CN114978257A - 自适应波束成形卫星mimo高效*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应波束成形卫星MIMO高效***，所述***包括第一卫星通信终端、第二卫星通信终端以及通信卫星，所述第一卫星通信终端以及第二卫星通信终端与通信卫星之间行双向数据交互，第一卫星通信终端与第二卫星通信终端构成一对卫星通信链路，利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理，并利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化。所述***能够对卫星信号实现最佳接收，实现卫星MIMO的高效传输。

Description

自适应波束成形卫星MIMO高效***

技术领域

本发明涉及卫星通信***技术领域，尤其涉及一种基于干扰自适应调零和信道优化自适应波束成形卫星MIMO高效***。

背景技术

卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远、传输质量好、组网方便、不受地理环境条件限制等特点，而且在突发事件发生时，可以迅速机动灵活地建立局部范围通信网，已成为一种重要通信手段。但由于通信卫星位于空间，特别是静止通信卫星，位置相对固定，即通信方和干扰方来说，卫星是共视的。因此卫星通信***存在着一些明显的弱点，如卫星转发器易遭不法分子攻击，卫星通信***分布在不同的地域、空域和海域，为不法分子定位和干扰提供了有利的机会和条件等。为此，应采用干扰抑制技术和高效传输技术以提高卫星通信***在存在干扰情况的传输能力。

目前卫星转发器已采用一些技术措施对抗不法分子对卫星上行信号的攻击，但地面通信终端很少有有效的技术手段来对抗不法分子对卫星下行信号的干扰。另外，如何利用MIMO传输技术在卫星地面终端中应用来提高卫星传输***的更高效传输也没有充分研究。因此，现有的地面卫星终端传输技术没有充分考虑卫星通信下行链路易被干扰的缺点，也没有充分利用信道传输特性来进一步提高卫星信道传输能力，有必要寻求一种新的卫星高效传输技术，这种新技术能够针对现有传统传输技术的缺陷，在有干扰情况下实现卫星高效数据传输。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够对卫星信号实现最佳接收，实现卫星MIMO的高效传输的自适应波束成形卫星MIMO高效***。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于：包括第一卫星通信终端、第二卫星通信终端以及通信卫星，所述第一卫星通信终端以及第二卫星通信终端与通信卫星之间行双向数据交互，第一卫星通信终端与第二卫星通信终端构成一对卫星通信链路，利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理，并利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化。

进一步的技术方案在于：所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，所述第一卫星通信终端包括信号源以及两个以上的信号处理单元，每个信号处理单元的结构相同，所述信号处理单元包括信道优化波束成形自适应模块、天线阵信号干扰调零自适应模块以及天线阵元，所述信号源分别与两个信号处理单元中的信道优化波束成形自适应模块连接，所述信道优化波束成形自适应模块用于利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化；两个信道优化波束成形自适应模块之间进行双向数据交互，所述信道优化波束成形自适应模块与所述天线阵信号干扰调零自适应模块之间双向连接，所述天线阵信号干扰调零自适应模块用于利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理；所述天线阵信号干扰调零自适应模块与所述天线阵元进行双向数据交互，所述天线阵元与所述通信卫星之间进行双向数据交互，用于接收和发送信号。

优选的：每个信号处理单元的天线阵元可以为4阵、8阵或16阵天线阵元。

进一步的技术方案在于：所述天线阵信号干扰调零自适应模块的基于天线阵的信号干扰自适应调零处理方法如下：

第二卫星通信终端中的一组天线阵元接收到的信号具体表示为：

X2,1(n)＝A(θ)[S(n)+R(n)]+N(n) (1)

其中：

为天线阵元导引向量，与信号的波达角θ、信号频率、阵元间距有关；干扰抑制自适应算法采用LMS算法，其自适应调零控制执行以下计算：

1)G2,1(n)＝W2,1(n)^TX2,1(n) (2)

2)E2,1(n)＝Y2,1(n)-G2,1(n) (3)

3)W2,1(n+1)＝W2,1(n)+μE2,1(n)X2,1(n) (4)

不断进行上述计算就可得到收敛后的权重值，μ为迭代步长。

5、如权利要求2所述的自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于，所述信道优化波束成形自适应模块对波束成形进行处理的方法如下：

