面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法

1.本发明属于无线电技术领域，特别是涉及面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法。


背景技术：

2.针对未来6g网络全球覆盖、随时接入、按需服务的无缝信息服务要求，星地融合网络(integrated satellite terrestrial communication network，istcn)通过有机整合卫星系统和地面网络优点，能够很好的满足这一要求，已成为未来无线通信系统的发展趋势，也是国家科技创新有关部署重点专项之一。然而，星地融合网络是典型的资源受限系统，面对终端数量指数爆发，无线通信资源竞争愈发激烈，需要频谱效率和能量效率更高、连接密度更大、接入方式更灵活的新型多直接入技术。同时，考虑到istcn中地面小区的流量需求具有分布不均匀性和时变性。在istcn中，请求服务的终端数量和可用的频谱资源是时变的，单一的多址方式不能充分利用宝贵的频谱资源。为了解决上述问题，本发明通过整合有前景认知无线电和非正交多址接入技术，提出了基于频谱共享的自适应动态多址接入技术，来匹配istcn中业务需求和可用频谱资源不均匀分布且时变特性，提高了频谱利用率和接入密度。


技术实现要素：

3.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法。在星地融合网络中，地面小区的流量需求空间分布不均匀且时变，同时卫星终端可利用的频谱资源也不再是固定分配的。考虑需求和资源同时分布不均与和动态时变特性，设计自适应非正交多址接入方案。
4.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法，所述方法包括以下步骤：
5.步骤一：卫星控制中心首先分析某一时隙内的地面流量需求，在这一过程中，卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞；
6.步骤二：在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端获得地面终端频谱使用情况，并将其感知结果报告给统一的融合中心；
7.步骤三：融合中心根据卫星终端感知到的可用频谱资源，对所有终端信道进行分析，根据终端的业务需求和通信服务质量qos分配最适合接入的信道；
8.步骤四：星地融合网络中，卫星控制中心和地面基站协作，使卫星终端和地面终端能够共享相同的频谱资源；
9.步骤五：判断卫星终端是否可以继续使用频谱资源，假设卫星终端仅暂时使用地面终端的频谱资源，如果地面终端想要在卫星终端的数据传输过程中恢复通信，卫星终端则转移到另一个空闲的频谱资源；
10.步骤六：卫星控制中心和地面站共同选择非正交多址接入的频谱共享模式；
11.步骤七：卫星控制中心根据当前时隙可利用的频谱资源以及请求接入的终端数量，分析和决定非正交多址接入的过载因子；
12.步骤八：卫星控制中心根据过载因子，确定每一个资源块上的终端数量k；k个用户利用一层速率分裂技术将自己的数据分为共有数据w
k,c
和私有数据w
k,p
；其中，私有数据被编码到数据流k个用户的公共数据合成w
k,c
被编码到数据流s0，总的数据流为s＝[s0,s1,...,sk]；
[0013]
步骤九：卫星控制中心用预编码矩阵对总的数据流s＝[s0,s1,...,sk]进行线性预编码，
[0014][0015]
通过对线性预编码矩阵p进行优化，来获得最优的系统性能；
[0016]
步骤十：那么在接收端，第k个用户接收到的信号可以表示为：
[0017][0018]
其中，是形成当前波束的天线整列和用户k之间的信道增益；用户k首先把所有自私有的数据当作干扰，对公共数据数据流s0进行解调；在用户k处解调数据流s0的sinr为，
[0019][0020]
步骤十一：一旦sk被成功解码，它对原始接收信号yk的贡献就被减去，之后，用户k通过将其他用户的私有数据流视为噪声来解码自己的私有数据流sk；在用户k处解码私有数据流sk的sinr是，
[0021][0022]
用户k相应的公共数据和私有数据可实现速率表示为r
k,0
＝log2(1+γ
k,0
)和rk＝log2(1+γk)；s0的实际信息传输速率r0不应超过r
k,0
,k∈k，即r0＝min{r
1,0
,...r
k,0
}；那么所有用户的加权和速率可以表示为r
tot
＝r0+∑
k∈krk
。
[0023]
进一步地，所述的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入。
[0024]
进一步地，用ρ＝k
tot
/n
tot
表示过载因子，其中n
tot
和k
tot
分别表示时频资源块的数量和用户数。
[0025]
本发明的有益效果为：
[0026]
