CN116094570A - 基于noma的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备 - Google Patents

基于noma的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备，所述方法包括以下步骤：基于NOMA进行星地下行通信时，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信；基于NOMA进行星地上行通信时，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信。本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备通过结合NOMA和特征型检测的频谱感知技术，实现卫星地面通信，有效提高了系统内和系统间的资源利用率。

Description

基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，特别是涉及一种基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备。
背景技术
在移动通信网络从第1代到第5代的不断演进过程中，生活方式的变化推动了移动通信方法的变化，而移动通信技术的创新继续推动着社会需求的发展。随着地面互联网、移动通信网络和空间网络服务的逐步融合，构建统一的空间和地面综合信息网络已成为未来第六代移动通信(6G)网络的一个重要特征。
面向6G的综合信息网络由高地球轨道卫星(High Earth Orbital，HEO)、中地球轨道卫星(Middle Earth Orbital，MEO)和低地球轨道卫星(Low Earth Orbital，LEO)以及地面通信系统组成，形成大时空尺度的多层异构网络来更好地为用户提供服务。从频谱资源来看，由于地面网络已经开始使用与卫星通信重叠的更高频谱，卫星终端可以潜在地以集成方式接入地面网络。然而，需要有效的频谱管理技术来避免卫星地面频谱共享造成的拥塞和干扰。无论是地面通信系统还是空间通信系统，频谱资源都是不可再生的稀缺资源。传统的频谱资源分配则是采用的固定分配方案，通过国界、地域等进行频率指配。而空间通信系统则是按照国际电信联盟“先占先得”的频率使用原则进行频率资源分配。目前地球静止轨道平均每1°即有一颗通信卫星，双星共轨甚至多星共轨的现象已经非常普遍。另外，频率资源和轨道资源并没有按照轨道进行区分，造成频谱资源分配的拥挤和混乱，同时大规模低轨卫星星座快速发展，进一步加剧了空间频率、轨道资源的拥挤程度。伴随着用户业务需求的增长，卫星频率使用环境日益复杂，频谱资源变得越来越匮乏，迫切需要发展高效频谱管理技术。为了解决频谱资源利用的困境，非正交多址技术(Non Othogonal MultipleAccess，NOMA)应运而生。例如功率域的NOMA的核心思想是通过不同的功率区分用户，并使用某些剩余的无线资源访问尽可能多的用户。NOMA突破了频谱资源正交性的限制，将功率视为可分割的资源域，突破了单个时频资源块只能容纳单个用户的限制。
NOMA可以实现高的系统内资源利用率，但随着接入设备的激增，需要进一步提高系统间资源利用率。在频谱资源方面，许多研究指出，固定模式下的频谱分配使得大部分频谱资源没有得到有效利用。为了进一步优化频谱资源，与认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术的结合很有必要，同时频谱感知技术是CR实现授权用户传输状态感知的核心技术，它可以避免未授权用户对授权用户的干扰。频谱感知的主要方法包括特征检测、能量检测、和匹配滤波检测。
因此，将NOMA和频谱感知技术引入通信中可以发挥很好的性能。目前的技术主要集中于能量检测型感知方法，其具有快速响应和低开销的优点，并且在传统的、较温和的通信环境中变得流行。而对于恶劣环境，如低信噪比(SNR)或需要区分和识别用户的场景，适应性有限。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备，通过结合NOMA和特征型检测的频谱感知技术，实现卫星地面通信，有效提高了系统内和系统间的资源利用率。
本发明提供一种基于NOMA的频谱感知星地通信方法，所述方法包括以下步骤：基于NOMA进行星地下行通信时，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信；基于NOMA进行星地上行通信时，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信。
于本发明一实施例中，还包括卫星将循环特征延时量嵌入到OFDM信号流中，并通过多天线进行发送。
于本发明一实施例中，所述循环特征延时量基于CDD技术生成。
于本发明一实施例中，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信包括以下步骤：
