CN116321465B - 一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 - Google Patents
一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116321465B CN116321465B CN202310191915.4A CN202310191915A CN116321465B CN 116321465 B CN116321465 B CN 116321465B CN 202310191915 A CN202310191915 A CN 202310191915A CN 116321465 B CN116321465 B CN 116321465B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- satellite
- detection
- signal
- spectrum sensing
- satellite signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 125
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 141
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 13
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 6
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 5
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000004148 unit process Methods 0.000 claims description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 12
- 238000013480 data collection Methods 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 230000001149 cognitive effect Effects 0.000 description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 239000012088 reference solution Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W72/00—Local resource management
- H04W72/04—Wireless resource allocation
- H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
- H04W72/0453—Resources in frequency domain, e.g. a carrier in FDMA
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
- H04B10/2589—Bidirectional transmission
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W72/00—Local resource management
- H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
- H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
- H04W72/542—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using measured or perceived quality
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
Abstract
一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统，包括：针对实际移动的近地轨道卫星，卫星地面站配备一维线性阵列天线对其发送的信号数据进行采集；对采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知。本发明针对近地轨道卫星的实际移动，充分考虑其运动特征，能应用于实际信号检测中；采用相控阵列天线进行卫星信号数据采集，采集到的信号强度更高，并且数据采集时效性有所提高；将基于二元假设模型和卫星对地链路可见性空间条件理论推导出的门限与检测统计量对比，提升了卫星信号检测的性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及卫星通信网络领域中的卫星频谱感知方法及系统。
背景技术
随着航空航天技术的发展，空间信息网络规模逐渐扩大，在国家安全、军事以及交通管理等领域发挥着越来越重要的作用，其中卫星通信网络因其覆盖范围广、通信质量好、运行费用低等优点，能够有效解决地面通信网络覆盖率低等问题，使其在通信方式中发挥着越来越重要的作用。在卫星通信网络飞速发展的同时，通信业务需求和通信卫星数量不断增加，对于频谱资源的需求不断提升，但频谱资源具有有限性。现阶段卫星通信将相对固定的频谱资源进行分配，有限频谱资源总会分配完毕，但未被占用的授权频段大量闲置，造成了频谱资源“假性枯竭”的问题。与此同时，由于卫星主要工作在Ka、Ku等高频段，信号衰落也是卫星通信中存在的突出问题。不论是日益增长的需求还是信号传输存在的问题，都造成空间无线电频谱资源日益稀缺。认知无线电是一种在频谱的授权用户(主用户)允许的情况下，非授权用户(次用户)机会式地接入使用授权用户闲置频谱资源的技术，将认知无线电技术应用到卫星通信中是提高频谱资源利用率的一种有效的解决方案。频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，因此，亟需要探索有效的卫星频谱感知方法。
