CN113258983A - 基于干扰对齐的ngso通信星座间减缓同频干扰的方法及装置 - Google Patents

基于干扰对齐的ngso通信星座间减缓同频干扰的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法及装置，通过对发射端预编码使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，从而实现目标信号的有效恢复。接收端通过MMSE算法处理，解决干扰减缓引起的噪声功率过大问题。本发明将NGSO通信星座间干扰场景中的同频干扰问题转化为特征信号提取问题。通过信号变换机制在信号空间里对信号进行处理，使干扰部分被对齐到一个压缩的信号子空间中，而目标信号能够在与之正交的子空间内传输，增大了目标信号空间自由度。最终实现NGSO星座间的频谱共存。

Description

基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法及装置
技术领域
本发明涉及无线卫星通信技术领域，特别涉及一种主要用于非静止轨道卫星(Non-Geostationary Satellite Orbit，NGSO)通信星座共存的场景下，基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法及装置。
背景技术
近几年，卫星通信得到了迅速发展，NGSO通信系统相较于对地球静止地球轨道卫星(Geostationary Earth Orbit Satellite，GSO)通信系统链路传播损耗小，传输延时低，通过多颗NGSO卫星可实现全球无缝覆盖(含两极)，成为当前卫星通信发展的热点。然而，卫星频率资源是有限的，国际电联(International Telecommunication Union，ITU)对于频率的申请实行“先登先占”的原则，由于各国争相向太空发射NGSO卫星，因此同频干扰是一个亟待解决的问题。
同频干扰指的是两个或多个卫星系统使用的载波频段可能会有部分重叠。此时，一个卫星系统载波所携带的信号对其他系统来说就是无用信号，会对接收机造成干扰。关于解决同频干扰，频率兼容的技术从维度上可以划分为4个类别，分别是频域分割，空间分割，时域分割以及信号分割。
有效的频谱管理是在同一频带中开展多个无线电通信业务的关键。频域分割是实现频谱共享最直接的方法，频域分割又可分为频带分割、频率捷变以及动态频率分配等多种不同方法。频带分割是指如果有多种业务使用同一频段，则将这一频段分割成几部分，每种业务至少有一个专用部分。频率捷变通俗来讲就是快速改变无线频率，有时同一场所的不同时段出现的干扰频率也不相同。为能有效地避开这些干扰频率，无线应具有快速改变选用频段的能力，这就是频率捷变技术，在军事上面应用比较多。动态频率分配是指根据信道增益信息，自适应地为每个信道分配载波。时域分割方面相对来说技术手段比较单薄，主要是利用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)技术在时域内将数据从多种源中分离出来，提供高效的数据链路，在传输期间充分利用可用频谱。信号分割方面处理方法比较多，包含扩频技术，前向纠错码，自适应滤波，码分多址(Code DivisionMultiple Access，CDMA)在内的技术等都已开始尝试运用于卫星通信链路当中，但是与较成熟的频域分割和空间分割技术相比而言，信号层面的分割效果还不够理想，还有广阔的改进空间。
发明内容
本发明提供了一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法及装置，利用干扰对齐中的预编码技术以及用来均衡噪声的最小均方误差检测(Minimum MeanSquare Error，MMSE)算法来联合解决NGSO通信星座间的同频干扰问题；以解决针对NGSO通信星座共存的场景，现有的信号层面的分割技术对NGSO通信星座间的同频干扰的减缓效果不够理想的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法，该基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法包括：
利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，以便恢复目标信号；
在接收端通过最小均方误差检测MMSE算法，以最小化发送信号矢量和接收信号矢量之间的均方误差为目标，降低接收端信号噪声功率，以平衡NGSO通信星座间的干扰减缓与噪声功率控制，实现NGSO通信星座间频谱共存。
进一步地，所述利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，包括：
对信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；
通过所述预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
进一步地，信道矩阵包括信号源传输信道矩阵和干扰源传输信道矩阵。
