CN110855413B - 基于空间信息网络的叠加导频通信方法和系统 - Google Patents

基于空间信息网络的叠加导频通信方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法和系统。所述方法包括：接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号；在所述叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；对所述目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息；根据所述目标信道状态信息以及导频集对所述目标信号进行过滤处理，得到所述目标信号中的数据序列；对所述数据序列进行解码，得到目标数据信息。采用本方法能够提高信道状态信息的准确性。

Description

基于空间信息网络的叠加导频通信方法和系统
技术领域
本申请涉及物联网通信技术领域，特别是涉及一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法、系统、空间通信卫星和存储介质。
背景技术
空间信息网络(Spatial Information Networks，简称SIN)是指由在轨运行的多颗卫星及卫星星座组成的骨干通信网，能够提供全球覆盖的低成本宽带接入服务，可以应用于大型机器通信(massive Machine Type Communications,简称mMTC)、环境与灾害监测、资源勘察、地形测绘、通信广播以及科学探测等多种领域。在空间信息网的上行大规模通信过程中，传统方式是通过最小二乘法计算得到信道状态信息，进而根据信道状态信息计算得到数据序列，对数据序列进行解码得到目标数据信息。
然而，通过传统方式计算得到的信道状态信息容易出现数值不稳定的问题，导致信道状态信息的准确性较低，致使数据信息接入的成功率较低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高信道状态信息的准确性的基于空间信息网络的叠加导频通信方法、系统、空间通信卫星和存储介质。
一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法，应用于空间通信卫星，所述方法包括：
接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号；
在所述叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；
对所述目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息；
根据所述目标信道状态信息以及导频集对所述目标信号进行过滤处理，得到所述目标信号中的数据序列；
对所述数据序列进行解码，得到目标数据信息。
在其中一个实施例中，所述对所述目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息包括：
根据所述目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息；
根据所述初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列；
根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息；
重复计算初始数据序列、修正信息以及修正后的信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；
根据所述信道增益差值以及所述信道增益计算偏差信息。
在其中一个实施例中，所述对所述数据序列进行解码，得到目标数据信息包括：
对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；
根据所述数据序列计算初始信道容量；
将所述初始信道容量与预设容量阈值进行比较；
当所述初始信道容量小于所述预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将所述接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；
根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；
将所述新的信道容量与所述预设信道阈值进行比较；
当所述新的信道容量小于所述预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
在其中一个实施例中，所述叠加信号是所述终端通过导频序列发送的，所述在所述叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号包括：
根据导频序列的接收功率确定与所述导频序列对应的终端数量；
根据所述终端数量识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号。
在其中一个实施例中，在所述接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号之前，所述方法还包括：
接收终端发送的连接请求；
根据所述连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；
根据导频序列的数量生成导频集进行广播，以使所述终端在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号。
一种基于空间信息网络的叠加导频通信系统，所述系统包括：
终端，用于在空间信息网络的上行通信过程中发送叠加信号至空间通信卫星；