将多个卫星中的一个卫星作为主卫星，其他卫星作为次卫星；
所述主卫星基于NOMA与地面用户进行通信；
所述次卫星在进入所述主卫星的波束范围时，感知信道中是否存在主卫星的信号，并在不存在主卫星和的信号时基于所述信道与地面用户进行通信。
于本发明一实施例中，感知信道中是否存在主用户的信号包括以下步骤：
计算信道中信号的特征值
Figure BDA0004017425690000021
其中T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号，r*(n+Δ)表示接收信号的共轭时延，n表示信号采样点；
比较所述特征值和门限值；当所述特征值大于等于所述门限值时，表明信道中存在主卫星的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主卫星的信号。
于本发明一实施例中，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信包括以下步骤：
将多个地面用户中的一个地面用户作为主用户，其他地面用户作为次用户；
所述主用户和所述次用户基于NOMA与所述单个卫星进行通信；
所述次用户感知信道中是否存在所述主用户的信号，并在不存在主用户的信号时基于所述信号与所述单个卫星进行通信。
于本发明一实施例中，所述次用户感知信道中是否存在主用户的信号包括以下步骤：
计算信道中信号的特征值
Figure BDA0004017425690000031
其中T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号，r*(n+Δ)表示接收信号共轭时延，n表示信号采样点；
比较所述特征值和门限值；当所述特征值大于等于所述门限值时，表明信道中存在主用户的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主用户的信号。
于本发明一实施例中，还包括调节地面用户与卫星构成的仰角、地面用户之间的仰角差距和天线增益以提升星地通信的性能。
如上所述，本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法、系统、介质、电子设备，具有以下有益效果：
(1)通过结合NOMA和特征型检测的频谱感知技术，实现卫星地面通信；
(2)有效提高了频谱利用率和吞吐量，缓解了卫星频谱短缺的问题；
(3)解决在恶劣通信环境下例如低信噪比下难以检测主用户的问题。
附图说明
图1显示为本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法于一实施例中的流程图；
图2显示为下行星地通信场景于一实施例中的结构示意图；
图3显示为基于CDD技术的双天线发射机结构于一实施例中的结构示意图；
图4显示为基于NOMA的两用户发射机结构于一实施例中的结构示意图；
图5显示为上行星地通信场景于一实施例中的结构示意图；
图6显示为下行星地通信场景下检测概率和虚警概率于一实施例中的结构示意图；
图7显示为上行星地通信场景下吞吐量于一实施例中的比对示意图；
图8显示为下行星地通信场景下吞吐量于一实施例中的比对示意图；
图9显示为不同仰角下吞吐量于一实施例中的比对示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在星地通信系统中，由于卫星波束内部用户分布有差异，处于波束中心点附近的用户信道质量较好，处于波束边缘的用户信道质量较差，这样的差异使得构成NOMA成为了可能性，以便于提高系统内的资源利用率。同时，为了更加高效地利用紧缺的卫星频谱资源，本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法结合了NOMA和特征检测型频谱感知技术，在提高系统内资源利用率的同时也提高了系统间的资源利用率，使得星地通信能够获取更好的性能，从而极具实用性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
如图1所示，于一实施例中，本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法包括以下步骤：
步骤S1、基于NOMA进行星地下行通信时，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信。
具体地，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信包括以下步骤：
11)将多个卫星中的一个卫星作为主卫星，其他卫星作为次卫星。
12)所述主卫星基于NOMA与地面用户进行通信。
如图2所示，假定空间中包含一颗主卫星和一颗次卫星，在主卫星的一个波束内部的两个地面用户因其所处位置差异导致信道条件不同，从而构成NOMA。例如，处于波束中心附近的用户与卫星构成的仰角θ比较大，同时波束增益更大，所以其信道条件相比于边缘用户会更好，由此所带来的差异可以满足构成NOMA的条件。且经计算可得，卫星高度在500km时，两用户仰角差每改变1°，二者的距离大约会改变6～10km。例如两用户仰角分别为80°和75°时，二者相距约为46km。
