面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法技术

本发明专利技术提出了一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，该方法包括：接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图；接收端卫星在第个时隙接收到的信号为；估计卫星接收到的碰撞信号中所有信号的波达方向；依据碰撞信号波达方向，计算第个时隙所生成辅助波束的最优指向；卫星依据常规波束形成参数及辅助波束最优指向生成辅助波束方向图；以及利用常规波束及辅助波束配合完成碰撞信号的分离接收。本发明专利技术引入波束形成技术，提出面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，将其应用于传统随机接入技术中，在接收端数据包发生碰撞的情况下，尽可能地分离碰撞数据包，提升系统吞吐量，降低系统丢包率。降低系统丢包率。降低系统丢包率。

【技术实现步骤摘要】
面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法


[0001]本专利技术属于卫星通信
，尤其涉及一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法。

技术介绍

[0002]卫星通信具有不受地理环境限制、覆盖范围广、传播距离远以及传播时延长等特点，因此能够弥补传统地面物联网地理条件受限的缺陷，是我国卫星互联网的重要组成部分。然而，在低轨卫星物联网场景下，由于卫星覆盖范围大、终端数量多，而终端具有低功耗、轻控制的特性，这就导致终端接入约束与大容量非正交多址接入需求之间的出现矛盾，将会带来接收端接收数据包碰撞的问题，大大降低了系统吞吐量。
[0003]传统随机接入技术会采用确认机制，数据包发送失败会随机选取时间段重发，严重增加了卫星终端的接入时延及功耗，且系统吞吐量较低。借鉴非正交多址接入的串行干扰消除技术思想，提出容碰撞的随机接入技术。现有的一类容碰撞随机接入技术基于竞争解决的分集时隙接入方式，利用时间域上的分集特性，通过数据包副本采用迭代干扰消除技术从而提高数据包成功接收概率，从而提高了系统的吞吐量。然而其容忍碰撞的接收条件是具有无碰撞的时隙，则在中、高负载时无法获得无碰撞数据包触发分离过程，所以在面对大量用户接入的情况下性能较低，当负载增加时，系统吞吐量仍然会急剧下降。而另一类基于功率捕获的竞争解决随机接入方式，引入功率域维度提升竞争空间，利用功率分集、功率控制及接收端功率捕获效应，结合CRDSA协议提升系统吞吐量性能。然而该方式需要碰撞信号信噪比差异满足功率域信号分离条件，但是地面无线网络中的远近效应、功率控制、用户配对等条件在卫星物联网均不适用，因此，如何提高碰撞信号信噪比差异使其满足分离阈值是需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是，引入波束形成技术，提出面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，将其应用于传统随机接入技术中，在接收端数据包发生碰撞的情况下，尽可能地分离碰撞数据包，提升系统吞吐量，降低系统丢包率。
[0005]为实现以上目的，本专利技术提供了一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，包括以下步骤：步骤 1、接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图；步骤 2、接收端卫星在第个时隙接收到的信号为，其中，，为总的时隙个数，再对每个时隙进行碰撞信号检测，检测到有碰撞信号的时隙接收到的碰撞信号为，其中，；步骤 3、估计步骤2卫星接收到的碰撞信号中所有信号的波达方向，其中，，为检测出第个时隙中碰撞信号的个数；
步骤 4、依据步骤3估计的碰撞信号波达方向，计算第个时隙所生成辅助波束的最优指向；步骤 5、卫星依据步骤1的常规波束形成参数及步骤4所得的辅助波束最优指向生成辅助波束方向图；以及步骤 6、利用步骤1所生成的常规波束及步骤5所生成的辅助波束配合完成碰撞信号的分离接收，其中，为第个时隙中第个碰撞数据信号，，为检测出第个时隙中碰撞信号的个数。
