基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法技术

本发明专利技术属于卫星通信技术，具体地说，是一种基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法，包括波束成形设计和终端身份检测两部分：波束成形设计是在异步情况下，采用hadamard作为终端身份序列，终端发送信号到簇头，簇头经过波束成形把信号发送到卫星；终端身份检测是从接收到的序列中，把活跃的终端身份序列检测出来，估计信道系数，然后在接收到的序列中减去检测出来的活跃终端，一直迭代检测，最后通过能量检测设置一个判决门限，用于结束迭代。本发明专利技术解决了卫星在海量物联网终端和异步的场景下，终端身份序列难以被正确检测的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法


[0001]本专利技术属于卫星通信技术，具体地说，是一种基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法。

技术介绍

[0002]物联网(Internet ofthings,IoT)成为5G和即将到来的6G通信系统的关键驱动力，因为物联网网络可以实现万物互联的愿景。此外，到2025年，物联网终端的数量可能超过270亿，显示出巨大的发展潜力。然而，如此大规模的物联网终端给物联网网络带来了巨大的挑战，尤其是在孤立的地区，如海洋、山脉和沙漠。造成这些挑战的原因是，在偏僻地区部署物联网基站(Base station,BS)可能具有挑战性和不经济性。与人们主要居住的地区相比，这些偏僻地区高度依赖物联网网络，如环境监测、智能农业和海洋监测。此外，地面物联网BS可能会受到自然灾害的干扰，如洪水、地震和海啸。相比之下，在卫星上部署物联网BS可以被认为是地面物联网网络的补充和延伸，因为卫星可以克服上述孤立地区缺乏物联网BS的问题。此外，与地球静止轨道卫星相比，低地球轨道(Low earth orbit,LEO)卫星可能更适合物联网，因为低地球轨道卫星和物联网终端之间的距离要短很多。
[0003]卫星物联网技术的快速发展，同时也给卫星通信技术带来了巨大挑战，如何保证用户的服务质量，如何满足大规模用户接入的需求，都是亟需解决的问题。大规模机器类通信服务交通、自动化、医疗、工业和农业等多个行业，推动社会生产方式变革。而随机接入过程是实现大规模连接的关键，在大规模连接的情况下，频繁的冲突和突然的重传将会导致网络拥塞、延迟增加和资源浪费。为了减少拥塞和实现低时延，必须以高精度和低复杂性完成这个过程。一般而言，从几十或者几百个用户序列空间中检测活跃用户，可以通过精心的序列设计和详尽的序列搜索来实现，然而，在用户序列空间可能高达几十万甚至上百万的大规模访问场景中，要做到这一点是十分具有挑战性的，这样的检测令人想起大海捞针。因为不同活跃用户发送信号的时间不同，接入点接收到的用户序列也不是同步的，无疑又增大了在接收信号中正确检测出多个用户的难度。因此，关键的挑战是获得相对大的序列空间，同时获得可靠的检测。
[0004]在卫星物联网中，物联网终端可以通过直连方式或随机接入方式接入网络。直连模式下，由于可用的频率和传输时间资源不足，基于正交多址(如频分多址和时分多址)的海量物联网终端可能无法与卫星成功通信。因此，非正交多址(NOMA)成为一种可行的设计方案。然而，大量终端的随机接入会导致严重的同频干扰(CFI)，从而限制了接入容量。同时也为活跃终端检测增加了难度。
[0005]基于以上观点，这里研究的基于hadamard和波束成形的异步接入卫星物联网终端身份辨识方法，基于分簇的模式，物联网终端首先将数据发送给中继节点，中继节点再将接收到的数据转发给卫星，这种模式可以通过减少大量物联网终端同时传输造成的CFI，从而来提升传输能力。同时，可以通过对空间域资源的利用，生成波束，不同波束中的终端可以共享相同的频率资源，而不会产生严重的CFI。然后在卫星端进行活跃用户检测，选择
hadamard作为用户序列，hadamard码正交性好，检测复杂度低，可以得到较好的检测性能，并且用户序列可以唯一且明确地映射到用户身份标识，然后用最小二乘法进行信道估计，最后进行迭代干扰消除。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法，通过波束成形设计来抑制波束间的干扰，提高检测性能，提高系统容量；通过采用hadamard作为用户身份序列，利用hadamard有着良好的正交性，实现大规模场景下的活跃终端检测；最后可以在异步多用户的场景下，把每个活跃用户身份序列分离出来。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法，包括波束成形设计和终端身份检测两个部分，具体步骤如下：
