CN115882924A - 一种基于noma的跳波束卫星通信系统设计方法 - Google Patents

一种基于noma的跳波束卫星通信系统设计方法 Download PDF

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CN115882924A CN202211229991.1A CN202211229991A CN115882924A CN 115882924 A CN115882924 A CN 115882924A CN 202211229991 A CN202211229991 A CN 202211229991A CN 115882924 A CN115882924 A CN 115882924A
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岳新伟
张旭阳
刘元玮
王亚飞
刘荣科
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，本发明提出一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，通过引入低轨卫星跳波束来协助地面站发送信息给非正交用户，所述设计方法包括建立NOMA跳波束通信系统模型、给出用户接收信号表达式和检测信噪比，提出一种基于功率域/码域NOMA的跳波束方案，通过对功率因子、波束时隙和载波分配进行优化实现分配容量的匹配，并设计了一种有效的NOMA跳波束优化算法。本发明方法相对于传统跳波束系统，提高了资源分配效率，具有较好的应用价值。

Description

一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法
技术领域
本发明涉及一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，属于卫星无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统。
背景技术
随着全球信息网络的无缝覆盖和万物互联，地面无线网络将逐步与卫星通信整合，形成空中综合移动互联网。空天地一体化网络设计为第六代通信网络提供无缝广域、高通量和均匀分布的弹性链路。特别是信道模型在近地轨道卫星的体系结构设计中考虑了随机接入技术。与地球轨道卫星相比，低地轨道卫星的主要特点是建设成本低、路径损耗低、延迟时间短。与地面通信相比，低轨卫星通信系统能够提供更广泛的覆盖范围和高速和长距离的要求。跳波束技术能有效提高卫星载荷的利用率及资源管理，已成为下一代卫星通信网络的关键技术之一。
然而国内外低轨卫星普遍使用传统固定多波束技术，该技术资源损耗大、星上功率利用率低，且对于用户非均匀分布的场景存在资源巨大浪费等缺陷。跳波束技术通过控制星载多波束天线的空间指向、带宽、频点和发射功率，为用户终端动态配置通信资源，提高卫星资源在带宽和功率方面的使用效率。通过改变跳变波束在每个波束覆盖区的驻留时间，在有限星载资源条件下提高卫星宽带通信吞吐量，可以最大化星上带宽资源利用率。与地面蜂窝系统的小区不同，一颗低轨卫星可以覆盖相对大的一片区域，且由于低轨卫星自身特点以及通信系统设计的要求和地球曲率的原因，要求不同波束小区对应的星上的波束张角不同。为了使得地面的处于不同地理位置的用户站到卫星的信号接收灵敏度及信号发射功率尽量一致，需简化地面用户站设计，星上多波束天线设计时往往采用等通量覆盖，即距离远的波束小区对应的星上天线增益大，而近的天线增益小。因此，星上多波束天线在设计时，要根据波束小区的覆盖需求，在波束张角、波束内增益等方面进行考量，从而实现等面积覆盖或等通量覆盖。
跳波束技术为卫星资源的灵活分配和高效利用提供了实现基础，其基本思想是利用时间分片技术，并不需要所有的波束都同时工作，而是只有其中的一部分波束按需工作，因此资源分配更加灵活，这是由其中使用的多端口放大器、相控阵天线技术等决定的。跳波束控制器用于解析网关生成的波束跳变指令，并控制开关矩阵或波束形成网络实现波束的切换。通过在辐射馈源前加入开关矩阵，利用馈源的选通达到波束跳变的目的。跳波束控制器通过解调跳波束控制指令，实现卫星上波束的同步跳变。卫星跳波束系统主要的任务是，实现如何在正确的时间以最有效的方式为正确的波束单元提供合适的容量。
发明内容
本发明的目的在于一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，充分挖掘和利用系统有限的通信资源，设计高效的通信传输方案。
