一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法技术

本发明专利技术公开了一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，包括：响应于接收到各卫星转发的其覆盖范围内终端发送的数据包，信关站对各数据包进行并行调解；将无法正确解调的数据包视为碰撞数据包，获取碰撞数据包的身份信息；搜索身份信息相同的碰撞数据包并分别确定其转发的卫星，作为可协作卫星；基于可协作卫星，建立非凸优化问题；通过查理斯

【技术实现步骤摘要】
一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法


[0001]本专利技术涉及一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，属于卫星通信


技术介绍

[0002]物联网是一种基于互联网、电信网络等信息承载体，实现用户与用户以及用户之间的互联互通。作为未来5G无线网络应用的主要研究方向之一，物联网在工业资产监测、智慧城市、物流和环境数据传感等方面发挥着至关重要的作用。在人员相对集中的城市地区，现有的通信基站已经可以满足需求。然而，在一些人员不密集的地区，如山区、海洋和沙漠等偏远地区，物联网通信体系建设时会存在服务能力与网络QoS需求之间的矛盾，因为地面基站不适合在这些地区建设和维护。为了解决这一问题，近年来低轨卫星通信技术的研究和发展逐渐成为物联网新的热点。通过利用低轨卫星作为传输媒介，地面信关站作为处理中心，卫星物联网可以很好地成为地面物联网的补充，实现海量用户的连接和数据传输。
[0003]在目前的低轨卫星通信体制中，由于一个低轨卫星能够覆盖数海量物联用户，采用随机接入的方式会使得不同用户占据相同的信道资源，导致信号碰撞，既降低了系统的通信容量，又加大了通信时延。同时，由于低轨卫星与用户之间的长传播时延，廉价的物联用户难以实现严格的全网时间同步。所以，采用异步体制的随机接入协议作为接入方式更符合目前的低轨卫星通信场景。同时在实际的超密集物联网环境中，当网络流量激增时，同一时间内进行传输的数据包数量过多，会导致数据包之间由于争用信道资源而发生碰撞，碰撞使得数据包信息丢失，造成短时间内物联用户的丢包率上升。在随机接入协议中，由于自动重传机制的存在，丢失的数据包会在一定时间内再次发送，如果此时信道资源仍然不足，重传的数据包更会加重网络的拥塞程度。另外，在一些采取发送数据包副本以提高数据包成功接收概率的接入协议中，丢失的数据包更会按照倍数级别的数量进行重传，导致系统通信性能雪崩式的下降。因此，采用协作的方式来解决数据包之间的碰撞问题很有必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，采用协作的方式来解决数据包之间碰撞的技术问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：第一方面，本专利技术提供了一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，包括：响应于接收到各卫星转发的其覆盖范围内终端发送的数据包，信关站对各数据包进行并行调解；将无法正确解调的数据包视为碰撞数据包，获取碰撞数据包的身份信息；搜索身份信息相同的碰撞数据包并分别确定其转发的卫星，作为可协作卫星；基于可协作卫星，建立以信关站信干噪比最大化为目标函数，信关站同时处理数
据包最大数目为约束，波束成形权值向量为变量的非凸优化问题；通过查理斯
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库伯变换将非凸优化问题转化为可解凸优化问题，对可解凸优化问题进行求解获取最优协作卫星；调用最优协作卫星进行协作分布式波束成形，使得碰撞数据包之间产生功率差异，若功率差异大于设定的阈值，则对碰撞数据包进行解调。
[0006]可选的，所述数据包的生成包括：终端将原始数据进行信道编码和调制，形成固定长度的初始数据包；在初始数据包前添加一段基于RM序列的前导序列，形成最终数据包；所述获取碰撞数据包的身份信息包括：通过迭代RM序列检测算法获取各碰撞数据包的矩阵
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向量对和信道估计值；根据矩阵
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向量对和信道估计值判断数据包是否为空间域副本；将矩阵
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向量对、信道估计值和是否为空间域副本作为碰撞数据包的身份信息。
[0007]可选的，所述非凸优化问题为：；式中，为信关站信干噪比，为波束成形权值向量，为终端到可协作卫星之间的噪声方差，为可协作卫星到信关站之间的噪声方差，为中非0参数的个数；将从可协作卫星集合中选取的可协作卫星记为合适协作卫星，为信关站同时处理数据包最大数目和合适协作卫星的数量；；；式中，为卫星转发发射功率的平方，为期望函数，为期望数据包被可协作卫星接收的信道增益系数，为与期望数据包发生碰撞的数据包被可协作卫星接收的信道增益系数；为可协作卫星集合中可协作卫星的数量。
[0008]可选的，所述通过范数的平方替代，所述非凸优化问题转换为：；式中，为卫星的处理功率上限，为中第个参数，为第个参数；；式中，为单位矩阵，为期望数据包被合适协作卫星接收的信道增益系数，
为与期望数据包发生碰撞的数据包被合适协作卫星接收的信道增益系数；为未知参数。
