步長搜索范圍的擴展量δ＝δ/s，并檢查δ是否小于搜索過程的門限值δf，如果是，則終止搜索過程，此時的搜索步長即為最佳搜索步長；否則重新開始該搜索過程。如圖3所示。
d)確定最佳方向和最佳更新步長 找出最佳方向d*以及與之對應的最佳更新步長λ*，它們滿足 其中f表示待解決問題的目標函數(shù)，xj為第j迭代的起始點，λi為c)中確定的搜索步長，dj為a)中獲取的搜索方向。
e)更新當前點 設待處理的優(yōu)化問題目標函數(shù)的最優(yōu)值為f*，如果f(xj+λ*d*)＜f*，則更新當前點和最優(yōu)值，即xj+1＝xj+λ*d*，f*＝f(xj+λ*d*) 否則，當前點和最優(yōu)值都不被更新。
N2鄰域的構(gòu)造步驟為 設待求問題的變量為(x，y)，(-1＜x，y＜1)。
a)確定初始點和搜索移動方向 設搜索初始點為(xinitialbest，yinitialbest)，其中xinitialbest表示最佳初始點的x分量，yinitialbest表示最佳初始點的y分量，則搜索移動方向按照如下規(guī)則確定 令 如果則x分量上的搜索方向為+1；否則，為-1； 如果則y分量上的搜索方向為+1；否則，為-1； b)確定搜索步長 搜索步長Δ為均勻分布在區(qū)間[-α，α]上的隨機數(shù)，α的初值取為0.5，每次搜索迭代后，將0.67×α作為下一次搜索迭代的α。
c)確定迭代更新方式 設(xt-1，yt-1)表示第t-1次迭代搜索后得到的解向量，則第t次迭代搜索得到的解向量(xt，yt)遵循如下更新規(guī)律 xt＝xt-1±Δ，(t＝1，2，…，T) (9) yt＝y(tǒng)t-1±Δ，(t＝1，2，…，T) (10) 其中最大迭代次數(shù)T選取為500；當步驟一中確定的搜索移動方向為+1時，(9)和(10)中取′+′；否則取′-′。
這樣，如圖4所示，本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的完整優(yōu)化方法包括以下步驟 步驟一初始化 按照上述鄰域的構(gòu)造步驟構(gòu)造兩個鄰域N1和N2，選擇初始點x并制定處理過程的終止條件； 步驟二選取初始鄰域 由于在本發(fā)明中構(gòu)造兩個鄰域便足以達到本發(fā)明的目的，因此選取鄰域N1作為初始鄰域； 步驟三獲取初始鄰域中的新點 隨機獲取點y∈Nk(x*)，k＝1，2作為初始鄰域中的新點； 步驟四局部搜索 以步驟三中獲取的新點為y為初始點，在鄰域N2中作局部搜索得到新點y′； 步驟五鄰域變更 判斷步驟四中得到的新點處的目標函數(shù)結(jié)果f(y′)是否小于當前最優(yōu)值f*，如果是，則移動到新點y′，且令最優(yōu)函數(shù)結(jié)果f*＝f(y′)，并檢查步驟一中制定的處理過程終止條件是否滿足，如果滿足，則終止處理過程，否則跳回到步驟二，重新開始該處理過程。如圖4所示。
然后，根據(jù)圖4中關于本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法步驟，對(6)式進行優(yōu)化處理，得到各子信道增益Gn，其中n＝1，2，…，N，以及各載波于轉(zhuǎn)發(fā)器處的輸入功率xi，其中i＝1，2，…，M，再根據(jù)式(11)得到各終端的上行有效全向輻射功率 根據(jù)該Gn和Ei，對系統(tǒng)的各地面發(fā)射終端和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進行設置，使得整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。
以下介紹本發(fā)明的鏈路可支持性系統(tǒng)和優(yōu)化方法的實施例 在介紹具體的實施例前，給出各實施例中需運用的參數(shù) 表1衛(wèi)星基本參數(shù)表 系統(tǒng)中存在兩類終端，天線口徑分別為8英尺和2英尺。該兩類終端的基本參數(shù)如表2所示。