一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，包括以下步骤：
步骤一：建立一种基于统一NOMA框架的跳波束卫星通信系统模型，写出用户的接收信号表达式；
步骤二：BCU使用串行干扰删除技术先检测BEU的信号将其删除，然后再检测自己的信号；BEU直接将BCU的信号当作干扰解码自身信号；
步骤三：对步骤二给出的用户检测信干噪比进行处理，通过联合优化功率分配、载波分配和波束调度，建立了关于流量需求和可达容量的离散差的平方；
步骤四：将上述表达式进一步抽象成为一个非凸的函数最小值求解问题，采用基于丁克尔巴赫变换和变量松弛获得可达速率的连续差分函数优化公式；
步骤五：对于该非凸函数，设计U-NOMA-BH算法，通过步骤四给出变化后的优化公式来交替优化目标最小值。
进一步地，通信系统具体包括一个低轨卫星和M个地面用户，卫星束直接映射多个用户的多载波利用稀疏传播矩阵GK×M(即稀疏矩阵或码本，其中有一些非零项和满足M>K的关系，跳波束在每个时隙照射相等的B0(B0＜B)光束。一个调度周期由T个时隙组成，并将T表示为时隙的集合。活跃波束中M和N分别代表BEU和BCU的集合。第K个子载波上随机选择用户
Figure BDA0003881146560000031
由下式表示为
Figure BDA0003881146560000032
其中，
Figure BDA0003881146560000033
Figure BDA0003881146560000034
表示用户的归一化能量信号，/>
Figure BDA0003881146560000035
表示个用户的功率分配因子，/>
Figure BDA0003881146560000036
表示占用K个子载波的卫星基站和/>
Figure BDA0003881146560000037
个用户之间的信道向量，/>
Figure BDA0003881146560000038
其中
Figure BDA0003881146560000039
Figure BDA00038811465600000310
表示卫星和用户/>
Figure BDA00038811465600000311
之间的距离，Gt表示从卫星天线到用户/>
Figure BDA00038811465600000312
的发射天线增益，Gr表示用户/>
Figure BDA00038811465600000313
的接收天线增益，σ2表示在用户处的高斯白噪声。
进一步地，步骤二具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户(第n个用户)解码远端用户(第m个用户)信号时对应的信干噪比表达为
Figure BDA00038811465600000314
通过应用连续干扰消除技术，需要对自身信息进行解码的用户n的信干噪比表达为
Figure BDA0003881146560000041
用户m上解码自身信息的信干噪比可以表示为
Figure BDA0003881146560000042
假设信道系数满足中导出的条件，即确定每个波束的解码顺序独立于波束传输功率和波束间干扰。在时间t处的用户
Figure BDA0003881146560000043
的可达速率为
Figure BDA0003881146560000044
进一步地，步骤三具体包括：
从应用角度分析，制定一个资源分配问题以最小化提供的容量和请求的流量之间的差距，即由BCU和BEU组成NOMA用户对的流量差距。在此问题的基础上，U-NOMA-BH系统对载波变量、功率分配因子和波束时隙进行优化约束，并将优化问题和约束转化为凸问题进行分析，这个问题被表述为
Figure BDA0003881146560000045
Figure BDA0003881146560000046
Figure BDA0003881146560000047
Figure BDA0003881146560000048
Figure BDA0003881146560000049
Figure BDA00038811465600000410
其中，δbt为“1”或“0”表示波束b在时间段t处是否被点亮，
Figure BDA0003881146560000051
为“1”或“0”表示为用户/>
Figure BDA0003881146560000052
是否分配到子载波k处。
进一步地，步骤四具体包括：
