用于下行链路卫星-地面集成网络的脱细胞优化方法

《IEEE Internet of Things Journal》：Cell-Free Optimization Method for Downlink Integrated Satellite-Ground Networks

集成星地网络在毫米波频段采用无蜂窝多输入多输出技术，提出基于分数规划、交替优化和凸近似算法的联合波束成形方案，解决最大速率和最大最小公平性双目标优化问题，通过变量替换将二次约束优化转化为交替方向乘数法求解，仿真验证其优越性。

　　

摘要：

集成卫星-地面网络（ISGN）被视为未来通信系统的一项有前景的技术，它可以为各种通信场景提供无处不在的连接性，例如偏远地区、海上通信和紧急通信。本文提出了一种基于无蜂窝多输入多输出（CFmMIMO）网络的ISGN系统的新型下行传输框架。卫星通过多播技术为一组地面站提供服务，而地面网络采用无蜂窝网络策略来服务多个地面用户。此外，所考虑的基于CFmMIMO的ISGN在毫米波频率下运行，以满足下一代通信系统的高数据速率需求。为了提高所提出的基于CFmMIMO的ISGN系统的频谱效率，我们提出了两个联合波束成形设计问题，分别是最大化总速率（MSR）问题和最大最小公平性（MMF）问题。为了解决这个数学上难以处理的问题，我们最初应用了分数规划、交替优化和连续凸逼近方法，将基于MSR的联合预编码问题转化为等价的二次约束二次规划（QCQP）问题。之后，使用基于交替方向乘子法的算法解决了QCQP优化问题，并通过几个简单的变量替换显著降低了算法的计算复杂性。此外，我们将提出的算法扩展到了基于MMF的联合波束成形设计问题。最后，仿真结果证明了所提出的下行传输框架和算法的优越性。

引言

随着研究重点转向第六代（6G）移动系统，研究人员正在仔细分析下一代通信系统实现全球覆盖和无处不在的连接性的可能技术[1]。此外，由于物联网（IoT）技术的进步，无线接入节点的普及以及对通信覆盖需求的增加，迫切需要创新的解决方案[2]。为了满足6G移动系统中的全维度无线覆盖和无处不在的连接性需求，集成卫星-地面网络（ISGN）作为一种有前景的技术受到了广泛关注[3]。与传统地面通信相比，ISGN在覆盖范围、适用特殊场景以及通信灵活性方面具有显著优势。最近的研究表明，卫星通信网络受益于毫米波（mmW）频率的广阔带宽特性，而毫米波天线的较小物理尺寸使得卫星移动通信成为可能[4]。因此，可以假设本文中考虑的ISGN系统在毫米波频率下运行[5]。此外，由于多波束卫星的广泛覆盖和广播特性，卫星网络天生适合进行多播传输，从而提供无缝服务[6]。