13)所述次卫星在进入所述主卫星的波束范围时，感知信道中是否存在主用户的信号，并在不存在主用户和的信号时基于所述信道与地面用户进行通信。
其中，空间中的卫星考虑的是低轨卫星，由于低轨卫星之间的轨道高度差异，次卫星会周期性地进入到主卫星的波束内，进而可以在波束内感知主卫星的信息发送状态，即当前信道是否被主卫星占用。
在本发明中，卫星将循环特征延时量嵌入到OFDM信号流中，并通过多天线进行发送。为了使得在频谱感知中尽可能减少先验信息要求，同时尽可能减少频谱资源浪费，本发明采用CDD技术嵌入循环特征延时量。循环时延分集(Cyclic Delay Diversity，CDD)是一种发射分集，在发射端采用多天线，每根天线在发射前将OFDM符号进行循环移位之后加入循环前缀后再进行发送，相当于利用时域上的位移来引入频域上的相移，以达到分集效果。
对于次用户来说，仅需要知道主用户的循环特征延时量即可，并且CDD的方式并不会占用任何频谱资源。具体来讲，主用户的循环平稳特征标识通过人造循环特征延时量的形态嵌入到OFDM信号流中。对于双天线发射结构而言，如图3所示，在第一根天线上，数据信息通过QAM调制之后，直接生成OFDM信号，加上循环前缀并传输。在第二根天线上，需要在OFDM信号加循环前缀之前，根据人造循环特征延时量进行循环移位。具体的发射信号可以表示为：
Figure BDA0004017425690000051
Figure BDA0004017425690000052
其中，Δ表示循环时延量，X表示载波数，T代表载波和循环前缀总长度，
Figure BDA0004017425690000053
Figure BDA0004017425690000054
表示OFDM信号中第k个载波和第l个符号上的数据，f(n-lT)表示对第l个符号上的第n个点进行采样。
如图4所示，在信号发射之前，利用CDD技术将人造循环特征时延量嵌入到OFDM信号流中，作为信号的循环平稳特征。而在接收端，通过对接收信号的特征值来感知信道中是否存在主卫星的信号。其中，信道中信号的特征值为
Figure BDA0004017425690000055
T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号，r*(n+Δ)表示接收信号的共轭时延。当所述特征值大于等于门限值时，表明信道中存在主卫星的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主卫星的信号，视为只有噪声。这是因为噪声是广义平稳，并不存在循环平稳特征。
需要说明的是，门限值实际上是与噪声相关。因为门限的设置需要考虑虚警概率，即主卫星/主用户不存在时噪声的特征值高于门限的概率。与之对应的则为检测概率，即主卫星/主用户存在时信号特征值高于门限的概率。如图5所示即为下行场景下检测概率和虚警概率的示意图。二者相互制约，通过研究噪声的分布问题，可以得到虚警概率与门限值之间的关系为：
Figure BDA0004017425690000061
其中，Pf表示虚警概率，
Figure BDA0004017425690000062
表示噪声能量。本发明中，假设虚警概率为0.1进而可获取对应的门限值。
综上，对于下行通信来说，主卫星的角色相当于基站，采用同传同不传的方式与地面NOMA用户组建立通信；而轨道稍低的次卫星在进入到主卫星波束中时，对波束中的信号进行感知，即接收并进行相关运算获取特征值，并于设定好的门限值进行比较，判定此时信道中是否存在主卫星的信号。如果不存在，则可以使用该信道资源与地面用户建立通信；如果存在，则继续进行感知直到离开波束范围或者感知到主卫星存在为止。
步骤S2、基于NOMA进行星地上行通信时，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信。
具体地，于本发明一实施例中，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信包括以下步骤：
21)将多个地面用户中的一个地面用户作为主用户，其他地面用户作为次用户。
22)所述主用户和所述此用户基于NOMA与所述单个卫星进行通信。
其中，所述主用户和所述次用户采用相同的频率资源与所述单个卫星通信。
23)所述次用户感知信道中是否存在所述主用户的信号，并在不存在主用户的信号时基于所述信号与所述单个卫星进行通信。
如图6所示，假设两地面用户组成NOMA与卫星通信，次用户作为感知用户。相同地，所述次用户感知信道中是否存在主用户的信号时，首先计算信道中信号的特征值
Figure BDA0004017425690000063
Figure BDA0004017425690000064
