CN107425892A - 基于多波束组播的空地协同通信方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多波束组播的空地协同通信方法和装置，该方法包括：获取卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道和地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；确定卫星网络的网络容量的约束条件；基于波束生成结果和约束条件为卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号，缓解了由于使用传统的点对点通信技术导致通信网络的网络性能较差，且通信质量较低的技术问题。

Description

基于多波束组播的空地协同通信方法和装置

技术领域

本发明涉及协同通信的技术领域，尤其是涉及一种基于多波束组播的空地协同通信方法和装置。

背景技术

由于移动设备以及移动通信应用的迅速发展，无线通信业务从传统的文字、网页浏览等进一步发展为视频、音乐、网络电视等多媒体业务。与传统业务相比，多媒体业务通常需求更大的数据容量，从而给无线网络带来更大的压力。现有技术中，通常使用的通信技术为点对点通信技术，该通信技术能够实现通信网络内任意两个用户之间的信息交换。但是，当用户的多媒体业务较多时，使用该点对点通信技术的通信网络网络性能较低。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多波束组播的空地协同通信方法和装置，以缓解了由于使用传统的点对点通信技术导致通信网络的网络性能较差，且通信质量较低的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于多波束组播的空地协同通信方法，包括：获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，所述第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，所述第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；确定所述卫星网络的网络容量的约束条件；基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使所述卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使所述地面站按照第二发射功率发射通信信号。

进一步地，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果包括：获取第一用户组，其中，所述第一用户组为位于所述卫星网络覆盖区域中，且未位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第一用户组中包括至少一个第一用户；获取所述第一用户组的需求数据和地位位置；基于所述第一用户组的需求数据和地理位置对所述第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。

进一步地，利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束包括：利用公式[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D确定每个所述第一用户分组的卫星波束，D满足公式G＝[g_S,1,g_S,2,...,g_S,M]^H，(G^-HG^-1)_i,i表示矩阵[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D中对角线上第i个元素，M为所述卫星网络中的卫星S中卫星天线的数量和所述第一用户分组的数量，g_S,J为第一用户分组J中的卫星用户信道，ν_M为第一用户分组M的卫星波束的波束向量。

进一步地，确定所述卫星网络的网络容量的约束条件包括：通过公式和公式确定所述卫星网络容量的约束条件，其中，C_S为所述卫星S的总容量，P_S,J为所述卫星S为所述第一用户分组J分配的功率，σ_n为高斯噪声功率，C_S,J为所述卫星S中所述第一用户分组J内每个第一用户的容量。

进一步地，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果还包括：获取第二用户组，其中，所述第二用户组为位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第二用户组中包括至少一个第二用户；获取所述第二用户组的需求数据；基于所述第二用户组的需求数据对所述第二用户组进行分组，得到多个第二用户分组，其中，所述地面网络中的每个地面站对应服务所述多个第二用户分组中的一个或者多个第二用户分组；利用最大比传输方法为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束。

进一步地，利用最大比传输方法为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束包括：利用公式为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束，其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内的用户集合，h_I,J,K为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的信道，ω_I,J为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J的地面波束的波束向量。

进一步地，基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率包括：基于所述波束生成结果和所述约束条件建立数学模型；根据所述数学模型确定第一发射功率P_S,j和第二发射功率P_B,I,J，其中，P_S,j为所述卫星S分配给第一用户分组J的功率，P_B,I,J为所述地面站I分配为第二用户分组J的功率；基于第一公式确定所述卫星S的发射信号，其中，s_S,j为所述第一用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_S,j满足公式E[|s_S,j|²]＝1；基于第二公式确定所述地面站I的发射信号，其中，s_B,I,j为所述地面站I为第二用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_B,I,j满足公式E[|s_B,I,j|²]＝1。

进一步地，基于所述波束生成结果和所述约束条件建立数学模型包括：通过公式建立所述数学模型；

通过目标公式组确定所述数学模型的约束条件，其中，所述目标公式组为：C_S≥C_S,0，P_B,I,J,P_S,J≥0；其中，为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的容量，C_B为所述地面网络的网络容量，P_B,I,J为所述地面站I为所对应服务的第二用户分组J分配的功率，P_B,I,max是所述地面站I的最大发射功率，P_S,max为所述卫星S的最大发射功率。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种基于多波束组播的空地协同通信装置，包括：获取单元，用于获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，所述第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，所述第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；生成单元，用于利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；确定单元，用于确定所述卫星网络的网络容量的约束条件；分配单元，用于基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使所述卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使所述地面站按照第二发射功率发射通信信号。