空间通信卫星，用于接收所述终端发送的叠加信号；用于在所述叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；对所述目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息；根据所述目标信道状态信息以及导频集对所述目标信号进行过滤处理，得到所述目标信号中的数据序列；对所述数据序列进行解码，得到目标数据信息。
在其中一个实施例中，所述空间通信卫星还用于根据所述目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息；根据所述初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列；根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息；重复计算初始数据序列、修正信息以及修正后的信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息。
在其中一个实施例中，所述空间通信卫星还用于根据所述目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；根据所述信道增益差值以及所述信道增益计算偏差信息。
在其中一个实施例中，所述空间通信卫星还用于对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；根据所述数据序列计算初始信道容量；将所述初始信道容量与预设容量阈值进行比较；当所述初始信道容量小于所述预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将所述接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；将所述新的信道容量与所述预设信道阈值进行比较；当所述新的信道容量小于所述预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
在其中一个实施例中，所述终端还用于发送连接请求至所述空间通信卫星；所述空间通信卫星根据所述连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；根据导频序列的数量生成导频集进行广播；所述终端还用于在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号，通过选择的导频序列将所述叠加信号发送至空间通信卫星。
一种空间通信卫星，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。
上述基于空间信息网络的叠加导频通信方法、系统、空间通信卫星和存储介质，通过接收空间信息网络的上行通信过程中终端同时发送的导频序列与数据序列，无需为导频序列分配单独的时隙，提高了频谱效率，有利于提高空间通信卫星的吞吐量。通过在叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号，有利于得到能够解码的目标信号。通过对目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息，能够提高信道状态信息的准确性。根据目标信道状态信息以及导频集对目标信号进行过滤处理，得到目标信号中的数据序列，有利于后续进行数据序列的解码。对数据序列进行解码，得到目标数据信息。由于提高了信道状态信息的准确性，从而提高了数据信息的接入成功率。
附图说明
图1为一个实施例中基于空间信息网络的叠加导频通信方法的应用环境图；
图2为一个实施例中基于空间信息网络的叠加导频通信方法的流程示意图；
图3为一个实施例中对目标信号进行迭代运算，得到目标信道状态信息步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中基于空间信息网络的叠加导频通信系统的结构框图；
图5为一个实施例中不同迭代次数下的归一化均方误差的偏差曲线；
图6(a)为一个实施例中联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.2时的中断曲线；
图6(b)为一个实施例中联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.6时的中断曲线；
图7(a)为一个实施例中联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.2时的吞吐量曲线；
图7(b)为一个实施例中联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.6时的吞吐量曲线；
图8(a)为一个实施例中叠加导频联合译码方式、叠加导频串行干扰消除方式、正交导频联合译码方式、正交导频串行干扰消除方式在传输码率为0.2时的吞吐量曲线；
图8(b)为一个实施例中叠加导频联合译码方式、叠加导频串行干扰消除方式、正交导频联合译码方式、正交导频串行干扰消除方式在传输码率为0.6时的吞吐量曲线；
图9为一个实施例中空间通信卫星的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的基于空间信息网络的叠加导频通信方法，可以应用于如图1 所示的应用环境中。其中，多个终端102通过网络与空间通信卫星104进行通信。在空间信息网络的上行通信过程中，多个终端102发送叠加信号至空间通信卫星104。空间通信卫星104在叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号。空间通信卫星104对目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息。空间通信卫星104根据目标状态信道信息以及导频集对目标信号进行过滤处理，得到叠加信号中的数据序列。空间通信卫星104对数据序列进行解码，得到目标数据信息。其中，终端102可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。空间通信卫星104可以用独立的空间通信卫星或者是多个空间通信卫星组成的空间通信卫星集群来实现。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法，以该方法应用于图1中的空间通信卫星为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202，接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号。