目前的卫星频谱感知方法已经有一定的研究基础，Zhang C，Jiang C等人在其发表的论文“Spectrum sensing and recognition in satellite systems”(IEEETransactions on Vehicular Technology，pp.2502-2516,2019)提出了一种基于最大后验规则的频谱感知方法，与传统二元频谱感知方法相比具有更好的性能。Benedetto F，Giunta G等人在其发表的论文“Cognitivesatellite communications spectrum sensingbased on higher order moments”(IEEE Communications Letters，pp.574-578,2021)提出了一种基于高阶距的认知卫星频谱感知技术，性能优于最大后验规则的频谱感知方法，该卫星频谱感知方法存在的不足之处是：该方法假定频谱感知设备指向geostationary(GEO)卫星，并且位于主波束中，没有充分考虑到卫星的实际运动，不能应用于实际的卫星信号检测中。Y.Zhang，Y.Shi等人在其发表的论文“Satellite-Terrestrial SpectrumSensing Scheme Based on Cascaded FNN and FIS”(2019 IEEE Globecom Workshops(GCWkshps)，pp.1-6，2019)考虑到卫星信道特性，在高动态情况下，频谱空洞检测会变得更加具有挑战性，提出了一种利用卫星与地面基站合作的高效频谱感知方案，该方法在频谱空洞检测概率方面取得了较好的性能增益。该卫星频谱感知方法的不足之处是：其卫星地面站配备传统的反射面天线，近地轨道卫星相对于地球表面的运动速度非常快，反射面天线接收卫星信号需要2到3分钟的准备时间，这使得卫星频谱感知的时效性较差。同时反射面天线增益较低，使得采集到的卫星信号强度较低，这使得卫星频谱感知性能难以得到提升。西安交通大学提出的专利申请“一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法”(公开号CN109450570A)中公开了一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法。这种方法根据角度的互异性，使用已知的波束中间角进行卫星频谱感知，这一定程度上提高了系统的检测性能，但是该方法未考虑卫星对地链路的可见性，这使得卫星频谱感知性能难以得到进一步提升。
基于上述事实，亟需研究新的卫星频谱感知方法，充分考虑近地轨道卫星的实际移动和卫星对地链路的可见性，提高动态频谱环境中的卫星频谱感知性能。
发明内容
本发明针对现有卫星频谱感知方法中地面用户配备传统的反射面天线，导致在低信噪比条件下检测性能难以提升，未考虑卫星对地链路的可见性而导致检测精度低以及没有充分考虑到近地轨道卫星的实际移动难以应用于实际的卫星信号检测等问题，提供一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统，使用相控阵列天线代替传统的发射面天线采集卫星信号数据，并充分考虑了近地轨道卫星的实际移动以及卫星对地链路的可见性，提高了动态频谱环境中的卫星频谱感知性能，并可以应用于实际的卫星信号检测中。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：卫星地面站配备若干相控阵列天线并形成一维线性阵列天线，所述一维线性阵列天线作为频谱感知设备对实际移动的近地轨道卫星发送的信号数据进行采集；
步骤2：对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；
步骤3：考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；
步骤4：将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述步骤1中，将一维线性阵列天线中各个辐射阵元处理后的卫星信号数据求和叠加为一路信号。
进一步地，所述步骤2具体如下：
步骤2.1：对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型：
H0：y(k)＝n(k)，k＝1，2，...，K，
其中，H1表示卫星信号存在，H0表示卫星信号不存在；y(k)为频谱感知设备采集到的第k个采样信号；s(k)是近地轨道卫星发送的第k个信号，服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布；n(k)是加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布；K为采集的卫星信号总样本数；Ps为卫星信号发射功率，gs为信道增益；j是复数标志；/>为信道相位，/>表示随机变量服从0到2π的均匀分布；
步骤2.2：将卫星数据能量和作为检测统计量Y：
进一步地，所述步骤3具体如下：
步骤3.1：考虑到卫星对地链路的可见性，将步骤2.1中建立的频谱感知二元假设模型修正为：
其中，O0表示频谱感知设备检测到可用频谱，O1表示频谱感知设备未检测到可用频谱；ε是固定偏差；θe，s是卫星地面站到近地轨道卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角；
步骤3.2：按照下式计算卫星信号的检测门限λ：
其中，γ为卫星信号的接受信噪比，为卫星信号检测的检测概率，卫星对地链路可见判断函数F(θe，s)为：
