CN111211818B - 一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。卫星采用了每束多馈源的多波束技术，增加了卫星通信系统容量。卫星覆盖多个区域，每个区域内部用户共享同一个波束。信关站将采集到的信道信息通过馈电回路发送给卫星，卫星根据接收的信道信息，再对每个区域的发射信号进行叠加编码，然后把叠加编码后的信号经过波束成形网络发射出去，从而减少波束间干扰。用户收到信号后，首先对区域内信道增益较弱的用户信号进行解码，并且移除这些用户的信号，最后对自身信号进行解码。本发明为实现全球无缝连接的大规模物联网提供了一种有效的无线接入方法。

Description

一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。

背景技术

近年来，互联网带动了物联网的高速发展，并且正在改变着全世界的各行各业，比如智慧医疗，智慧农业，制造业和工业等等。传统的物联网技术比如WiFi，NB-IoT和LoRa等接入技术只够满足在城市以及一些普通的工作场所的通信需求。然而由于一些极端的地理环境和经济成本的考虑，要在诸如海洋和山峰这些地方建立传统的物联网网络是很难实现的。在这种情况下，卫星物联网被认为是能够补偿陆地物联网的一种有效技术，卫星上的多波束技术能够大大提高卫星通信容量。并且许多公司例如Space X已经尝试发射一些卫星来实现全球互联网服务。而其中低轨道卫星又由于其低延时和低功耗的优势成为了卫星物联网的最佳选择。

未来的无线网络将需要支持大规模设备的同时接入。在当前广泛采用的正交多接入技术中，如时分复用多接入(TDMA)、频分复用多接入(FDMA)和码分复用接入(CDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。由于无线资源的稀缺性，传统的正交多接入技术很难支持大规模用户的同时接入。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，并未广泛认为是5G等未来宽带无线通信系统的关键技术之一。

非正交多接入技术主要利用发射端的叠加编码和接收端的串行干扰抵消实现高效的多用户接入。然而，当接入用户数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。因此需要将用户分为多个簇(即卫星波束覆盖区域)，并只在每个簇内进行串行干扰抵消，从而有效降低了用户的计算复杂度。然而，不同簇之间又会产生新的簇间干扰。为了进一步提高非正交多接入技术的性能，必须有效抑制簇间干扰，即需要采取有效的波束成形技术。

综上，将非正交多址接入技术与卫星多波束技术结合起来建立低轨道卫星物联网，能够有效的弥补陆地物联网的不足，从而实现全球覆盖。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述方案中物联网覆盖范围有限、卫星通信能够容纳的用户较少等问题，提出了一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。

本发明所采用的具体技术方案如下:

一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其包括如下步骤：

1)所有用户根据所属区域不同，自然归属于不同的M个卫星波束覆盖区域，并且第m个区域内部有N_m个用户；

2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息h_m,n，然后通过反馈链路发送给卫星；

3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号s_m,n设计功率分配因子α_m,n，并且为第m个区域设计发射波束w_m；

4)根据簇间功率分配因子α_m,n，卫星将第m区域内的所有用户的信号进行叠加编码，得到信号x_m；再基于发射波束w_m对叠加编码后的信号x_m进行波束成形，然后将所有波束成形后的信号叠加在一起广播给所有用户；

5)用户接收到卫星发射的信号后，对同一区域内的用户信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

基于上述技术方案，其中的部分步骤可采用如下优选方式实现。

步骤3)中的发射波束设计方法为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为基站最大发射功率，区域间功率分配因子

b)由于信道状态信息的获取与实际信道始终存在相位偏差，因此真实信道状态信息为

根据

其中A_m,n是Z_m,_n的实部，B_m,n是Z_m,n的虚部；

令

μ_m,n||Q_m,n||≤y_m,n；

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m,n是信道的相位误差，

是信道相位误差的协方差矩阵,

为误差因子，C_m,n为自相关矩阵，γ_m,n是第m个区域第n个用户的最小信干噪比要求，下标[i,j]代表矩阵的第i行第j列元素，f₁(A_m,n)和f₂(B_m,n)是两种线性变换，其中

