CN110856193A - 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法 - Google Patents

基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110856193A
CN110856193A CN201911095205.1A CN201911095205A CN110856193A CN 110856193 A CN110856193 A CN 110856193A CN 201911095205 A CN201911095205 A CN 201911095205A CN 110856193 A CN110856193 A CN 110856193A
Authority
CN
China
Prior art keywords
terminal
signal
satellite
space
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911095205.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110856193B (zh
Inventor
焦健
何一智
李启文
吴绍华
张钦宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Peng Cheng Laboratory
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Peng Cheng Laboratory
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology, Peng Cheng Laboratory filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN201911095205.1A priority Critical patent/CN110856193B/zh
Publication of CN110856193A publication Critical patent/CN110856193A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110856193B publication Critical patent/CN110856193B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
    • H04B7/1851—Systems using a satellite or space-based relay
    • H04B7/18513—Transmission in a satellite or space-based system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Abstract

本申请涉及一种基于空间信息网络的中继通信系统、通信方法、计算机设备和存储介质，所述系统包括：地面基站，用于获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将所述非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，将所述卫星信号发射至中继卫星；中继卫星，用于将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，将多个终端信号分别转发至对应的空间终端；空间终端，用于将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到对应的发射信号。采用本系统能够有效提高地面基站与空间终端通信效率。

Description

基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于空间信息网络的中继通信系统、通信方法、计算机设备和存储介质。
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，可以应用于大型机器通信、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。在空间信息网络中，当地面基站无法与空间终端无法建立直射链路时，需要通过中继卫星进行转发。在传统的方式中，空间信息网络采用OMA(Orthogonal Multiple Access,正交多址接入)方案，但是OMA方案中地面基站向空间终端发射信号时，每次只能通过中继卫星向一个空间终端发射信号。由此导致地面基站与多个空间终端之间的通信耗时较长。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效提高地面基站与空间终端通信效率的基于空间信息网络的中继通信系统、通信方法、计算机设备和存储介质。
一种基于空间信息网络的中继通信系统，所述系统包括：
地面基站，用于获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将所述非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，将所述卫星信号发射至中继卫星；
中继卫星，用于将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，将多个终端信号分别转发至对应的空间终端；
空间终端，用于将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到对应的发射信号。
在其中一个实施例中，所述中继卫星还用于获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；利用所述端对端信号与干扰加噪声比、所述信道模型预测所述空间终端对应的中断概率。
在其中一个实施例中，所述中继卫星还用于利用中断概率、所述信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；利用所述端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
一种基于空间信息网络的中继通信方法，所述方法包括：
获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将所述非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号；