空间信息网络(Space Information Networks,简称SIN)可以是由在轨运行的多颗卫星及卫星星座组成的骨干通信网。非正交多址接入(Non-Orthogonal MultipleAccess,简称NOMA)可以使终端在相同的时间和频率资源块进行信息传输。在空间信息网络的大型机器通信(massive Machine Type Communications, 简称mMTC)场景下，在叠加导频(Superimposed Pilot，简称SP)非正交多址接入的上行接入过程中，空间通信卫星在某一时隙接收终端发送的连接请求，空间通信卫星根据连接请求检测到请求通信的终端，根据连接请求统计终端数量。空间通信卫星根据终端数量确定导频序列的数量，进而根据导频序列的数量生成导频集，对该导频集进行广播。导频序列可以是基站连续发射未经调制的扩频信号。对导频集的广播方式可以包括电台广播。终端可以在广播的导频集中选择对应的导频序列，进而根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号。数据序列可以是终端请求传输的数据信息。例如，数据序列可以包括视频、文件、图片等多种类型的数据信息。终端通过选择的导频序列将叠加信号发送至空间通信卫星。叠加信号可以是在每个时隙中将导频序列和数据序列进行叠加传输的信号，导频序列不需要占据额外的时隙。
步骤204，在叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号。
空间通信卫星可以根据分配给终端的导频序列的接收功率来确定每个导频序列对应的终端数量，进而根据终端数量来判断是否存在满足预设条件的叠加信号。预设条件可以是每个导频序列对应一个终端。若存在，则将满足预设条件的叠加信号作为目标信号。
空间通信卫星接收到的目标信号可以用如下公式来表示：
Figure BDA0002270961470000081
其中，y表示空间通信卫星接收到的目标信号，ka表示每个时隙中活跃终端的数量，
Figure BDA0002270961470000082
表示分配给第i个终端的导频序列，同时满足功率限制 ||pi||2＝Pt(1-α)，Pt表示第i个终端的发射功率，α表示分配给数据序列的功率，
Figure BDA0002270961470000083
表示第i个终端发送的数据序列，满足功率限制||si||2＝Ptα，
Figure BDA0002270961470000086
表示信道增益，
Figure BDA0002270961470000085
表示大尺度衰落系数，用于表示空间通信卫星与终端之间的空间自由损耗(Free Space Loss,简称FSL)，hi表示小尺度衰落系数，服从阴影莱斯分布，w表示高斯白噪声。
步骤206，对目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息。
步骤208，根据目标信道状态信息以及导频集对目标信号进行过滤处理，得到叠加信号中的数据序列。
在叠加导频方式中，空间通信卫星不能将目标信号中的导频序列直接过滤，需要先对信道状态信息进行估计，进而根据目标信道状态信息以及导频集将导频序列进行过滤。具体的，空间通信卫星根据目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息，根据初始状态信息以及导频集计算得到修正后的信道状态信息。空间通信卫星根据修正后的信道状态信息以及导频集计算得到下一次修正后的信道状态信息，重复计算信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息。空间通信卫星对目标信号进行迭代运算的方式可以是基于岭回归的迭代信道估计方法。
空间通信卫星经过预设迭代次数的运算后，得到目标信道状态信息。空间通信卫星根据目标信道状态信息以及导频集将目标信号中的导频序列进行过滤，进而得到目标信号中的数据序列。导频序列的过滤方式可以是将导频序列与目标信道状态信息相乘，从而将导频序列直接从目标信号中去除。
步骤210，对数据序列进行解码，得到目标数据信息。
空间通信卫星将目标信号中的导频序列过滤后，可对目标信号中的数据序列进行解码。具体的，空间通信卫星在解码过程中可以按照终端的接收功率将终端进行排序。空间通信卫星根据数据序列计算初始信道容量，将初始信道容量与预设容量阈值进行比较。当初始信道容量小于预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤，并将该接收功率最小的终端对应的数据序列作为干扰序列，该数据序列对应的终端为干扰终端。空间通信卫星根据过滤后的数据序列计算新的信道容量。空间通信卫星将新的信道容量与预设信道容量阈值进行比较，当新的信道容量小于预设信道阈值时，则重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件。预设解码完成条件可以是解码过程中信道容量大于预设容量阈值，也可以是能够解码的数据序列的数量为零。当满足预设解码完成条件时，则解码过程结束。空间通信卫星从而可以得到终端请求传输的原有数据信息，即目标数据信息。
