CN113067620B - 一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，低轨卫星采用每束多馈源的多波束技术，增强了卫星物联网的接入容量。卫星覆盖多个区域，每个区域内部的用户共享同一个波束。地面信关站接收来自用户的信道状态信息，之后将信道状态信息通过高容量馈电回路发送给卫星，卫星根据接收的信道状态信息，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广播到每个用户。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能效优先的低轨卫星物联网提供了一种有效的无线接入方法。

Description

一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法。

背景技术

随着物联网应用经济社会的各个领域，其在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据采集的领域，由于空间、环境等限制，地面物联网无能为力，出现了服务能力与需求失配的现象。究其原因，主要是对于依靠无线接入的物联网来说，除了要有物联网终端外，还必须要有一个由足够多的基站构成的通信网络。但是在地面布设基站及连接基站的通信网却受到诸多的限制：无法在占地球表面大部分面积的海洋、沙漠等区域建立基站；在用户稀少或人员难以到达的边远地区建立基站的成本将会很高等。因此，地面物联网在一些应用场景中表现出了服务能力严重不足的问题。如果将物联网基站搬到“天上”，即建立卫星物联网，使之成为地面物联网的补充和延伸，则能够有效克服地面物联网的前述不足，并具有覆盖地域广，可实现全球覆盖，几乎不受天气、地理条件影响，可全天时全天候工作等优势。特别是低轨卫星物联网，可以有效降低传输时延和路径损耗，满足大量物联网应用的性能要求。

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，当接入终端数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。另一方面，由于终端规模的庞大，卫星对所有用户的瞬时信道状态信息的获取成为一个比较困难的任务。因此可以将用户分为若干个簇，并且只在簇内执行串行干扰抵消以降低终端计算复杂度。同时，卫星只需要获取卫星到终端的统计信道状态信息，就极大地降低了获取信道状态信息的开销。然而，终端分簇后将引入新的簇间干扰，即不同簇内的终端互相干扰十分明显。为了提高大规模接入技术的性能，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物联网覆盖范围有限、卫星通信能够容纳的用户较少、现有波束设计方案中能量效率低等问题，提出了一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，并对卫星发射波束的设计和功率的分配提出了有效方法。

本发明所采用的具体技术方案如下:

一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，其包括如下步骤：

1)将所有用户根据其各自所属区域，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K_m个用户，m∈[1,M]；

2)信关站获得所有用户的信道状态信息，然后通过反馈链路发送给低轨卫星，其中第m个区域内第k个用户的信道状态信息为h_m,k，k∈[1,K_m]；

3)低轨卫星根据信关站发送的信道状态信息，以能量效率最大化为准则，为所有用户的信号设计功率分配因子，并且为每个区域设计发射波束，其中为第m个区域中第k个用户的信号s_m,k设计的功率分配因子为α_m,k，为第m个区域设计的发射波束为w_m；

4)根据功率分配因子α_m,k，卫星将每个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，最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。

作为优选，步骤3)中的波束w_m、功率分配因子α_m,k的设计方法为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为低轨卫星的最大发射功率，初始化功率分配因子

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

参数

根据

令1+z_m,k,1≥||[1-z_m,k,1,2+x_m,k/2^N-1]^T||₂，1+z_m,k,2≥||[1-z_m,k,2,5/3+x_m,k/2^N]||₂，1+z_m,k,3≥||[1-z_m,k,3,2z_m,k,1]||₂，z_m,k,4≥19/72+z_m,k,2+z_m,k,3/24，

当n＝5,6,…N+4时，1+z_m,k,n≥||[1-z_m,k,n,2z_m,k,n-1]||₂，

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m,k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,k为自相关矩阵；x_m,k，y_m,k和z_m,k,n是辅助参数，

N为与辅助变量z_m,k,n的近似程度有关的变量，γ_m,k是第m个区域第k个用户的最小信干噪比要求，

是信道噪声功率，η_m,k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_i是每根天线的最大功率限制；Tr(·)表示矩阵的迹，‖·‖₂表示欧几里得范数，

