一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法技术

本发明专利技术提供了一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法，包括时频同步、碰撞检测、多星协作波束成形、协同干扰消除；本发明专利技术针对卫星物联网中业务具有海量连接、突发性强、数据包短的特征，结合未来巨型低轨卫星星座可视卫星数目多的特点，缓解了随机接入系统中在高负载情况下容易发生的“死锁”的问题；仿真结果表明，本发明专利技术提出的多星协作波束成形随机接入方法相比于传统的纯ALOHA、时隙ALOHA，和前人提出的多星协同异步随机接入方案，具有更好的吞吐量性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法
本专利技术涉及无线通信
，主要涉及一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法。
技术介绍
随着物联网应用渗透到人类活动的各个领域，其在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据采集的领域，由于空间、环境等限制，地面物联网无能为力，出现了服务能力与需求失配的现象。究其原因，主要是对于依靠无线接入的物联网来说，除了要有物联网终端外，还必须要有一个由足够多的基站构成的通信网络。但是在地面布设基站及连接基站的通信网却受到诸多的限制：无法在占地球表面大部分面积的海洋、沙漠等区域建立基站；在用户稀少或人员难以到达的边远地区建立基站的成本将会很高；发生自然灾害(如洪涝、地震、海啸等)时地面网络容易被损坏。因此，地面物联网在一些应用场景中表现出了服务能力严重不足的问题。近年来，由于卫星通信广覆盖的特点卫星物联网成为物联网研究方向新的热点。卫星物联网业务相比于传统的话音业务和宽带连接业务具有海量连接、突发性强、数据量小的特点。因此，相比于固定分配和按需分配的多址方式随机接入具有更高的系统资源利用率。随机接入方式是以用户竞争的方式接入到共享的信道资源，多个终端同时占用相同的信道资源会导致数据包间的碰撞，导致系统丢包率上升和吞吐量的下降。传统的随机接入ALOHA协议是上个世纪70年代提出的，由于终端节点随机占用共享信道导致的数据包碰撞窗口，传统的ALOHA协议信道利用率只有18.4％。在此基础上，学者提出了时隙ALOHA协作，将传输时间划分为若干个时隙，终端只能在每个时隙的开始时刻发送数据包，通过这种方法降低了数据包的碰撞窗口，信道利用率提升为36.7％。但这种时隙ALOHA协议需要全网同步，增加了系统的复杂度。为了进一步提高设计接入协作的性能，学者ChoudhuryG.在文献“DiversityALOHA-Arandomaccessschemeforsatellitecommunications”一文中提出了一种分集时隙ALOHA协议，该方法设计终端在不同时隙或频率上随机发送同一数据包的多个副本，从而提升接入的成功率。但系统处于高负载状态时，发送多个副本会导致数据包碰撞更加严重。学者CasiniE.在“ContentionresolutiondiversityslottedALOHA(CRDSA):Anenhancedrandomaccessschemeforsatelliteaccesspacketnetworks”一文中结合连续迭代干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)技术和多副本技术，使得碰撞的数据包有机会被恢复。上述的基于时间或频率域副本的方案由于终端节点需要发射信号副本，浪费节点的发射功率。学者LiPengxu在“AsynchronousCooperativeAlohaforMulti-ReceiverSatelliteCommunicationNetworks”一文中提出了一种异步随机接入方案，结合地轨卫星物联网中可视卫星数目多的特点，利用多星接收形成数据包的空间副本，提升系统的信道利用率。相比于时间和频率副本的方案终端节点无需在多次发送数据包副本，节省的终端的功率。但这种方案认为多个卫星节点接收到的数据包必须在某一颗卫星上未发生碰撞，才能采用SIC技术迭代恢复更多的碰撞数据包，如果数据包在多颗卫星上都发射碰撞，则发生“死锁”现象，如图3所示，提出的算法无法解调碰撞数据包。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法，针对卫星物联网中业务具有海量连接、突发性强、数据包短的特征，结合未来巨型低轨卫星星座多星覆盖的特点，对卫星物联网进行系统建模，分析了影响系统吞吐量的关键因素，并设计了一种基于自适应波束成形的异构时延随机接入算法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法，包括以下步骤：步骤S1、信关站从双星馈电链路转发信号中按时间次序捕获未发生碰撞的随机接入数据包前导序列，利用前导序列完成数据包的时频同步和信道估计功能；信关站根据卫星1和卫星2时频同步后前导码在时间和频率两个维度上是否对齐判断是否是同一个物联网终端发射的数据包；步骤S2、信关站通过循环冗余效验码检测时频同步后的卫星1和卫星2数据包是否发生碰撞；当卫星1和卫星2两个数据包均未放生碰撞时，正确解调数据包；当卫星1和卫星2两个数据包中任意一个数据包发生碰撞时，针对未发生碰撞的数据包，正确解调数据包，针对发生碰撞的数据包，采用干扰消除的方法去除掉已正确解调的数据包；当卫星1和卫星2两个数据包均发生碰撞，则进入步骤S3；步骤S3、当两个物联网终端发射信号在双星接收信号上发生碰撞，分别记两个物联网入射角为θ0和θ1；对双星接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：其中，s0(k)为包头未发生碰撞的期望数据包信号，s1(k)为另一个物联网终端的碰撞数据包信号，i表示第i个物联网终端信号，为第i个信号导向矢量，τ1(θi)和τ2(θi)分别表示第i个信号到卫星1和卫星2的时延，N(k)为双星的噪声矢量；其中双星接收信号的自相关矩阵Rxx可以表示为：其中：表示期望数据包信号功率，表示碰撞数据包信号功率；Rs,R1,RN依次分别表示期望数据包信号、碰撞数据包信号和噪声的相关矩阵；对双星接收信号加权合并，则接收信号可以表示为：y(k)＝wHx(k)其中，w＝[w1,w2]表示双星接收信号的加权矢量，加权合并后输出信号功率表示为：P＝E[|y(k)|2]＝E[wHx(k)(wHx(k))*]＝wHRxxw采用基于线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法建立如下优化问题：minwHRxxws.t.wHa(θ0)＝1构建拉格朗日代价函数如下：L(w,λ)＝wHRxxw+λ(wHa(θ0)-1)求解得到最优加权矢量如下：根据上式所述最优加权矢量，得到期望信号方向和干扰方向的阵列增益：考虑实际链路损耗，卫星的接收功率可以表示为：其中，EIRPs＝Ps·Gs表示发射天线的等效全向辐射功率，Ps表示终端的发射功率，Gs表示发射天线增益，GR表示接收天线增益，Lf为链路的自由空间损耗；卫星组阵接收到的信干噪比SINR的计算公式为：其中，Tn为接收器的等效噪声温度；B为转发器带宽；下标中的s表示期望数据包信号链路；当信干噪比SINR大于等于信号成功接收的解调门限SINRth时，成功接收数据包，进入步骤S4；当信干噪比SINR小于信号成功接收的解调门限SINRth时，信关站通过反向链路通知物联网终端进行退避重发；步骤S4、当前数据包被成功接收后，引入的干扰通过迭代干扰消除技术进行消除，直至达到观察时间T，停止循环；步骤S5、根据步骤S1-S4所述算法，卫星物联网业务到达率可近似服本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1、信关站从双星馈电链路转发信号中按时间次序捕获未发生碰撞的随机接入数据包前导序列，利用前导序列完成数据包的时频同步和信道估计功能；信关站根据卫星1和卫星2时频同步后前导码在时间和频率两个维度上是否对齐判断是否是同一个物联网终端发射的数据包；/n步骤S2、信关站通过循环冗余效验码检测时频同步后的卫星1和卫星2数据包是否发生碰撞；当卫星1和卫星2两个数据包均未放生碰撞时，正确解调数据包；当卫星1和卫星2两个数据包中任意一个数据包发生碰撞时，针对未发生碰撞的数据包，正确解调数据包，针对发生碰撞的数据包，采用干扰消除的方法去除掉已正确解调的数据包；当卫星1和卫星2两个数据包均发生碰撞，则进入步骤S3；/n步骤S3、当两个物联网终端发射信号在双星接收信号上发生碰撞，分别记两个物联网入射角为θ