将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号计算向多个空间终端进行广播的终端信号；
将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到与每个空间终端对应的发射信号。
在其中一个实施例中，所述将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号计算向多个空间终端进行广播的终端信号包括：
利用空间基站的发射功率、中继卫星的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道矢量与信道噪声计算可变增益因子；
利用所述可变增益因子、卫星信号、发射波束成形权重向量、中继卫星与空间终端链路的信道向量与信道噪声、中继卫星的发射功率，分别计算每个空间终端对应的终端信号。
在其中一个实施例中，在所述将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理之后，所述方法还包括：
获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；
获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；
利用所述端对端信号与干扰加噪声比、所述信道模型预测所述空间终端对应的中断概率。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
利用中断概率、所述信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；
利用所述端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
模拟OMA系统，计算所述OMA系统遍历容量；
当所述NOMA系统遍历容量与所述OMA系统遍历容量相同时，计算所述NOMA系统中空间终端对应的功率系数；
将计算出的功率系数作为优化后的功率系数。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，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中继通信系统、通信方法、计算机设备和存储介质，地面基站将面向多个空间终端的发射信号进行叠加，生成非正交多址接入叠加信号，通过将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，可以将卫星信号发射至中继卫星。通过中继卫星将卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，由此能够在地面基站无法与空间终端无法建立直射链路时，可以通过中继卫星将多个终端信号分别转发至对应的空间终端。在空间终端接收到终端信号后，进行串行相干消除处理以及去噪处理，由此使得每个空间终端都能够准确接收到来自地面基站的发射信号。与传统的OMA方案相比，本实施例中的能够同时向多个空间终端传输相应的发射信号，有效提高了空间信息网络中的信号传输效率。
附图说明
图1为一个实施例中基于空间信息网络的中继系统的示意图；
图2为一个实施例中基于空间信息网络的中继通信方法的流程示意图；
如图3为一个实施例中单根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图；
如图4为一个实施例中四根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图；
如图5为一个实施例中八根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图；
图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
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。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于空间信息网络的中继系统，该系统包括：地面基站102、中继卫星104和空间终端106，其中：
地面基站102，用于获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，将卫星信号发射至中继卫星104。
中继卫星104，用于将卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，将多个终端信号分别转发至对应的空间终端。
空间终端106，用于将终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到对应的发射信号。
本实施例中的中继通信系统可以是Ka频段非正交多址接入(Non-orthogonalMultiple Access,NOMA)中继系统。其中，Ka频段(30GHz左右)能提供较大的传输带宽，有效提高传输吞吐量。
在传统的方式中，是根据信道条件区别不同空间终端，从而为发射信号分配不同的功率。但是在空间信息网络中，空间终端拥有的信道条件相接近，不同的空间终端对功率的要求是不同的。若按照传统方式分配功率，难以有效为每个终端分配适当的功率。在本实施例中，地面基站获取面向多个空间终端发送的信号。地面基站利用其自身的发射功率、空间终端对应的功率系数分别计算每个空间终端对应的功率。由此为不同的空间终端分配了不同的功率。例如，可以向服务质量要求更高的空间终端分配更多的功率。
地面基站利用与空间终端对应的发射信号、功率系数、地面基站发射功率，将多个发射信号进行叠加计算，生成非正交多址接入叠加信号。非正交多址接入叠加信号可以是Ka波段信号。不同的空间终端可以对应不同的功率系数。以空间终端包括第一终端和第二终端为例，非正交多址接入叠加信号x可以采用如下公式(1)进行计算。
Figure BDA0002268112860000061
其中，A、B分别表示第一终端和第二终端，第二终端拥有更高的服务质量要求，所要求分配的功率比第一终端高，xA表示第一发射信号，xB表示第二发射信号，满足E[|x|2]＝1，α(0≤α≤1)表示分配给第二终端的功率系数，1-α表示分配给第一终端的功率系数，PS是地面基站的发射功率，地面基站也可以称为S节点。
非正交多址接入叠加信号为毫米波信号。由于毫米波信号会受到降雨情况的干扰，考虑到地球端的天气情况，为了克服降雨对非正交多址接入叠加信号的干扰，地面基站利用地面基站与中继卫星链路的信道矢量、雨衰值期望、中继卫星接收波束形成向量、以及地面基站与中继卫星链路的信道加性高斯白噪声，将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号。地面基站可以采用如下公式(2)进行转换。