[0009]可选的，所述可解凸优化问题为：；其中：；；；；式中，为矩阵的第行第列的参数，矩阵为阶复半正定赫尔米特矩阵，为求解矩阵的迹，为正实数。
[0010]可选的，所述未知参数的求解包括：初始化：；式中，为的上限和下限；定义为矩阵对角非0参数的个数，重复以下步骤，直至，获取的最优值：将代入可解凸优化问题，计算得到矩阵，并获取其对应的；若且，则令；若且，则令；若且，则令；
若且，则令，。
[0011]可选的，所述对可解凸优化问题进行求解获取最优协作卫星包括：将代入可解凸优化问题，计算得到矩阵，获取矩阵对角非0参数，并记为最优合适协作卫星；基于最优合适协作卫星计算：；式中，为期望数据包被最优合适协作卫星接收的信道增益系数，为与期望数据包发生碰撞的数据包被最优合适协作卫星接收的信道增益系数；；式中，为第个参数，为矩阵的第行第列的参数；根据获取矩阵，根据矩阵计算矩阵：；根据矩阵计算最优波束成形权值向量：；式中，为矩阵的最大特征值，为对应的特征向量；将最优波束成形权值向量中非0参数，作为最优协作卫星。
[0012]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：本专利技术提供的一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，可以在低轨卫星物联网场景海量用户接入时解决数据包的碰撞问题，有效地提高了随机接入协议的吞吐量性能。
附图说明
[0013]图1是本专利技术实施例一提供的低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法的流程图；图2是本专利技术实施例一提供的本专利技术协同选择策略与传统卫星协同选择策略性能对比图；图3是本专利技术实施例一提供的SC
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ACRDA方法与传统随机接入方案的吞吐量性能对比图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0015]实施例一：
[0016]本专利技术提供了一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，包括：1、响应于接收到各卫星转发的其覆盖范围内终端发送的数据包，信关站对各数据包进行并行调解；数据包的生成包括：终端将原始数据进行信道编码和调制，形成固定长度的初始数据包；在初始数据包前添加一段基于RM序列的前导序列，形成最终数据包；其中，RM序列为Reed
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Muller（二阶里德
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穆勒）序列，以RM序列作为前导，即使发生碰撞，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，其特征在于，包括：响应于接收到各卫星转发的其覆盖范围内终端发送的数据包，信关站对各数据包进行并行调解；将无法正确解调的数据包视为碰撞数据包，获取碰撞数据包的身份信息；搜索身份信息相同的碰撞数据包并分别确定其转发的卫星，作为可协作卫星；基于可协作卫星，建立以信关站信干噪比最大化为目标函数，信关站同时处理数据包最大数目为约束，波束成形权值向量为变量的非凸优化问题；通过查理斯
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库伯变换将非凸优化问题转化为可解凸优化问题，对可解凸优化问题进行求解获取最优协作卫星；调用最优协作卫星进行协作分布式波束成形，使得碰撞数据包之间产生功率差异，若功率差异大于设定的阈值，则对碰撞数据包进行解调。2.根据权利要求1所述的低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，其特征在于，所述数据包的生成包括：终端将原始数据进行信道编码和调制，形成固定长度的初始数据包；在初始数据包前添加一段基于RM序列的前导序列，形成最终数据包；所述获取碰撞数据包的身份信息包括：通过迭代RM序列检测算法获取各碰撞数据包的矩阵
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向量对和信道估计值；根据矩阵
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向量对和信道估计值判断数据包是否为空间域副本；将矩阵
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向量对、信道估计值和是否为空间域副本作为碰撞数据包的身份信息。3.根据权利要求1所述的低轨卫星物联网的卫星选择协作容碰撞随机接入方法，其特征在于，所述非凸优化问题为：；式中，为信关站信干噪比，为波束成形权值向量，为终端到可协作卫星之间的噪声方差，为可协作卫星到信关站之间的噪声方差，为中非0参数的个数；将从可协作卫星集合中选取的可协作卫星记为合适协作卫星，为信关站同时处理数据包最大数目和合适协作卫星的数量；；；式中，为卫星转发发射功率的平方，为期望函数，为...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪涛，于啸，刘锐，张更新，
申请(专利权)人：南京御通信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：