进一步地，所述生成单元包括：第一获取模块，用于获取第一用户组，其中，所述第一用户组为位于所述卫星网络覆盖区域中，且未位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第一用户组中包括至少一个第一用户；第二获取模块，用于获取所述第一用户组的需求数据和地位位置；第一分组模块，用于基于所述第一用户组的需求数据和地理位置对所述第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；第一生成模块，用于利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。

在本发明实施例中，首先获取卫星信道信息和地面信道信息；然后，基于卫星信道信息和地面信道信息生成卫星波束和地面波束；接下来，确定卫星网络的网络容量的约束条件；最后，基于卫星波束和地面波束，以及约束条件为卫星网络中的卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号。在本发明实施例中，利用地面网络和卫星网络的联合为地面用户实现更高的覆盖率和服务质量，同时地面网络和卫星网络均利用多波束组播技术，为用户提供了更大容量的多媒体通信业务，进而缓解了由于使用传统的点对点通信技术导致通信网络的网络性能较差，且通信质量较低的技术问题，从而实现了提高地面网络和卫星网络的网络性能，以及提高通信服务质量的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种协同通信系统的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信系统装置示意图；

图4是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信方法的仿真效果示意图；

图5是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

实施例一：

根据本发明实施例，提供了一种基于多波束组播的空地协同通信方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取目标信道信息，其中，目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；

步骤S104，利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；

步骤S106，确定卫星网络的网络容量的约束条件；

步骤S108，基于波束生成结果和约束条件为卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号。

需要说明的是，在本发明实施例中，上述步骤S102至步骤S108主要通过地面服务站来执行。

需要说明的是，在本发明实施例中，地面网络中包括地面基站，具体包括大基站，小基站和微基站等形式的基站，地面网络中还包括移动通信车等。

在本发明实施例中，首先获取卫星信道信息和地面信道信息；然后，基于卫星信道信息和地面信道信息生成卫星波束和地面波束；接下来，确定卫星网络的网络容量的约束条件；最后，基于卫星波束和地面波束，以及约束条件为卫星网络中的卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号。在本发明实施例中，利用地面网络和卫星网络的联合为地面用户实现更高的覆盖率和服务质量，同时地面网络和卫星网络均利用多波束组播技术，为用户提供了更大容量的多媒体通信业务，进而缓解了由于使用传统的点对点通信技术导致通信网络的网络性能较差，且通信质量较低的技术问题，从而实现了提高地面网络和卫星网络的网络性能，以及提高通信服务质量的技术效果。

需要说明的是，在本发明实施例中，地面网络和卫星网络能够联合覆盖地面用户，地面网络主要覆盖城市等人口密集区域，卫星网络主要覆盖郊区地等未被地面网络覆盖的人口稀疏区域，地面网络和卫星网络共享同一频段，地面网络和卫星网络之间存在干扰。地面站中的基站和卫星均装载多天线，利用多波束技术对多组用户进行组播，组播分组内用户需求同样数据，不同组播分组间需求不同数据。由于地面网络与卫星网络之间的干扰以及组间的干扰，需要合理的对波束及功率进行分配，最大化网络容量。

如图2所示，该地面服务站主要包括以下5个模块信息收集模块、卫星波束生成模块、地面波束生成模块、卫星容量约束模块、功率分配模块。下面将结合5个模块对本发明实施例进行具体的说明。

需要说明的是，在本发明实施例下述实施例中，均以基站和卫星为例进行说明。

第一、信息收集模块

在本发明实施例中，信息收集模块的功能是收集地面服务站所需的信道信息，该信息收集模块主要包括以下2个部分：卫星信道信息收集模块和地面信道信息收集模块，其中，卫星信道信息即为上述第一信道信息，地面信道信息即为上述第二信道信息。