K是卫星天线数，η_m,n是用户解码利用连续干扰消除技术造成的不完美解码产生的残余干扰系数，p_m,n是第m个区域第n个用户无法满足信干噪比要求的中断概率，x_m,n和y_m,n是辅助参数，Z_m,n、Q_m,n、r_m,n、o_m,n和μ_m,n均为中间变量；

是信道噪声功率；tr(·)是指矩阵的迹；

c)利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的矩阵W_m，直到矩阵W_m的秩逼近1时，得到最终的发射波束w_m。

步骤c)中，每轮迭代过程中都采用内点法或直接调用CVX工具包求解。

步骤4)中的叠加编码方法为：卫星为第m个区域构造发射信号

其中α_m,n是簇间功率分配因子；然后构建总的发射信号为

其中w_m为第m个区域的发射波束。

步骤5)中串行干扰抵消方法为：任一用户首先对同一区域内信道增益弱于自身的用户的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的低轨道多波束卫星大规模接入方法，解决了陆地物联网无法做到全球覆盖的缺陷，使得全球通信无缝连接有可能实现，具有实现复杂度低、频谱效率高、能有效抑制干扰等优点。

附图说明

图1是低轨道多波束卫星大规模接入方法的框图；

图2是在不同中断概率时，本发明所设计方法系统所需最小传输功率比较；

图3是本发明方法与传统正交多接入、迫零波束成形和现有鲁棒方法的系统所需最小传输功率比较；

具体实施方式

基于低轨道多波束卫星大规模接入的系统框图如图1所示，卫星有N_t根天线，每个用户配置1根天线。不同波束区域内的用户共享一个波束，使得串行干扰抵消在各自区域内部进行，从而减少了串行干扰抵消的复杂度。卫星地球站接收来自用户的训练序列从而估计出部分信道状态信息，并且基于部分信道状态信息为每个区域的用户信号设计鲁棒发射波束。用户接收到信号后，对区域内信号进行串行干扰抵消，以进一步减少干扰，提高系统的性能。

本发明中一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，步骤如下：

1)所有用户根据所属区域不同，自然归属于不同的M个卫星波束覆盖区域，并且第m个区域内部有N_m个用户。

2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息h_m,n，然后通过反馈链路发送给卫星。

3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号s_m,n设计功率分配因子α_m,n，并且为第m个区域设计发射波束w_m。

本步骤中的发射波束设计方法具体为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为基站最大发射功率，区域间功率分配因子

b)由于信道状态信息的获取与实际信道始终存在相位偏差，因此真实信道状态信息为

根据

其中A_m,n是Z_m,_n的实部，B_m,n是Z_m,n的虚部；

令

μ_m,n||Q_m,n||≤y_m,n；

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m,n是信道的相位误差，

是信道相位误差的协方差矩阵,

为误差因子，C_m,n为自相关矩阵，γ_m,n是第m个区域第n个用户的最小信干噪比要求，下标[i,j]代表矩阵的第i行第j列元素，f₁(A_m,n)和f₂(B_m,n)是两种线性变换。其中

其中K是卫星天线数，η_m,n是用户解码利用连续干扰消除技术造成的不完美解码产生的残余干扰系数，p_m,n是第m个区域第n个用户无法满足信干噪比要求的中断概率，x_m,n和y_m,n是辅助参数，Z_m,n、Q_m,n、r_m,n、o_m,n和μ_m,n均为中间变量；

是信道噪声功率；tr(·)是指矩阵的迹。通过f₁(A_m,n)可以将矩阵从K*K维变换到K*K维，通过f₂(B_m,n)可以将矩阵从K*K维变换到K*1维，A_m,n,[i,j]表示A_m,n的第i行第j列元素，B_m,n,[i,k]表示B_m,n的第i行第k列元素。

