CN107197466A - 基于非正交多址的空地协同通信方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于非正交多址的空地协同通信方法和装置，该方法包括获取卫星到目标用户之间的第一信道信息，以及基站到目标用户之间的第二信道信息；利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，基站用户中包括至少一个NOMA分组；基于调度分组结果，利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，波束生成结果中包括：卫星波束和每个NOMA分组的波束；基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号，缓解了由于数据传输压力较大导致的网络服务质量较差，以及用户数量增多时系统服务容量不足的技术问题。

Description

基于非正交多址的空地协同通信方法和装置
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，尤其是涉及一种基于非正交多址的空地协同通信方法和装置。
背景技术
随着通信技术的快速发展，移动通信数据也随之快速增长，例如，3G网络和4G网络，5G也正在酝酿中，人们通过移动通信网络请求移动数据的数据量也在飞速增长中。
迅速增长的通信数据给下一代无线通信网络带来了越来越多的挑战，据统计，截止到2020年，无线通信数据的增长预计将达到1000倍。那么移动通信网络将承受巨大的通信压力，这就必定影响移动通信网络的服务质量和移动通信网络的系统性能。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非正交多址的空地协同通信方法和装置，以缓解了由于数据传输压力较大导致的网络服务质量较差，以及用户数量增多时系统服务容量不足的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于非正交多址的空地协同通信方法，包括：获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到所述目标用户之间的第二信道信息，所述目标用户为所述基站覆盖区域中的用户；利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，所述调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，所述基站用户中包括至少一个NOMA分组；基于所述调度分组结果，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和每个所述NOMA分组的波束；基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率，以使所述卫星和所述基站按照分配的发射功率发射信号。
进一步地，所述基站的数量为多个，利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果包括：确定基站I所覆盖的用户集合UI，其中，I依次取1至L，L为所述基站的数量；在所述用户集合UI中选择2N个用户为所述基站I所服务的基站用户，其中，N为所述基站I发射天线的数量；将所述用户集合UI中除所述2N个用户之外的用户作为所述卫星所服务的卫星用户；对所述基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组。
进一步地，对所述基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组包括：按照所述2N个用户与所述基站I之间的距离对所述2N个用户进行分组，得到第一基站用户组和第二基站用户组，其中，所述第一基站用户组中包括至少一个第一用户，第二基站用户组中包括至少一个第二用户，所述第一用户与所述基站之间的距离小于所述第二用户与所述基站之间的距离；基于所述第一用户组和所述第二用户组得到所述N个NOMA分组，其中，每个所述NOMA分组中包括一个第一用户和一个第二用户。
进一步地，在基于所述第一用户组和所述第二用户组得到所述N个NOMA分组之后，所述方法还包括：采用非正交多址通信技术NOMA对所述N个NOMA分组中的每个NOMA分组进行处理，以使每个所述NOMA分组中的第一用户和第二用户实现多址。
进一步地，基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率包括：利用所述目标信道信息在所述卫星用户之间分配发射功率；对于每个所述基站中的每个所述NOMA分组，利用所述目标信道信息在每个所述NOMA分组中的第一用户和第二用户之间分配发射功率；对于每个所述基站所服务的N个NOMA分组，利用所述目标信道信息在所述所服务的N个NOMA分组之间分配发射功率。
进一步地，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：通过第一公式确定所述基站的发射信号的数学表达式，其中，所述第一公式为：所述xI为所述基站的发射信号，sBn,I,j为所述基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的发射信号，sBf,I,j为所述基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的发射信号，αB,I,J为所述基站I所服务的NOMA分组j中分配给第一用户的功率比例，ωI,j为所述基站I所服务的NOMA分组j的波束向量，PB,I,j为分配给所述基站I所服务的NOMA分组j的发射功率；通过第二公式确定所述卫星的发射信号的数学表达式，其中，所述第二公式为：其中，PS,I,J为分配给所述基站I所覆盖的卫星用户J的发射功率，sS,I,J为分配给所述基站I范围内的所述卫星用户J的发射信号，νI,J为所述卫星用户J的波束向量，L为所述基站的数量，KI为所述基站I覆盖范围内的用户集合。