其中，当θe，s＞90+ε时，F(θe，s)为1，卫星对地链路可见；当θe，s≤90+ε时，F(θe，s)为0，卫星对地链路不可见。
进一步地，所述步骤4中，将检测统计量Y与检测门限λ进行比较，决策规则为：
其中，当检测统计量Y大于等于检测门限λ时，检测到卫星信号，该授权频段被占用；当检测统计量Y小于检测门限λ时，未检测到卫星信号，该授权频段空闲。
本发明还提出了一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知系统，其特征在于，包括：
频谱感知设备，是由卫星地面站配备的若干相控阵列天线所形成的一维线性阵列天线，用于对实际移动的近地轨道卫星发送的信号数据进行采集；
处理设备，用于对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；
计算设备，用于考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；
判断设备，用于将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知。
进一步地，所述频谱感知设备将一维线性阵列天线中各个辐射阵元处理后的卫星信号数据求和叠加为一路信号。
进一步地，所述处理设备具体包括假设模型建立单元和检测统计量计算单元；
所述假设模型建立单元对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型：
H0：y(k)＝n(k)，k＝1，2，...，K，
其中，H1表示卫星信号存在，H0表示卫星信号不存在；y(k)为频谱感知设备采集到的第k个采样信号；s(k)是近地轨道卫星发送的第k个信号，服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布；n(k)是加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布；K为采集的卫星信号总样本数；Ps为卫星信号发射功率，gs为信道增益；j是复数标志；/>为信道相位，/>表示随机变量服从0到2π的均匀分布；
所述检测统计量计算单元将卫星数据能量和作为检测统计量Y：
进一步地，所述计算设备具体包括修正单元和检测门限计算单元；
所述修正单元考虑到卫星对地链路的可见性，将假设模型建立单元建立的频谱感知二元假设模型修正为：
其中，O0表示频谱感知设备检测到可用频谱，O1表示频谱感知设备未检测到可用频谱；ε是固定偏差；θe，s是卫星地面站到近地轨道卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角；
所述检测门限计算单元按照下式计算卫星信号的检测门限λ：
其中，γ为卫星信号的接受信噪比，为卫星信号检测的检测概率，卫星对地链路可见判断函数F(θe，s)为：
其中，当θe，s＞90+ε时，F(θe，s)为1，卫星对地链路可见；当θe，s≤90+ε时，F(θe，s)为0，卫星对地链路不可见。
进一步地，所述判断设备将检测统计量Y与检测门限λ进行比较，决策规则为：
其中，当检测统计量Y大于等于检测门限λ时，检测到卫星信号，该授权频段被占用；当检测统计量Y小于检测门限λ时，未检测到卫星信号，该授权频段空闲。
本发明的有益效果是：
1)本发明针对近地轨道卫星的实际移动，充分考虑了由卫星移动特性引起的动态拓扑结构、时变信道衰落和卫星节点快速移动等特征，克服了当前卫星频谱感知方法忽略卫星信道变化，难以应用于实际的问题。本发明使得卫星频谱感知算法设计更为实际，能更好的应用于实际的信号检测中。
2)由于本发明采用相控阵列天线代替传统的反射面天线进行信号卫星数据采集，具有较高的天线增益，使得采集到的卫星信号强度较高，更加适用于低信噪比情况下的卫星信号检测；同时，近地轨道卫星移动速度较快，相控阵列天线通过改变相邻阵元相位差达到控制直线阵的波束指向，采用相控阵列天线可以快速改变波束方向对准卫星，使得本发明克服了采用传统反射面天线对准卫星准备时间长的不足。本发明使得采集到卫星信号强度更高，并且数据采集的时效性有所提高。
3)由于本发明使用处理后的卫星数据能量和作为检测统计量，将该检测统计量与基于二元假设模型和卫星对地链路可见性空间条件推导出的门限进行比较，提升了卫星信号检测的性能。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法的流程图。
图2是本发明的近地轨道卫星网络图。
图3是本发明的卫星信号采集模型图。
图4是采用本发明和现有其他卫星频谱感知技术的性能对比图。
图5是采用本发明在不同信噪比下的信号检测性能对比图。
图6是采用本发明在不同θe，s下的信号检测性能对比图。
图7是采用本发明在不同卫星信号样本数下的信号检测性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
本实施例中提出了一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法，结合附图1对本实施例方法的具体步骤描述如下。
步骤1：针对实际移动的近地轨道卫星，卫星地面站配备一维线性阵列天线对其发送的信号数据进行采集。
本实施例中，近地轨道卫星网络图如附图2所示，o为坐标原点，0°经线位于XoZ平面上，α为纬度，范围从-π/2到π/2，β为经度，范围从-π到π，(xs，ys，zs)为卫星坐标。卫星信号采集模型图如附图3所示，o是地球中心，Re是地球半径，Rs是LEO(近地轨道)卫星的轨道半径，d是LEO卫星与卫星地面站之间的距离，θ0是LEO卫星相对于频谱感知设备的轴外角，θe，s是卫星地面站到LEO卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角，计算公式为卫星地面站配备相控阵列天线，M根天线形成一维线性阵列，将阵列中各个辐射阵元处理后的信号求和叠加为一路信号，卫星地面站采集近地轨道卫星发送的信号数据，频谱感知设备对LEO发送的信号进行频谱感知。
频谱感知设备采集到的第k个采样信号为y(k)，可以表示为：