[0009]步骤一、波束成形设计，包括物联网终端功率分配和波束成形矢量优化两部分：物联网终端功率分配，在物联网终端到簇头的传输过程中，以最大化总速率为目标函数，为满足传输需求，设置了信干噪比约束，假设每个簇头总功率固定，对信道条件好的终端少分配功率，然后求解优化函数，得到每个物联网终端的功率分配系数；波束成形矢量优化，在簇头到卫星的传输过程中，以最大化总速率为目标函数，设置波束成形矢量模值为1，然后求解优化函数，得到波束成形矢量；
[0010]步骤二、终端身份检测：对于某个波束的接收信号，先估计时延，然后在对应的时延处进行自相关性检测，再估计信道系数，然后在接受序列中减去估计的用户序列，最后与判决门限比较，看是否检测出全部用户。
[0011]具体的，所述步骤一中，包括物联网终端功率分配和波束成形矢量优化两部分：
[0012](1.1)不失一般性，对于第m个簇中N
m
‑
1终端将其数据发送到簇中，因此，在异步情况下，这个簇头接收到的信号可以写成：
[0013][0014]其中：a是hadamard码序列的阶数，(
·
)
j
表示序列的第j个符号，δ
max
是最大时延，N
m
是第m个波束内物联网终端的个数，α
m,n
是第m个簇内第n个终端的功率，s
m,n
是第m个簇内第n个终端的信号，采用hadamard序列，n
ch,m
是均值为零，方差为的加性高斯噪声，h
m,n
表示第m个簇内的第n个终端到簇头之间链路的瞬时信道状态信息。
[0015]然后，第m个簇的簇头将其接收到的数据和它自己的数据发送给卫星，第m个簇在卫星上接收到的信号可以表示为：
[0016][0017]其中，是簇头传输的信号，α
m,1
是分配给簇头的发射功
率，假设s
m,1
是簇头本身的信号，w
m
是第m个波束的波束成形矢量，h
m
是卫星和第m个簇头之间的信道模型。
[0018]为了提高终端到簇头链路的传输能力，采用优化功率分配方法，使每个集群的物联网终端到簇头链路的和速率最大化。此外，优化问题被表述为：
[0019][0020]其中，表示信干噪比阈值，表示第m个波束内的终端功率之和。通过求解这个优化问题，得到功率分配系数，用于下一步骤波束成形。
[0021](1.2)在功率分配的基础上，利用波束成形来最大化和速率。因此，设计的优化问题可以表述为：
[0022][0023]通过求解这个优化问题，我们可以得到波束成形矢量，最后就能得到卫星的接收信号。
[0024]具体的，所述步骤二中，在目前的场景下，对于时延的信息是一无所知的，假设时延不大的情况下，进行遍历每个时延，从而找到最佳的匹配时延，假设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法，其特征在于，包括波束成形设计和终端身份检测两个部分，具体步骤如下：步骤一、波束成形设计，包括物联网终端功率分配和波束成形矢量优化两部分：物联网终端功率分配，假设每个簇头总功率固定，对信道条件好的终端少分配功率，然后求解优化函数，得到每个物联网终端的功率分配系数；波束成形矢量优化，在簇头到卫星的传输过程中，以最大化总速率为目标函数，设置波束成形矢量模值为1，然后求解优化函数，得到波束成形矢量；步骤二、终端身份检测：对于某个波束的接收信号，先估计时延，然后在对应的时延处进行自相关性检测，再估计信道系数，然后在接受序列中减去估计的用户序列，最后与判决门限比较，看是否检测出全部用户。2.根据权利要求1所述的基于hadamard码和波束成形的终端身份辨识方法，其特征在于，所述步骤一的物联网终端功率分配具体包括以下流程：首先，对于第m个簇中N
m
‑
1终端将其数据发送到簇中，在异步情况下，簇头接收到的信号写成：其中，a是hadamard码序列的阶数，(
·
)
j
表示序列的第j个符号，δ
max
是最大时延，N
m
是第m个波束内物联网终端的个数，α
m,n
是第m个簇内第n个终端的功率，s
m,n
是第m个簇内第n个终端的信号，采用hadamard序列，n
ch,m
是均值为零，方差为的加性高斯噪声，h
m,n
表示第m个簇内的第n个终端到簇头之间链路的瞬时信道状态信息；然后，第m个簇的簇头将其接收到的数据和它自己的数据发送给卫星，第m个簇在卫星上接收到的信号表示为：其中，是簇头传输的信号，α
m,1
是分配给簇头的发射功率，假设s
m,1
是簇头本身的信号，w
m
是第m个波束的波束成形矢量，h
m
是卫星和第m个簇头之间的信道模型；此外，优化问题被表述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐胜华，丁晓进，张更新，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：