表2終端基本參數(shù)表 系統(tǒng)中共設置了16條鏈路，其中四條鏈路為2-英尺終端發(fā)8-英尺終端收，傳輸速率為1Mbps；另四條鏈路為8-英尺終端發(fā)2-英尺終端收，傳輸速率為1Mbps；剩下的八條鏈路為8-英尺終端發(fā)8-英尺終端收，傳輸速率為10Mbps。為簡單起見，設所有鏈路的Eb/N0需求為5dB，下行鏈路雨衰余量為5dB。系統(tǒng)中總的信道帶寬為124.8MHz，分為48個子信道，每個子信道帶寬2.6MHz，分配兩個子信道給2-英尺終端發(fā)8-英尺終端收的四條1Mbps鏈路，另分配兩個子信道給8-英尺終端發(fā)2-英尺終端收的四條1Mbps鏈路，還分配34個子信道給8-英尺終端發(fā)8-英尺終端收的八條10Mbps鏈路，剩下的10個子信道空閑。鏈路的基本參數(shù)如表3所示，其中ci根據(jù)(3)式得到 表3鏈路基本參數(shù)表 轉(zhuǎn)發(fā)器非線性特征函數(shù)g(z)以及互調(diào)干擾特征函數(shù)h(z)分別取 g(z)＝1+1.27z 實施例一用本發(fā)明提出的鏈路可支持性系統(tǒng)和優(yōu)化方法分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性 采用本發(fā)明數(shù)字信道化衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法對數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的鏈路可支持性進行分析，結(jié)果如表4所示。
表4應用衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法分析鏈路可支持性得到的結(jié)果 從表4可知，所有三種鏈路中，發(fā)射終端必需的上行EIRP都小于其最大EIRP，因此均可被系統(tǒng)支持。在此情況下，鏈路支持率達到16/16，也就是說，本發(fā)明提出的鏈路可支持性系統(tǒng)解決了系統(tǒng)大小載波難以共存的矛盾，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的容量。
實施例二用本發(fā)明提出的鏈路可支持性系統(tǒng)和方法分析衛(wèi)星系統(tǒng)中轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率。
對于數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的鏈路可支持性系統(tǒng)如式(12)所示的p范數(shù)系統(tǒng) minimizep≥1 (12) subject to1≤i≤M. 其中fi(Y)與(5)式中一致。
運用Lagrange乘子方法處理系統(tǒng)(12)，得到轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率的結(jié)果如表5中的第二行數(shù)據(jù)所示；而運用本發(fā)明提出的優(yōu)化方法獲得的轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率的結(jié)果如表5中的第三行數(shù)據(jù)所示。
表5兩種模型下，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率結(jié)果對比 從表5可見，本發(fā)明所提鏈路可支持性系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)發(fā)器功率利用率，即總的下行EIRP由“p范數(shù)系統(tǒng)”的49.53dBW提高到本發(fā)明系統(tǒng)的51.26dBW，功率利用率約提高48％。
運用本發(fā)明提出的鏈路可支持性系統(tǒng)以及本發(fā)明提出的優(yōu)化處理方法對數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行分析，能夠很有效地解決傳統(tǒng)多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的固有問題，提高系統(tǒng)的容量，即一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠容納更多的不同種類的地面終端；同時提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率，更有效地利用衛(wèi)星的功率資源。該鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法對數(shù)字信道化衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計工程師來說，具有非常重要的理論指導意義和工程實用價值。