(1)针对星地融合网络场景，建立了istcn的非均匀分布和时变资源模型与流量需求模型，其中地面终端被视为主用户，卫星终端被视为次级用户(感知终端)。
[0027]
(2)在星地融合网络场景下，结合频谱共享和rsma技术，根据卫星终端和卫星可用
资源的数量自适应调整一个时频资源块上采用rsma技术接入的终端数量，提高频谱资源利用率和终端接入密度。
[0028]
(3)因为rsma技术接收端检测算法采用一层连续干扰消除算法，系统复杂度随着终端数量增加而线性增加，检测算法复杂度明显低于其他非正交接入技术。因此，本发明算法在提升系统的频谱效率和接入密度的同时，具有较低的复杂度。
附图说明
[0029]
图1为星地融合网络系统架构示意图。
[0030]
图2为基于频谱共享的自适应非正交多址接入示意图。
[0031]
图3为速率分裂的k用户结构系统示意图。
[0032]
图4为速率分裂的k用户传输模型图。
[0033]
图5为下行系统容量与每个小区平均终端数之间的关系图。
具体实施方式
[0034]
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0035]
一种面向星地融合网络基于频谱共享理念的接入系统如图1所示，与地面网络和卫星系统相比，istcn可以更好地分配通信资源，提高资源效率。卫星的覆盖范围分为很多小区，每个卫星窄波束可以服务一个小区，多波束卫星共同服务地面小区，形成每个波束的天线子阵列有n根天线。地面终端和卫星终端共享相同的频谱资源，融合中心收集卫星终端感知的系统资源信息，并报告给卫星控制中心进行统一分配，在本发明中，考虑到与卫星通信相比，地面通信更方便、成本更低，规定地面终端作为主要用户，卫星终端作为感知用户。
[0036]
本发明提出面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法，所述方法包括以下步骤：
[0037]
步骤一：卫星控制中心首先分析某一时隙内的地面流量需求，在这一过程中，卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞；
[0038]
步骤二：在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端获得地面终端频谱使用情况，并将其感知结果报告给统一的融合中心；
[0039]
步骤三：融合中心根据卫星终端感知到的可用频谱资源，对所有终端信道进行分析，根据终端的业务需求和通信服务质量(quality ofservice，qos)分配最适合接入的信道；
[0040]
步骤四：星地融合网络中，卫星控制中心和地面基站协作，使卫星终端和地面终端能够共享相同的频谱资源；常见的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入，如图2右边所示。
[0041]
步骤五：判断卫星终端是否可以继续使用频谱资源，假设卫星终端仅暂时使用地面终端的频谱资源，如果地面终端想要在卫星终端的数据传输过程中恢复通信，卫星终端则转移到另一个空闲的频谱资源；
[0042]
步骤六：卫星控制中心和地面站共同选择非正交多址接入的频谱共享模式；
[0043]
步骤七：卫星控制中心根据当前时隙可利用的频谱资源以及请求接入的终端数量，分析和决定非正交多址接入的过载因子；用ρ＝k
tot
/n
tot
表示过载因子，其中n
tot
和k
tot
分别表示时频资源块的数量和用户数；
[0044]
步骤八：卫星控制中心根据过载因子，确定每一个资源块上的终端数量k；详细传输方案如图3和图4所示，k个用户利用一层速率分裂技术将自己的数据分为共有数据w
k,c
和私有数据w
k,p
；其中，私有数据被编码到数据流k个用户的公共数据合成w
k,c
被编码到数据流s0，总的数据流为s＝[s0,s1,...,sk]；
[0045]
步骤九：卫星控制中心用预编码矩阵对总的数据流s＝[s0,s1,...,sk]进行线性预编码，
[0046][0047]
通过对线性预编码矩阵p进行优化，来获得最优的系统性能；
[0048]
步骤十：那么在接收端，第k个用户接收到的信号可以表示为：
[0049][0050]
其中，是形成当前波束的天线整列和用户k之间的信道增益；用户k首先把所有自私有的数据当作干扰，对公共数据数据流s0进行解调；在用户k处解调数据流s0的sinr为，
[0051][0052]
步骤十一：一旦sk被成功解码，它对原始接收信号yk的贡献就被减去，之后，用户k通过将其他用户的私有数据流视为噪声来解码自己的私有数据流sk；在用户k处解码私有数据流sk的sinr是，
[0053][0054]
用户k相应的公共数据和私有数据可实现速率表示为r
k,0
＝log2(1+γ
k,0
)和rk＝log2(1+γk)；为了确保所有用户都能成功解码公共数据流，s0的实际信息传输速率r0不应超过r
k,0
,k∈k，即r0＝min{r
1,0