进一步地，所述NGSO通信星座使用的波段为Ka波段。
另一方面，本发明还提供了一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，该基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置包括：
发射端预编码模块，用于利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，以便恢复目标信号；
接收端噪声功率控制模块，用于在接收端通过最小均方误差检测MMSE算法，以最小化发送信号矢量和接收信号矢量之间的均方误差为目标，降低接收端信号噪声功率，以平衡NGSO通信星座间的干扰减缓与噪声功率控制，实现NGSO通信星座间频谱共存。
进一步地，所述发射端预编码模块具体用于：
对信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；
通过所述预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
进一步地，信道矩阵包括信号源传输信道矩阵和干扰源传输信道矩阵。
进一步地，所述NGSO通信星座使用的波段为Ka波段。
再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明以减缓NGSO通信星座间同频干扰为目标，提出一种联合干扰对齐与最小均方误差检测的干扰减缓方法。在卫星发射端设计预编码，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离并使用MMSE算法控制噪声功率，实现了NGSO通信星座间频谱共存。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为NGSO通信星座间下行链路干扰示意图；
图2为本发明实施例提供的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法的执行流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
本实施例旨在基于多小区通信中的干扰对齐方法，提出一种NGSO通信星座间频谱共存的干扰减缓方法。目的是从信号分割角度提出一种NGSO通信星座频谱共存场景下缓解同频干扰的方法，通过引入蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，提供一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法。
本实施例所提供的方法利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术来解决NGSO通信星座间的同频干扰问题。其中，干扰对齐是一种消除信号干扰的有效方法，利用预编码技术先在发射端对信号进行处理，使干扰信号方向性更强，减小所占的信道容量，这样就可以减弱甚至消除干扰对期望接收到的信号的影响。此方法与现有的一些处理干扰的方法(例如：①将干扰忽略不计。②对干扰信号进行解码然后重构干扰信号，最后消除干扰。③将信号正交化以减小干扰)不同，干扰对齐是减小干扰信号所占的信号维度，使系统获得最大自由度。
基于上述，本实施例所采用的方案为：在卫星发射端采用干扰对齐技术，对发射信号进行预编码设计，消除NGSO通信星座间同频干扰；并在接收端对信号采用最小均方误差检测算法MMSE处理，使用MMSE平衡干扰减缓与噪声功率控制，从而既满足卫星系统间频谱共存，又保证噪声功率不会过大。
具体地，本实施例所提供的干扰减缓方法的实现过程包括以下步骤：
步骤1：建立NGSO通信星座干扰场景模型；其中，多个NGSO通信星座被视为干扰系统，一个NGSO通信星座被视为受扰系统；
具体地，在本实施例中，在上述干扰场景模型中，所使用波段为众多NGSO通信星座规划使用的Ka波段。其中一个NGSO星座内的两颗卫星发射同频信号干扰另一个NGSO星座内的一颗卫星向地球站发射信号。
步骤2：初始化NGSO信号源以及NGSO干扰源矩阵。
步骤3：NGSO信号经过宇宙空间信道模型传输，最终受扰NGSO地球站接收到受扰信号、施扰信号以及噪声的混合信号。
具体地，在步骤3信道模型选取中，NGSO系统信道建立选择Corazza模型，可以认为其信道的概率分布服从莱斯和对数正态的联合分布。
步骤4：对信号源传输信道和干扰源传输信道分别进行奇异值分解(SingularValue Decomposition，SVD)，得到预编码矩阵。
步骤5：通过预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
需要说明的是，上述步骤4至步骤5为利用在地面蜂窝网络多小区MIMO系统中有着非常大的应用价值的干扰对齐算法，应用于NGSO星座共存的场景，在发射端优选最匹配特征子信道的预编码矩阵，并在接收端进一步优选出匹配等效目标信道的接收矩阵，实现干扰减缓的同时又提升了接收端的目标信号强度。其中，干扰对齐的原理是通过设计预编码矩阵将目标信号的接收波束方向与其他信号的接收波束方向构成的空间没有交集，从而使目标信号能够在与干扰信号正交的子空间内传输。预编码矩阵是为了消除来自其他卫星的同频干扰。采取对目标信道矩阵进行奇异值分解来得到发送端的预编码矩阵。