Figure BDA0002268112860000062
其中，R表示中继卫星，
Figure BDA0002268112860000063
表示S→R链路的NR×1维信道矢量，S→R链路即地面基站与中继卫星链路，nR表示S→R链路信道的加性高斯白噪声(AWGN)，其中，(E[|nR|2]＝δR 2)，表示中继节点R处的接收波束成形向量，||·||F表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数，as-rain表示地面基站到空间终端链路的雨衰值期望。
中继卫星利用可变增益因子对卫星信号进行放大，通过最大比合并将放大后的卫星信号发送至空间终端。其中，中继卫星可以利用空间基站的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道矢量、中继卫星的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道加性高斯白噪声计算可变增益因子。利用可变增益因子、卫星信号、发射波束成形权重向量、中继卫星与空间终端链路的信道向量，中继卫星的发射功率、中继卫星与空间终端链路的信道加性高斯白噪声分别计算每个空间终端接收到的信号(也可以称为终端信号)。由于在计算可变增益因子以及终端信号时考虑了信道加性高斯白噪声，由此能够提高终端信号的准确性。
例如，中继卫星可以采用如下公式(3)计算可变增益因子，以及利用如下公式(4)计算每个空间终端对应的终端信号。
Figure BDA0002268112860000071
Figure BDA0002268112860000072
D(D＝A,B)表示第一终端或者第二终端，PR是中继卫星(节点R)的发射功率，nD是中继卫星与空间终端链路的信道加性高斯白噪声AWGN，其中(E[|nD|2]＝δR 2I)，
Figure BDA0002268112860000073
是R→D链路的NT×1维信道向量，wRD＝hD/||hD||F表示发射波束成形权重向量。由于月球表面没有大气层，因此R→D链路(中继卫星与空间终端链路)中Ka波段信号不会因为下雨而损耗。
空间信息网络中的终端信道条件可以认为是相等的，当其中某一空间终端拥有更高的服务质量时，地面基站向该空间终端分配较多的功率。空间终端接收到终端信号后，按照功率高低的顺序进行解码。空间终端可以利用串行相干消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)的解码处理方式对接收到的信号进行解码处理，得到对应的端到端信号干扰比噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)。其中，端到端是指地面基站与空间终端。空间终端对端到端信号干扰比噪声比进行去噪处理，可以得到地面基站发射的发射信号。
例如，空间终端包括第一终端和第二终端，第二终端分配到的功率高于第一终端，则解码时优先对第二终端对应的第二终端信号进行解码，再次对第一终端对应的第一终端信号进行解码。其中，空间终端可以利用功率系数、S→R链路信道的SINR、R→D链路中继卫星与空间终端对应的信道SINR计算该空间终端对应的端对端SINR。如可以根据上述公式(2)、(4)计算得到第二终端对应的端对端SINR，计算结果如下公式(5)所示。
其中，γSR表示S→R链路信道的SINR,γRB表示R→D链路中继卫星与第二终端对应的信道SINR。
第一终端按照上述顺序首先解码第二终端对应的第二终端信号，得到信号分量的端到端信号干扰噪声比，如下公式(6)所示
Figure BDA0002268112860000082
其中，γRA表示R→D链路中继卫星与第一终端对应的信道SINR。
第一终端在接收到的信号中减去该分量，由此可以在排除第二终端的发射信号的影响下进行解码，从而能够准确得到第一终端的第一信号能够被正确解码，得到端到端SINR可以表示为如下公式(7)所示。
Figure BDA0002268112860000083
在解码后，第一终端对端到端信号干扰比噪声比进行去噪处理，可以得到地面基站发射的第一发射信号。
本实施例中，地面基站将面向多个空间终端的发射信号进行叠加，生成非正交多址接入叠加信号，通过将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，可以将卫星信号发射至中继卫星。通过中继卫星将卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，由此能够在地面基站无法与空间终端无法建立直射链路时，可以通过中继卫星将多个终端信号分别转发至对应的空间终端。在空间终端接收到终端信号后，进行串行相干消除处理以及去噪处理，由此使得每个空间终端都能够准确接收到来自地面基站的发射信号。与传统的OMA方案相比，本实施例中的能够同时向多个空间终端传输相应的发射信号，有效提高了空间信息网络中的信号传输效率。
在一个实施例中，中继卫星还用于获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；利用端对端信号与干扰加噪声比、信道模型预测空间终端对应的中断概率。
地面基站与中继卫星链路(S→R链路)的信道可以采用阴影莱斯模型。考虑到中继通信系统中没有直射路径，中继卫星与空间终端链路(R→D链路)的信道可以采用瑞利衰落函数作为信道模型。中继卫星可以配备不同数量的接收天线，接收天线的数量不同，中断概率的计算方式不同。当中继卫星配备单根接收天线(nR＝1)时，中继卫星可以根据阴影莱斯模型、S→R链路SINR计算S→R链路对应的信道概率密度。中继卫星可以根据瑞利衰落函数、R→D链路SINR计算R→D链路对应的信道累积密度。当中继卫星配备多根接收天线(nR≠1)时，中继卫星可以根据阴影莱斯模型计算S→R链路对应的累积密度。中继卫星可以根据瑞利衰落函数计算R→D链路对应的概率密度。
中继卫星可以利用每个空间终端的端对端信号与干扰加噪声比、功率分配系数、R→D链路对应的信道累积密度、S→R链路对应的信道概率密度计算空间终端对应的中断概率。进一步的，中继卫星还可以根据接收天线的数量，分别计算单根接收天线情况下的空间终端的中断概率，以及多根接收天线情况下的空间终端的中断概率。在中断概率大于阈值时，表示中继卫星与空间终端之间的通信中断。
在识别到中继卫星与空间终端之间的通信中断时，中继卫星可以在缓存中再次读取放大后的卫星信号，向该空间终端重复发射。或者中继卫星向地面基站返回中断消息，地面基站重复发送与该空间终端对应的发射信号。以便即时恢复与该空间终端之间的通信。