进一步地，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：通过第三公式确定所述卫星用户的接收信号的数据表达式，其中，所述第三公式为：
其中，gS,I,J为所述卫星到所述基站I所覆盖的卫星用户J之间的通信信道，hS,I,J为所述基站I到所述卫星用户J之间的通信信道，n为高斯噪声。
进一步地，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：通过第四公式确定所述卫星用户J的用户信噪比，其中，σn为高斯噪声功率，γS,I,J为所述卫星用户J的用户信噪比；通过第五公式确定所述卫星用户J的用户容量：CS,I,J＝log2(1+γS,I,J)，其中，所述卫星用户的总用户容量为：
进一步地，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：通过第六公式确定所述第一用户的接收信号的数学表达式，其中，所述第六公式为：
通过第七公式确定所述第二用户的接收信号的数学表达式，其中，所述第七公式为：
其中，gBn,I,j为所述卫星到所述基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，hBn,I,j为所述基站I到所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，gBf,I,j为所述卫星到所述基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的信道，hBf,I,j为所述基站I到所服务的NOMA分组j中第二用户的信道。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种基于非正交多址的空地协同通信装置，包括：获取单元，用于获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到所述目标用户之间的第二信道信息，所述目标用户为所述基站覆盖区域中的用户；调度分组单元，用于利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，所述调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，所述基站用户中包括至少一个NOMA分组；生成单元，用于基于所述调度分组结果，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和每个所述NOMA分组的波束；分配单元，用于基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率，以使所述卫星和所述基站按照分配的发射功率发射信号。
在本发明实施例中，首先获取目标信道信息；然后，利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果；接下来，基于调度分组结果，并利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果；最后，基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号。在本发明实施例中，能够充分结合地面网络和卫星网络的联合覆盖，实现用户更高的覆盖率和更加的服务质量，同时利用非正交多址技术提高地面网络的系统性能，进而缓解了由于数据传输压力较大导致的网络服务质量较差，以及用户数量增多时系统服务容量不足的技术问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信方法流程图；
图2是根据本发明实施例的一种地面网络和卫星网络协同合作的系统示意图；
图3是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信系统的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
最近多址通信技术中非正交多址通信技术(NOMA)开始受到更多关注，相对于传统正交多址通信，非正交多址通信能够实现更高的频谱效率，更好的系统性能。
非正交多址技术通常可分为两类：功率域多址技术和码域多址技术，其中，功率域多址技术受到更广泛的研究。功率域多址技术的核心思想是在发射端使用叠加编码进行发射，在接收端利用串行干扰消除进行接收，从而同时服务多个具有不同信道条件的用户。发射端通常给信道差的用户分配更高的功率，并将所有用户的信号叠加进行发射。在接收端，用户利用串行干扰消除技术，将所有比自身信道更差的用户的信号解码并从接收信号中减去，从而消除自身信号受到的干扰。
在下一代无线通信中，卫星通信被考虑用于保障无线通信服务的全覆盖，并且已经被纳入5G第二阶段的计划。因此空地协同通信将成为未来通信中的重要议题，急需研究地面通信与卫星通信的协同通信系统与方法。特别的，由于非正交多址技术能够实现更好的系统性能，需要研究基于非正交多址的空地协同通信系统与方法。下面就具体介绍本发明实施例提供的一种基于非正交多址的空地协同通信方法。
实施例一：