在本实施例中，空间通信卫星通过接收空间信息网络的上行通信过程中终端同时发送的导频序列与数据序列，无需为导频序列分配单独的时隙，提高了频谱效率，有利于提高空间通信卫星的吞吐量。空间通信卫星通过在叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号，有利于得到能够解码的目标信号。空间通信卫星通过对目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息，能够提高信道状态信息的准确性。空间通信卫星根据目标信道状态信息以及导频集对目标信号进行过滤处理，得到目标信号中的数据序列，有利于后续进行数据序列的解码。空间通信卫星对数据序列进行解码，得到目标数据信息。由于提高了信道状态信息的准确性，从而提高了数据信息的接入成功率。
在一个实施例中，如图3所示，对目标信号进行迭代运算，得到目标信道状态信息的步骤包括：
步骤302，根据目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息。
步骤304，根据初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列。
步骤306，根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息。
步骤308，重复计算初始数据序列、修正信息以及修正后的信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息。
空间通信卫星根据目标信号构造目标函数，目标函数可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000101
其中，pi表示分配给第i个终端的导频序列，ω表示权重因子，表示不确定度，si表示第i个终端发送的数据序列，gi表示信道增益，y表示目标信号。
空间通信卫星可以根据范数的性质对目标函数进行迭代运算，得到迭代运算函数。范数可以是设X是数域K上的线性空间，称║˙║为X上的范数。迭代运算函数可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000111
其中，pi表示分配给第i个终端的导频序列，ω表示权重因子，表示不确定度，si表示第i个终端发送的数据序列，gi表示信道增益，y表示空间通信卫星接收到的目标信号。
空间通信卫星可以对迭代运算公式的右边进行求导，并使导数为零，从而计算得到初始信道状态信息。初始信道状态信息的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000112
其中，
Figure BDA0002270961470000113
表示第i个终端的初始信道状态信息，pi表示分配给第i个终端的导频序列，si表示第i个终端发送的数据序列，y表示空间通信卫星接收到的目标信号，H表示对向量作共轭转置变换。
空间通信卫星在计算得到初始信道状态信息后，根据初始信道状态信息以及导频集将目标信号中的导频序列进行过滤，得到初始数据序列。过滤方式可以是通过匹配滤波器将初始信道状态信息与导频集进行相乘。初始数据序列的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000114
其中，
Figure BDA0002270961470000115
表示初始数据序列，y表示空间通信卫星接收到的目标信号，pi表示分配给第i个终端的导频序列，
Figure BDA0002270961470000116
表示第i个终端的初始信道状态信息，H 表示对向量作共轭转置变换。
空间通信卫星可以根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息。空间通信卫星进而根据修正信息以及初始信道状态信息计算修正后的信道状态信息。空间通信卫星重复计算初始数据序列、修正信息以及修正后的信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，得到预设迭代次数运算后得到的信道状态信息。经过n次迭代运算后得到的信道状态信息可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000121
Figure BDA0002270961470000122
Figure BDA0002270961470000123
Figure BDA0002270961470000124
其中，
Figure BDA0002270961470000125
表示第i个终端经过n次迭代后的信道状态信息，gi表示信道增益，pi表示分配给第i个终端的导频序列，
Figure BDA0002270961470000126
表示数据序列差值，w表示高斯白噪声，si表示第i个终端发送的数据序列，
Figure BDA0002270961470000127
表示信道增益差值，Pt表示第i个终端的发射功率，α表示分配给数据序列的功率，
Figure BDA0002270961470000128
表示数据序列的估计值，
Figure BDA0002270961470000129
表示信道增益的估计值。
在本实施例中，空间通信卫星根据目标信号的导频序列预测初始信道状态信息，进而通过迭代运算计算得到目标信道状态信息，能够减小初始信道状态信息的误差，提高了信道状态信息的准确性。
在一个实施例中，根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息包括：根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息；根据修正数据以及初始信道状态信息计算修正后的信道状态信息。
空间通信卫星在计算得到初始数据序列后，可根据初始数据序列、初始信道状态信息以及导频集计算剩余误差信息。剩余误差信息的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000131