,...r
k,0
}；那么所有用户的加权和速率可以表示为r
tot
＝r0+∑
k∈krk
。
[0055]
实施例
[0056]
一种面向星地融合网络基于频谱共享理念的接入系统如图1所示，卫星的覆盖范围分为很多小区，每个卫星窄波束可以服务一个小区，形成每个波束的天线子阵列有n根天线，地面终端和卫星终端共享相同的频谱资源。假设20颗卫星服务240个小区，每颗卫星激活4个波束，每个卫星波束直径为100公里，卫星轨道高度设置为600km。卫星收发天线的增益为30db，发射功率为10w，总发射功率被有卫星波束均匀分配。在istcn中，卫星工作频率
为2.4ghz，总带宽为5mhz，子载波带宽为100khz。卫星终端收发天线增益有四种，分别为0db、5db、10db和15db。地面终端当前时隙所占用的载波数量在[10，40]上服从均匀分布。
[0057]
本发明方法流程通过如下步骤实现：
[0058]
步骤一：卫星控制中心会首先分析某一时隙内的地面流量需求。在这一过程中，卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞。在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端将其感知结果报告给统一的融合中心。在分布式协作频谱感知模式中，卫星终端作为融合中心交换感知结果并决定频谱资源分配。
[0059]
步骤二：卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞。在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端将其感知结果报告给统一的融合中心。在分布式协作频谱感知模式中，卫星终端作为融合中心交换感知结果并决定频谱资源分配。
[0060]
步骤三：融合中心根据卫星终端感知到的可用频谱资源，对所有终端信道进行分析，根据终端的业务需求和通信qos分配最适合接入的信道。
[0061]
步骤四：星地融合网络中，卫星控制中心和地面基站写作，使卫星终端和地面终端能够共享相同的频谱资源。常见的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入，如图2右边所示。
[0062]
步骤五：判断卫星终端是否可以继续使用频谱资源。假设卫星终端仅暂时使用地面终端的频谱资源，如果地面终端想要在卫星终端的数据传输过程中恢复通信，卫星终端就不得不转移到另一个空闲的频谱资源。
[0063]
步骤六：卫星控制中心和地面站共同选择非正交多址接入的频谱共享模式。
[0064]
步骤七：卫星控制中心根据当前时隙可利用的频谱资源以及请求接入的终端数量，分析和决定非正交多址接入的过载因子。为了简单起见，用ρ＝k
tot
/n
tot
表示过载因子，其中n
tot
和k
tot
分别表示时频资源块的数量和用户数。
[0065]
步骤八：卫星控制中心根据过载因子，确定每一个资源块上的终端数量k。详细传输方案如图3和图4所示。k个用户利用一层速率分裂技术将自己的数据分为共有数据w
k,c
和私有数据w
k,p
。其中，私有数据被编码到数据流k个用户的公共数据合成w
k,c
被编码到数据流s0，总的数据流为s＝[s0,s1,...,sk]。
[0066]
步骤九：然后控制卫星控制中心用预编码矩阵对总的数据流s＝[s0,s1,...,sk]进行线性预编码，
[0067][0068]
通过对线性预编码矩阵p进行优化，来获得最优的系统性能。
[0069]
步骤十：那么在接收端，第k个用户接受到的信号可以表示为：
[0070][0071]
用户k首先把所有自私有的数据当作干扰，对公共数据数据流s0进行解调。在用户k处解调数据流s0的sinr为，
[0072][0073]
步骤十一：一旦sk被成功解码，它对原始接收信号yk的贡献就被减去。之后，用户k通过将其他用户的私有数据流视为噪声来解码自己的私有数据流sk。在用户k处解码私有数据流sk的sinr是，
[0074][0075]
用户k相应的公共数据和私有数据可实现速率表示为r
k,0
＝log2(1+γ
k,0
)和rk＝log2(1+γk)。应该注意的是，为了确保所有用户都能成功解码公共数据流，s0的实际信息传输速率r0不应超过r
k,0
,k∈k，即r0＝min{r
1,0
,...r
k,0
}。那么所有用户的加权和速率可以表示为r
tot
＝r0+∑
k∈krk
。
[0076]
图5仿真了下行系统中自适应非正交多址接方法和正交多址接入方法相比较。可以看到，在相同的仿真参数下，自适应非正交多址接入方法性能由于正交多址接入方法。随着终端用户数量的增加，自适应非正交多址接入方法相对于正交多址接入方法的优势更加明显。这是因为当终端数量不断增加，受限于卫星终端可利用的频谱资源，正交多址接入方案中多余的用户将无法接入通信系统，然而自适应非正交多址接入方案仍然可以继续为多余用户提供接入。