设所述***的信道矩阵为：

其对应的傅里叶矩阵为H；定义发射端和接收端信道优化波束成形加权矢量分别为

和

那么利用对信道矩阵的特征值分解，使卫星通信高效传输MIMO***实现最佳接收自适应波束成形发射加权为：

其中eigvec[A]是对应最大特征值的特征值矢量；对应最佳发射权重的最佳自适应波束成形接收加权为：

(W_r)_opt＝(H)^Teigvec[(Hⁱ)^*(Hⁱ)^T] (7)。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述***在卫星通信终端采用自适应调零算法对干扰信号进行有效抑制，结合基于信道优化自适应波束成形处理技术很好解决了卫星通信***在干扰情况下的卫星高效传输难题；

基于信道优化自适应波束成形处理技术，利用传输信道信息，在采用基于天线阵的卫星终端信号干扰自适应调零处理技术抑制干扰后，对天线阵组的各个链路进行自适应波束成形加权，最终是接收端的接收信噪比最大，解决了卫星MIMO高效传输***最佳接收难题。综上，本申请所述***采用天线阵对干扰进行自适应调零，并充分利用信道特性对天线阵组进一步波束成形，实现最佳接收，最终实现卫星MIMO高效传输。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述***的原理框图；

图2是本发明实施例所述***中基于天线阵的信号干扰自适应调零处理框图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种自适应波束成形卫星MIMO高效***，包括第一卫星通信终端、第二卫星通信终端以及通信卫星，所述第一卫星通信终端以及第二卫星通信终端与通信卫星之间行双向数据交互，第一卫星通信终端与第二卫星通信终端构成一对卫星通信链路，利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理，并利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化。

进一步的，如图1所示，所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，所述第一卫星通信终端包括信号源以及两个以上的信号处理单元，每个信号处理单元的结构相同，所述信号处理单元包括信道优化波束成形自适应模块、天线阵信号干扰调零自适应模块以及天线阵元，所述信号源分别与两个信号处理单元中的信道优化波束成形自适应模块连接，所述信道优化波束成形自适应模块用于利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化；两个信道优化波束成形自适应模块之间进行双向数据交互，所述信道优化波束成形自适应模块与所述天线阵信号干扰调零自适应模块之间双向连接，所述天线阵信号干扰调零自适应模块用于利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理；所述天线阵信号干扰调零自适应模块与所述天线阵元进行双向数据交互，所述天线阵元与所述通信卫星之间进行双向数据交互，用于接收和发送信号。

天线阵信号干扰调零自适应模块中的天线阵元数根据***总体设计需要可以是4阵、8阵、16阵等，而通信终端中的天线阵组也是根据***总体设计需要可以是两组、三组、四组等，但为了方便起见并不失去卫星通信***描述的一般性，图中的两个卫星通信终端分别只画出4阵元天线阵和两组天线阵组。

在常用的卫星通信***中，卫星通信终端接收到的下行信号中，不仅有噪声，还有较强的干扰，此干扰信号电平远远超过有用信号电平，因此干扰严重影响有用信号的正常接收。在采用天线阵信号干扰自适应调零和信道优化自适应波束成形卫星MIMO高效传输技术的通信***中，基于天线阵的信号干扰自适应调零单元能对干扰信号进行自适应调零处理，使干扰信号电平低于有用信号，从而能够有效解调出发送的原始数据。为了使干扰抑制后的解调信噪比最大化，信道优化自适应波束成形单元根据MIMO信道特性对各个天线阵组进行加权处理，是接收数据解调最佳化。

基于天线阵的信号干扰自适应调零处理：

以图1中的第二卫星通信终端为例，共有两组自适应天线阵元组，其第一组的基于天线阵的信号干扰自适应调零处理框图如图2所示，接收的下行信号中既有有用信号s和噪声n，还有对卫星下行链路的干扰r。一般干扰信号r比有用信号s大几十dB，为实现下行有用信号的正确解调，必须先对卫星下行干扰信号进行自适应调零抑制，使干扰信号电平低于有用信号的电平。

第二卫星通信终端中天线阵元接收到的信号具体表示为：

X2,1(n)＝A(θ)[S(n)+R(n)]+N(n) (1)

其中

为天线阵元导引向量，与信号的波达角θ、信号频率、阵元间距有关。干扰抑制自适应算法采用LMS算法，其自适应调零控制执行以下计算：

(1)G2,1(n)＝W2,1(n)^TX2,1(n) (2)

(2)E2,1(n)＝Y2,1(n)-G2,1(n) (3)

(3)W2,1(n+1)＝W2,1(n)+μE2,1(n)X2,1(n) (4)

