一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。卫星采用了每束多馈源的多波束技术，增加了卫星通信系统容量。卫星覆盖多个区域，每个区域内部用户共享同一个波束。信关站将采集到的信道信息通过馈电回路发送给卫星，卫星根据接收的信道信息，再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发射出去，从而减少波束间干扰。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。本发明专利技术为实现全球无缝连接的大规模物联网提供了一种有效的无线接入方法。

A large scale access method based on low orbit multibeam satellite

【技术实现步骤摘要】
一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。
技术介绍
近年来，互联网带动了物联网的高速发展，并且正在改变着全世界的各行各业，比如智慧医疗，智慧农业，制造业和工业等等。传统的物联网技术比如WiFi，NB-IoT和LoRa等接入技术只够满足在城市以及一些普通的工作场所的通信需求。然而由于一些极端的地理环境和经济成本的考虑，要在诸如海洋和山峰这些地方建立传统的物联网网络是很难实现的。在这种情况下，卫星物联网被认为是能够补偿陆地物联网的一种有效技术，卫星上的多波束技术能够大大提高卫星通信容量。并且许多公司例如SpaceX已经尝试发射一些卫星来实现全球互联网服务。而其中低轨道卫星又由于其低延时和低功耗的优势成为了卫星物联网的最佳选择。未来的无线网络将需要支持大规模设备的同时接入。在当前广泛采用的正交多接入技术中，如时分复用多接入(TDMA)、频分复用多接入(FDMA)和码分复用接入(CDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。由于无线资源的稀缺性，传统的正交多接入技术很难支持大规模用户的同时接入。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，并未广泛认为是5G等未来宽带无线通信系统的关键技术之一。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，当接入用户数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。因此需要将用户分为多个簇(即卫星波束覆盖区域)，并只在每个簇内进行串行干扰抵消，从而有效降低了用户的计算复杂度。然而，不同簇之间又会产生新的簇间干扰。为了进一步提高非正交多接入技术的性能，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道卫星物联网，能够有效的弥补陆地物联网的不足，从而实现全球覆盖。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述方案中物联网覆盖范围有限、卫星通信能够容纳的用户较少等问题，提出了一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法。本专利技术所采用的具体技术方案如下:一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其包括如下步骤：1)所有用户根据所属区域不同，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Nm个用户；2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息hm,n，然后通过反馈链路发送给卫星；3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号sm,n设计功率分配因子αm,n，并且为第m个区域设计发射波束wm；4)根据簇间功率分配因子αm,n，卫星将第m区域内的所有用户的信号进行叠加编码，得到信号xm；再基于发射波束wm对叠加编码后的信号xm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)用户接收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，然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。步骤3)中的发射波束设计方法为：a)初始化波束其中为上一轮迭代中的可行点，Pmax为基站最大发射功率，区域间功率分配因子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根据其中Am,n是Zm,n的实部，Bm,n是Zm,n的虚部；令μm,n||Qm,n||≤ym,n；其中是信关站获取的不完美信道状态信息，em,n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，Cm,n为自相关矩阵，γm,n是第m个区域第n个用户的最小信干噪比要求，下标[i,j]代表矩阵的第i行第j列元素，f1(Am,n)和f2(Bm,n)是两种线性变换，其中K是卫星天线数，ηm,n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，pm,n是第m个区域第n个用户无法满足信干噪比要求的中断概率，xm,n和ym,n是辅助参数，Zm,n、Qm,n、rm,n、om,n和μm,n均为中间变量；是信道噪声功率；tr(·)是指矩阵的迹；c)利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的矩阵Wm，直到矩阵Wm的秩逼近1时，得到最终的发射波束wm。步骤c)中，每轮迭代过程中都采用内点法或直接调用CVX工具包求解。步骤4)中的叠加编码方法为：卫星为第m个区域构造发射信号其中αm,n是簇间功率分配因子；然后构建总的发射信号为其中wm为第m个区域的发射波束。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。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术提出的低轨道多波束卫星大规模接入方法，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，具有实现复杂度低、频谱效率高、能有效抑制干扰等优点。附图说明图1是低轨道多波束卫星大规模接入方法的框图；图2是在不同中断概率时，本专利技术所设计方法系统所需最小传输功率比较；图3是本专利技术方法与传统正交多接入、迫零波束成形和现有鲁棒方法的系统所需最小传输功率比较；具体实施方式基于低轨道多波束卫星大规模接入的系统框图如图1所示，卫星有Nt根天线，每个用户配置1根天线。不同波束区域内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。卫星地球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，并且基于部分信道状态信息为每个区域的用户信号设计鲁棒发射波束。用户接收到信号后，对区域内信号进行串行干扰抵消，以进一步减少干扰，提高系统的性能。本专利技术中一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，步骤如下：1)所有用户根据所属区域不同，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Nm个用户。2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息hm,n，然后通过反馈链路发送给卫星。3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号sm,n设计功率分配因子αm,n，并且为第m个区域设计发射波束wm。本步骤中的发射波束设计方法具体为：a)初始化波束其中为上一轮迭代中的可行点，Pmax为基站最大发射功率，区域间功率分配因子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根据其中Am,n是Zm,n的实部，Bm,n是Zm,n的虚部；令μm,n||Qm,n||≤ym,n；其中是信关站获取的不完美信道状态信息，em,n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，Cm,n为自相关矩阵，γm,n是第m个区域第n个用户的最小信干噪比要求，下标[i,j]代表矩阵的第i行第j列元素，f1(Am,n)和f2(Bm,n)是两种线性变换。其中其中K是卫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其特征在于包括如下步骤：/n1)所有用户根据所属区域不同，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N

【技术特征摘要】
1.一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其特征在于包括如下步骤：
1)所有用户根据所属区域不同，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Nm个用户；
2)信关站通过信道估计，获得第m个簇内第n个用户的信道状态信息hm,n，然后通过反馈链路发送给卫星；
3)卫星根据信关站发来的信道状态信息，为第m个区域中第n个用户的信号sm,n设计功率分配因子αm,n，并且为第m个区域设计发射波束wm；
4)根据簇间功率分配因子αm,n，卫星将第m区域内的所有用户的信号进行叠加编码，得到信号xm；再基于发射波束wm对叠加编码后的信号xm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)用户接收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，然后对自身信号进行解码。


2.根据权利要求1所述的一种基于低轨道多波束卫星的大规模接入方法，其特征在于步骤3)中的发射波束设计方法为：
a)初始化波束其中为上一轮迭代中的可行点，Pmax为基站最大发射功率，区域间功率分配因子
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根据其中Am,n是Zm,n的实部，Bm,n是Zm,n的虚部；

令
其中是信关站获取的不完美信道状态信息，em,n是信道的相位误差，是信道相位误差的协方差矩阵,为误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚建杭，陈晓明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33