其中T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号；再比较所述特征值和门限值；当所述特征值大于等于所述门限值时，表明信道中存在主用户的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主用户的信号。
综上，对于上行通信来说，过程与下行通信类似，只不过感知发生于地面。同样是在信道空闲阶段，感知用户可以使用对应的信道频谱资源进行通信，进而提高频谱的利用率和吞吐量。
需要说明的是，在星地通信中，接收到的信号均可以表述为一个二元假设问题，对于下行和上行分别为：
Figure BDA0004017425690000071
Figure BDA0004017425690000072
其中r(n)表示接收到的信号，v(n)表示噪声，h1,h2表示信道系数，s(n)为发送信号。即如果当前时刻主卫星没有与地面用户建立通信，则此时信道中只有噪声，此时状态为H0，相反，如果主卫星正在通信，则状态为H1。如果当前时刻主用户没有与卫星建立通信，则此时信道中只有噪声，此时状态为H0，相反，如果前时刻主用户与卫星建立通信，则状态为H1。
于本发明一实施例中，本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法还包括调节地面用户与卫星构成的仰角、地面用户之间的仰角差距和天线增益以提升星地通信的性能。
如图7-9所示，通过采用本发明的基于NOMA的频谱感知星地通信方法能够显著提升系统内和系统间的资源利用率。
本发明实施例所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
基于NOMA进行星地下行通信时，多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信；
基于NOMA进行星地上行通信时，地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信。
2.根据权利要求1所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：还包括卫星将循环特征延时量嵌入到OFDM信号流中，并通过多天线进行发送。
3.根据权利要求2所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：所述循环特征延时量基于CDD技术生成。
4.根据权利要求2所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：多个卫星通过共享频谱的方式与地面用户进行通信包括以下步骤：
将多个卫星中的一个卫星作为主卫星，其他卫星作为次卫星；
所述主卫星基于NOMA与地面用户进行通信；
所述次卫星在进入所述主卫星的波束范围时，感知信道中是否存在主卫星的信号，并在不存在主卫星和的信号时基于所述信道与地面用户进行通信。
5.根据权利要求4所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：感知信道中是否存在主卫星的信号包括以下步骤：
计算信道中信号的特征值
Figure FDA0004017425680000011
其中T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号，r*(n+Δ)表示接收信号的共轭时延，n表示信号采样点；
比较所述特征值和门限值；当所述特征值大于等于所述门限值时，表明信道中存在主卫星的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主卫星的信号。
6.根据权利要求2所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：地面用户之间通过共享频谱的方式与单个卫星进行通信包括以下步骤：
将多个地面用户中的一个地面用户作为主用户，其他地面用户作为次用户；
所述主用户和所述此用户基于NOMA与所述单个卫星进行通信；
所述次用户感知信道中是否存在所述主用户的信号，并在不存在主用户的信号时基于所述信号与所述单个卫星进行通信。
7.根据权利要求6所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：所述次用户感知信道中是否存在主用户的信号包括以下步骤：
计算信道中信号的特征值
Figure FDA0004017425680000021
其中T表示采样信号长度，Δ表示循环特征延时量，r(n)表示接收到的信号，r*(n+Δ)表示接收信号的共轭时延，n表示信号采样点；
比较所述特征值和门限值；当所述特征值大于等于所述门限值时，表明信道中存在主用户的信号；当所述特征值小于所述门限值时，表明信道中不存在主用户的信号。
8.根据权利要求1所述的基于NOMA的频谱感知星地通信方法，其特征在于：还包括调节地面用户与卫星构成的仰角、地面用户之间的仰角差距和天线增益以提升星地通信的性能。
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