權(quán)利要求
1、一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由最大值選取模塊(6)、對數(shù)障礙處理模塊(7)、可調(diào)衰減模塊(8)、罰函數(shù)處理模塊(9)以及可調(diào)放大模塊(10)五個模塊組成，
第一輸入信號輸入對數(shù)障礙處理模塊(7)，對數(shù)障礙處理模塊(7)的輸出信號輸入可調(diào)衰減模塊(8)；第二輸入信號輸入最大值選取模塊(6)；第三輸入信號輸入罰函數(shù)處理模塊(9)，罰函數(shù)處理模塊(9)的輸出信號輸入可調(diào)放大模塊(10)；最大值選取模塊(6)和可調(diào)放大模塊(10)兩個模塊輸出信號的和信號與可調(diào)衰減模塊(8)輸出信號的差信號成為本發(fā)明衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的輸出信號；
該系統(tǒng)所有的模塊共同組建成一個模型，其表達式為
minimize
subject to
其中yi＝xiGn(i)/g(z)，xi和Gn(i)為設計變量，其中i＝1，2，…，M；第一個約束條件確保各鏈路接收方載噪比滿足系統(tǒng)誤碼性能要求；第二個約束條件確保轉(zhuǎn)發(fā)器中高功放HPA的工作點遠離非線性區(qū)域；
通過對數(shù)障礙法和罰函數(shù)法將上式轉(zhuǎn)化為非約束優(yōu)化表現(xiàn)形式
minimize
其中μ為障礙因子，取值為10-5；σ為罰因子，取值為100；
其中，最大值選取模塊(6)的模型是上式中的max1≤i≤M yi，最大值選取模塊(6)從第二輸入信號中挑選出最大輸入信號；
數(shù)障礙處理模塊(7)的模型是上式中的
對數(shù)障礙處理模塊(7)對第一輸入信號取對數(shù)，然后求和；
可調(diào)衰減模塊(8)將對數(shù)障礙處理模塊(7)的輸出結(jié)果進行可變衰減調(diào)節(jié)，衰減量為上式中的μ；
罰函數(shù)處理模塊(9)的模型是上式中的(z-q(X，G))2，罰函數(shù)處理模塊(9)檢測第三輸入信號的電平與預期電平之間的誤差，然后將該誤差的平方作為輸出信號；
可調(diào)放大模塊(10)對罰函數(shù)處理模塊(9)的輸出信號進行可調(diào)放大調(diào)節(jié)，放大量為上式中的σ。
2、一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
步驟一初始化
構(gòu)造兩個鄰域N1和N2，選擇初始點x并制定處理過程的終止條件；
N1鄰域的構(gòu)造步驟為
a)獲取隨機搜索方向
根據(jù)如下方法獲取4M個不同的隨機搜索方向d1，d2，…，d4M
其中u為均勻分布在區(qū)間
上的隨機數(shù)；
b)確定線搜索區(qū)間
設待求問題的自變量x∈[xL，xU]，第j次迭代過程中，當前點為xj，當前搜索方向為dj，搜索步長為λj，xL(i)，xU(i)，xj(i)和dj(i)分別表示xL，xU，xj和dj的第i個分量，其中i＝1，2，…，2M；xL是自變量x的下界，xU是自變量x的上界，xj是當前點，dj是當前搜索方向；
情況一當dj(i)＝1時，0≤λj≤xU(i)-xj(i)
針對所有分量，關于λj的結(jié)果取交集，得到dj(i)＝1(i＝1，2，…，2M)時λj的線搜索區(qū)間[a，b]為
情況二當dj(i)＝0時，0≤λj＜+∞
針對所有分量，關于λj的結(jié)果取交集，得到dj(i)＝0(i＝1，2，…，2M)時λj的線搜索區(qū)間[a，b]為
為
c)確定搜索步長
首先，初始化
令搜索步長λi的初次增加量l＝1，該增加量的壓縮因子s＝10，搜索范圍的變化量δ＝0.5，搜索過程的門限δf＝0.05，最佳搜索步長λ*＝λi＝a，當前最佳函數(shù)結(jié)果min＝f(x+λid)；
其次，搜索步長擾動