上述公式中，所有不是在参数的上下标上的而是在函数中的i和j均表示虚数，所有下标m,n均表示第m个区域中第n个用户的相关参数；

c)利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的矩阵W_m，直到矩阵W_m的秩逼近1时，得到最终的发射波束w_m。其中每轮迭代过程中都采用内点法或直接调用CVX工具包求解。

4)根据簇间功率分配因子α_m,n，卫星将第m区域内的所有用户的信号进行叠加编码，得到信号x_m；再基于发射波束w_m对叠加编码后的信号x_m进行波束成形，然后将所有波束成形后的信号叠加在一起广播给所有用户；

本步骤中的叠加编码方法具体为：卫星为第m个区域构造发射信号

其中α_m,n是簇间功率分配因子；然后构建总的发射信号为

其中w_m为第m个区域的发射波束。

5)用户接收到卫星发射的信号后，对同一区域内的用户信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

本步骤中的串行干扰抵消方法具体为：任一用户首先对同一区域内信道增益弱于自身的用户的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明提出的基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法对于不同程度的相位不确定性(中断概率分别为0.01、0.05和0.2)均有一个较好的性能表现。另外，图3(为了观察清晰，纵坐标省略了25dB到75dB之间的值)表明本发明所提方法比现有的鲁棒波束成形方法和传统的正交时分复用方法有明显的性能提升，并且可以获得接近完美信道状态信息情况时的性能，即具有较好的鲁棒性。因此，本发明提出的基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法为物联网的全球覆盖提供了一种可行且有效的大规模用户接入方法。

Claims (1)

1.一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其特征在于包括如下步骤：

1)所有用户根据所属区域不同，自然归属于不同的M个卫星波束覆盖区域，并且第m个区域内部有N_m个用户；

2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息h_m,n，然后通过反馈链路发送给卫星；

3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号s_m,n设计功率分配因子α_m,n，并且为第m个区域设计发射波束w_m；

4)根据簇间功率分配因子α_m,n，卫星将第m区域内的所有用户的信号进行叠加编码，得到信号x_m；再基于发射波束w_m对叠加编码后的信号x_m进行波束成形，然后将所有波束成形后的信号叠加在一起广播给所有用户；

5)用户接收到卫星发射的信号后，对同一区域内的用户信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码；

步骤3)中的发射波束设计方法为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为基站最大发射功率，区域间功率分配因子

b)由于信道状态信息的获取与实际信道始终存在相位偏差，因此真实信道状态信息为

根据

其中A_m,n是Z_m,n的实部，B_m,n是Z_m,n的虚部；

令

μ_m，n||Q_m，n||≤y_m，n；

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m,n是信道的相位误差，

是信道相位误差的协方差矩阵,

为误差因子，C_m,n为自相关矩阵，γ_m,n是第m个区域第n个用户的最小信干噪比要求，下标[i,j]代表矩阵的第i行第j列元素，f₁(A_m,n)和f₂(B_m,n)是两种线性变换，其中

K是卫星天线数，η_m,n是用户解码利用连续干扰消除技术造成的不完美解码产生的残余干扰系数，p_m,n是第m个区域第n个用户无法满足信干噪比要求的中断概率，x_m,n和y_m,n是辅助参数，Z_m,n、Q_m,n、r_m,n、o_m,n和μ_m,n均为中间变量；

是信道噪声功率；tr(·)是指矩阵的迹；

c)利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的矩阵W_m，直到矩阵W_m的秩逼近1时，得到最终的发射波束w_m；

步骤c)中，每轮迭代过程中都采用内点法或直接调用CVX工具包求解；

步骤4)中的叠加编码方法为：卫星为第m个区域构造发射信号

其中α_m,n是簇间功率分配因子；然后构建总的发射信号为

其中w_m为第m个区域的发射波束；

步骤5)中串行干扰抵消方法为：任一用户首先对同一区域内信道增益弱于自身的用户的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

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