具体地，卫星信道信息收集模块的功能是收集卫星到用户的信道信息。其中，可以利用导频技术，估计卫星到用户的信道信息。其中，导频技术可以有效地提高不同载频之间切换的成功率，在网络优化中广泛应用，比较常用的是伪导频，实现方式有基站自提供方式、纯导频方式和易频方式。

地面信道信息收集模块的功能是收集地面基站到用户的信道信息。其中，同样可以利用导频技术，估计每个基站到其覆盖范围内所有用户的信道信息。

第二、卫星波束生成模块

在波束生成结果为卫星波束的情况下，卫星波束生成模块，用于利用目标信道信息生成卫星波束，其中，利用目标信道信息生成卫星波束包括以下步骤：

步骤S11，获取第一用户组，其中，第一用户组为位于卫星网络覆盖区域中，且未位于地面网络覆盖区域中的用户，第一用户组中包括至少一个第一用户；

步骤S12，获取第一用户组的需求数据和地位位置；

步骤S13，基于第一用户组的需求数据和地理位置对第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；

步骤S14，利用迫零波束成形方法为多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。

需要说明的是，在本发明实施例中，卫星网络中可能包括一个卫星，还可能包括多个卫星，例如，卫星1，卫星2，…，卫星S，…卫星H，H为卫星网络中卫星的数量。其中，第一用户组中的第一用户为卫星网络中卫星S所覆盖区域中的用户。由于卫星信道通常具有较强主径，可视为AWGN信道或莱斯信道，地理位置相近的卫星用户信道具有较强的相关性，因此，可以基于用户的需求数据和地理位置对第一用户组进行分组，其中，用户的需求数据可以理解为多媒体数据，例如，视频和图像等数据。例如，可以将需求同样数据，且地理位置相近的用户被分为同一组。

在对第一用户组进行分组之后，就能够得到多个第一用户分组，其中，第一用户分组的数量与卫星S的天线数量相同，也就是说，卫星S的每个卫星用于服务一个第一用户分组。需要说明的是，在本发明实施例中，近似认为组内所有卫星用户信道相同。在得到多个第一用户分组之后，就可以通过迫零波束成形(Zero Forcing Beam Forming，简称ZFBF)对每个第一用户分组进行处理，在第一用户分组之间形成卫星波束。

在本发明实施例中，通过迫零波束成形在第一用户分组之间形成卫星波束之后，就能够在第一用户分组之间实现多址通信方式。多址通信方式在移动通信中，是指许多用户同时通话，以不同的移动信道分隔，防止相互干扰的技术方式。

需要说明的是，在第一用户分组之间形成的多址通信方式为非正交多址方式，该非正交多址方式能够实现更高的频率效率，达到更好的系统性能。

在一个可选的实施方式中，上述步骤S14，即，利用迫零波束成形方法为多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束包括如下步骤：

步骤S141，利用公式[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D确定每个第一用户分组的卫星波束，其中，D满足下述公式G＝[g_S,1,g_S,2,...,g_S,M]^H，(G^-HG^-1)_i,i表示矩阵[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D中对角线上第i个元素，M为卫星网络中的卫星S中卫星天线的数量和第一用户分组的数量，g_S,J为第一用户分组J中的卫星用户信道，ν_M为第一用户分组M的卫星波束。

具体地，假设卫星S的天线数为M，且卫星S同时服务M个第一用户分组，第一用户分组J内用户为此时，卫星S服务的总用户数量为其中，第一用户分组J内用户的卫星信道为g_S,J。

迫零波束向量计算公式为：

其中，G＝[g_S,1,g_S,2,...,g_S,M]^H，(G^-HG^-1)_i,i表示该矩阵对角线上第i个元素，ν₁即为第一用户分组1的卫星波束的向量表达式，ν_M即为第一用户分组M的卫星波束的向量表达式。

第三、地面波束生成模块

在波束生成结果为地面波束的情况下，地面波束生成模块，用于利用目标信道信息生成地面波束，其中，利用目标信道信息生成地面波束包括以下步骤：

步骤S21，获取第二用户组，其中，第二用户组为位于地面网络覆盖区域中的用户，第二用户组中包括至少一个第二用户；

步骤S22，获取第二用户组的需求数据；

步骤S23，基于第二用户组的需求数据对第二用户组进行分组，得到多个第二用户分组，其中，地面网络中的每个地面站对应服务多个第二用户分组中的一个或者多个第二用户分组；