其中，s(k)是LEO卫星发送的第k个信号，服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布，n(k)为加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布，Ps为卫星信号发射功率，j是复数标志，/>为信道相位，/>表示随机变量服从0到2π的均匀分布，K为采集的卫星信号总样本数，gs计算公式为/>式中，Gner，max代表频谱感知设备接收天线的最大增益，Gst(θ0)代表LEO卫星天线在θ0方向上的增益，c为光速，f为频带的中心频率，dS→U为LEO卫星与感知设备之间的距离，Ag和Ac分别代表气体吸收衰减和云雾衰减。
步骤2：对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量Y。
对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型，可以表示为：
H0：y(k)＝n(k)，k＝1，2，...，K，
其中，H1表示卫星信号存在，H0表示卫星信号不存在。由于s(k)服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布，n(k)服从均值为0，方差为的高斯分布，因此，y(k)也服从圆对称高斯分布/>由此，卫星信号数据的检测统计量可以构建为：
由于采集的卫星信号以及信道都服从圆对称高斯分布，因此检测统计量的概率密度函数为：
其中，采集到的卫星信号的接受信噪比为
步骤3：考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限λ。
由于相控阵列天线具有从地平线到天顶的半球形覆盖范围，在卫星绕地球运动过程中，一旦卫星到达地平线上方，卫星地面站就会与卫星建立联系，并跟踪卫星的轨迹，直到卫星移动到地平线下方。考虑到卫星对地链路的可见性，频谱感知数学模型修正为：
其中，O0表示频谱感知设备检测到可用频谱，O1表示频谱感知设备未检测到可用频谱，即检测频段被占用，ε是固定偏差。由此，可以得出卫星信号检测的检测概率为：
其中，Q(·)为标准高斯互补分布函数，F(θe，s)为卫星对地链路可见判断函数，定义为：
其中，当θe，s＞90+ε时，F(θe，s)为1，即卫星对地链路可见；当θe，s≤90+ε时，F(θe，s)为0，即卫星对地链路不可见。λ为检测门限，可以计算得出其为：
步骤4，将检测统计量Y与检测门限λ进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知。
将步骤2由采集来的卫星信号数据得到的检测统计量同步骤3中检测门限进行比较，决策规则为：
当检测统计量Y大于等于检测门限λ时，检测到卫星信号，即该授权频段被占用；当检测统计量Y小于检测门限λ时，未检测到卫星信号，即该授权频段空闲。
下面结合仿真实验对本实施例的效果做进一步说明。
1、仿真条件：
本实施例的仿真实验是在MATLAB R2020a的仿真平台上进行的。计算机CPU型号为因特尔酷睿i5，搭载型号为英伟达T600独立显卡。仿真参数设置为：一维线性阵列由16根天线组成，频带中心频率为18.84GHz，LEO卫星的运行高度为1200Km，卫星的传输天线增益为30dBi，频谱感知设备的接收天线增益为37.2dBi，固定偏差ε为5，气体吸收衰减和云雾衰减Ag和Ac分别为2dB和1dB，固定发射功率为20dB，以及本实施例与现有其他卫星频谱感知技术进行对比时信噪比设置为-27dB。
2、仿真内容：
附图4是采用本实施例和现有其他卫星频谱感知技术的性能对比图。图4中的横坐标表示虚警概率，纵坐标表示检测概率。以星形标示的曲线表示本实施例相控阵列天线夹角为40度时的检测性能曲线，以菱形标示的曲线表示本实施例相控阵列天线夹角为20度时的检测性能曲线，以上三角形标示的曲线表示能量检测方法的检测性能曲线，以右三角形标示的曲线表示四阶矩感知方法的检测性能曲线，以圆圈标示的曲线表示频谱感知与识别方法的检测性能曲线。可以看出，在低信噪比下，与不考虑空间条件的基准方案相比，本实施例提出的方案具有最好的性能。结果表明，采用相控阵列天线可以提高检测性能，并且相控阵列天线的夹角越小，卫星信号的检测性能越好。
附图5是本实施例在不同信噪比下的信号检测性能对比图。横坐标表示卫星信号的信噪比，纵坐标表示检测概率。以右三角形标示的曲线表示当卫星信号样本数为10000情况下本实施例的检测性能曲线，以上三角形标示的曲线表示当卫星信号样本数为7000情况下本实施例的检测性能曲线，以星形标示的曲线表示当卫星信号样本数为5000情况下本实施例的检测性能曲线，以菱形标示的曲线表示当卫星信号样本数为3000情况下本实施例的检测性能曲线。通过比较不同信号样本数情况下的检测性能曲线图，可以看出，随着样本数量的增加，检测性能有所提高。原因在于卫星信号数据样本数越大，能获得的卫星信号的信息就越多。
附图6是本实施例在不同θe，s下的信号检测性能对比图。横坐标表示虚警概率，纵坐标表示检测概率。以菱形标示的曲线表示当θe，s为161.51度情况下本实施例的检测性能曲线，以星形标示的曲线表示当θe，s为132.94度情况下本实施例的检测性能曲线，以上三角形标示的曲线表示当θe，s为115.56度情况下本实施例的检测性能曲线，以右三角形标示的曲线表示当θe，s为104.32度情况下本实施例的检测性能曲线。可以看出，当卫星地面站到LEO卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角比较大时，检测性能更好，这是因为此时卫星发射信号到卫星地面站的传输距离较短，路径损耗较小，卫星信号的信噪比较大。
