HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法

摘要

本发明提供了一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，所述无线传输方法主要包括以下步骤：用户向HAP发送上行导频信号，HAP接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取用户的部分信道状态信息；利用用户的部分信道状态信息，HAP计算收发预编码矩阵并基于最大化系统和速率计算自身位置，向目标用户放大并转发发送端用户所要传输的信号。本方法操作简单，贴合实际，为地面用户提供了大范围的可靠通信，保证地面用户之间进行快速和准确的信息传递，对移动中继辅助多天线通信系统具有重要的现实意义。

权利要求

1.一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建HAP辅助多对中继的放大转发系统，所述系统包括：一个配备有多天线的HAP，多个单天线发送端用户，多个单天线接收端用户；

(2)所有单天线发送端用户和单天线接收端用户向HAP发送上行导频信号，HAP接收并对所有用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取所有用户的部分CSI；

(3)根据步骤(2)获取到所有用户的部分CSI，HAP计算收发预编码矩阵，并基于最大化系统和速率计算预编码矩阵中的最优参数以及HAP的最优位置，向目标用户放大并转发发送端用户所要传输的信号；

所述HAP计算收发预编码矩阵为：其中，W的矩阵大小为N×N， αG和αH为正则化参数；ζ表示满足高空无人平台中继功率约束的归一化参数：2

其中，PR表示高空无人平台中继处的功率，p＝NPT，PT表示用户集S中用户的发射功率，σ‑1

表示第一时隙链路中的噪声功率，IN表示N阶单位阵，(·) 表示矩阵的求逆运算，tr(·)表示矩阵的求迹运算；

正则化参数αG、αH和HAP位置由下式计算所得：其中， 表示HAP中继系统的系统和速率， 为最优的正opt opt

则化参数，γk表示第k个用户的信干噪比， 表示关于 和 的期望，x 和y 分别表示优化后HAP在水平方向和垂直方向的最优位置；

所述最优正则化参数 的计算过程如下：S1、设置正则化参数αG和αH的初始值，代入Rsum中；

S2、在二维平面里穷举HAP位置坐标，保留Rsum取得最大值时的位置；

S3、将步骤S2中所得位置代入Rsum中，利用内点发求出此时令Rsum取得最大值的αG，并记录此时的αG；

S4、将αG代入Rsum中，利用内点法求出此时令Rsum取得最大值的αH，并记录此时的αH；

S5、将求S3和S4中求得的αG和αH代入Rsum中，重复步骤S2‑S4，直至速率Rsum收敛，得到最opt opt

优的正则化参数 和HAP的最优位置(x ,y )。

2.根据权利要求1所述的HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：HAP有N根天线，发送端用户集为S，目标用户集为D，S和D中分别有K个单天线用户，分别标记为(S1,S2,S3,…,SK)和(D1,D2,D3,…,DK)；在第一时隙，对于发送端任意用户Sk，向HAP发送信息；在第二时隙，HAP将信息进行放大并转发给目标用户Dk；HAP利用所有用户发送的上行导频信号，对信道进行估计，所获取的部分CSI分别表示为：其中， 和 分别表示HAP与发送端第k个用户之间和第k个目标用户之间的估计信道，k∈[1，2，…，K]； 和 是信道中的视距成分，向量大小分别为N×1和1×N；Rk和Tk是N×N的确定性非负定矩阵，分别表示接收信号和发送信号在HAP天线间的空间相关性；

和 都表示N×1的复高斯随

机向量，其元素都服从均值为0、方差为 的独立同分布， 和 为信道估计参数，表示信道估计的准确度， ∈表示属于； 表示矩阵H

的平方根运算；(·) 表示矩阵的共轭转置运算；用户集S的部分CSI表示为矩阵大小为N×K，用户集D的部分CSI表示为 矩阵大小为K×N。

说明书

HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于部分CSI的HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法。

背景技术

[0002] 随着无线通信技术的飞速发展，高空无人平台(high altitude platform，HAP)通信系统近年来受到广泛关注，是一种新兴无线通信系统。HAP通信系统主要是指利用具备一
定有效载荷并配备有天线的HAP，为地面用户提供通信服务的系统，类似于低轨卫星通信系
统。但相较于低轨卫星，HAP有移动快速、可操控性强和实施成本低等优点，可以随时向潜在
的地面用户移动，通过实时的动态调整来更好地适应通信环境，从而有效地增强局部地区
的通信质量。因此，即便是在发生重大自然灾害或者地理区域比较偏远的环境下，HAP依旧
能够提供基本的通信服务。

[0003] 在移动通信系统中，作为移动中继辅助提高地面无线设备的连通性，扩大网络覆盖范围、保障地面用户的通信质量是HAP的重要功能。但当多对用户接入时，HAP作为中继在
放大转发信号的同时，会对非目标用户产生一定的干扰，降低用户的通信质量。为保障信号
的传送质量，提高系统性能，确有必要提出一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编
码设计方法，以解决上述问题。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明提出提供一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，在发送功率受限的情况下，以“最大化系统速率”为目标，设计HAP的最优位置与收
发预编码。

[0005] 发明内容：本发明提出一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，具体包括以下步骤：

[0006] (1)构建HAP辅助多对中继的放大转发系统，所述系统包括：一个配备有多天线的HAP，多个单天线发送端用户，多个单天线接收端用户；

[0007] (2)所有单天线发送端用户和单天线接收端用户向HAP发送上行导频信号，HAP接收并对所有用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取所有用户的部分CSI；

[0008] (3)根据步骤(2)获取到所有用户的部分CSI，HAP计算收发预编码矩阵，并基于最大化系统和速率计算预编码矩阵中的最优参数以及HAP的最优位置，向目标用户放大并转
发发送端用户所要传输的信号。

[0009] 进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：

[0010] HAP有N根天线，发送端用户集为S，目标用户集为D，S和D中分别有K个单天线用户，分别标记为(S1,S2,S3,…,SK)和(D1,D2,D3,…,DK)；在第一时隙，对于发送端任意用户Sk，向
HAP发送信息；在第二时隙，HAP将信息进行放大并转发给目标用户Dk；HAP利用所有用户发
送的上行导频信号，对信道进行估计，所获取的部分CSI分别表示为：

[0011]

[0012]

[0013] 其中， 和 分别表示HAP与发送端第k个用户之间和第k个目标用户之间的估计信道，k∈[1,2,…,K]； 和 是信道中的视距成分，向量大小分别为N×1和1×N；Rk和Tk是
N×N的确定性非负定矩阵，分别表示接收信号和发送信号在HAP天线间的空间相关性；
和 都表示N×1的复高斯随机向
量，其元素都服从均值为0、方差为 的独立同分布， 和 为信道估计参数，表示信道估
计的准确度， ∈表示属于； 表示矩阵的平
H
方根运算；(·) 表示矩阵的共轭转置运算；用户集S的部分CSI表示为 矩
阵大小为N×K，用户集D的部分CSI表示为 矩阵大小为K×N。

[0014] 进一步地，步骤(3)所述的收发预编码矩阵为：

[0015]

[0016] 其中，W的矩阵大小为N×N， αG和αH为正则化参数；ζ表示满足高空无人平台中继功率约束的归一化参数；

[0017]

[0018] 其中，PR表示高空无人平台中继处的功率，p＝NPT，PT表示用户集S中用户的发送功2 ‑1
率，σ表示第一时隙段链路中的噪声功率，IN表示N阶单位阵，(·) 表示矩阵的求逆运算，
tr(·)表示矩阵的求迹运算。

[0019] 进一步地，步骤(3)所述的最优正则化参数 的计算过程如下：

[0020] 1)设置正则化参数αG和αH的初始值，代入Rsum中；

[0021] 2)在二维平面里穷举HAP位置坐标，保留Rsum取得最大值时的位置；

[0022] 3)将步骤2)中所得位置代入Rsum中，利用内点法求出此时令Rsum取得最大值的αG，并记录此时的αG；

[0023] 4)将αG代入Rsum中，利用内点法求出此时令Rsum取得最大值的αH，并记录此时的αH；

[0024] 5)将求3)和4)中求得的αG和αH代入Rsum中，重复步骤2)‑4)，直至速率Rsum收敛，得到最优的正则化参数

[0025] 进一步地，所述HAP最优位置由下式计算所得：

[0026]

[0027]

[0028] 其中，Rsum表示HAP中继系统的系统和速率， 为最优的正则化参数，γk表opt opt
示第k个用户的信干噪比， 表示关于 和 的期望，x 和y 分别表示优化后HAP在
水平方向和垂直方向的最优位置。

[0029] 有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本方法采用HAP作中继辅助通信，并根据用户的部分CSI设计收发预编码矩阵，使得在HAP辅助的中继通信系统中用户的
通信质量得到保障，有着重要的现实意义；2、本方法以最大化系统和速率为目标，并充分利
用HAP的特性联合优化其位置和收发预编码矩阵，贴合实际通信场景，有很强的现实可行
性。

附图说明

[0030] 图1为本发明的流程图；

[0031] 图2为HAP辅助多对中继的放大转发系统的示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。

[0033] 本发明提出一种HAP辅助多对中继通信中的位置与收发预编码设计方法，首先，用户向HAP发送上行导频信号，HAP接收并对用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取
用户的部分信道状态信息；其次，利用用户的部分信道状态信息，HAP计算收发预编码矩阵
并基于最大化系统和速率计算自身位置，向目标用户放大并转发发送端用户所要传输的信
号，如图1所示，具体包括以下步骤：

[0034] 步骤1：构建HAP辅助多对中继的放大转发系统，如图2所示，包括：一个配备有多天线的HAP，多个单天线发送端用户，多个单天线接收端用户。

[0035] 步骤2：所有单天线发送端用户和单天线接收端用户向HAP发送上行导频信号，HAP接收并对所有用户发来的上行导频信号进行信道估计，以获取所有用户的部分CSI。

[0036] HAP有N根天线，发送端用户集为S，目标用户集为D，S和D中分别有K个单天线用户，分别标记为(S1,S2,S3,…,SK)和(D1,D2,D3,…,DK)；在第一时隙，对于发送端任意用户Sk，向
HAP发送信息；在第二时隙，HAP将信息进行放大并转发给目标用户Dk。HAP利用用户发送的
上行导频信号，对信道进行估计，所获取的部分CSI分别表示为：

[0037]

[0038]

[0039] 其中， 和 分别表示HAP与发送端第k个用户之间和第k个目标用户之间的估计信道，k∈[1,2,…,K]； 和 是信道中的视距成分，向量大小分别为N×1和1×N；Rk和Tk是
N×N的确定性非负定矩阵，分别表示接收信号和发送信号在HAP天线间的空间相关性；
和 都表示N×1的复高斯随机向
量，其元素都服从均值为0、方差为 的独立同分布， 和 为信道估计参数，表示信道估
计的准确度， ∈表示属于； 表示矩阵的平
H
方根运算；(·) 表示矩阵的共轭转置运算；用户集S的部分CSI表示为 矩
阵大小为N×K，用户集D的部分CSI表示为 矩阵大小为K×N。

[0040] 步骤3：根据步骤2中获取到用户的部分CSI，HAP计算收发预编码矩阵，并基于最大化系统和速率计算预编码矩阵中的最优参数以及HAP的最优位置，向目标用户放大并转发
发送端用户所要传输的信号。

[0041] HAP计算收发预编码矩阵为：

[0042]

[0043] 其中，W的矩阵大小为N×N， αG和αH为正则化参数；ζ表示满足高空无人平台中继功率约束的归一化参数。

[0044]

[0045] 其中，PR表示高空无人平台中继处的功率，p＝NPT，PT表示用户集S中用户的发射功2 ‑1
率，σ表示第一时隙链路中的噪声功率，IN表示N阶单位阵，(·) 表示矩阵的求逆运算，tr
(·)表示矩阵的求迹运算。

[0046] 正则化参数αG、αH和HAP位置由下式计算所得：

[0047]

[0048] 其中， 表示HAP中继系统的系统和速率， 为最优opt opt
的正则化参数，γk表示第k个用户的信干噪比， 表示关于 和 的期望，x 和y 分
别表示优化后HAP在水平方向和垂直方向的最优位置。

[0049] 具体计算方法如下：

[0050] S1、设置正则化参数αG和αH的初始值，代入Rsum中；

[0051] S2、在二维平面里穷举HAP位置坐标，保留Rsum取得最大值时的位置；

[0052] S3、将步骤S2中所得位置代入Rsum中，利用内点发求出此时令Rsum取得最大值的αG，并记录此时的αG；

[0053] S4、将αG代入Rsum中，利用内点法求出此时令Rsum取得最大值的αH，并记录此时的αH；

[0054] S5、将求S3和S4中求得的αG和αH代入Rsum中，重复步骤S2‑S4，直至速率Rsum收敛，得opt opt
到最优的正则化参数 和HAP的最优位置(x ,y )。

[0055] 综上所述，本方法考虑对HAP辅助多对中继通信系统中位置和预编码的设计，保障用户的通信质量，确保系统速率能够得到最大程度的提升。并且本方法的设计过程中利用
部分CSI，更加贴合实际，因此本方法具有较强现实可行性，能应用于实际通信场景。

[0056] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在
本发明的包含范围之内，本发明中所述的HAP包括无人飞艇、无人飞行器、有人飞行器或其
他搭载一定有效载荷的空中飞行物。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范
围为准。