步骤S24，利用最大比传输方法为每个地面站所对应服务的一个或者多个第二用户组生成地面波束。

需要说明的是，在本发明实施例中，地面网络中可能包括一个基站，还可能包括多个基站，例如，基站1，基站2，…，基站I，…，基站L，L为地面网络中基站的数量。对于地面网络，对于每个基站，根据用户需求数据将用户进行分组，例如，将需求相同数据的用户分为同一组，得到多个第二用户分组，然后，在第二用户分组之间进行多波束组播。由于地面信道的波动性，第二用户分组内的不同用户之间的信道将具有较大的差异性，因此无法利用迫零波束形成，此时，可以基于最大比传输技术(Maximum ratio transmission，简称MRT)生成地面波束。

在本发明实施例中，通过最大比传输技术在第二用户分组之间形成地面波束之后，就能够在第二用户分组之间实现多址通信方式。多址通信方式在移动通信中，是指许多用户同时通话，以不同的移动信道分隔，防止相互干扰的技术方式。

在另一个可选实施方式中，上述步骤S24，即利用最大比传输方法为每个地面站所对应服务的一个或者多个第二用户组生成地面波束包括如下步骤：

步骤S241，利用公式为每个地面站所对应服务的一个或者多个第二用户组生成地面波束，其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内的用户集合，h_I,J,K为地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的信道，ω_I,J为地面站I所对应服务的第二用户分组J的地面波束的波束向量。

假设，地面基站数为L，基站I的天线数为N，且基站I同时服务N个第二用户分组，基站I所服务的第二用户分组J内用户为那么基站I所服务的总用户数量可以表示为其中，基站I分组J内第K个用户的信道可以表示为h_I,J,K。

具体地，在本发明实施例中，可以通过下述公式确定地面基站I所服务的N个第二用户分组中地面波束的波束向量表达式：其中，ω_I,J表示为地面站I所对应服务的第二用户分组J的地面波束的波束向量。

第四、卫星容量约束模块

在本发明实施例中，卫星容量约束模块用于确定卫星网络的网络容量的约束条件，以保护卫星网络的容量，其中，确定卫星网络的网络容量的约束条件包括如下步骤：

步骤S31，通过公式和公式确定卫星网络容量的约束条件，其中，C_S为卫星S的总容量，P_S,J为卫星S为第一用户分组J分配的功率，σ_n为高斯噪声功率，C_S,J为卫星S中第一用户分组J内每个第一用户的容量。

具体地，卫星容量约束模块的功能是约束卫星网络容量的最小值，以保护卫星网络的容量。

由于所有地面用户均受到卫星干扰，若直接优化地面网络和卫星网络的总容量，卫星网络的容量将会受到较大损失。同时考虑容量性能与公平性，因此，在本发明实施例中，引入卫星最小容量约束来保护卫星网络的容量，卫星网络的总容量不能低于最小限值C_S,0，也即：

其中，该表达式即为卫星网络的网络容量的约束条件。

第五、功率分配模块

在本发明实施例中，功率分配模块用于基于波束生成结果和约束条件为卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率。

基于波束生成结果和约束条件为卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率包括如下步骤：

步骤S41，基于波束生成结果和约束条件建立数学模型；

步骤S42，根据数学模型确定第一发射功率P_S,j和第二发射功率P_B,I,J，其中，P_S,j为卫星S分配给第一用户分组J的功率，P_B,I,J为地面站I分配为第二用户分组J的功率；

步骤S43，基于第一公式确定卫星S的发射信号，其中，s_S,j为第一用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_S,j满足公式E[|s_S,j|²]＝1；

步骤S44，基于第二公式确定地面站I的发射信号，其中，s_B,I,j为地面站I为第二用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_B,I,j满足公式E[|s_B,I,j|²]＝1。

在另一个可选实施方式中，基于波束生成结果和约束条件建立数学模型包括：

步骤S411，通过公式建立数学模型；

步骤S412，通过目标公式组确定数学模型的约束条件，其中，目标公式组为：C_S≥C_S,0，P_B,I,J,P_S,J≥0；

其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的容量，C_B为地面网络的网络容量，P_B,I,J为地面站I为所对应服务的第二用户分组J分配的功率，P_B,I,max是地面站I的最大发射功率，P_S,max为卫星S的最大发射功率。

