基于位置信息的LEO卫星大规模MIMO通信用户调度方法.pdfVIP

摘要

卫星通信技术是实现全球覆盖以及天地一体化通信的重要组成部分。近年来，低轨(LowEarth

Orbit,LEO)卫星通信以其全球覆盖、较低的传输时延、更小的路径损耗等优点重新吸引了研究者

们广泛的关注。为了充分利用稀缺的频谱资源，大规模多输入多输出(Multiple-inputMultiple-output,

MIMO)通过在基站侧配备大量天线，能够同时服务大量用户，显著提升提系统的频谱效率和功率效

率，已经成为无线通信系统的关键技术之一。将大规模MIMO技术拓展应用于卫星通信系统，使得

卫星具备实施动态多波束成形的能力，能够显著提升卫星通信系统的传输速率。大规模MIMO低地

球轨道(LowEarthOrbit,LEO)卫星通信系统的覆盖范围内，用户数量通常远大于卫星天线数量，使

得卫星无法在同一个时频资源中服务所有用户。为了解决这一问题，可以对用户进行分组，使得同

一组内的用户使用相同的时频资源，不同组内的用户使用不同的时频资源。因此，设计高效的用户

调度算法，对用户进行合理分组，具有十分重要的意义。本论文针对大规模MIMOLEO卫星通信系

统研究基于统计信道状态信息的用户调度问题，论文主要工作如下：

首先，研究了大规模MIMOLEO卫星通信系统中基于统计信道信息的上下行传输方法，分析

了已有的大规模MIMOLEO卫星通信基于空间角度的用户分组(SpaceAnglebasedUserGrouping,

SAUG)方法，其仅利用了信道的空间角度信息对用户进行调度，而忽略了用户的信道平均能量信息。

虽然采用统计信道状态信息使得传输方案复杂度得以降低，但是，该方法仅当卫星侧天线数或用户

组数足够大时，才能达到渐近最优性能，而在实际卫星通信系统中，受硬件条件和发射功率的限制，

卫星侧天线数和用户组数通常不能足够大，此时SAUG方法将具有较大的性能损失。

然后，针对上述SAUG方法中存在的问题，研究大规模MIMOLEO卫星下行传输中基于统计

信道状态信息的贪婪用户调度方法。通过引入0-1指示变量表示用户的调度状态，将下行平均和速

率最大化问题建立为0-1整数规划问题。由于同时为具有较高信道相关性的用户提供服务会严重影

响所有用户的和速率性能，提出基于信道相关性的半正交(Semi-Orthogonal,SO)用户调度方法，该

方法设定信道相关性门限值，计算各个用户的想关性，使调度在同一组中的用户信道相关性小于该

门限值而非严格正交。由于信道的相关性与用户空间角度高度相关，进一步提出基于统计信道状态

信息的贪婪用户调度方法，每次迭代选择使得和速率增加最多的用户加入当前用户组中，半正交用

户调度算法显著降低了算法的复杂度。仿真结果表明，相较于基于空间角度的用户调度算法，贪婪

算法和半正交调度方法具有显著的性能增益，并揭示出半正交用户调度算法中用户信道的相关性的

最优门限值。

最后，针对大规模MIMOLEO卫星下行传输，研究基于统计信道状态信息的全局优化用户调

度方法。首先提出了基于模拟退火(SimulatedAnnealing,SA)思想的用户调度方法，模拟金属退火时

升温、恒温以及降温的操作，以一定的概率接受当前迭代中使得和速率降低的调度结果，相比于贪

婪算法每次只选择使得和速率增加的做法，使算法得以跳出局部最优解。其次，借鉴自然界生物进

化以及优胜劣汰法则提出基于遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)的用户调度方法，从随机的若干个

用户组出发，通过选择、交叉和变异等步骤得到和速率大的用户组。仿真结果表明，所提出的模拟

退火用户调度方法以及遗传用户调度方法的和速率性能优于贪婪用户调度方法。

I

东南大学硕士学位论文

关键词：LEO卫星通信，大规模MIMO，统计信道状态信息，用户调度

II

Abstract

Satellitecommunicationtechnologyhasbeenwidelyconcernedasakeytechnologyofglobalcoverage

andanimportantpartoftheintegrat