根据本发明实施例，提供了一种基于非正交多址的空地协同通信方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，获取目标信道信息，其中，目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到目标用户之间的第二信道信息，目标用户为基站覆盖区域中的用户；
需要说明的是，在本发明实施例中，可以利用导频技术，估计卫星到用户的信道信息。其中，导频技术可以有效地提高不同载频之间切换的成功率，在网络优化中广泛应用，比较常用的是伪导频，实现方式有基站自提供方式，纯导频方式和易频方式。
进一步地，同样可以利用导频技术，估计每个基站到其覆盖范围内所有用户的信道信息。
步骤S104，利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，基站用户中包括至少一个NOMA分组；
步骤S106，基于调度分组结果，利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，波束生成结果中包括：卫星波束和每个NOMA分组的波束；
步骤S108，基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号。
在本发明实施例中，首先获取目标信道信息；然后，利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果；接下来，基于调度分组结果，并利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果；最后，基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号。在本发明实施例中，能够充分结合地面网络和卫星网络的联合覆盖，实现用户更高的覆盖率和更加的服务质量，同时利用非正交多址技术提高地面网络的系统性能，进而缓解了由于数据传输压力较大导致的网络服务质量较差，以及用户数量增多时系统服务容量不足的技术问题。
本发明实施例中，包括地面网络和卫星网络，其中，地面网络中包括至少一个基站，卫星网络中包括至少一个卫星。地面网络与卫星网络联合能够覆盖地面用户，也即，地面用户可以被地面网络或卫星网络服务。地面网络和卫星网络共享同一频段，地面网络和卫星网络之间存在干扰。地面网络在不超过其最大服务用户数量的情况下，为其覆盖范围内的用户提供服务，卫星网络为超出地面网络最大服务数量的用户提供服务。地面网络和卫星网络的发射端均装载多天线，并利用波束成形技术同时服务多个用户。
下面将结合图2对本发明实施例进行说明。图2是根据本发明实施例的一种地面网络和卫星网络协同合作的系统示意图。
需要说明的是，在本发明下述实施方式中，卫星网络中以一个卫星，地面网络中以L个基站为例进行说明。
假设，卫星的发射天线数量为M，利用波束成形技术同时服务M个用户。基站I发射天线的数量为N，利用波束成形技术同时服务N个NOMA分组，每个NOMA分组内的用户数量为2。每个基站覆盖范围内用户集合为{U1,...,UL}，|UI|＝KI,KI≥2N，用户单天线。对于用户集合UI，卫星S和基站I共同服务，基站I服务用户集合为UB,I，卫星S服务用户集合为US,I。
在本发明实施例的一个可选实施方式中，如果基站的数量为多个，那么上述步骤S104，即，利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果包括如下步骤：
步骤S1041，确定基站I所覆盖的用户集合UI，其中，I依次取1至L，L为基站的数量；
步骤S1042，在用户集合UI中选择2N个用户为基站I所服务的基站用户，其中，N为基站I发射天线的数量；
步骤S1043，将用户集合UI中除2N个用户之外的用户作为卫星所服务的卫星用户；
步骤S1044，对基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组。
在本发明实施例中，对于每个基站I，首先确定基站I所覆盖的用户集合UI，然后，在用户集合UI中选择2N个用户由基站I服务，然后，用户集合UI中其余的用户由卫星S服务。其中，卫星用户的集合表示为US,I，在该集合中包括KI-2N个用户；对于基站I范围内的用户集合UI，基站用户的集合为UB,I。
也就是说，在本发明实施例中，地面网络中每个基站所属的基站用户之外的用户均为卫星用户。此时，卫星S所服务的总用户集合表示为
在另一个可选的实施方式中，上述步骤S1044，即，对基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组包括如下步骤：
步骤S1，按照2N个用户与基站I之间的距离对2N个用户进行分组，得到第一基站用户组和第二基站用户组，其中，第一基站用户组中包括至少一个第一用户，第二基站用户组中包括至少一个第二用户，第一用户与基站之间的距离小于第二用户与基站之间的距离；
步骤S2，基于第一用户组和第二用户组得到N个NOMA分组，其中，每个NOMA分组中包括一个第一用户和一个第二用户。
在本发明实施例中，利用信道信息，将地面网络所服务的用户进行分组，得到至少一个NOMA分组，其中，每个NOMA分组中包含2个用户，一个近距离用户(即，上述第一用户)和一个远距离用户(即，上述第二用户)。
具体地，对于基站I所服务的基站用户集合UB,I，|UB,I|＝2N，将其分为N个近距离用户{uBn,I,1,...,uBn,I,N}，N个远距离用户{uBf,I,1,...,uBf,I,N}，其中，一个近距离用于uBn,I,J与一个远距离用户uBf,I,J组成一个NOMA分组，从而得到N个NOMA分组。