不断进行上述计算就可得到收敛后的权重值，μ为迭代步长。

基于信道优化自适应波束成形处理方法：

上述的基于天线阵的信号干扰自适应调零处理是针对信号干扰进行的自适应调零处理，其作用是抑制干扰使其干扰电平低于有用信号电平，但不能保证接收***的最佳接收。为了使卫星通信高效传输***能实现最佳接收，基于信道优化自适应波束成形处理通过信道信息对天线阵组的各个链路进行自适应波束成形加权，最终是接收端的接收信噪比最大。

设卫星高效传输MIMO***的信道矩阵为：

其对应的傅里叶矩阵为H。定义发射端和接收端信道优化波束成形加权矢量分别为

和

那么利用对信道矩阵的特征值分解，使卫星通信高效传输MIMO***实现最佳接收自适应波束成形发射加权为：

其中eigvec[A]是对应最大特征值的特征值矢量。对应最佳发射权重的最佳自适应波束成形接收加权为：

(W_r)_opt＝(H)^Teigvec[(Hⁱ)^*(Hⁱ)^T] (7)。

综上，本申请所述***基于天线阵的卫星终端信号干扰自适应调零处理技术，在卫星终端采用自适应调零算法对干扰信号进行有效抑制，结合基于信道优化自适应波束成形处理技术很好解决了卫星通信***在干扰情况下的卫星高效传输难题；

基于信道优化自适应波束成形处理技术，利用传输信道信息，在采用基于天线阵的卫星终端信号干扰自适应调零处理技术抑制干扰后，对天线阵组的各个链路进行自适应波束成形加权，最终是接收端的接收信噪比最大，解决了卫星MIMO高效传输***最佳接收难题。

Claims (5)

1.一种自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于：包括第一卫星通信终端、第二卫星通信终端以及通信卫星，所述第一卫星通信终端以及第二卫星通信终端与通信卫星之间行双向数据交互，第一卫星通信终端与第二卫星通信终端构成一对卫星通信链路，利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理，并利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化。

2.如权利要求1所述的自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于：

所述第一卫星通信终端与第二卫星通信终端的结构相同，所述第一卫星通信终端包括信号源以及两个以上的信号处理单元，每个信号处理单元的结构相同，所述信号处理单元包括信道优化波束成形自适应模块、天线阵信号干扰调零自适应模块以及天线阵元，所述信号源分别与两个信号处理单元中的信道优化波束成形自适应模块连接，所述信道优化波束成形自适应模块用于利用信道信息对多天线进行波束成形使接收信号的信噪比最佳化；两个信道优化波束成形自适应模块之间进行双向数据交互，所述信道优化波束成形自适应模块与所述天线阵信号干扰调零自适应模块之间双向连接，所述天线阵信号干扰调零自适应模块用于利用天线阵元的自适应调零算法对干扰信号进行调零处理；所述天线阵信号干扰调零自适应模块与所述天线阵元进行双向数据交互，所述天线阵元与所述通信卫星之间进行双向数据交互，用于接收和发送信号。

3.如权利要求1所述的自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于：每个信号处理单元的天线阵元可以为4阵、8阵或16阵天线阵元。

4.如权利要求2所述的自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于：所述天线阵信号干扰调零自适应模块的基于天线阵的信号干扰自适应调零处理方法如下：

第二卫星通信终端中的一组天线阵元接收到的信号具体表示为：

X2,1(n)＝A(θ)[S(n)+R(n)]+N(n) (1)

其中：

为天线阵元导引向量，与信号的波达角θ、信号频率、阵元间距有关；干扰抑制自适应算法采用LMS算法，其自适应调零控制执行以下计算：

1)G2,1(n)＝W2,1(n)^TX2,1(n) (2)

2)E2,1(n)＝Y2,1(n)-G2,1(n) (3)

3)W2,1(n+1)＝W2,1(n)+μE2,1(n)X2,1(n) (4)

不断进行上述计算就可得到收敛后的权重值，μ为迭代步长。

5.如权利要求2所述的自适应波束成形卫星MIMO高效***，其特征在于，所述信道优化波束成形自适应模块对波束成形进行处理的方法如下：

设所述***的信道矩阵为：

其对应的傅里叶矩阵为H；定义发射端和接收端信道优化波束成形加权矢量分别为

和

那么利用对信道矩阵的特征值分解，使卫星通信高效传输MIMO***实现最佳接收自适应波束成形发射加权为：

其中eigvec[A]是对应最大特征值的特征值矢量；对应最佳发射权重的最佳自适应波束成形接收加权为：

(W_r)_opt＝(H)^Teigvec[(Hⁱ)^*(Hⁱ)^T] (7)。

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