假设所有用户之间固定载波分布，利用丁克尔巴赫变换进行功率分配，通过分子和分母的解耦来解决非凸问题，载波分配视为多对多的匹配问题，时隙分配将整个决策过程划分为T时间段，然后在每个阶段或时间段内解决一个子问题。为了求解复整数变量，将每个时间段的子问题松弛为一个连续问题，并更新剩余需求
Figure BDA0003881146560000053
求解(6a)的剩余部分，这个问题可以表述为
Figure BDA0003881146560000054
Figure BDA0003881146560000055
/>
Figure BDA0003881146560000056
Figure BDA0003881146560000057
Figure BDA0003881146560000058
进一步地，步骤五具体包括：
提出基于载波数，功率分配和时隙优化的U-NOMA-BH系统。根据子载波数不同，U-NOMA-BH系统可以分为CD-NOMA-BH和PD-NOMA-BH系统。为了避免算法指数级的时间复杂度，在U-NOMA-BH算法中，利用固定的整数变量来优化功率分配，并不断更新用户-载波分配，以逐步提高性能。算法复杂度主要集中在优化过程和求解非线性方程组中。
当K＝1的单载波传输，用户集根据信道增益的顺序进行划分，对所有用户的穷举搜索转变为M和N的匹配。对于PD-NOMA-BH算法，只需要进行功率分配优化，并且可以放弃(7d)，这个问题被表述为
Figure BDA0003881146560000061
技术效果：
本发明在一种基于的NOMA跳波束卫星通信系统设计了一种有效的U-NOMA-BH优化算法，最小化用户的请求和可达数据速率之间的差距。该方法达到了进一步提升星上的有效资源分配，提高了系统整体的频谱效率。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统模型图；
图2是功率域NOMA结合最大信噪比、基于OMA的跳波束以及CD/PD-NOMA-BH的性能对比图；
图3是CD-NOMA-BH方案在不同载波条件下与流量需求相关的差距值的性能对比图；
图4是CD/PD-NOMA-BH方案在不同时隙和活动光束数量下的BCU和BEU接收性能的影响示意图；
图5是本发明一种基于的NOMA跳波束卫星通信系统设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不限定本发明要求保护的范围。
本发明的目的在于一种基于的NOMA跳波束卫星通信系统设计方法，充分挖掘和利用系统有限的通信资源，设计高效的通信传输方案。
首先建立基于NOMA的跳波束系统模型、给出用户接收信号表达式和检测信噪比，提出了基于码域/功率域NOMA的跳波束方案，通过对功率因子、波束时隙和载波分配进行优化实现分配容量的匹配，并设计了一种有效的U-NOMA-BH的优化算法。本发明方法相对于最大信干噪比、最小同信道干扰以及基于OMA的跳波束系统改善了用户的流量差距，提高了星上资源的利用效率，且操作简单易形。
一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，包括以下步骤：
步骤一：建立一种基于统一NOMA框架的跳波束(Unified NOMA Beam-Hopping,U-NOMA-BH)卫星通信系统模型，写出用户的接收信号表达式；
步骤二：BCU使用串行干扰删除技术先检测BEU的信号将其删除，然后再检测自己的信号；BEU直接将BCU的信号当作干扰解码自身信号；
步骤三：对步骤二给出的用户检测信干噪比进行处理，通过联合优化功率分配、载波分配和波束调度，建立了关于流量需求和可达容量的离散差的平方；
步骤四：将上述表达式进一步抽象成为一个非凸的函数最小值求解问题，采用基于丁克尔巴赫变换和变量松弛获得可达速率的连续差分函数优化公式；
步骤五：对于该非凸函数，设计U-NOMA-BH算法，通过步骤四给出变化后的优化公式来交替优化目标最小值。
进一步地，通信系统具体包括一个低轨卫星和M个地面用户，卫星束直接映射多个用户的多载波利用稀疏传播矩阵GK×M(即稀疏矩阵或码本，其中有一些非零项和满足M>K的关系，跳波束在每个时隙照射相等的B0(B0＜B)光束。一个调度周期由T个时隙组成，并将T表示为时隙的集合。活跃波束中M和N分别代表BEU和BCU的集合。第K个子载波上随机选择用户
Figure BDA0003881146560000081
由下式表示为
Figure BDA0003881146560000082
其中，
Figure BDA0003881146560000083
Figure BDA0003881146560000084
表示用户的归一化能量信号，/>
Figure BDA0003881146560000091