在基于第一用户组和第二用户组得到N个NOMA分组之后，可以采用非正交多址通信技术NOMA对N个NOMA分组中的每个NOMA分组进行处理，以使每个NOMA分组中的第一用户和第二用户实现多址。
在得到卫星S所服务的卫星用户，以及得到基站L所服务的N个NOMA分组之后，可以利用第一信道信息为卫星S所服务的M个卫星用户生成波束，以实现同时服务M个卫星用户，其中，基站I范围内卫星用户J的波束向量可以表示为νI,J。
进一步地，在得到基站I所服务的N个NOMA分组之后，利用第二信道信息为N个NOMA分组生成波束，以实现基站I同时服务N个NOMA分组，其中，基站I范围内NOMA分组j的波束向量表示为ωI,j。
在生成卫星波束和每个NOMA分组的波束之后，就可以利用上述目标信道信息，基于调度分组结果和波束生成结果，为卫星和基站分配对应的发射功率，以在网络间存在干扰的情况下优化系统容量。
在另一个可选实施方式中，上述步骤S108，即，基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率包括如下步骤：
步骤S1081，利用目标信道信息在卫星用户之间分配发射功率；
步骤S1082，对于每个基站中的每个NOMA分组，利用目标信道信息在每个NOMA分组中的第一用户和第二用户之间分配发射功率；
步骤S1083，对于每个基站所服务的N个NOMA分组，利用目标信道信息在所服务的N个NOMA分组之间分配发射功率。
具体地，在本发明实施例中，可以利用目标信道信息在M个卫星用户之间分配发射功率；还可以利用目标信道信息，针对地面网络中每个基站的每个NOMA分组，在近距离用户和远距离用户之间分配发射功率，基站I范围内NOMA分组j中分配给近距离用户和远距离用户的功率比例为αB,I,j，其中，αB,I,J∈[0,1]。进一步地，还可以利用目标信道信息，并在每个基站在N个NOMA分组之间分配发射功率，其中，分配给基站I所服务的NOMA分组j的发射功率表示为PB,I,j。
在另一个可选实施方式中，在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，还可以通过第一公式确定基站的发射信号的数学表达式，其中，第一公式为：xI为基站的发射信号，sBn,I,j为基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的发射信号，sBf,I,j为基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的发射信号，αB,I,j为基站I所服务的NOMA分组j中分配给第一用户的功率比例，ωI,j为基站I所服务的NOMA分组的波束向量，PB,I,j为分配给基站I所服务的NOMA分组j的发射功率。
在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，还可以通过第二公式确定卫星的发射信号的数学表达式，其中，第二公式为：其中，PS,I,J为分配给基站I所覆盖的卫星用户J的发射功率，sS,I,J为分配给基站I范围内的卫星用户J的发射信号，νI,J为卫星用户J的波束向量，L为基站的数量，KI为基站I覆盖范围内的用户集合。
在另一个可选实施方式中，在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，还可以通过第三公式确定卫星用户的接收信号的数据表达式，其中，第三公式为：
其中，gS,I,J为卫星到基站I所覆盖的卫星用户J之间的通信信道，hS,I,J为基站I到卫星用户J之间的通信信道，n为高斯噪声。
在另一个可选实施方式中，在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，还可以通过第四公式确定卫星用户J的用户信噪比，其中，σn为高斯噪声功率，γS,I,J为卫星用户J的用户信噪比；以及通过第五公式确定卫星用户J的用户容量：CS,I,J＝log2(1+γS,I,J)，其中，卫星用户的总用户容量为：
在另一个可选实施方式中，在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，还可以通过第六公式确定第一用户的接收信号的数学表达式，其中，第六公式为：
以及通过第七公式确定第二用户的接收信号的数学表达式，其中，第七公式为：
其中，gBn,I,j为卫星到基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，hBn,I,j为基站I到所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，gBf,I,j为卫星到基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的信道，hBf,I,j为基站I到所服务的NOMA分组j中第二用户的信道。
除此之外，还可以确定地面近距离用户接收远距离用户信号信噪比的数学表达式：
除此之外，还可以确定地面近距离用户接收近距离用户信号信噪比的数学表达式：
除此之外，还可以确定地面远距离用户接收远距离用户信号信噪比的数学表达式：
其中，地面近距离用户容量为：CBn,I,J＝log2(1+γBn,I,J)；由于远距离用户的信号需要同时在近距离用户和远距离用户解码，因此地面远距离用户容量为：地面网络总容量为：
需要说明的是，在对上述通信参数进行设置之后，卫星与卫星用户之间，基站与基站用户之间，就可以按照该参数设置进行通信。
综上，本发明实施例提供了一种基于非正交多址的空地协同通信方法，该方法为基于卫星网络和地面网络的协同通信方法，该方法能够在较小的干扰下实现对用户的联合覆盖，增大覆盖范围，提升能够服务的最大用户数量。同时地面网络利用非正交多址技术，能够增大地面网络服务的用户数量，同时进一步提升系统性能。