附图7是采用本实施例在不同卫星信号样本数下的信号检测性能对比图。横坐标表示卫星地面站到LEO卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角，纵坐标表示检测概率。以右三角形标示的曲线表示当卫星信号样本数为1500情况下本实施例的检测性能曲线，以上三角形标示的曲线表示当卫星信号样本数为1200情况下本实施例的检测性能曲线，以星形标示的曲线表示当卫星信号样本数为800情况下本实施例的检测性能曲线，以菱形标示的曲线表示当卫星信号样本数为300情况下本实施例的检测性能曲线。可以看出，随着卫星地面站到LEO卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角的增大，检测性能提升，并且随着卫星信号样本数增加，检测性能也有所提升。原因是随着卫星地面站到LEO卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角的增大，卫星向地面传输信号的路径损耗越小。
综合上述仿真结果和分析，本实施例所提出的基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法，充分考虑近地轨道卫星的实际移动以及卫星对地链路的可见性，提高了动态频谱环境中的卫星频谱感知性能，适应于实际的卫星通信系统，这使得本实施例在实际中能更好的得到应用。
实施例二
在另一实施例中，本发明提出了一种与实施例一所述的基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法相对应的卫星频谱感知系统，包括：
频谱感知设备，是由卫星地面站配备的若干相控阵列天线所形成的一维线性阵列天线，用于对实际移动的近地轨道卫星发送的信号数据进行采集；
处理设备，用于对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；
计算设备，用于考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；
判断设备，用于将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知。
其中，频谱感知设备将一维线性阵列天线中各个辐射阵元处理后的卫星信号数据求和叠加为一路信号。
处理设备具体包括假设模型建立单元和检测统计量计算单元，假设模型建立单元对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型，检测统计量计算单元将卫星数据能量和作为检测统计量。
计算设备具体包括修正单元和检测门限计算单元，修正单元考虑到卫星对地链路的可见性，对假设模型建立单元建立的频谱感知二元假设模型进行修正，检测门限计算单元计算卫星信号的检测门限。
具体地，频谱感知设备、假设模型建立单元、检测统计量计算单元、修正单元、检测门限计算单元和判断设备的具体工作流程与实施例一中各步骤相一致，故此处不再重复。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：卫星地面站配备若干相控阵列天线并形成一维线性阵列天线，所述一维线性阵列天线作为频谱感知设备对实际移动的近地轨道卫星发送的信号数据进行采集；
步骤2：对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；所述步骤2具体如下：
步骤2.1：对步骤1采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型：
H0:y(k)＝n(k),k＝1,2,...,K,
其中，H1表示卫星信号存在，H0表示卫星信号不存在；y(k)为频谱感知设备采集到的第k个采样信号；s(k)是近地轨道卫星发送的第k个信号，服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布；n(k)是加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布；K为采集的卫星信号总样本数；Ps为卫星信号发射功率，gs为信道增益；j是复数标志；/>为信道相位，表示随机变量服从0到2π的均匀分布；
步骤2.2：将卫星数据能量和作为检测统计量Y：
步骤3：考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；所述步骤3具体如下：
步骤3.1：考虑到卫星对地链路的可见性，将步骤2.1中建立的频谱感知二元假设模型修正为：
其中，O0表示频谱感知设备检测到可用频谱，O1表示频谱感知设备未检测到可用频谱；ε是固定偏差；θe,s是卫星地面站到近地轨道卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角；
步骤3.2：按照下式计算卫星信号的检测门限λ：
其中，γ为卫星信号的接受信噪比，为卫星信号检测的检测概率，卫星对地链路可见判断函数F(θe,s)为：
其中，当θe,s＞90+ε时，F(θe,s)为1，卫星对地链路可见；当θe,s≤90+ε时，F(θe,s)为0，卫星对地链路不可见；
步骤4：将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知；所述步骤4中，将检测统计量Y与检测门限λ进行比较，决策规则为：
其中，当检测统计量Y大于等于检测门限λ时，检测到卫星信号，授权频段被占用；当检测统计量Y小于检测门限λ时，未检测到卫星信号，授权频段空闲。
2.如权利要求1所述的一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法，其特征在于：所述步骤1中，将一维线性阵列天线中各个辐射阵元处理后的卫星信号数据求和叠加为一路信号。
3.一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知系统，其特征在于，包括：
频谱感知设备，是由卫星地面站配备的若干相控阵列天线所形成的一维线性阵列天线，用于对实际移动的近地轨道卫星发送的信号数据进行采集；
处理设备，用于对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，将数据能量和作为检测统计量；所述处理设备具体包括假设模型建立单元和检测统计量计算单元；