表示上一次迭代的结果,(·)^T表示转置，(·)^H表示厄米特转置；

c)利用坐标下降法求解得到w_m和α_m,k，即依次固定w_m和α_m,k两个变量中的一个，不断优化另一个变量直到不再改变；

d)利用迭代法求解能量效率的最大值，每轮迭代得到相应的波束w_m和功率分配因子α_m,k，直到能量效率不再改变，得到最终的发射波束w_m和功率分配因子α_m,k。

作为优选，步骤c)中，利用坐标下降法求解得到w_m和α_m,k的过程中，固定其中的一个变量，以能量效率为目标函数，根据步骤b)中的约束条件优化另一个变量时采用内点法或直接调用CVX工具包求解。

作为优选，步骤4)中的叠加编码方法为：低轨卫星为第m个区域构造发射信号

其中s_m,k为第m个区域的第k个用户要发射的信号；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。

作为优选，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：本发明提出的能效优先的低轨卫星物联网接入方法，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，具有能量效率高、能有效抑制干扰等优点。

附图说明

图1是能效优先的低轨卫星物联网接入方法的框图；

图2是在不同每根天线发射功率时，本发明所设计方法系统能量效率变化；

图3是在不同最小信干噪比限制时，本发明所设计方法系统能量效率变化；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

本发明中能效优先的低轨卫星物联网接入方法的系统框图如图1所示，卫星有N_t根天线，每个用户配置1根天线，不同波束区域内部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。地面信关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，之后将信道状态信息通过馈电回路发送给卫星，卫星根据接收的信道状态信息为每个区域的用户信号设计发射波束和功率分配因子。用户接收到信号后，对区域内的信号进行串行干扰抵消，以减少干扰，提高系统的性能。

本发明中一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，步骤如下：

1)将所有用户根据其各自所属区域，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K_m个用户，m∈[1,M]；

2)信关站获得所有用户的信道状态信息，然后通过反馈链路发送给低轨卫星，其中第m个区域内第k个用户的信道状态信息为h_m,k，k∈[1,K_m]；

3)低轨卫星根据信关站发送的信道状态信息，以能量效率最大化为准则，为所有用户的信号设计功率分配因子，并且为每个区域设计发射波束，其中为第m个区域中第k个用户的信号s_m,k设计的功率分配因子为α_m,k，为第m个区域设计的发射波束为w_m；

4)根据功率分配因子α_m,k，卫星将每个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，最后对自身信号进行解码。

本实施例步骤3)中的波束w_m、功率分配因子α_m,k的设计方法为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为低轨卫星的最大发射功率，初始化功率分配因子

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

参数

根据

令1+z_m,k,1≥||[1-z_m,k,1,2+x_m,k/2^N-1]^T||₂，1+z_m,k,2≥||[1-z_m,k,2,5/3+x_m,k/2^N]||₂，1+z_m,k,3≥||[1-z_m,k,3,2z_m,k,1]||₂，z_m,k,4≥19/72+z_m,k,2+z_m,k,3/24，

当n＝5,6,…N+4时，1+z_m,k,n≥||[1-z_m,k,n,2z_m,k,n-1]||₂，

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m,k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,k为自相关矩阵；x_m,k，y_m,k和z_m,k,n是辅助参数，

N为与辅助变量z_m,k,n的近似程度有关的变量，可令N＝6，γ_m,k是第m个区域第k个用户的最小信干噪比要求，

是信道噪声功率，η_m,k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_i是每根天线的最大功率限制；Tr(·)表示矩阵的迹，‖·‖₂表示欧几里得范数，

表示上一次迭代的结果,(·)^T表示转置，(·)^H表示厄米特转置；

c)利用坐标下降法求解得到w_m和α_m,k，即依次固定w_m和α_m,k两个变量中的一个，不断优化另一个变量直到不再改变；

d)利用迭代法求解能量效率的最大值，每轮迭代得到相应的波束w_m和功率分配因子α_m,k，直到能量效率不再改变，得到最终的发射波束w_m和功率分配因子α_m,k。