实施例二：
下面将结合图3对实施例二进行说明。图3是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信系统的示意图，如图3所示，该系统包括：信息收集模块100，用户调度模块200，波束生成模块300和功率分配模块400，其中，信息收集模块100包括卫星信道信息收集模块101和地面信道信息收集模块102；用户调度模块200包括卫星用户选择模块201和地面用户NOMA分组模块202；波束生成模块300包括卫星波束生成模块301和地面波束生成模块302；功率分配模块400包括卫星功率分配模块401，地面NOMA组内功率分配模块402，地面NOMA组间功率分配模块403。
具体地，信息收集模块100的功能是收集系统所需的信道信息。包括以下2个部分：卫星信道信息收集模块101、地面信道信息收集模块102。
卫星信道信息收集模块101的功能是收集卫星到用户的信道信息。具体地，可以利用导频技术，估计卫星到系统中所有用户的信道信息。
地面信道信息收集模块102的功能是收集地面基站到用户的信道信息。具体地，可以利用导频技术，估计每个基站到其覆盖范围内所有用户信道信息。
用户调度模块200的功能是利用信道信息对用户进行调度分组，包括以下2个部分：卫星用户选择模块201、地面用户NOMA分组模块202。
卫星用户选择模块201的功能是利用信道信息，从所有用户中选择卫星服务的用户(即，上述卫星用户)，其中，所有用户表示地面网络覆盖区域内的所有用户。
地面用户NOMA分组模块202的功能是利用信道信息，将地面网络所服务的用户进行分组，得到NOMA分组，并在每个NOMA分组内的所有用户利用NOMA技术实现多址。
波束生成模块300的功能是利用信道信息，基于用户调度结果，生成波束，并在波束之间实现多址，包括以下2个部分：卫星波束生成模块301、地面波束生成模块302。
卫星波束生成模块301的功能是利用信道信息，生成卫星波束，以在所有卫星用户之间实现多址。
地面波束生成模块302的功能是利用信道信息，每个基站生成基站波束，以在每个基站所服务的所有NOMA分组之间实现多址。
功率分配模块400的功能是利用信道信息，基于用户调度和波束生成结果，分配卫星和地面基站的发射功率，在网络间干扰存在的情况下优化系统容量，包括以下3个部分：卫星波功率分配模块401、地面NOMA组内功率分配模块402、地面NOMA组间功率分配模块403。
卫星功率分配模块401的功能是利用信道信息，在存在地面干扰的情况下，在所有卫星用户之间分配发射功率，以优化系统性能。
地面NOMA组内功率分配模块402的功能是利用信道信息，在存在卫星干扰的情况下，每个基站对于其每个NOMA分组，在组内所有用户之间分配发射功率，以优化系统性能。
地面NOMA组间功率分配模块403的功能是利用信道信息，在存在卫星干扰的情况下，每个基站将每个NOMA分组视为整体，在NOMA分组间分配发射功率，以优化系统性能。
本发明实施例提供了一种基于非正交多址的空地协同通信方法，该方法为基于卫星网络和地面网络的协同通信方法，该方法能够在较小的干扰下实现对用户的联合覆盖，增大覆盖范围，提升能够服务的最大用户数量。同时地面网络利用非正交多址技术，能够增大地面网络服务的用户数量，同时进一步提升系统性能。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种基于非正交多址的空地协同通信装置，该基于非正交多址的空地协同通信装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的基于非正交多址的空地协同通信方法，以下对本发明实施例提供的基于非正交多址的空地协同通信装置做具体介绍。
图4是根据本发明实施例的一种基于非正交多址的空地协同通信装置的示意图，如图4所示，该基于非正交多址的空地协同通信装置主要包括：获取单元10，调度分组单元20，生成单元30和分配单元40，其中：
获取单元，用于获取目标信道信息，其中，目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到目标用户之间的第二信道信息，目标用户为基站覆盖区域中的用户；
调度分组单元，用于利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，基站用户中包括至少一个NOMA分组；
生成单元，用于基于调度分组结果，利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，波束生成结果中包括：卫星波束和每个NOMA分组的波束；
分配单元，用于基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号。
在本发明实施例中，首先获取目标信道信息；然后，利用目标信道信息对目标用户进行调度分组，得到调度分组结果；接下来，基于调度分组结果，并利用目标信道信息生成波束，得到波束生成结果；最后，基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率，以使卫星和基站按照分配的发射功率发射信号。在本发明实施例中，能够充分结合地面网络和卫星网络的联合覆盖，实现用户更高的覆盖率和更加的服务质量，同时利用非正交多址技术提高地面网络的系统性能，进而缓解了由于数据传输压力较大导致的网络服务质量较差，以及用户数量增多时系统服务容量不足的技术问题。