在传统的方式中，中断概率仅仅是计算单条链路，本实施例中不仅结合了R→D链路、S→R链路(两条链路)而且结合了功率分配系数来计算空间终端的中断概率，从而有效提高了中断概率的准确性。
在一个实施例中，中继卫星还用于利用中断概率、信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；利用端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
遍历容量可以定义为NOMA系统瞬时信噪比的瞬时互信息的平均值。整个通信过程包括两个时隙，由于中继卫星是利用可变增益进行信号放大，所以直接计算遍历系统容量是不可行的，为了有效降低计算复杂度，可以考虑进行二阶泰勒展开，利用每个空间终端的端对端SINR、中断概率分别计算每个空间终端的遍历容量，然后将每个空间终端的遍历容量相加，以此得到NOMA系统的遍历容量。
当中继卫星配备单根接收天线时，为了简化计算，根据功率系数在高信噪比区间内做了变量近似，通过积分计算，可以得到空间终端对应的等效信噪比的一阶矩、二阶矩。将空间终端对应的一阶矩、二阶矩与中断概率进行计算，得到空间终端对应的遍历容量。当中继卫星配备多根接收天线时，可以参照单根天线的计算方式，分别计算每个空间终端与每个信道对应的遍历容量，得到与空间终端对应的多项遍历容量。将所有空间终端对应的多项遍历容量进行累加，得到NOMA系统的遍历容量。
本实施例中，通过对每个空间终端的遍历容量进行分别计算，由此简化了NOMA系统遍历容量的计算难度，有效提高了NOMA系统遍历容量的计算速度。
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中继通信方法，以该方法应用于计算机设备为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202，获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号。
步骤204，将卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号计算向多个空间终端进行广播的终端信号。
步骤206，将终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到与每个空间终端对应的发射信号。
计算机设备可以模拟上述实施例中提及的基于空间信息网络的中继通信系统。计算机设备模拟地面基站，获取多个空间终端对应的发射信号，利用与空间终端对应的发射信号、功率系数、地面基站发射功率，将多个发射信号进行叠加计算，生成非正交多址接入叠加信号。不同的空间终端可以对应不同的功率系数。非正交多址接入叠加信号为毫米波信号。由于毫米波信号会受到降雨情况的干扰，考虑到地球端的天气情况，为了克服降雨对非正交多址接入叠加信号的干扰，地面基站利用地面基站与中继卫星链路的信道矢量、雨衰值期望、中继卫星接收波束形成向量、以及地面基站与中继卫星链路的信道加性高斯白噪声，将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号。
计算机设备模拟中继卫星利用可变增益因子对卫星信号进行放大，通过最大比合并将放大后的卫星信号发送至空间终端。
在其中一个实施例中，可以利用空间基站的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道矢量、中继卫星的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道加性高斯白噪声计算可变增益因子。利用可变增益因子、卫星信号、发射波束成形权重向量、中继卫星与空间终端链路的信道向量，中继卫星的发射功率、中继卫星与空间终端链路的信道加性高斯白噪声分别计算每个空间终端接收到的信号(也可以称为终端信号)。由于在计算可变增益因子以及终端信号时考虑了信道加性高斯白噪声，由此能够提高终端信号的准确性。
计算机设备模拟空间终端，可以利用串行相干消除的解码处理方式对接收到的信号进行解码处理，得到对应的端到端信号干扰比噪声比SINR，对端到端SINR进行去噪处理，可以得到地面基站发射的发射信号。
本实施例中，通过模拟中继系统，将面向多个空间终端的发射信号进行叠加，生成非正交多址接入叠加信号，通过将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号。通过中继卫星将卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，由此能够模拟在地面基站无法与空间终端无法建立直射链路时，可以通过中继卫星将多个终端信号分别转发至对应的空间终端。在空间终端接收到终端信号后，进行串行相干消除处理以及去噪处理，由此使得每个空间终端都能够准确接收到来自地面基站的发射信号。与传统的OMA方案相比，本实施例中的能够同时向多个空间终端传输相应的发射信号，有效提高了空间信息网络中的信号传输效率。
在一个实施例中，在将终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理之后，该方法还包括：获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；利用端对端信号与干扰加噪声比、信道模型预测空间终端对应的中断概率。
如上述实施例中提及的，地面基站与中继卫星链路(S→R链路)的信道可以采用阴影莱斯模型。考虑到中继通信系统中没有直射路径，中继卫星与空间终端链路(R→D链路)的信道可以采用瑞利衰落函数作为信道模型。中继卫星可以配备不同数量的接收天线，接收天线的数量不同，中断概率的计算方式不同。当中继卫星配备单根接收天线时，计算机设备可以根据阴影莱斯模型、S→R链路SINR计算S→R链路对应的信道概率密度。计算机设备可以根据瑞利衰落函数、R→D链路SINR计算R→D链路对应的信道累积密度。当中继卫星配备多根接收天线时，计算机设备可以根据阴影莱斯模型计算S→R链路对应的累积密度。计算机设备可以根据瑞利衰落函数计算R→D链路对应的概率密度。
计算机设备可以利用每个空间终端的端对端信号与干扰加噪声比、功率分配系数、R→D链路对应的信道累积密度、S→R链路对应的信道概率密度计算空间终端对应的中断概率。进一步的，计算机设备还可以根据接收天线的数量，分别计算单根接收天线情况下的空间终端的中断概率，以及多根接收天线情况下的空间终端的中断概率。在中断概率大于阈值时，表示中继卫星与空间终端之间的通信中断。
在识别到中继卫星与空间终端之间的通信中断时，计算机设备可以在缓存中再次读取放大后的卫星信号，向该空间终端重复发射。或者计算机设备模拟地面基站重复发送与该空间终端对应的发射信号。以便即时恢复与该空间终端之间的通信。
在传统的方式中，中断概率仅仅是计算单条链路，本实施例中不仅结合了R→D链路、S→R链路(两条链路)而且结合了功率分配系数来计算空间终端的中断概率，从而有效提高了中断概率的准确性。
在一个实施例中，该方法还包括：利用中断概率、信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；利用端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
整个通信过程包括两个时隙，由于是利用可变增益进行信号放大，所以直接计算遍历系统容量是不可行的，为了有效降低计算复杂度，可以考虑进行二阶泰勒展开，利用每个空间终端的端对端SINR、中断概率分别计算每个空间终端的遍历容量，然后将每个空间终端的遍历容量相加，以此得到NOMA系统的遍历容量。
当中继卫星配备单根接收天线时，为了简化计算，根据功率系数在高信噪比区间内做了变量近似，通过积分计算，可以得到空间终端对应的等效信噪比的一阶矩、二阶矩。将空间终端对应的一阶矩、二阶矩与中断概率进行计算，得到空间终端对应的遍历容量。当中继卫星配备多根接收天线时，可以参照单根天线的计算方式，分别计算每个空间终端与每个信道对应的遍历容量，得到与空间终端对应的多项遍历容量。将所有空间终端对应的多项遍历容量进行累加，得到NOMA系统的遍历容量。
本实施例中，通过对每个空间终端的遍历容量进行分别计算，由此简化了NOMA系统遍历容量的计算难度，有效提高了NOMA系统遍历容量的计算速度。
由于非正交多址接入叠加信号为毫米波信号，毫米波信号会受到降雨情况的干扰，考虑到地球端的天气情况，为了克服降雨对非正交多址接入叠加信号的干扰，将非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号时，考虑了晴天、小雨、中雨和大雨的影响。计算机设备利用上述实施例中提供的方式对不同天气以及不同数量接收天线下的NOMA系统遍历容量以及对传统的OMA系统遍历容量进行比较，比较结果分别如图3、4、5所示。其中，如图3为单根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图，如图4为四根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图，如图5为八根接收天线情况下不同天气条件NOMA系统和OMA系统遍历容量理论仿真对比图。根据图3、4、5可以看到，随着中继卫星上配备的接收天线的数量增多，NOMA系统的遍历容量性能逐渐提高。NOMA系统的遍历容量与给定功率分配系数下的基于OMA的系统几乎相同，这意味着NOMA系统实现相同的遍历容量性能时，可以节省大量时间和功率开销。例如，当空间终端为两个时，可以节省一半的时间和功率开销。当空间终端为3个时，可以节省2/3的时间和功率开销。
在一个实施例中，该方法还包括：模拟OMA系统，计算OMA系统遍历容量；当NOMA系统遍历容量与OMA系统遍历容量相同时，计算NOMA系统中空间终端对应的功率系数，将计算出的功率系数作为优化后的功率系数。
OMA系统可以采用传统的TDMA系统。计算机设备通过模拟传统的TDMA系统，计算得到OMA系统的遍历容量。计算机设备将上述实施例中计算得到的NOMA系统的遍历容量与OMA系统的遍历容量进行比较，当NOMA系统的遍历容量与OMA系统的遍历容量相同时，根据NOMA系统的遍历容量反向推导各个空间终端对应的功率系数。将推导出的功率系数作为优化后的功率系数。由此可以利用优化后的功率系数向各个空间终端发送信号时，能够确保NOMA系统在实现与OMA系统相同遍历容量时，可以节省大量时间和功率开销。
应该理解的是，虽然图2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，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备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，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备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。该计算机设备的数据库用于存储供应商信息、员工信息等。该计算机设备的网络接口用于与外部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中继通信方法。
本领域技术人员可以理解，图6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计算机设备的限定，具体的计算机设备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，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。
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 (10)

1.一种基于空间信息网络的中继通信系统，其特征在于，所述系统包括：
地面基站，用于获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将所述非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号，将所述卫星信号发射至中继卫星；
中继卫星，用于将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号生成与空间终端对应的终端信号，将多个终端信号分别转发至对应的空间终端；
空间终端，用于将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到对应的发射信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继卫星还用于获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；利用所述端对端信号与干扰加噪声比、所述信道模型预测所述空间终端对应的中断概率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继卫星还用于利用中断概率、所述信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；利用所述端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