令搜索步長λi增加一個定量l，并檢查增加后的搜索步長是否超出步驟二制定的搜索步長范圍，如果超出了，則擴展搜索范圍a＝λ*-δ，b＝λ*+δ，并記錄當前函數(shù)結(jié)果f(x+λ*d)作為最佳結(jié)果，將搜索步長的增加量壓縮為l/s；如果沒有超出，則檢查當前函數(shù)結(jié)果f(x+λid)是否小于記錄的最佳結(jié)果，如果是，則重復該擾動過程，否則，轉(zhuǎn)入搜索終止；
最后，獲取搜索步長
壓縮步長搜索范圍的擴展量δ＝δ/s，并檢查δ是否小于搜索過程的門限值δf，如果是，則終止搜索過程，此時的搜索步長即為最佳搜索步長；否則重新開始該搜索過程；
d)確定最佳方向和最佳更新步長
找出最佳方向d*以及與之對應的最佳更新步長λ*，滿足
其中f表示待解決問題的目標函數(shù)，xj為第j迭代的起始點，λi為c)中確定的搜索步長，dj為a)中獲取的搜索方向；
e)更新當前點
設待處理的優(yōu)化問題目標函數(shù)的最優(yōu)值為f*，如果f(xj+λ*d*)＜f*，則更新當前點和最優(yōu)值，即xj+1＝xj+λ*d*，f*＝f(xj+λ*d*)
否則，當前點和最優(yōu)值都不被更新；
N2鄰域的構(gòu)造步驟為
設待求問題的變量為(x，y)，(-1＜x，y＜1)；
a)確定初始點和搜索移動方向
設搜索初始點為(xinitialbest，yinitialbest)，其中xinitialbest表示最佳初始點的x分量，yinitialbest表示最佳初始點的y分量，則搜索移動方向按照如下規(guī)則確定
令
如果則x分量上的搜索方向為+1；否則，為-1；
如果則y分量上的搜索方向為+1；否則，為-1；
b)確定搜索步長
搜索步長Δ為均勻分布在區(qū)間[-α，α]上的隨機數(shù)，α的初值取為0.5，每次搜索迭代后，將0.67×α作為下一次搜索迭代的α；
c)確定迭代更新方式
設(xt-1，yt-1)表示第t-1次迭代搜索后得到的解向量，則第t次迭代搜索得到的解向量(xt，yt)遵循如下更新規(guī)律
xt＝xt-1±Δ，(t＝1，2，…，T)
yt＝y(tǒng)t-1±Δ，(t＝1，2，…，T)
其中最大迭代次數(shù)T選取為500；當步驟一中確定的搜索移動方向為+1時，上述兩式中取′+′；否則取′-′；
步驟二選取初始鄰域
選取鄰域N1作為初始鄰域；
步驟三獲取初始鄰域中的新點
隨機獲取點y∈Nk(x*)，k＝1，2作為初始鄰域中的新點；
步驟四局部搜索
將步驟三中獲取的新點y作為初始點，在鄰域N2中作局部搜索得到新點y′；
步驟五鄰域變更
判斷步驟四中得到的新點處的目標函數(shù)結(jié)果f(y′)是否小于當前最優(yōu)值f*，如果是，則移動到新點y′，且令最優(yōu)函數(shù)結(jié)果f*＝f(y′)，并檢查步驟一中制定的處理過程終止條件是否滿足，如果滿足，則終止處理過程，否則跳回到步驟二，重新開始該處理過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種衛(wèi)星通信鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法。本發(fā)明系統(tǒng)由最大值選取模塊、對數(shù)障礙處理模塊、可調(diào)衰減模塊、罰函數(shù)處理模塊以及可調(diào)放大模塊五個模塊組成。本發(fā)明優(yōu)化方法首先進行初始化，然后選取初始鄰域，接著獲取初始鄰域中的新點，然后進行局部搜索，最后進行鄰域變更。運用本發(fā)明的鏈路可支持性系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，能夠很有效地解決多載波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中大小載波共存難題，提高系統(tǒng)的容量和轉(zhuǎn)發(fā)器的功率利用率，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設計，具有非常重要的理論指導意義和工程實用價值。
文檔編號H04B7/185GK101610105SQ20091008874
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者劉紅英, 陽志明 申請人:北京航空航天大學