表示个用户的功率分配因子，/>
Figure BDA0003881146560000092
表示占用K个子载波的卫星基站和/>
Figure BDA0003881146560000093
个用户之间的信道向量，/>
Figure BDA0003881146560000094
其中
Figure BDA0003881146560000095
Figure BDA0003881146560000096
表示卫星和用户/>
Figure BDA0003881146560000097
之间的距离，Gt表示从卫星天线到用户/>
Figure BDA0003881146560000098
的发射天线增益，Gr表示用户/>
Figure BDA0003881146560000099
的接收天线增益，σ2表示在用户处的高斯白噪声。
进一步地，步骤二具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户(第n个用户)解码远端用户(第m个用户)信号时对应的信干噪比表达为
Figure BDA00038811465600000910
通过应用连续干扰消除技术，需要对自身信息进行解码的用户n的信干噪比表达为
Figure BDA00038811465600000911
用户m上解码自身信息的信干噪比可以表示为
Figure BDA00038811465600000912
假设信道系数满足中导出的条件，即确定每个波束的解码顺序独立于波束传输功率和波束间干扰。在时间t处的用户
Figure BDA00038811465600000913
的可达速率为
Figure BDA00038811465600000914
进一步地，步骤三具体包括：
从应用角度分析，制定一个资源分配问题以最小化提供的容量和请求的流量之间的差距，即由BCU和BEU组成NOMA用户对的流量差距。在此问题的基础上，U-NOMA-BH系统对载波变量、功率分配因子和波束时隙进行优化约束，并将优化问题和约束转化为凸问题进行分析，这个问题被表述为
Figure BDA0003881146560000101
Figure BDA0003881146560000102
Figure BDA0003881146560000103
/>
Figure BDA0003881146560000104
Figure BDA0003881146560000105
Figure BDA0003881146560000106
其中，δbt为“1”或“0”表示波束b在时间段t处是否被点亮，
Figure BDA0003881146560000107
为“1”或“0”表示为用户/>
Figure BDA0003881146560000108
是否分配到子载波k处。
进一步地，步骤四具体包括：
假设所有用户之间固定载波分布，利用丁克尔巴赫变换进行功率分配，通过分子和分母的解耦来解决非凸问题，载波分配视为多对多的匹配问题，时隙分配将整个决策过程划分为T时间段，然后在每个阶段或时间段内解决一个子问题。为了求解复整数变量，将每个时间段的子问题松弛为一个连续问题，并更新剩余需求
Figure BDA0003881146560000109
求解(6a)的剩余部分，这个问题可以表述为
Figure BDA00038811465600001010
Figure BDA0003881146560000111
Figure BDA0003881146560000112
Figure BDA0003881146560000113
Figure BDA0003881146560000114
进一步地，步骤五具体包括：
提出基于载波数，功率分配和时隙优化的U-NOMA-BH通信系统。根据子载波数不同，U-NOMA-BH系统可以分为CD-NOMA-BH和PD-NOMA-BH系统。为了避免算法指数级的时间复杂度，在U-NOMA-BH算法中，利用固定的整数变量来优化功率分配，并不断更新用户-载波分配，以逐步提高性能。算法复杂度主要集中在优化过程和求解非线性方程组中。
当K＝1的单载波传输，用户集根据信道增益的顺序进行划分，对所有用户的穷举搜索转变为M和N的匹配。对于PD-NOMA-BH算法，只需要进行功率分配优化，并且可以放弃(7d)，这个问题被表述为
在基于NOMA的跳波束卫星通信系统中，通信系统具体包括一个低轨卫星和M个地面用户，假设低轨卫星覆盖地面的经度范围(东经85°，东经115°)，纬度范围(南纬15°，北纬15°)，系统带宽设置为200MHz，低轨
Figure BDA0003881146560000121