具体地，功率分配模块的功能是利用信道信息，基于波束生成结果，分配卫星和地面基站的发射功率，在卫星容量约束下最大化系统容量。

其中，地面服务站的优化目标如下：

其中，是基站I所服务的第二用户分组J内第K个用户的容量，P_B,I,J是基站I分配给第二用户分组J的功率，P_B,I,max是基站I的最大发射功率，P_S,max是卫星S最大发射功率。

基于以上方案，确定卫星S的发射信号为：E[|s_S,j|²]＝1，其中，s_S,j为卫星所服务的第一用户分组J内所有用户需求相同的数据。

基于以上方案，确定基站I的发射信号为：E[|s_B,I,j|²]＝1，其中，s_B,I,j为基站I所服务的第二用户分组J内所有用户需求相同的数据。

综上，本发明实施例中，提出了一种基于多波束组播的基于多波束组播的空地协同通信方法，该方法的目的是利用地面网络与卫星网络联合覆盖地面用户实现更高的覆盖率与服务质量；同时地面网络和卫星网络均利用多波束组播技术提供更大容量的多媒体通信业务；同时利用多波束组播技术提供更大容量的多媒体通信业务。

本发明基于卫星网络和地面网络的协同通信，能够在较小的干扰下实现对用户的联合覆盖，增大覆盖范围，提升能够服务的最大用户数量。同时利用多波束组播技术，能够提升多媒体通信业务容量。

实施例二：

如图3所示的为一种基于多波束组播的空地协同通信系统装置示意图。从图3中可以看出，该系统包括：卫星网络和地面网络，其中，卫星网络中包括一个卫星，地面网络中包括3个基站。

地面网络与卫星网络能够联合覆盖地面用户，其中，地面网络主要覆盖城市等人口密集区域，卫星网络主要覆盖郊区地等未被地面网络覆盖的人口稀疏区域。地面网络和卫星网络共享同一频段。假设，卫星发射天线数M，利用波束成形技术对M组用户(即，上述第一用户分组)进行组播，组内用户需求同样数据。假设，每个基站的发射天线数为N，利用波束成形技术对N组用户(即，上述第二用户分组)进行组播，组内用户需求同样数据。

优选地，卫星可以选取为低轨卫星(LEO)，高度为1000km，载波频率为2GHz，带宽为10MHz，卫星发射总功率取50dBm，每个基站发射总功率取43dBm。

在对卫星网络和地面网络进行初始化设置之后，就可以利用上述实施例一中步骤S102至步骤S108所描述的方案计算地面波束，卫星波束，以及功率分配策略(即，卫星的第一发射功率和基站的第二发射功率)，其中，最优功率分配利用successive convexapproximation(SCA)方法求解，并与次优搜索策略和贪心功率分配策略这两个方案进行对比，所得结果如图4。从图4中可以看出，本发明实施例所提出的基于多波束组播的空地协同通信方法相对于其他两个方案具有较大的性能提升，相对于贪心策略，本发明实施例所提出的基于多波束组播的空地协同通信方法能够实现80％的系统容量提升，进一步证明了本发明的有效性。

实施例三：

本发明实施例还提供了一种基于多波束组播的空地协同通信装置，该基于多波束组播的空地协同通信装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的基于多波束组播的空地协同通信方法，以下对本发明实施例提供的基于多波束组播的空地协同通信装置做具体介绍。

图5是根据本发明实施例的一种基于多波束组播的空地协同通信装置的示意图，如图5所示，该基于多波束组播的空地协同通信装置主要包括：获取单元51，生成单元52，确定单元53和分配单元54，其中：