[0006]本专利技术的进一步改进在于，在步骤1中，卫星根据系统设计生成上行接收波束，采用常规波束形成，得到常规波束方向图表示为：
[0007]其中，为常规波束导向矢量，常规波束阵列权矢量为，为常规波束期望信号来波方向，表示取绝对值，表示矩阵共轭转置。
[0008]本专利技术的进一步改进在于，在步骤2中，卫星物联网采用时隙ALOHA接入方式，数据帧内共有个时隙，在接收端接收到有数据的时隙有个，对每个有数据的时隙进行碰撞信号检测，检测到有碰撞数据包的时隙有个，对于第个碰撞时隙有个数据包发生碰撞，则接收机接收到的第个时隙的碰撞信号表示为：
[0009]其中，为第个时隙碰撞数据包个数，为信道增益，为第个碰撞信号的接收增益，为第个碰撞信号的发射功率，为第个时隙中第个碰撞数据信号，为加性高斯白噪声。
[0010]本专利技术的进一步改进在于，步骤3进一步包括以下步骤：步骤3a）、根据步骤1的上行接收波束阵列所接收的个快拍数据，对接收信号进行采样可得：，其中，为阵列数据矢量，，为阵列噪声向量，；为信号复包络向量，，为第个信源的复包络，为阵列流形矩阵，，其中，为第个信源的导向矢量；步骤3b）、根据个接收信号矢量得到协方差矩阵的估计值为：
；步骤3c）、对估计协方差矩阵进行特征值分解，可得，其中，特征值对角阵为，特征向量空间为；步骤3d）、按特征值的大小排序，与信号相关的前个较大特征值对应的特征向量构成信号子空间，前个较大特征值构成对角阵，将剩余的个特征值对应的特征向量看作是噪声子空间，剩余的个特征值构成对角阵，得到；步骤3e）、阵列空间谱函数为：，其中，为导向矢量，为波达方向估计变量，表示矩阵共轭转置，对进行遍历搜索寻找谱峰；以及步骤3f）、通过步骤3e）对谱峰的搜索，得到碰撞信号中所有信号的波达方向估计值。
[0011]本专利技术的进一步改进在于，在步骤3中，对进行遍历搜索寻找谱峰的具体步骤如下：步骤S1，以步长对进行遍历，计算第个对应的阵列空间谱的值；步骤S2，设置空间谱的判决门限为，若，则执行步骤S3，否则，为非谱峰值；以及步骤S3，依次将步骤S2超过判决门限的空间谱值临近的三个值、和进行比较，若且，则该为拐点，为谱峰值，输出当前的，否则，该点为非拐点，为非谱峰值。
[0012]本专利技术的进一步改进在于，步骤4进一步包括以下步骤：步骤4a）、依据碰撞数据包的波达方向及碰撞信号在辅助波束中获得的功率增益，计算碰撞信号载干噪比，可表示为：
，其中，接收天线功率增益，为辅助波束阵列权矢量，为辅助波束导向矢量，表示取绝对值，表示矩阵共轭转置，为第个功率较强碰撞信号的接收增益，为第个功率较弱碰撞信号的接收增益，，为等效噪声功率，为终端发射功率，为终端发射增益，为自由空间路径损耗；步骤4b）、以步骤4a）中碰撞信号载干噪比最大化为目标，建立数学模型求解第个时隙辅助波束的最优指向，可表示为：可表示为：其中，为第个时隙碰撞数据包个数，为碰撞信号对编号的集合，为解调门限，为常规波束的主瓣宽度；优化问题以强信号载干噪比的最大值为优化目标，约束条件1为强信号载干噪比的限制条件，即强信号载干噪比需大于解调门限，约束条件2为辅助波束指向的限制条件，即辅助波束指向的变化需在主瓣宽度范围内；以及步骤4c）、对于步骤4b）所建立的数学模型，引入遗传算法进行求解。
[0013]本专利技术的进一步改进在于，步骤4c）进一步由以下步骤实现：步骤S1，将步骤4a）中碰撞信号载干噪比映射为适应度函数；步骤S2，设置种群规模为，最大迭代次数为，种群中包含个个体，每个个体包括一个参变量辅助波束指向，其中，表示当前种群中每个个体编号，表示种群迭代次数，，，创建初始种群；步骤S3，设置交叉概率为，变异概率为，步骤S2中辅助波束指向的约束为，其中，为常规波束的主瓣宽度，步骤S1中以碰撞信号载干噪比最大值为目标函数；步骤S4，计算步骤S2创建的初始种群中每个个体所对应适应度函数值；步骤S5，依据步骤S4得到个体的适应度值为，采用轮盘赌选择方式选取适应度值高的个优良个体，个体被选取为优良个体繁殖给下一代的概率为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤 1、接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图；步骤 2、接收端卫星在第个时隙接收到的信号为，其中，，为总的时隙个数，再对每个时隙进行碰撞信号检测，检测到有碰撞信号的时隙接收到的碰撞信号为，其中，；步骤 3、估计步骤2卫星接收到的碰撞信号中所有信号的波达方向，其中，，为检测出第个时隙中碰撞信号的个数；步骤 4、依据步骤3估计的碰撞信号波达方向，计算第个时隙所生成辅助波束的最优指向；步骤 5、卫星依据步骤1的常规波束形成参数及步骤4所得的辅助波束最优指向生成辅助波束方向图；以及步骤 6、利用步骤1所生成的常规波束及步骤5所生成的辅助波束配合完成碰撞信号的分离接收，其中，为第个时隙中第个碰撞数据信号，，为检测出第个时隙中碰撞信号的个数。2.根据权利要求1所述的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于：在步骤1中，卫星根据系统设计生成上行接收波束，采用常规波束形成，得到常规波束方向图表示为：其中，为常规波束导向矢量，常规波束阵列权矢量为，为常规波束期望信号来波方向，表示取绝对值，表示矩阵共轭转置。3.根据权利要求2所述的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于：在步骤2中，卫星物联网采用时隙ALOHA接入方式，数据帧内共有个时隙，在接收端接收到有数据的时隙有个，对每个有数据的时隙进行碰撞信号检测，检测到有碰撞数据包的时隙有个，对于第个碰撞时隙有个数据包发生碰撞，则接收机接收到的第个时隙的碰撞信号表示为：其中，为第个时隙碰撞数据包个数，为信道增益，为第个碰撞信号的接收增益，为第个碰撞信号的发射功率，为第个时隙中第个碰撞数据信号，为加性高斯白噪声。4.根据权利要求2所述的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于：步骤3进一步包括以下步骤：步骤3a）、根据步骤1的上行接收波束阵列所接收的个快拍数据，对接收信号进行采样
可得：，其中，为阵列数据矢量，，为阵列噪声向量，；为信号复包络向量，，为第个信源的复包络，为阵列流形矩阵，，其中，为第个信源的导向矢量；步骤3b）、根据个接收信号矢量得到协方差矩阵的估计值为：；步骤3c）、对估计协方差矩阵进行特征值分解，可得，其中，特征值对角阵为，特征向量空间为；步骤3d）、按特征值的大小排序，与信号相关的前个较大特征值对应的特征向量构成信号子空间，前个较大特征值构成对角阵，将剩余的个特征值对应的特征向量看作是噪声子空间，剩余的个特征值构成对角阵，得到；步骤3e）、阵列空间谱函数为：，其中，为导向矢量，为波达方向估计变量，表示矩阵共轭转置，对进行遍历搜索寻找谱峰；以及步骤3f）、通过步骤3e）对谱峰的搜索，得到碰撞信号中所有信号的波达方向估计值。5.根据权利要求4所述的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于：在步骤3中，对进行遍历搜索寻找谱峰的具体步骤如下：步骤S1，以步长对进行遍历，计算第个对应的阵列空间谱的值；步骤S2，设置空间谱的判决门限为，若，则执行步骤S3，否则，为非谱峰值；以及步骤S3，依次将步骤S2超过判决门限的空间谱值临近的三个值
、和进行比较，若且，则该为拐点，为谱峰值，输出当前的，否则，该点为非拐点，为非谱峰值。6.根据权利要求4所述的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，其特征在于：步骤4进一步包括以下步骤：步骤4a）、依据碰撞数据包的波达方向及碰撞信号在辅助波束中获得的功率增益，计算碰撞信号载干噪比，可表示为：，其中，接收天线功率增益，为辅助波束阵列权矢量，为辅助波束导向矢量，表示取绝对值，表示矩阵共...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘子威，徐圆圆，张更新，洪涛，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：