1000km。下面通过仿真验证本发明所涉及的一种基于NOMA跳波束卫星通信系统的资源分配性能；不失一般性，目标值/>
Figure BDA0003881146560000122
与(7a)中对最小化问题的目标函数的讨论相一致，在每个光束中，有8个用户。模拟结果平均超过1000个实例，对于每个实例，每个光束中的每个用户的需求都是均匀分布的。
在一种基于的NOMA跳波束卫星通信系统中，根据式子(6)可以得出NOMA用户对的可达容量和流量需求的差值分析。从图2可以看出，(1)拟议的CD-NOMA-BH方案在减少请求数据率和提供数据率之间的差距方面优于所有三个基准；(2)当平均请求需求相对较小(从200Mbps到450Mbps)时，所提出的CD-NOMA-BH方案可以实现与PD-NOMA-BH几乎相同的性能，当需求从450Mbps增长到600Mbps时，CD-NOMA-BH和PD-NOMA-BH之间的差距从0.07上升到0.98；(3)所提出的CD/PD-NOMA-BH方案的性能优于OMA-BH。出现上述的原因是NOMA-BH系统具有较高的光谱效率，所提出的CD-NOMA-BH方案，通过联合优化BH和NOMA，可以大大减少失配效应，NOMA-BH可以实现接近于一个差值的上限的代价，但与现有算法相比计算复杂度要小得多。
进一步改进地，图3结果显示了所提出的CD-NOMA-BH方案对不同场景的适用性，观察到发射功率增加，容量和流量请求之间的差异变小更适合用户需求。同时比较不同的最大载波数，在不超过每个波束内用户总数的前提下，载波资源的分配可以进一步辅助单波束下的功率分配更加充分。
进一步改进地，图4所示：其中T＝256或128，B0＝4或6。从中观察到时隙和活动波束的变化具有对BEU的目标值的影响为350Mbps，而BCU为450Mbps，可以通过减少时隙或活动波束的数量来提高BCU和BEU之间的公平性。这种现象表明用户能够在时隙约束内满足流量需求，其变量变化不会影响目标值，但如果满足的需求大于约束目标值，就会出现分歧。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立一种基于统一NOMA框架的跳波束(Unified NOMA Beam-Hopping,U-NOMA-BH)卫星通信系统模型，写出用户的接收信号表达式；
步骤二：波束中心用户使用串行干扰删除技术先检测波束边缘用户的信号将其删除，然后再检测自己的信号；波束边缘用户直接将波束中心用户的信号当作干扰解码自身信号；
步骤三：对步骤二给出的用户检测信干噪比进行处理，通过联合优化功率分配、载波分配和波束调度，建立关于流量需求和可达容量的离散差的平方；
步骤四：将上述表达式进一步抽象成为一个非凸的函数最小值求解问题，采用基于丁克尔巴赫变换和变量松弛获得可达速率的连续差分函数优化公式；
步骤五：对于该非凸函数，设计U-NOMA-BH算法，通过步骤四给出变化后的优化公式来交替优化目标最小值。
2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：通信系统具体包括一个低轨卫星和M个地面用户，卫星束直接映射多个用户的多载波利用稀疏传播矩阵GK×M(即稀疏矩阵或码本，其中有一些非零项和满足M>K的关系，跳波束在每个时隙照射相等的B0(B0＜B)光束。一个调度周期由T个时隙组成，并将T表示为时隙的集合。活跃波束中M和N分别代表波束中心用户和波束边缘用户(Beam center user,BCU)(Beamedge user,BEU)的集合。第K个子载波上随机选择用户
Figure FDA0003881146550000011
由下式表示为
Figure FDA0003881146550000012
其中，
Figure FDA0003881146550000021
Figure FDA0003881146550000022
表示用户的归一化能量信号，/>
Figure FDA0003881146550000023
表示个用户的功率分配因子，/>
Figure FDA0003881146550000024
表示占用K个子载波的卫星基站和/>
Figure FDA0003881146550000025
个用户之间的信道向量，/>
Figure FDA0003881146550000026
其中
Figure FDA0003881146550000027
Figure FDA0003881146550000028
表示卫星和用户/>
Figure FDA0003881146550000029
之间的距离，Gt表示从卫星天线到用户/>