所述假设模型建立单元对频谱感知设备采集的卫星信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型：
H0:y(k)＝n(k),k＝1,2,...,K,
其中，H1表示卫星信号存在，H0表示卫星信号不存在；y(k)为频谱感知设备采集到的第k个采样信号；s(k)是近地轨道卫星发送的第k个信号，服从均值为0，单位方差的圆对称高斯分布；n(k)是加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布；K为采集的卫星信号总样本数；Ps为卫星信号发射功率，gs为信道增益；j是复数标志；/>为信道相位，表示随机变量服从0到2π的均匀分布；
所述检测统计量计算单元将卫星数据能量和作为检测统计量Y：
计算设备，用于考虑卫星对地链路的可见性，计算出卫星信号的检测门限；所述计算设备具体包括修正单元和检测门限计算单元；
所述修正单元考虑到卫星对地链路的可见性，将假设模型建立单元建立的频谱感知二元假设模型修正为：
其中，O0表示频谱感知设备检测到可用频谱，O1表示频谱感知设备未检测到可用频谱；ε是固定偏差；θe,s是卫星地面站到近地轨道卫星的连接线与卫星地面站到地球中心的连接线之间的夹角；
所述检测门限计算单元按照下式计算卫星信号的检测门限λ：
其中，γ为卫星信号的接受信噪比，为卫星信号检测的检测概率，卫星对地链路可见判断函数F(θe,s)为：
其中，当θe,s＞90+ε时，F(θe,s)为1，卫星对地链路可见；当θe,s≤90+ε时，F(θe,s)为0，卫星对地链路不可见；
判断设备，用于将检测统计量与检测门限进行比较，对卫星信号频段占用情况进行判断，完成频谱感知；所述判断设备将检测统计量Y与检测门限λ进行比较，决策规则为：
其中，当检测统计量Y大于等于检测门限λ时，检测到卫星信号，授权频段被占用；当检测统计量Y小于检测门限λ时，未检测到卫星信号，授权频段空闲。
4.如权利要求3所述的一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知系统，其特征在于：所述频谱感知设备将一维线性阵列天线中各个辐射阵元处理后的卫星信号数据求和叠加为一路信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310191915.4A CN116321465B (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310191915.4A CN116321465B (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116321465A CN116321465A (zh) | 2023-06-23 |
| CN116321465B true CN116321465B (zh) | 2023-12-01 |
Family
ID=86800722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310191915.4A Active CN116321465B (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116321465B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006019290A1 (en) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Stichting Astron | A method for installing an antenna of a satellite receiver on a celestial body, satellite receiver and control unit for such a satellite receiver |
| US10523312B1 (en) * | 2018-07-03 | 2019-12-31 | Asia Satellite Telecommunications Company Limited | High throughput satellites and methods of operating high throughput satellites for relaying data between low earth orbit satellites to endpoints |
| CN113472429A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-01 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 分布式卫星系统协同星间链路频谱感知方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016084050A1 (en) * | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Paris Michaels | Inter-satellite space communication system - method and apparatus |
| US11894911B2 (en) * | 2020-08-13 | 2024-02-06 | Santanu Dutta | Low earth orbit (LEO) satellite communication methods and systems using fractionated satellites and high-resolution spatial multiplexing |
-
2023