本实施例步骤c)中，利用坐标下降法求解得到w_m和α_m,k的过程中，固定其中的一个变量，以能量效率为目标函数，根据步骤b)中的约束条件优化另一个变量时采用内点法或直接调用CVX工具包求解。

本实施例步骤4)中的叠加编码方法为：低轨卫星为第m个区域构造发射信号

其中s_m,k为第m个区域的第k个用户要发射的信号；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。

本实施例步骤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。

通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明上述实施例提出的能效优先的低轨卫星物联网接入方法的能量效率随着每根天线功率的增大先增大后不变，而且在每根天线的功率较小时，就已经接近最大值了，容易满足卫星天线的发射功率小的限制条件。图3表明，本发明提出的能效优先的低轨卫星物联网接入方法的能量效率随着最小信干噪比的增大而减小，可以保证使每个用户的服务质量得到保证的同时使能量效率最大。因此，本发明提出的能效优先的低轨卫星物联网接入方法为实现全球无缝连接的能效优先的低轨卫星物联网提供了一种有效的无线接入方法。

Claims (4)

1.一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将所有用户根据其各自所属区域，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K_m个用户，m∈[1，M]；

2)信关站获得所有用户的信道状态信息，然后通过反馈链路发送给低轨卫星，其中第m个区域内第k个用户的信道状态信息为h_m，k，k∈[1，K_m]；

3)低轨卫星根据信关站发送的信道状态信息，以能量效率最大化为准则，为所有用户的信号设计功率分配因子，并且为每个区域设计发射波束，其中为第m个区域中第k个用户的信号s_m，k设计的功率分配因子为α_m，k，为第m个区域设计的发射波束为w_m；

4)根据功率分配因子α_m，k，卫星将每个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，最后对自身信号进行解码；

步骤3)中的波束w_m、功率分配因子α_m，k的设计方法为：

a)初始化波束

其中

为上一轮迭代中的可行点，P_max为低轨卫星的最大发射功率，初始化功率分配因子

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

参数

根据

令1+z_m，k，1≥||[1-z_m，k，1，2+x_m，k/2^N-1]^T||₂，1+E_m，k，2≥||[1-z_m，k，2，5/3+x_m，k/2^N]||₂，1+z_m，k，3≥||[1-z_m，k，3，2z_m，k，1]||₂，z_m，k，4≥19/72+z_m，k，2+z_m，k，3/24，

当n＝5，6，...N+4时，1+z_m，k，n≥||[1-z_m，k，n，2z_m，k，n-1]||₂，

其中

是信关站获取的不完美信道状态信息，e_m，k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，k为自相关矩阵；x_m，k，y_m，k和z_m，k，n是辅助参数，

N为与辅助变量z_m，k，n的近似程度有关的变量，γ_m，k是第m个区域第k个用户的最小信干噪比要求，

是信道噪声功率，η_m，k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_i是每根天线的最大功率限制；Tr(·)表示矩阵的迹，||·||₂表示欧几里得范数，

表示上一次迭代的结果，(·)^T表示转置，(·)^H表示厄米特转置；

c)利用坐标下降法求解得到w_m和α_m，k，即依次固定w_m和α_m，k两个变量中的一个，不断优化另一个变量直到不再改变；

d)利用迭代法求解能量效率的最大值，每轮迭代得到相应的波束w_m和功率分配因子α_m，k，直到能量效率不再改变，得到最终的发射波束w_m和功率分配因子α_m，k。

2.根据权利要求1所述的一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，其特征在于步骤c)中，利用坐标下降法求解得到w_m和α_m，k的过程中，固定其中的一个变量，以能量效率为目标函数，根据步骤b)中的约束条件优化另一个变量时采用内点法或直接调用CVX工具包求解。

3.根据权利要求1所述的一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，其特征在于步骤4)中的叠加编码方法为：低轨卫星为第m个区域构造发射信号

其中s_m，k为第m个区域的第k个用户要发射的信号；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。

4.根据权利要求1所述的一种能效优先的低轨卫星物联网接入方法，其特征在于步骤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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