其中，e(0)表示剩余误差信息，y表示空间通信卫星接收到的目标信号，pi表示分配给第i个终端的导频序列，
Figure BDA0002270961470000132
表示初始数据序列，
Figure BDA0002270961470000133
表示第i个终端的初始信道状态信息。
空间通信卫星根据剩余误差信息以及初始信道状态信息计算修正信息。修正信息的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000134
其中，
Figure BDA0002270961470000135
表示修正信息，pi表示分配给第i个终端的导频序列，ω表示权重因子，表示不确定度，si表示第i个终端发送的数据序列，e(0)表示剩余误差信息。
空间通信卫星根据修正信息以及初始信道状态信息计算修正后的信道状态信息。修正后的信道状态信息的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000136
其中，
Figure BDA0002270961470000137
表示修正后的信道状态信息，
Figure BDA0002270961470000138
表示第i个终端的初始信道状态信息，
Figure BDA0002270961470000139
表示修正信息。
在本实施例中，空间通信卫星根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息，根据修正信息以及初始信道状态信息计算修正后的信道状态信息，能够根据修正信息对初始信道状态信息进行修正，有效提高了信道状态信息的准确性。
在一个实施例中，上述方法还包括：根据目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；根据信道增益差值以及信道增益计算偏差信息。
空间通信卫星在计算得到目标信道状态信息后，还可以对目标信道状态信息进行误差估计。空间通信卫星根据目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值，进而根据信道增益差值以及信道增益来计算偏差信息，根据偏差信息来设置迭代预测中的迭代次数。偏差信息可以是归一化均方误差(Normalized Mean Square Error,NMSE)。偏差信息的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000141
其中，NMSE(i)表示偏差信息，
Figure BDA0002270961470000142
表示信道增益差值，即信道增益的真实值与估计值之间的差值。
在本实施例中，空间通信卫星根据信道增益差值以及信道增益计算偏差信息，能够验证目标信道状态信息的准确性，进而根据偏差信息来设置迭代预测中的迭代次数，能够进一步提高目标信道状态信息的准确性。
在一个实施例中，对数据序列进行解码，得到目标数据信息包括：对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；根据数据序列计算初始信道容量；将第一信道容量与预设容量阈值进行比较；当第一信道容量小于预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；将新的信道容量与预设信道阈值进行比较；当新的信道容量小于预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
空间通信卫星将目标信号中的导频序列过滤后，可对目标信号中的数据序列进行解码。解码的方式可以是联合解码(Successive Joint Decoding，简称SJD)。具体的，空间通信卫星在对数据序列进行解码的过程中，需要判断数据序列的信道容量是否大于预设容量阈值。信道容量可以通过香农公式进行计算。具体地，空间通信卫星可以按照终端的接收功率将终端进行排序，排序的方式可以将接收功率由大到小进行排序。空间通信卫星根据数据序列计算初始信道容量。空间通信卫星将初始信道容量与预设容量阈值进行比较。当初始信道容量小于预设信道阈值时，将接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤，并将该数据序列作为干扰序列。空间通信卫星进而根据过滤后的数据序列重新计算信的信道容量，重复上述进行信道容量比较以及数据序列过滤的步骤，直至计算得到的信道容量大于预设容量阈值，或者直至能够解码的数据序列的数量为零，则解码过程结束，空间通信卫星进而得到解码后的目标数据信息。
在本实施例中，空间通信卫星通过对数据序列进行联合解码，有效避免了由于前序数据译码失败而导致整个译码过程终止的问题，提高了数据信息的接入成功率。
在一个实施例中，叠加信号是终端通过导频序列发送的，在叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号包括：根据导频序列的接收功率确定与导频序列对应的终端数量；根据终端数量识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号。
空间通信卫星接收终端通过导频序列发送的叠加信号，空间通信卫星根据导频序列的接收功率检测每个导频序列对应的终端数量。空间通信卫星根据导频序列的接收功率识别导频序列是否发生冲突。当导频序列发生冲突时，表明导频序列对应的终端数量大于一。当导频序列未发生冲突时，则表明导频序列对应的终端数量为一。当导频序列对应的终端数量满足预设条件时，则将满足预设条件的叠加信号作为目标信号。预设条件可以是每个导频序列对应一个终端，即导频序列未发生导频冲突。空间通信卫星进而可以对未发生导频序列冲突的终端的目标信号进行解码。当导频序列存在冲突时，该导频序列对应的终端的叠加信号将会丢失。