获取单元51，用于获取目标信道信息，其中，目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；

生成单元52，用于利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；

确定单元53，用于确定卫星网络的网络容量的约束条件；

分配单元54，用于基于波束生成结果和约束条件为卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号。

在本发明实施例中，首先获取卫星信道信息和地面信道信息；然后，基于卫星信道信息和地面信道信息生成卫星波束和地面波束；接下来，确定卫星网络的网络容量的约束条件；最后，基于卫星波束和地面波束，以及约束条件为卫星网络中的卫星分配第一发射功率，以及为地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使地面站按照第二发射功率发射通信信号。在本发明实施例中，利用地面网络和卫星网络的联合为地面用户实现更高的覆盖率和服务质量，同时地面网络和卫星网络均利用多波束组播技术，为用户提供了更大容量的多媒体通信业务，进而缓解了由于使用传统的点对点通信技术导致通信网络的网络性能较差，且通信质量较低的技术问题，从而实现了提高地面网络和卫星网络的网络性能，以及提高通信服务质量的技术效果。

可选地，生成单元包括：第一获取模块，用于获取第一用户组，其中，述第一用户组为位于卫星网络覆盖区域中，且未位于地面网络覆盖区域中的用户，第一用户组中包括至少一个第一用户；第二获取模块，用于获取第一用户组的需求数据和地位位置；第一分组模块，用于基于第一用户组的需求数据和地理位置对第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；第一生成模块，用于利用迫零波束成形方法为多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。

可选地，第一生成模块用于：利用公式[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D确定每个第一用户分组的卫星波束，D满足公式G＝[g_S,1,g_S,2,...,g_S,M]^H，(G^-HG^-1)_i,i表示矩阵[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D中对角线上第i个元素，M为卫星网络中的卫星S中卫星天线的数量和第一用户分组的数量，g_S,J为第一用户分组J中的卫星用户信道，ν_M为第一用户分组M的卫星波束的波束向量。

可选地，确定单元用于：通过公式和公式确定卫星网络容量的约束条件，其中，C_S为卫星S的总容量，P_S,J为卫星S为第一用户分组J分配的功率，σ_n为高斯噪声功率，C_S,J为卫星S中第一用户分组J内每个第一用户的容量。

可选地，生成单元还包括：第三获取模块，用于获取第二用户组，其中，第二用户组为位于地面网络覆盖区域中的用户，第二用户组中包括至少一个第二用户；第四获取模块，用于获取第二用户组的需求数据；第二分组模块，用于基于第二用户组的需求数据对第二用户组进行分组，得到多个第二用户分组，其中，地面网络中的每个地面站对应服务多个第二用户分组中的一个或者多个第二用户分组；第二生成模块，用于利用最大比传输方法为每个地面站所对应服务的一个或者多个第二用户组生成地面波束。

可选地，第二生成模块用于：利用公式为每个地面站所对应服务的一个或者多个第二用户组生成地面波束，其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内的用户集合，h_I,J,K为地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的信道，ω_I,J为地面站I所对应服务的第二用户分组J的地面波束的波束向量。

可选地，分配单元包括：建立模块，用于基于波束生成结果和约束条件建立数学模型；第一确定模块，用于根据数学模型确定第一发射功率P_S,j和第二发射功率P_B,I,J，其中，P_S,j为卫星S分配给第一用户分组J的功率，P_B,I,J为地面站I分配为第二用户分组J的功率；第二确定模块，用于基于第一公式确定卫星S的发射信号，其中，s_S,j为第一用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_S,j满足公式E[|s_S,j|²]＝1；第三确定模块，用于基于第二公式确定地面站I的发射信号，其中，s_B,I,j为地面站I为第二用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_B,I,j满足公式E[|s_B,I,j|²]＝1。

可选地，建立模块用于：通过公式建立数学模型；通过目标公式组确定数学模型的约束条件，其中，目标公式组为：C_S≥C_S,0，P_B,I,J,P_S,J≥0；其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的容量，C_B为地面网络的网络容量，P_B,I,J为地面站I为所对应服务的第二用户分组J分配的功率，P_B,I,max是地面站I的最大发射功率，P_S,max为卫星S的最大发射功率。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明实施例所提供的进行基于多波束组播的空地协同通信方法和装置的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多波束组播的空地协同通信方法，其特征在于，包括：

获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，所述第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，所述第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；

利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；

确定所述卫星网络的网络容量的约束条件；

基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使所述卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使所述地面站按照第二发射功率发射通信信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果包括：

获取第一用户组，其中，所述第一用户组为位于所述卫星网络覆盖区域中，且未位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第一用户组中包括至少一个第一用户；

