In this paper, we investigate hybrid beamforming, user scheduling, and resource allocation optimization based on spectrum coexisting forward transmission in integrated terrestrial-satellite network (ITSN) with the purpose of improving system sum rate and energy efficiency. Considering the limitation of on-board beamforming, a hybrid analog-digital beamforming scheme is designed under the scenario of millimeter wave (mmWave) coexisting in the ITSN framework. Besides, in order to further mitigate intra-beam and inter-beam interference, we propose an adaptive user scheduling scheme, which first determines the cluster center based on adaptive threshold, and then selects users with less channel correlation into a scheduling cluster. Moreover, we model system sum rate maximization problem that incorporates maximum power constrains and minimum data rate requirements. Combined with the aforementioned hybrid beamforming and user scheduling strategy, we formulate the sum rate maximizing problem to a pure power allocation issue. In view of the non-convexity and high complexity, we propose a feasible optimization method based on the minimum mean square error (MMSE) criterion and logarithmic linearization to optimize the power allocation for each user terminal (UT). Simulation results show that our proposed joint beamforming and resource allocation optimization scheduling scheme can achieve an attractive gain in system sum rate and energy efficiency compared with conservative beamforming and allocations.

中文翻译：

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用于综合地面卫星通信的混合波束成形、用户调度和资源分配

在本文中，我们研究了在综合地面卫星网络（ITSN）中基于频谱共存前向传输的混合波束成形、用户调度和资源分配优化，以提高系统总速率和能源效率。考虑到机载波束赋形的局限性，在ITSN框架中毫米波（mmWave）共存的场景下，设计了一种混合模数波束赋形方案。此外，为了进一步减轻波束内和波束间干扰，我们提出了一种自适应用户调度方案，首先根据自适应阈值确定簇中心，然后选择信道相关性较小的用户进入调度簇。而且，我们对包含最大功率约束和最小数据速率要求的系统总速率最大化问题进行建模。结合上述混合波束成形和用户调度策略，我们将总速率最大化问题公式化为纯功率分配问题。针对非凸性和高复杂度的问题，我们提出了一种基于最小均方误差（MMSE）准则和对数线性化的可行优化方法，以优化每个用户终端（UT）的功率分配。仿真结果表明，与保守的波束成形和分配相比，我们提出的联合波束成形和资源分配优化调度方案可以在系统总速率和能量效率方面实现有吸引力的增益。结合上述混合波束成形和用户调度策略，我们将总速率最大化问题公式化为纯功率分配问题。针对非凸性和高复杂度的问题，我们提出了一种基于最小均方误差（MMSE）准则和对数线性化的可行优化方法，以优化每个用户终端（UT）的功率分配。仿真结果表明，与保守的波束成形和分配相比，我们提出的联合波束成形和资源分配优化调度方案可以在系统总速率和能量效率方面实现有吸引力的增益。结合上述混合波束成形和用户调度策略，我们将总速率最大化问题公式化为纯功率分配问题。针对非凸性和高复杂度的问题，我们提出了一种基于最小均方误差（MMSE）准则和对数线性化的可行优化方法，以优化每个用户终端（UT）的功率分配。仿真结果表明，与保守的波束成形和分配相比，我们提出的联合波束成形和资源分配优化调度方案可以在系统总速率和能量效率方面实现有吸引力的增益。我们提出了一种基于最小均方误差（MMSE）准则和对数线性化的可行优化方法，以优化每个用户终端（UT）的功率分配。仿真结果表明，与保守的波束成形和分配相比，我们提出的联合波束成形和资源分配优化调度方案可以在系统总速率和能量效率方面实现有吸引力的增益。我们提出了一种基于最小均方误差（MMSE）准则和对数线性化的可行优化方法，以优化每个用户终端（UT）的功率分配。仿真结果表明，与保守的波束成形和分配相比，我们提出的联合波束成形和资源分配优化调度方案可以在系统总速率和能量效率方面实现有吸引力的增益。