在本实施例中，空间通信卫星根据导频序列对应的终端数量来识别满足预设条件的目标信号，有利于后续将目标信号中的导频序列过滤掉，从而识别叠加信号对应的终端，实现通信过程。
在一个实施例中，在接收空间信息网络的上行大规模通信过程中终端发送的叠加信号之前，上述方法还包括：接收终端发送的连接请求；根据连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；根据导频序列的数量生成导频集进行广播，以使终端在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号。
在任意一个时隙中，空间通信卫星接收覆盖区域内的活跃终端发送的连接请求，终端在空间通信卫星的覆盖区域中可以是随机均匀分布的，连接请求用于信号传输。空间通信卫星根据连接请求检测到请求通信的活跃终端，并根据活跃终端的数量确定导频序列的数量。空间通信卫星根据导频序列的数量生成导频集进行广播，导频集中的导频序列可以是相互正交的。不同的导频序列可以对应不同的码本调制，可以使选择了不同导频序列的终端在相同的时频资源上传输信号。
每个时隙中活跃终端的数量可以是服从λ的泊松分布的，则可选导频序列数量的计算公式可以如下所示：
1-exp(-λ/L)＝β (14)
其中，L表示可选导频序列的数量，β表示终端发生冲突的概率，同一导频序列中的终端的平均数量符合λ/L的泊松分布。
空间通信卫星还可以将信道建模为块衰落信道，以使信道状态信息在传输时隙的持续时间内可以是保持不变的。
在本实施例中，空间通信卫星根据连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量。实现对活跃终端进行检测。空间通信卫星根据导频序列的数量生成导频集进行广播，有利于终端在广播的导频集中选择对应的导频序列，进而接收到终端通过选择对应的导频序列发送的叠加信号。
应该理解的是，虽然图2至3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2至3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种基于空间信息网络的叠加导频通信系统，该系统包括：终端402和空间通信卫星404，其中：
终端402，用于在空间信息网络的上行通信过程中发送叠加信号至空间通信卫星；
空间通信卫星404，用于接收终端发送的叠加信号；在述叠加信号中识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；对目标信号进行迭代预测，得到目标信道状态信息；根据目标信道状态信息以及导频集对目标信号进行过滤处理，得到目标信号中的数据序列；对数据序列进行解码，得到目标数据信息。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于根据目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息；根据初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列；根据初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息；重复计算初始数据序列、修正信息以及修正后的信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于根据目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；根据信道增益差值以及信道增益计算偏差信息。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；根据数据序列计算初始信道容量；将初始信道容量与预设容量阈值进行比较；当初始信道容量小于预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；将新的信道容量与预设信道阈值进行比较；当新的信道容量小于预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于根据导频序列的接收功率确定与导频序列对应的终端数量；根据终端数量识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号。
在一个实施例中，终端402还用于发送连接请求至空间通信卫星404；空间通信卫星404还用于根据连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；根据导频序列的数量生成导频集进行广播；终端402 还用于在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号，通过选择的导频序列将叠加信号发送至空间通信卫星404。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于获取解码过程中的第一概率以及第二概率；根据第一概率、第二概率、数据序列对应的终端数量以及目标数据信息对应的终端数量计算解码过程中的中断概率。
空间通信卫星在对数据序列进行解码的过程中，还可以对中断概率进行计算。具体的，空间通信卫星获取解码过程中的第一概率以及第二概率。第一概率可以是数据序列能够被成功解码的概率。第二概率数据序列不能被成功解码的概率。数据序列对应的终端数量可以是能够被解码的终端数量。目标数据信息对应的终端数量可以是未发生导频冲突的终端中能够解码出的最大终端数量。空间通信卫星根据第一概率、第二概率、数据序列对应的终端数量以及目标数据信息对应的终端数量计算解码过程中的中断概率的计算公式可以如下所示：
Figure BDA0002270961470000191
其中，
Figure BDA0002270961470000192
表示中断概率，I表示信道容量，
Figure 1