获取所述第一用户组的需求数据和地位位置；

基于所述第一用户组的需求数据和地理位置对所述第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；

利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束包括：

利用公式[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D确定每个所述第一用户分组的卫星波束，D满足公式G＝[g_S,1,g_S,2,...,g_S,M]^H，(G^-HG^-1)_i,i表示矩阵[ν₁,...,ν_M]＝G^-1D中对角线上第i个元素，M为所述卫星网络中的卫星S中卫星天线的数量和所述第一用户分组的数量，g_S,J为第一用户分组J中的卫星用户信道，ν_M为第一用户分组M的卫星波束的波束向量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定所述卫星网络的网络容量的约束条件包括：

通过公式和公式确定所述卫星网络容量的约束条件，其中，C_S为所述卫星S的总容量，P_S,J为所述卫星S为所述第一用户分组J分配的功率，σ_n为高斯噪声功率，C_S,J为所述卫星S中所述第一用户分组J内每个第一用户的容量。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果还包括：

获取第二用户组，其中，所述第二用户组为位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第二用户组中包括至少一个第二用户；

获取所述第二用户组的需求数据；

基于所述第二用户组的需求数据对所述第二用户组进行分组，得到多个第二用户分组，其中，所述地面网络中的每个地面站对应服务所述多个第二用户分组中的一个或者多个第二用户分组；

利用最大比传输方法为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用最大比传输方法为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束包括：

利用公式为每个所述地面站所对应服务的所述一个或者多个第二用户组生成地面波束，其中，为地面站I所对应服务的第二用户分组J内的用户集合，h_I,J,K为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的信道，ω_I,J为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J的地面波束的波束向量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率包括：

基于所述波束生成结果和所述约束条件建立数学模型；

根据所述数学模型确定第一发射功率P_S,j和第二发射功率P_B,I,J，其中，P_S,j为所述卫星S分配给第一用户分组J的功率，P_B,I,J为所述地面站I分配为第二用户分组J的功率；

基于第一公式确定所述卫星S的发射信号，其中，s_S,j为所述第一用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_S,j满足公式E[|s_S,j|²]＝1；

基于第二公式确定所述地面站I的发射信号，其中，s_B,I,j为所述地面站I为第二用户分组J内所有用户所需求的数据中相同的需求数据，s_B,I,j满足公式E[|s_B,I,j|²]＝1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述波束生成结果和所述约束条件建立数学模型包括：

通过公式建立所述数学模型；

通过目标公式组确定所述数学模型的约束条件，其中，所述目标公式组为：C_S≥C_S,0，P_B,I,J,P_S,J≥0；

其中，为所述地面站I所对应服务的第二用户分组J内第K个用户的容量，C_B为所述地面网络的网络容量，P_B,I,J为所述地面站I为所对应服务的第二用户分组J分配的功率，P_B,I,max是所述地面站I的最大发射功率，P_S,max为所述卫星S的最大发射功率。

9.一种基于多波束组播的空地协同通信装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括第一信道信息和第二信道信息，所述第一信道信息为卫星网络中每个卫星到用户之间的卫星用户信道的信道，所述第二信道信息为地面网络中每个地面站到用户之间的地面用户信道的信道信息；

生成单元，用于利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和地面波束；

确定单元，用于确定所述卫星网络的网络容量的约束条件；

分配单元，用于基于所述波束生成结果和所述约束条件为所述卫星网络中卫星分配第一发射功率，以及为所述地面网络中的地面站分配第二发射功率，以使所述卫星网络中的卫星按照第一发射功率发射通信信号，并使所述地面站按照第二发射功率发射通信信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述生成单元包括：

第一获取模块，用于获取第一用户组，其中，所述第一用户组为位于所述卫星网络覆盖区域中，且未位于所述地面网络覆盖区域中的用户，所述第一用户组中包括至少一个第一用户；

第二获取模块，用于获取所述第一用户组的需求数据和地位位置；

第一分组模块，用于基于所述第一用户组的需求数据和地理位置对所述第一用户组进行分组，得到多个第一用户分组，其中，位于同一用户分组的第一用户具有相同的卫星用户信道；

第一生成模块，用于利用迫零波束成形方法为所述多个第一用户分组中的每个第一用户分组生成卫星波束。