4.一种基于空间信息网络的中继通信方法，所述方法包括：
获取多个空间终端对应的发射信号，将多个发射信号生成非正交多址接入叠加信号，将所述非正交多址接入叠加信号转换为卫星信号；
将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号计算向多个空间终端进行广播的终端信号；
将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理，得到与每个空间终端对应的发射信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将所述卫星信号进行放大，利用放大后的卫星信号计算向多个空间终端进行广播的终端信号包括：
利用空间基站的发射功率、中继卫星的发射功率、地面基站与中继卫星链路的信道矢量与信道噪声计算可变增益因子；
利用所述可变增益因子、卫星信号、发射波束成形权重向量、中继卫星与空间终端链路的信道向量与信道噪声、中继卫星的发射功率，分别计算每个空间终端对应的终端信号。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述将所述终端信号进行串行相干消除处理以及去噪处理之后，所述方法还包括：
获取空间终端对应的端对端信号与干扰加噪声比；
获取地面基站与中继卫星链路的信道模型；
利用所述端对端信号与干扰加噪声比、所述信道模型预测所述空间终端对应的中断概率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用中断概率、所述信号与干扰加噪声比计算端与端信噪比的一阶矩、二阶矩；
利用所述端与端信噪比的一阶矩、二阶矩进行遍历系统容量的计算，得到NOMA系统遍历容量。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
模拟OMA系统，计算所述OMA系统遍历容量；
当所述NOMA系统遍历容量与所述OMA系统遍历容量相同时，计算所述NOMA系统中空间终端对应的功率系数；
将计算出的功率系数作为优化后的功率系数。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，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4至8中任一项所述方法的步骤。
10.一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4至8中任一项所述的方法的步骤。
CN201911095205.1A 2019-11-11 2019-11-11 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法 Active CN110856193B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911095205.1A CN110856193B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911095205.1A CN110856193B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110856193A true CN110856193A (zh) 2020-02-28
CN110856193B CN110856193B (zh) 2023-05-12

Family

ID=69601200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911095205.1A Active CN110856193B (zh) 2019-11-11 2019-11-11 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110856193B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115001560A (zh) * 2022-04-13 2022-09-02 华东师范大学 一种基于功率域非正交多址接入的星地融合中继网络传输方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160366597A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Fujitsu Limited Communication device and scheduling method
CN107197466A (zh) * 2017-06-22 2017-09-22 清华大学 基于非正交多址的空地协同通信方法和装置
US20180054760A1 (en) * 2015-03-12 2018-02-22 Lg Electronics Inc. Method and terminal for controlling network traffic in wireless communication system
CN109361445A (zh) * 2018-09-29 2019-02-19 哈尔滨工业大学 一种利用全双工中继的双向非正交多址接入方法
CN109391977A (zh) * 2018-11-06 2019-02-26 太原科技大学 一种基于中继选择和能量收集的noma系统多用户性能分析方法
CN109962727A (zh) * 2019-03-27 2019-07-02 北京航空航天大学 临空通信混合波束赋形及非正交多址接入传输方法
CN110225538A (zh) * 2019-06-21 2019-09-10 电子科技大学 反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180054760A1 (en) * 2015-03-12 2018-02-22 Lg Electronics Inc. Method and terminal for controlling network traffic in wireless communication system
US20160366597A1 (en) * 2015-06-12 2016-12-15 Fujitsu Limited Communication device and scheduling method
CN107197466A (zh) * 2017-06-22 2017-09-22 清华大学 基于非正交多址的空地协同通信方法和装置