表示终端的接收功率， l表示未发生导频冲突的终端中能够解码出的最大终端数量，a表示能够被解码的终端数量，
Figure BDA0002270961470000194
表示的能够被成功译码的概率，
Figure BDA0002270961470000195
表示的是不能被成功解码的概率。
在本实施例中，空间通信卫星通过计算解码过程中的中断概率，能够将终端的传输码率进行统一化，即所有终端的传输码率是相同的，进一步提高了系统吞吐量的计算效率。
在一个实施例中，空间通信卫星404还用于根据目标数据信息对应的终端数量、传输码率以及解码过程中的中断概率计算吞吐量。吞吐量可以是成功解码的数据传输码率与发送码字长度的比率。
ζSJD(La)＝aRc(1-εSJD(La)) (16)
其中，ζSJD(La)表示吞吐量，a表示能够被解码的终端数量，Rc表示终端的传输码率，εSID(La)表示中断概率。空间通信卫星根据中断概率计算吞吐量，能够进一步提高系统的吞吐量。
在一个实施例中，上述系统还包括：服务器，用于对系统进行性能分析，性能分析可以包括对叠加导频方案中联合解码下系统的中断概率以及吞吐量进行仿真分析。具体的，服务器获取系统参数。系统参数可以如表1所示：
表1
系统参数 传输距离 发射功率 功率信噪比 发射频率 带宽 噪声密度
取值 765km 100W 0.6 6.925GHz 40MHz -174dBm/Hz
服务器根据系统参数获取迭代预测过程中不同迭代次数下的归一化均方误差(Normalized Mean Square Error,NMSE)的偏差曲线，如图5所示。根据偏差曲线可以得到对于固定的功率分配系数α，即分配给数据序列的功率，相应的信道状态信息对应的归一化均方误差在3次迭代预测后趋于稳定。另外，归一化均方误差会随着α的增加而增加。由于数据序列分配的功率越多，会导致叠加导频存在更强的干扰，并降低迭代预测信道状态信息的准确性。
服务器根据系统参数获取联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.2和0.6时的中断概率曲线，传输码率为0.2的中断概率曲线如图6(a) 所示，传输码率为0.6的中断概率曲线如图6(b)所示。根据中断概率曲线可以得到联合解码的方式对应的中断概率性能优于串行干扰消除方式。
服务器根据系统参数获取联合解码与串行干扰消除两种解码方式在传输码率为0.2和0.6时的吞吐量曲线，传输码率为0.2的吞吐量曲线如图7(a)所示，传输码率为0.6的吞吐量曲线如图7(b)所示。根据吞吐量曲线可以得到联合解码下的最大系统吞吐量远大于串行干扰消除下的系统吞吐量。另外，当传输码率为0.2时，当可译码终端数量大于8时，联合解码和串行干扰消除之间的性能差异变得明显，而在传输码率为0.6时，当可译码终端数量大于3时，联合解码的性能明显优于串行干扰消除。
服务器获取叠加导频联合译码方式、叠加导频串行干扰消除方式、正交导频联合译码方式、正交导频串行干扰消除方式在传输码率为0.2和0.6时的吞吐量曲线，传输码率为0.2的吞吐量曲线如图8(a)所示，传输码率为0.6的吞吐量曲线如图8(b)所示。根据吞吐量曲线8(a)可以得到在低传输码率下，叠加导频下的性能优于正交导频下的性能。当可译码终端数量大于8时，联合解码的方式对应的吞吐量远远大于串行干扰消除方式对应的吞吐量。根据吞吐量曲线8(b)可以得到联合解码在高传输码率下的性能优于串行干扰消除的性能。当可译码终端数量大于4时，串行干扰消除可实现的吞吐量几乎为零。
在本实施例中，服务器通过对系统进行性能分析，能够验证迭代运算下得到的信道状态信息的准确性，与传统的方式的正交导频串行干扰消除方式相比，采用叠加导频联合译码方式进一步提高了系统的性能。
在一个实施例中，提供了一种空间通信卫星，其内部结构图可以如图9所示。该空间通信卫星包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该空间通信卫星的处理器用于提供计算和控制能力。该空间通信卫星的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该空间通信卫星的数据库用于存储叠加信号、目标信道状态信息以及目标数据信息。该空间通信卫星的网络接口用于与地面的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的空间通信卫星的限定，具体的空间通信卫星可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程 ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限， RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步 DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM (ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus) 直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种基于空间信息网络的叠加导频通信方法，应用于空间通信卫星，所述方法包括：
接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号；所述叠加信号是所述终端通过导频序列发送的；
根据导频序列的接收功率确定与所述导频序列对应的终端数量；
根据所述终端数量识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；
根据所述目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息；
根据所述初始信道状态信息以及导频集，计算得到修正后的信道状态信息；