技术特征：
1.面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：卫星控制中心首先分析某一时隙内的地面流量需求，在这一过程中，卫星终端协同捕获周围环境中地面终端的状态信息，实时检测频谱空洞；步骤二：在集中式协作频谱感知模式下，卫星终端获得地面终端频谱使用情况，并将其感知结果报告给统一的融合中心；步骤三：融合中心根据卫星终端感知到的可用频谱资源，对所有终端信道进行分析，根据终端的业务需求和通信服务质量qos分配最适合接入的信道；步骤四：星地融合网络中，卫星控制中心和地面基站协作，使卫星终端和地面终端能够共享相同的频谱资源；步骤五：判断卫星终端是否可以继续使用频谱资源，假设卫星终端仅暂时使用地面终端的频谱资源，如果地面终端想要在卫星终端的数据传输过程中恢复通信，卫星终端则转移到另一个空闲的频谱资源；步骤六：卫星控制中心和地面站共同选择非正交多址接入的频谱共享模式；步骤七：卫星控制中心根据当前时隙可利用的频谱资源以及请求接入的终端数量，分析和决定非正交多址接入的过载因子；步骤八：卫星控制中心根据过载因子，确定每一个资源块上的终端数量k；k个用户利用一层速率分裂技术将自己的数据分为共有数据w
k,c
和私有数据w
k,p
；其中，私有数据w
p,c
,被编码到数据流s
k
,k个用户的公共数据合成w
k,c
被编码到数据流s0，总的数据流为s＝[s0,s1,...,s
k
]；步骤九：卫星控制中心用预编码矩阵对总的数据流s＝[s0,s1,...,s
k
]进行线性预编码，通过对线性预编码矩阵p进行优化，来获得最优的系统性能；步骤十：那么在接收端，第k个用户接收到的信号可以表示为：其中，是形成当前波束的天线整列和用户k之间的信道增益；用户k首先把所有自私有的数据当作干扰，对公共数据数据流s0进行解调；在用户k处解调数据流s0的sinr为，步骤十一：一旦s
k
被成功解码，它对原始接收信号y
k
的贡献就被减去，之后，用户k通过将其他用户的私有数据流视为噪声来解码自己的私有数据流s
k
；在用户k处解码私有数据流s
k
的sinr是，
用户k相应的公共数据和私有数据可实现速率表示为r
k,0
＝log2(1+γ
k,0
)和r
k
＝log2(1+γ
k
)；s0的实际信息传输速率r0不应超过r
k,0
,k∈k，即r0＝min{r
1,0
,...r
k,0
}；那么所有用户的加权和速率可以表示为r
tot
＝r0+∑
k∈k
r
k
。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的频谱共享方式包括叠加式频谱接入、底层频谱接入和混合式接入。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用ρ＝k
tot
/n
tot
表示过载因子，其中n
tot
和k
tot
分别表示时频资源块的数量和用户数。

技术总结
本发明提出面向星地融合网络的下行链路自适应非正交多址接入方法。本发明所述方法通过整合有前景认知无线电和非正交多址接入技术，提出了基于频谱共享的自适应动态多址接入技术，来匹配ISTCN中业务需求和可用频谱资源不均匀分布且时变特性，提高了频谱利用率和接入密度。入密度。入密度。


技术研发人员：李志强 韩帅 孟维晓
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/1