步骤6：利用MMSE算法平衡干扰减缓与噪声功率控制。
需要说明的是，鉴于迫零检测方法引起了接收信号噪声功率增大的不利影响，需要设计能够在消除数据流间干扰和控制噪声功率两方面折中的方法，也即使接收信号与干扰加噪声比SINR最佳的接收方法。对此，本实施例采用MMSE算法平衡干扰减缓与噪声功率控制，MMSE加权矩阵表达式如下：
Figure BDA0003043575340000051
经MMSE恢复的信号虽然并不与发送信号完全相同，也即不能把干扰成分完全消除，但其接收端信号噪声功率要比采用迫零检测接收的信号噪声功率低。
具体地，本实施例构建的NGSO通信星座干扰场景模型下行链路干扰示意图如图1所示，其中，S1,1为受扰NGSO卫星，XL表示S1，1发射的受扰信号，T1,1为S1,1卫星所对应的地球站。S2,1和S2,2为施扰NGSO星座内的两颗卫星，XL,1和XL,2分别表示S2,1和S2,2发射的施扰信号。各卫星的运行轨道为图中对应的弧线所示。其中，S1,1向T1,1发射信号，受到S2,1，S2,2卫星的干扰，T1,1收到的实际上是三颗卫星发射的信号经宇宙空间传输后夹杂噪声的混合信号。
下面，基于图1所示的干扰场景模型，结合图2，对本实施例的NGSO通信星座间频谱共存的干扰减缓方法作更进一步地的解释说明。
步骤1：对受扰NGSO信号源和施扰NGSO信号源分别输入发射信号矩阵xL，xL,j。
步骤2：NGSO信号经过宇宙空间信道模型传输。信道建立选择Corazza模型，可以认为其信道的概率分布服从莱斯和对数正态的联合分布，其信号包络r服从：
Figure BDA0003043575340000061
其中，f(r|z)是某一给定阴影z条件下的莱斯分布；
Figure BDA0003043575340000062
式中，I0(·)是零阶修正贝塞尔函数，K为莱斯因子，阴影z服从对数正态分布：
Figure BDA0003043575340000063
其中，
Figure BDA0003043575340000064
μ和σ2为lnz的均值和方差。
由上述公式可得接收信号包络r的概率密度函数为：
Figure BDA0003043575340000065
上式可看成NGSO信号传输信道HLG模型的理论公式。
可得接收信号模型为：
Figure BDA0003043575340000066
其中，yG是NGSO系统地球站的接收信号矩阵，xL是由受扰NGSO卫星产生的发送信号矩阵，HLGxL是NGSO卫星经过空间传输后的信号矩阵，
Figure BDA0003043575340000067
为其他施扰NGSO卫星经过空间传输后对于受扰NGSO地球站产生的干扰信号矩阵。k为干扰NGSO卫星个数。n是信道噪声矢量，参考由天体辐射产生的的宇宙噪声，均值为零，概率分布函数为高斯分布。
步骤3：利用干扰对齐技术在发射端设计预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
Figure BDA0003043575340000068
其中，FLG和FLG,j都是发送端的预编码矩阵，而HLG和HLG,j则是表征受扰NGSO卫星与施扰NGSO卫星分别与受扰NGSO地球站之间的信道矩阵。要得到目标信号xL,则要求xL的接收波束方向HLGFLG与其他信号的接收波束方向HLG,1FLG,1，…，HLG,kFLG,k构成的空间没有交集，即要求满足：
Figure BDA0003043575340000069
其中，span(X)为矩阵X的列向量生成的空间。
预编码矩阵是为了消除来自其他卫星的同频干扰。采取对目标信道矩阵HLG和HLG,j进行奇异值分解来得到发送端的预编码矩阵FLG、FLG,j，通过下式：
F＝Vx
其中，Vx是将目标信道矩阵HLG或HLG,j作SVD分解后的右奇异值矩阵的前x列矢量构成的矩阵，x是发送比特流数。
步骤4：通过MMSE算法减小发送信号xL和接收信号
Figure BDA0003043575340000071
之间的均方误差，即下式所示：
Figure BDA0003043575340000072
关于其加权矩阵
Figure BDA0003043575340000073
的计算，表达式如下：
Figure BDA0003043575340000074
其中，I是一个单位矩阵，σn 2是接收信号y的方差，
Figure BDA0003043575340000075
是信道矩阵HLG的共轭转置。
通过此信号处理后，即实现了对于减少干扰成分和降低接收端信号功率的折中，即得到接收端的输出信号形式：
Figure BDA0003043575340000076
对于经过MMSE算法处理后的受干扰影响的信号xL的干扰，我们只要满足
Figure BDA0003043575340000077
其低于一个门限值，即下式，
Figure BDA0003043575340000078