根据修正后的信道状态信息以及导频集，计算得到下一次的修正后的信道状态信息，重复计算信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息；
根据所述目标信道状态信息以及导频集对所述目标信号进行过滤处理，得到所述目标信号中的数据序列；
对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；
根据所述数据序列计算初始信道容量；
将所述初始信道容量与预设信道阈值进行比较；
当所述初始信道容量小于所述预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将所述接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；
根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；
将所述新的信道容量与所述预设信道阈值进行比较；
当所述新的信道容量小于所述预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始信道状态信息以及导频集计算得到修正后的信道状态信息包括：
根据所述初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列；
根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；
根据所述信道增益差值以及所述信道增益计算偏差信息。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息包括：
根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息；
根据所述修正信息以及所述初始信道状态信息计算得到修正后的信息状态信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息包括：
根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列，计算得到剩余误差信息；
根据所述剩余误差信息以及所述初始信道状态信息计算得到修正信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接收空间信息网络的上行通信过程中终端发送的叠加信号之前，所述方法还包括：
接收终端发送的连接请求；
根据所述连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；
根据导频序列的数量生成导频集进行广播，以使所述终端在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号。
7.一种基于空间信息网络的叠加导频通信系统，其特征在于，所述系统包括：
终端，用于在空间信息网络的上行通信过程中发送叠加信号至空间通信卫星；
空间通信卫星，用于接收所述终端发送的叠加信号；所述叠加信号是所述终端通过导频序列发送的；根据导频序列的接收功率确定与所述导频序列对应的终端数量；根据所述终端数量识别满足预设条件的叠加信号，作为目标信号；根据所述目标信号中的导频序列预测初始信道状态信息；根据所述初始信道状态信息以及导频集，计算得到修正后的信道状态信息；根据修正后的信道状态信息以及导频集，计算得到下一次的修正后的信道状态信息，重复计算信道状态信息的步骤，直至达到预设迭代次数，将预设迭代次数运算后得到的信道状态信息作为目标信道状态信息；根据所述目标信道状态信息以及导频集对所述目标信号进行过滤处理，得到所述目标信号中的数据序列；对数据序列进行解码，在解码过程中根据终端的接收功率将终端进行排序；根据所述数据序列计算初始信道容量；将所述初始信道容量与预设信道阈值进行比较；当所述初始信道容量小于所述预设信道阈值时，则在排序后的终端中确定接收功率最小的终端，将所述接收功率最小的终端对应的数据序列进行过滤；根据过滤后的数据序列计算新的信道容量；将所述新的信道容量与所述预设信道阈值进行比较；当所述新的信道容量小于所述预设信道阈值时，重复对数据序列进行过滤的步骤，直至满足预设解码完成条件，得到目标数据信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述空间通信卫星还用于根据所述初始信道状态信息以及导频集计算初始数据序列；根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正后的信道状态信息。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述空间通信卫星还用于根据所述目标信号对应的信道增益计算得到信道增益差值；根据所述信道增益差值以及所述信道增益计算偏差信息。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述空间通信卫星还用于根据所述初始信道状态信息、导频集以及初始数据序列计算修正信息；根据所述修正信息以及所述初始信道状态信息计算得到修正后的信息状态信息。
11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述终端还用于发送连接请求至所述空间通信卫星；所述空间通信卫星还用于根据所述连接请求对终端数量进行统计，根据统计得到的终端数量确定导频序列的数量；根据导频序列的数量生成导频集进行广播；所述终端还用于在广播的导频集中选择对应的导频序列，根据选择的导频序列以及数据序列生成叠加信号，通过选择的导频序列将所述叠加信号发送至空间通信卫星。
12.一种空间通信卫星，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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