【技术特征摘要】
1.一种基于多星协作波束成形技术的异步随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、信关站从双星馈电链路转发信号中按时间次序捕获未发生碰撞的随机接入数据包前导序列，利用前导序列完成数据包的时频同步和信道估计功能；信关站根据卫星1和卫星2时频同步后前导码在时间和频率两个维度上是否对齐判断是否是同一个物联网终端发射的数据包；
步骤S2、信关站通过循环冗余效验码检测时频同步后的卫星1和卫星2数据包是否发生碰撞；当卫星1和卫星2两个数据包均未放生碰撞时，正确解调数据包；当卫星1和卫星2两个数据包中任意一个数据包发生碰撞时，针对未发生碰撞的数据包，正确解调数据包，针对发生碰撞的数据包，采用干扰消除的方法去除掉已正确解调的数据包；当卫星1和卫星2两个数据包均发生碰撞，则进入步骤S3；
步骤S3、当两个物联网终端发射信号在双星接收信号上发生碰撞，分别记两个物联网入射角为θ0和θ1；对双星接收信号进行采样，则第k次采样信号可以表示为：



其中，s0(k)为包头未发生碰撞的期望数据包信号，s1(k)为另一个物联网终端的碰撞数据包信号，i表示第i个物联网终端信号，为第i个信号导向矢量，τ1(θi)和τ2(θi)分别表示第i个信号到卫星1和卫星2的时延，N(k)为双星的噪声矢量；其中双星接收信号的自相关矩阵Rxx可以表示为：



其中：表示期望数据包信号功率，表示碰撞数据包信号功率；Rs,R1,RN依次分别表示期望数据包信号、碰撞数据包信号和噪声的相关矩阵；对双星接收信号加权合并，则接收信号可以表示为：
y(k)＝wHx(k)
其中，w＝[w1,w2]表示双星接收信号的加权矢量，加权合并后输出信号功率表示为：
P＝E[|y(k)|2]＝E[wHx(k)(wHx(k))*]＝wHRxxw
采用基于线性约束最小方差准则的自适应波束成形方法建立如下优化问题：
minwHRxxw
s.t.wHa(θ0)＝1
构建拉格朗日代价函数如下：
L(w,λ)＝wHRxxw+λ(wHa(θ0)-1)
求解得到最优加权矢量如下：



根据上式所述最优加权矢量，得到期望信号方向和干扰方向的阵列增益：

【专利技术属性】
技术研发人员：洪涛，席博，丁晓进，张更新，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京微星通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32