可选地，基站的数量为多个，调度分组单元包括：第一确定模块，用于确定基站I所覆盖的用户集合UI，其中，I依次1至L，L为基站的数量；选择模块，用于在用户集合UI选择2N个用户为基站I所服务的基站用户，其中，N为基站I发射天线的数量；第二确定模块，用于将用户集合UI中除2N个用户之外的用户作为卫星所服务的卫星用户；分组模块，用于对基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组。
可选地，分组模块用于：按照2N个用户与基站I之间的距离对2N个用户进行分组，得到第一基站用户组和第二基站用户组，其中，第一基站用户组中包括至少一个第一用户，第二基站用户组中包括至少一个第二用户，第一用户与基站之间的距离小于第二用户与基站之间的距离；基于第一用户组和第二用户组得到N个NOMA分组，其中，每个NOMA分组中包括一个第一用户和一个第二用户。
可选地，该装置还包括：处理模块，用在基于第一用户组和第二用户组得到N个NOMA分组之后，采用非正交多址通信技术NOMA对N个NOMA分组中的每个NOMA分组进行处理，以使每个NOMA分组中的第一用户和第二用户实现多址。
可选地，生成单元用于：利用目标信道信息在卫星用户之间分配发射功率；对于每个基站中的每个NOMA分组，利用目标信道信息在每个NOMA分组中的第一用户和第二用户之间分配发射功率；对于每个基站所服务的N个NOMA分组，利用目标信道信息在所服务的N个NOMA分组之间分配发射功率。
可选地，该装置还用于在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，通过第一公式确定基站的发射信号的数学表达式，其中，第一公式为：xI为基站的发射信号，sBn,I,j为基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的发射信号，sBf,I,j为基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的发射信号，αB,I,J为基站I所服务的NOMA分组j中分配给第一用户的功率比例，ωI,j为基站I所服务的NOMA分组的波束向量，PB,I,j为分配给基站I所服务的NOMA分组j的发射功率；以及，通过第二公式确定卫星的发射信号的数学表达式，其中，第二公式为：其中，PS,I,J为分配给基站I所覆盖的卫星用户J的发射功率，sS,I,J为分配给基站I范围内的卫星用户J的发射信号，νI,J为卫星用户J的波束向量，L为基站的数量，KI为基站I覆盖范围内的用户集合。
可选地，该装置还用于在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，通过第三公式确定卫星用户的接收信号的数据表达式，其中，第三公式为：
其中，gS,I,J为卫星到基站I所覆盖的卫星用户J之间的通信信道，hS,I,J为基站I到卫星用户J之间的通信信道，n为高斯噪声。
可选地，该装置还用于在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，通过第四公式确定卫星用户J的用户信噪比，其中，σn为高斯噪声功率，γS,I,J为卫星用户J的用户信噪比；以及，通过第五公式确定卫星用户J的用户容量：CS,I,J＝log2(1+γS,I,J)，其中，卫星用户的总用户容量为：
可选地，该装置还用于在基于调度分组结果和波束生成结果为卫星和基站分配发射功率之后，通过第六公式确定第一用户的接收信号的数学表达式，其中，第六公式为：
以及通过第七公式确定第二用户的接收信号的数学表达式，其中，第七公式为：
其中，gBn,I,j为卫星到基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，hBn,I,j为基站I到所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，gBf,I,j为卫星到基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的信道，hBf,I,j为基站I到所服务的NOMA分组j中第二用户的信道。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于非正交多址的空地协同通信方法，其特征在于，包括：
获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到所述目标用户之间的第二信道信息，所述目标用户为所述基站覆盖区域中的用户；
利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，所述调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，所述基站用户中包括至少一个NOMA分组；
基于所述调度分组结果，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和每个所述NOMA分组的波束；
基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率，以使所述卫星和所述基站按照分配的发射功率发射信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站的数量为多个，利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果包括：
确定基站I所覆盖的用户集合UI，其中，I依次取1至L，L为所述基站的数量；
在所述用户集合UI中选择2N个用户为所述基站I所服务的基站用户，其中，N为所述基站I发射天线的数量；