Figure FDA00038811465500000210
的发射天线增益，Gr表示用户/>
Figure FDA00038811465500000211
的接收天线增益，σ2表示在用户处的高斯白噪声。
3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：步骤二具体包括：根据NOMA解码顺序准则，近端用户(第n个用户)解码远端用户(第m个用户)信号时对应的信干噪比表达为
Figure FDA00038811465500000212
通过应用连续干扰消除技术，需要对自身信息进行解码的用户n的信干噪比表达为
Figure FDA00038811465500000213
/>
用户m上解码自身信息的信干噪比可以表示为
Figure FDA00038811465500000214
假设信道系数满足中导出的条件，即确定每个波束的解码顺序独立于波束传输功率和波束间干扰。在时间t处的用户
Figure FDA00038811465500000215
的可达速率为
Figure FDA00038811465500000216
其中，
Figure FDA00038811465500000217
4.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：步骤三具体包括：
从应用角度分析，制定一个资源分配问题以最小化提供的容量和请求的流量之间的差距，即由BCU和BEU组成NOMA用户对的流量差距。在此问题的基础上，U-NOMA-BH系统对载波变量、功率分配因子和波束时隙进行优化约束，并将优化问题和约束转化为凸问题进行分析，这个问题被表述为
Figure FDA0003881146550000031
Figure FDA0003881146550000032
Figure FDA0003881146550000033
Figure FDA0003881146550000034
Figure FDA0003881146550000035
Figure FDA0003881146550000036
其中，δbt为“1”或“0”表示波束b在时间段t处是否被点亮，
Figure FDA0003881146550000037
为“1”或“0”表示为用户/>
Figure FDA0003881146550000038
是否分配到子载波k处。
5.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：步骤四具体包括：
假设所有用户之间固定载波分布，利用丁克尔巴赫变换进行功率分配，通过分子和分母的解耦来解决非凸问题，载波分配视为多对多的匹配问题，时隙分配将整个决策过程划分为T时间段，然后在每个阶段或时间段内解决一个子问题。为了求解复整数变量，将每个时间段的子问题松弛为一个连续问题，并更新剩余需求
Figure FDA0003881146550000041
求解(6a)的剩余部分，这个问题可以表述为
Figure FDA0003881146550000042
Figure FDA0003881146550000043
Figure FDA0003881146550000044
Figure FDA0003881146550000045
Figure FDA0003881146550000046
6.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的跳波束卫星通信系统设计方法，其特征在于：步骤五具体包括：
提出基于载波数，功率分配和时隙优化的U-NOMA-BH系统。根据子载波数不同，U-NOMA-BH系统可以分为基于码域NOMA的跳波束(Code-domain NOMA Beam Hopping,CD-NOMA-BH)和基于功率域NOMA的跳波束(Power-domain NOMA Beam Hopping,PD-NOMA-BH)系统。为了避免算法指数级的时间复杂度，在U-NOMA-BH算法中，利用固定的整数变量来优化功率分配，并不断更新用户-载波分配，以逐步提高性能。算法复杂度主要集中在优化过程和求解非线性方程组中。
当K＝1的单载波传输，用户集根据信道增益的顺序进行划分，对所有用户的穷举搜索转变为M和N的匹配。对于PD-NOMA-BH算法，只需要进行功率分配优化，并且可以放弃(7d)，这个问题被表述为
Figure FDA0003881146550000051
/>
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