CN109361445A (zh) * 2018-09-29 2019-02-19 哈尔滨工业大学 一种利用全双工中继的双向非正交多址接入方法
CN109391977A (zh) * 2018-11-06 2019-02-26 太原科技大学 一种基于中继选择和能量收集的noma系统多用户性能分析方法
CN109962727A (zh) * 2019-03-27 2019-07-02 北京航空航天大学 临空通信混合波束赋形及非正交多址接入传输方法
CN110225538A (zh) * 2019-06-21 2019-09-10 电子科技大学 反射面辅助的非正交多址接入通信系统设计方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YIZHI HE等: ""Outage Performance of Millimeter-Wave Band NOMA Downlink System in Satellite-based IoT"", 《2019 IEEE/CIC INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS IN CHINA (ICCC)》 *
顾一: ""基于随机几何理论的稀疏码分多址传输性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑 I136-634》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115001560A (zh) * 2022-04-13 2022-09-02 华东师范大学 一种基于功率域非正交多址接入的星地融合中继网络传输方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110856193B (zh) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Prieto‐Cerdeira et al. Versatile two‐state land mobile satellite channel model with first application to DVB‐SH analysis
US8937899B2 (en) Amplify-and-forward relaying in communication systems
US20160006499A1 (en) Apparatus and method for prediction of radio interference
CN108809390B (zh) 适用于多播多波束卫星移动通信系统的鲁棒传输方法
US10644788B2 (en) Method of allocating frequency resources for a satellite telecommunication system
CN102917442B (zh) 基于多因素综合的两跳多中继系统的中继节点选择方法
CN104320174A (zh) 一种基于部分信道信息的卫星多波束协作传输方法
CN112260749B (zh) 一种毫米波卫星自回传的波束赋型方法
US9065605B2 (en) Methods and systems for crest factor reduction in multi-carrier multi-channel architectures
US20150188733A1 (en) Method for removing signal interference based on multiple input multiple output
CN108242943B (zh) 通信中用于预编码的方法和设备
Gu et al. Cooperative spectrum sharing in a co-existing LEO-GEO satellite system
CN114785381A (zh) 一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法
US9148794B2 (en) Communication apparatus and communication method
CN110856193B (zh) 基于空间信息网络的中继通信系统和通信方法
CN113938173A (zh) 一种星地融合网络中联合广播和单播的波束赋形方法
Hasabelnaby et al. Multi-pair computation for two-way intra cloud radio-access network communications
Song et al. Efficient hybrid space-ground precoding techniques for multi-beam satellite systems
CN116156518A (zh) 基于智能反射面辅助的非正交多址接入通信系统及方法
Rafiqul et al. Frequency diversity improvement factor for rain fade mitigation in Malaysia
US20180103439A1 (en) Transmission control apparatus and transmission control method
Kong et al. Beamforming and power allocation for uplink NOMA transmission in multibeam satellite communications with rate splitting
Wang et al. Beamforming and power allocation in noma-based multibeam satellite systems with outage constraint
CN116647264B (zh) 一种星地协作接入方法
RU2611606C1 (ru) Способ адаптации режимов передачи информации по спутниковым каналам связи в условиях воздействия атмосферных возмущений и устройство его реализующее

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant