东南大学肖翔, 尤力, 高西奇等 | 考虑功放非线性效应的高轨卫星通信鲁棒预编码方法

研究团队

肖翔，尤力，高西奇：东南大学移动通信全国重点实验室，紫金山实验室

Kezhi
Wang：布鲁内尔大学计算机科学系

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Xiang XIAO, Li YOU, Kezhi WANG & Xiqi GAO. Distortion-aware Beamforming Design for Multi-beam Satellite Communications with Nonlinear Power Amplifiers. Sci China Inf Sci, 2024, doi: 10.1007/s11432-023-3969-4

研究意义

为满足未来6G更加丰富的业务应用以及极致的性能需求，空天地海一体化网络受到了越来越多的关注。卫星通信具有覆盖范围广、可灵活部署、全球连接性和不易受地面灾害影响等特点，因此成为面向6G的空天地海一体化网络研究的热点之一。功率放大器工作在饱和点时效率最高，能够减少系统的能源消耗，但同时在饱和点处也会出现非线性失真。在高轨卫星通信下行链路中，功放非线性失真降低了发射信号质量，导致较低的信噪比从而降低了系统通信速率。因此，考虑功率放大器的非线性效应，评估非线性失真对卫星通信系统性能的影响并研究考虑失真效应的鲁棒预编码方法具有重要的研究意义。

本文工作

本文提出了一种考虑功率放大器非线性失真的卫星通信系统鲁棒预编码算法。首先，该方法采用随机变量表示用户信道相位不确定性，并考虑功率放大器引起的信号失真，基于非线性功放模型，建立发送端输入输出关系；然后，将鲁棒预编码设计问题建模为功率约束下的高轨卫星通信系统资源效率最大化问题；最后，考虑目标函数的多分式结构以及约束中的非凸项，通过速率近似、二次变换、拉格朗日乘子法和梯度法对原问题进行求解。仿真结果表明，本文所提算法实现了复杂多目标约束优化问题的低复杂度求解，能够有效缓解非线性失真对系统性能的影响，提升系统的资源效率，同时实现能效和谱效的平衡。

图1 高轨卫星下行通信系统示意图

本文的创新点如下：

(1) 基于高轨卫星信道的长时延传播特性进行信道相位不确定性建模并推导其统计特性；建立功率放大器输入输出非线性多项式模型并推导输出信号损伤项的统计特性。

(2) 将鲁棒预编码设计问题转化为系统资源效率最大化问题，提出基于二次变换、拉格朗日乘子法、梯度法等方法的迭代求解算法。

(3) 相比于理想线性放大情况，考虑功率放大器非线性失真的卫星通信系统鲁棒预编码算法，并且通过调整权重系数，可以实现能量效率和频谱效率的联合优化。

实验结果

本文所提出的考虑功率放大器非线性失真的卫星通信系统鲁棒预编码算法在MATLAB平台上进行了验证。仿真结果表明，该算法具有良好的收敛性能，在不同发射功率预算情况下，所提算法相比于线性放大情况，在资源效率指标上都有明显的性能增益。随着发射功率预算的提高，所提算法的性能优势更加显著。最后分析了系统的能量效率和频谱效率的联合优化性能，通过调节权重系数，可以在能效和谱效之间实现良好的折中。