综上，本发明以减缓NGSO通信星座间同频干扰为目标，提出一种联合干扰对齐与最小均方误差检测的干扰减缓方法。在卫星发射端设计预编码，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离并使用MMSE算法控制噪声功率，实现了NGSO通信星座间频谱共存。
第二实施例
本实施例提供了一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，该基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置包括以下模块：
发射端预编码模块，用于利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，以便恢复目标信号；
接收端噪声功率控制模块，用于在接收端通过最小均方误差检测MMSE算法，以最小化发送信号矢量和接收信号矢量之间的均方误差为目标，降低接收端信号噪声功率，以平衡NGSO通信星座间的干扰减缓与噪声功率控制，实现NGSO通信星座间频谱共存。
本实施例的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置与上述第一实施例的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法相对应；其中，本实施例的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。
第三实施例
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。
第四实施例
本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (8)

1.一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法，其特征在于，所述基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法包括：
利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，以便恢复目标信号；
在接收端通过最小均方误差检测MMSE算法，以最小化发送信号矢量和接收信号矢量之间的均方误差为目标，降低接收端信号噪声功率，以平衡NGSO通信星座间的干扰减缓与噪声功率控制，实现NGSO通信星座间频谱共存。
2.如权利要求1所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法，其特征在于，所述利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，包括：
对信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；
通过所述预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
3.如权利要求2所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法，其特征在于，信道矩阵包括信号源传输信道矩阵和干扰源传输信道矩阵。
4.如权利要求1～3任一项所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的方法，其特征在于，所述NGSO通信星座使用的波段为Ka波段。
5.一种基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，其特征在于，所述基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置包括：
发射端预编码模块，用于利用地面蜂窝网络多小区中的干扰对齐技术，对发射端的发射信号进行预编码设计，使干扰信号在接收端重叠，压缩干扰信号的空间，使目标信号和干扰信号在接收端得以分离，在不同的信号空间进行接收，以便恢复目标信号；
接收端噪声功率控制模块，用于在接收端通过最小均方误差检测MMSE算法，以最小化发送信号矢量和接收信号矢量之间的均方误差为目标，降低接收端信号噪声功率，以平衡NGSO通信星座间的干扰减缓与噪声功率控制，实现NGSO通信星座间频谱共存。
6.如权利要求5所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，其特征在于，所述发射端预编码模块具体用于：
对信道矩阵进行奇异值分解，得到预编码矩阵；
通过所述预编码矩阵重新构建接收信号矩阵。
7.如权利要求6所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，其特征在于，信道矩阵包括信号源传输信道矩阵和干扰源传输信道矩阵。
8.如权利要求5～7任一项所述的基于干扰对齐的NGSO通信星座间减缓同频干扰的装置，其特征在于，所述NGSO通信星座使用的波段为Ka波段。
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