将所述用户集合UI中除所述2N个用户之外的用户作为所述卫星所服务的卫星用户；
对所述基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述基站I所服务的基站用户进行分组，得到N个NOMA分组包括：
按照所述2N个用户与所述基站I之间的距离对所述2N个用户进行分组，得到第一基站用户组和第二基站用户组，其中，所述第一基站用户组中包括至少一个第一用户，第二基站用户组中包括至少一个第二用户，所述第一用户与所述基站之间的距离小于所述第二用户与所述基站之间的距离；
基于所述第一用户组和所述第二用户组得到所述N个NOMA分组，其中，每个所述NOMA分组中包括一个第一用户和一个第二用户。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在基于所述第一用户组和所述第二用户组得到所述N个NOMA分组之后，所述方法还包括：
采用非正交多址通信技术NOMA对所述N个NOMA分组中的每个NOMA分组进行处理，以使每个所述NOMA分组中的第一用户和第二用户实现多址。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率包括：
利用所述目标信道信息在所述卫星用户之间分配发射功率；
对于每个所述基站中的每个所述NOMA分组，利用所述目标信道信息在每个所述NOMA分组中的第一用户和第二用户之间分配发射功率；
对于每个所述基站所服务的N个NOMA分组，利用所述目标信道信息在所述所服务的N个NOMA分组之间分配发射功率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：
通过第一公式确定所述基站的发射信号的数学表达式，其中，所述第一公式为：所述xI为所述基站的发射信号，sBn,I,j为所述基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的发射信号，sBf,I,j为所述基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的发射信号，αB,I,J为所述基站I所服务的NOMA分组j中分配给第一用户的功率比例，ωI,j为所述基站I所服务的NOMA分组j的波束向量，PB,I,j为分配给所述基站I所服务的NOMA分组j的发射功率；
通过第二公式确定所述卫星的发射信号的数学表达式，其中，所述第二公式为：其中，PS,I,J为分配给所述基站I所覆盖的卫星用户J的发射功率，sS,I,J为分配给所述基站I范围内的所述卫星用户J的发射信号，νI,J为所述卫星用户J的波束向量，L为所述基站的数量，KI为所述基站I覆盖范围内的用户集合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：
通过第三公式确定所述卫星用户的接收信号的数据表达式，其中，所述第三公式为：
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其中，gS,I,J为所述卫星到所述基站I所覆盖的卫星用户J之间的通信信道，hS,I,J为所述基站I到所述卫星用户J之间的通信信道，n为高斯噪声。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：
通过第四公式确定所述卫星用户J的用户信噪比，其中，σn为高斯噪声功率，γS,I,J为所述卫星用户J的用户信噪比；
通过第五公式确定所述卫星用户J的用户容量：CS,I,J＝log2(1+γS,I,J)，其中，所述卫星用户的总用户容量为：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率之后，所述方法还包括：
通过第六公式确定所述第一用户的接收信号的数学表达式，其中，所述第六公式为：
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通过第七公式确定所述第二用户的接收信号的数学表达式，其中，所述第七公式为：
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其中，gBn,I,j为所述卫星到所述基站I所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，hBn,I,j为所述基站I到所服务的NOMA分组j中第一用户的信道，gBf,I,j为所述卫星到所述基站I所服务的NOMA分组j中第二用户的信道，hBf,I,j为所述基站I到所服务的NOMA分组j中第二用户的信道。
10.一种基于非正交多址的空地协同通信装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取目标信道信息，其中，所述目标信道信息包括：卫星到目标用户之间的第一信道信息，基站到所述目标用户之间的第二信道信息，所述目标用户为所述基站覆盖区域中的用户；
调度分组单元，用于利用所述目标信道信息对所述目标用户进行调度分组，得到调度分组结果，其中，所述调度分组结果包括：卫星用户和基站用户，所述基站用户中包括至少一个NOMA分组；
生成单元，用于基于所述调度分组结果，利用所述目标信道信息生成波束，得到波束生成结果，其中，所述波束生成结果中包括：卫星波束和每个所述NOMA分组的波束；
分配单元，用于基于所述调度分组结果和所述波束生成结果为所述卫星和所述基站分配发射功率，以使所述卫星和所述基站按照分配的发射功率发射信号。
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