- 2023-02-28 CN CN202310191915.4A patent/CN116321465B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006019290A1 (en) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Stichting Astron | A method for installing an antenna of a satellite receiver on a celestial body, satellite receiver and control unit for such a satellite receiver |
| US10523312B1 (en) * | 2018-07-03 | 2019-12-31 | Asia Satellite Telecommunications Company Limited | High throughput satellites and methods of operating high throughput satellites for relaying data between low earth orbit satellites to endpoints |
| CN113472429A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-01 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 分布式卫星系统协同星间链路频谱感知方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 卫星移动通信中的电扫描阵列天线;宋卓颖;;信息技术(第11期);全文 * |
| 新一代卫星通信终端平板天线;郝才勇;张琪;刘元媛;;中国无线电(第09期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116321465A (zh) | 2023-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113131989B (zh) | 一种ngso星座系统频谱共享仿真时间参数设计方法 | |
| CN111366950B (zh) | 卫星导航压制式干扰与欺骗干扰的综合检测方法及系统 | |
| CN110519695B (zh) | 一种数据库辅助的卫星系统与地面蜂窝网络频谱共享方法 | |
| Cho et al. | Coexistence of 5G with satellite services in the millimeter-wave band | |
| WO2002091599A2 (en) | Method and apparatus for measuring adjacent satellite interference | |
| CN113067651B (zh) | 低轨卫星系统星座间干扰检测方法 | |
| CN115118363A (zh) | 一种基于空间位置概率的ngso卫星系统干扰与信道容量获得方法 | |
| CN103472462B (zh) | 多波瓣信号的处理方法和装置 | |
| CN113114397A (zh) | 卫星移动通信系统天地同频共用集总干扰估计方法 | |
| CN111786715A (zh) | 一种自动感知中国用户对卫星星座的体验质量的方法 | |
| CN111262617B (zh) | 一种基于多颗低轨卫星协作的频谱感知方法 | |
| CN109450570B (zh) | 一种基于角度互易的多馈源卫星频谱感知方法 | |
| CN114301510B (zh) | 一种6g低轨卫星网络基于星间距离约束的卫星部署方法 | |
| Liu et al. | Detection of spectrum misuse behavior in satellite-terrestrial spectrum sensing based on multi-hypothesis tests | |
| CN114785381A (zh) | 一种基于多波束卫星系统前向链路模型的干扰消除方法 | |
| CN107395299B (zh) | 一种450MHz频段卫星气象业务与铁路列调系统的干扰分析方法 | |
| CN116321465B (zh) | 一种基于相控阵列天线的卫星频谱感知方法及系统 | |
| Loo | Impairment of digital transmission through a Ka band satellite channel due to weather conditions | |
| CN117375746A (zh) | 引入gso影响的ngso星座间干扰评估与规避措施验证方法 | |
| CN113950065B (zh) | 一种基于保护区和定向天线的同频干扰抑制方法 | |
| CN114900223B (zh) | 基于受扰链路夹角的星间通信链路干扰规避方法 | |
| CN111372190B (zh) | 移动终端位置追踪的机器学习模型、方法、设备及存储介质 | |
| CN117675057A (zh) | 基于均匀平面阵列的低轨卫星对地面信号频谱感知方法 | |
| Feng et al. | Satellite-based spectrum sensing for dynamic spectrum sharing in ground-located CRNs | |
| Ren et al. | A Novel Cognitive Scheme based on Dual-threshold Energy Detection in Satellite Systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |