CN116074863A - 一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法 - Google Patents

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CN116074863A CN202211504797.XA CN202211504797A CN116074863A CN 116074863 A CN116074863 A CN 116074863A CN 202211504797 A CN202211504797 A CN 202211504797A CN 116074863 A CN116074863 A CN 116074863A
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Abstract

本发明公开了一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,包括如下步骤:获取信道状态信息;根据信道状态信息,基于卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组并采用多组多播技术进行信号传输、无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,构建优化问题;基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对优化问题进行求解,得到卫星和无人机的波束成形权矢量,实现共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输。本发明针对星空融合网络采用多组多播和层分复用技术为广域覆盖范围内的各种用户提供异构服务的同时,还使得卫星通信***和无人机通信***共享毫米波频谱资源,从而提高了频谱利用率。

Description

一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法
技术领域
本发明涉及一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,属于无线通信技术领域。
背景技术
未来移动通信需要实现广域覆盖,泛在接入,而星空融合网络通过卫星通信***和无人机通信***的有机融合,将卫星通信不受地理条件限制、覆盖范围广的优势和无人机通信覆盖灵活、时延低的优势相结合,被认为是新一代信息通信基础设施不可或缺的一个组成部分。然而,随着各种多媒体业务和无线终端设备的快速增长,现有6GHz以下的频谱资源已经非常稀缺,因此充分开发和利用位于30GHz至300GHz之间的毫米波频段电磁频谱具有非常重要的意义。与此同时,采用多天线和波束成形技术来增强接收信号功率的同时,对网间干扰进行有效抑制,从而实现频谱共享,也是提升频谱利用率的有效途径。鉴于上述原因,工作在毫米波频段的星空融合网络无线传输技术受到了学术界和工业界的广泛关注。
传统的无线通信***通常采用频分多址、时分多址、空分多址等正交多址技术进行信号传输。然而,需要指出的是正交多址技术要求所传输的信号在相应的维度内满足正交性的要求,例如,频分多址需要实现用户在频率域相互正交,而时分多址则通过不同时隙来实现用户服务,都无法有效提高***的频谱效率。而空分多址技术在相同的时频资源内服务不同的用户,通过空域来区分不同的用户,需要发送端配置多天线以提供足够的天线自由度,适用于发送端天线数目足量、组间干扰多为弱干扰的轻载网络场景。但在大规模设备连接场景下,自由度受限于发射机天线数目,导致多播组间的干扰难以得到有效抑制,无法实现可靠通信。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,本发明针对星空融合网络采用多组多播和层分复用技术为广域覆盖范围内的各种用户提供异构服务的同时,还通过优化问题来设计波束成形权矢量,实现对网内和网间各种干扰进行抑制,使得卫星通信***和无人机通信***共享毫米波频谱资源,进一步提高了***的频谱利用率。
为达到上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:
第一方面,本发明公开了一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,包括如下步骤:
获取信道状态信息;
根据所述信道状态信息,基于卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组并采用多组多播技术进行信号传输、无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,构建优化问题;
基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对所述优化问题进行求解,得到卫星和无人机的波束成形权矢量,实现共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输;
其中,所述优化问题的目标函数为卫星和无人机的发射功率之和最小化,所述优化问题的约束条件为卫星和无人机用户的服务质量满足各自要求。
进一步的,所述信道状态信息包括卫星到第i个用户的信道矢量gi,以及无人机到第i个用户的信道矢量hi
进一步的,根据所述信道状态信息,卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组,包括:
采用用户分组算法,定义两个用户组之间的相关性作为代价函数;
在初始状态将每一个用户视作一个独立的用户组,每次循环将使得代价函数最小的用户组进行配对,组成一个更大的用户组,直至将卫星覆盖范围内的所有卫星用户进行分组。
进一步的,采用多组多播技术进行信号传输,包括:
卫星用户的输出信干噪比的表达式如下:
其中,γl,m为第l组第m个卫星用户的输出信干噪比,gl,m为卫星到第l个组第m个地球站的信道矢量;hl,m为无人机到第l个组第m个地球站的信道矢量;为卫星第l个波束的波束成形权矢量;为无人机发送多播信号的波束成形权矢量;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量;为第l个组第m个地球站的噪声功率。
进一步的,根据所述信道状态信息,无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,包括:
第k个无人机用户多播信号和单播信号的输出信干噪比可分别表示为:
其中,为第k个无人机用户的多播信号输出信干噪比,γu,k为第k个无人机用户的单播信号输出信干噪比;hu,k为无人机到第k个无人机用户的信道矢量;v0为无人机发送多播信号的权矢量;vk为无人机发送第k个单播信号的权矢量;K为无人机用户的数量;为第k个无人机用户的噪声功率。
进一步的,所述优化问题的表达式如下:
其中,Γs,l为第l个卫星用户组的最低信干噪比门限;为第k个无人机用户解码多播信号的最低信干噪比门限,Γu,k为第k个无人机用户解码单播信号的最低信干噪比门限。
进一步的,基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对所述优化问题进行求解,包括:
利用半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,将所述优化问题转化成凸优化问题再进行求解,所述凸优化问题的表达式如下:
其中,为卫星第l个波束的波束成形权矢量所构成的矩阵;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量所构成的矩阵;为卫星到第l个组第m个地球站的信道矩阵;为无人机到第l个组第m个地球站的信道矩阵;为无人机到第k个无人机用户的信道矩阵;λmax(·)表示矩阵的最大特征值;为卫星第l个波束的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;最大特征值对应的特征向量;最大特征值对应的特征向量;δl对应的惩罚函数系数;ρk对应的惩罚函数系数;为第l个组第m个卫星用户的噪声方差,为第k个无人机用户的噪声方差。
第二方面,本发明公开了一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输装置,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第三方面,本发明公开了一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现第二方面所述方法的步骤。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:
本发明的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组并采用多组多播技术进行信号传输、无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,在提高***频谱效率的同时,可以有效满足各种用户的异构需求;其次,通过建立频谱共存的优化问题,对波束成形权矢量进行优化设计,实现对网内和网间各种干扰进行抑制。
本发明还采用半正定规划和惩罚函数相结合的方法,将复杂难以求解的优化问题,转化成易于求解凸优化问题,从而以较高的效率得到卫星和无人机的波束成形权矢量,实现共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输。
附图说明
图1是一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法的流程图;
图2是星空融合网络通信***的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例1公开了一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,包括如下步骤:
获取信道状态信息;
根据信道状态信息,基于卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组并采用多组多播技术进行信号传输、无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,构建优化问题;
基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对优化问题进行求解,得到卫星和无人机的波束成形权矢量,实现共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输;
其中,优化问题的目标函数为卫星和无人机的发射功率之和最小化,优化问题的约束条件为卫星和无人机用户的服务质量满足各自要求。
本发明的技术构思为:星空融合网络中的卫星通信***和无人机通信***分别采用多组多播和层分复用技术为其覆盖范围内的各种用户提供服务,并通过波束成形技术对网内和网间各种干扰进行抑制,使得两个***共享毫米波频谱资源,从而提高频谱利用率。
如图2所示,卫星通信***采用多组多播技术服务L个卫星用户组,设卫星配置有Ns(Ns>L)个馈源的反射面天线,卫星用户配备单个馈源的抛物面天线。无人机服务采用层分复用技术服务K个无人机用户,设无人机配置Nu(Nu>K)个阵元的均匀平面阵,无人机用户配置单根天线。考虑到卫星链路较大的路径损耗以及无人机用户较小的接收增益,忽略卫星通信***对无人机用户的干扰。
如图1所示,本方法首先在中央控制单元处借助于毫米波信道估计技术获取卫星用户和无人机用户的信道状态信息;利用获取的信道状态信息,卫星通信***对其覆盖范围内的用户进行分组,并进一步采用多组多播技术进行信号传输,而无人机通信***则采用层分复用技术服务其覆盖范围内的多个用户;在卫星通信***和无人机通信***共享毫米波频谱资源的条件下,以卫星和无人机的发射功率之和最小化为目标函数,卫星和无人机用户的服务质量满足各自要求为约束条件,建立相应的星空融合无线传输优化问题;通过半正定规划和惩罚函数法相结合的方法对优化问题进行求解,得到卫星和无人机平台的波束成形权矢量,完成整个***输方案的设计。详细步骤如下:
(1)中央控制单元借助于毫米波信道估计技术,获取广域覆盖范围内卫星用户和无人机用户的信道状态信息,包括:卫星到第i个卫星用户的信道矢量gi,可表示为:
其中,⊙为哈达玛积;Gi,r为第i个地球站抛物面天线的接收增益;为雨衰系数矢量,其元素dB形式服从对数正态随机分布,Ns为卫星天线馈源数;为卫星波束增益;为卫星导向矢量;bi中的具体元素可以表示为:
其中,bi,n为波束增益矢量bi的第n个元素,bi,max为最大波束增益;J1(·)和J3(·)分别是1阶和3阶的第一类贝塞尔函数;为第i个地球站相对于第n个波束中心的夹角;θ3dB为卫星单侧半功率波束宽度;c为光速;di,n为第i个地球站相对于第n个馈源的距离;fc为载波频率。
无人机到第i个用户的信道矢量hi,可表示为:
其中,为克罗内克积;φi为第i个用户直达径的俯仰角;ψi为第i个用户直达径的方位角;φi,j为第i个用户第j条非直达径的俯仰角;ψi,j为第i个用户第j条非直达径的方位角;Ln为非直达径的数目;ρ0为直达径的传播损耗;ρi为第i条非直达径的传播损耗;axii)为第i个用户直达径沿X轴方向的导向矢量;ayii)为第i个用户直达径沿Y轴方向的导向矢量;axi,ji,j)为第i个用户第j条非直达径沿X轴方向的导向矢量;ayi,ji,j)分别为第i个用户第j条非直达径沿Y轴方向的导向矢量;gci,ji,j)第i个用户第j条非直达径辐射方向图;gcii)为第i个用户的直达径辐射方向图,其dB形式表达式为:
其中,Gmax为无人机最大发射增益;Sg为旁瓣增益;gxii)为沿X轴的相对辐射图;gyii)为沿Y轴的相对辐射图;为X轴方向的3dB波束宽度;为Y轴方向的3dB波束宽度。
(2)利用获取的信道状态信息,卫星通信***需要对其覆盖范围内的卫星用户进行分组。用户分组算法可描述为:定义以下代价函数来衡量用户组之间的相关性:
其中,Up为第p个用户组;Uq为第q个用户组;gk为卫星到第k个卫星用户的信道矢量;gl为卫星到第l个卫星用户的信道矢量;为第k个卫星用户和第l个卫星用户的相关性;·为集合的基数,(·)H为共轭转置,·为矢量的2范数。
在初始状态下,将每一个用户视作一个独立的用户组,每次循环将使得代价函数最小的一对用户组构成或者合并为一个更大的用户组,直至将卫星服务范围内的所有卫星用户进行分组。
(3)卫星通信***采用用户分组算法,将其覆盖范围内的M个用户分成L个组,并采用多组多播技术进行信号传输,那么第l组第m个卫星用户的输出信干噪比可表示为:
其中,γl,m为第l组第m个卫星用户的输出信干噪比,gl,m为卫星到第l个组第m个地球站的信道矢量;hl,m为无人机到第l个组第m个地球站的信道矢量;为卫星第l个波束的波束成形权矢量;为无人机发送多播信号的波束成形权矢量;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量;为第l个组第m个地球站的噪声功率;(·)H表示对向量进行共轭转置的操作。
(4)无人机通信***采用层分复用技术服务无人机用户,过程包括:无人机向K个无人机用户发送多播信号,并同时向第k个无人机用户发送单播信号。无人机用户首先将单播信号当作噪声,解码出多播信号,再采用连续干扰消除技术,消除解码出的多播信号后,对单播信号进行解码。因此,第k个无人机用户的多播信号和单播信号的输出信干噪比,可分别表示为:
其中,为第k个无人机用户的多播信号输出信干噪比,γu,k为第k个无人机用户的单播信号输出信干噪比;hu,k为无人机到第k个无人机用户的信道矢量;v0为无人机发送多播信号的权矢量;vk为无人机发送第k个单播信号的权矢量;K为无人机用户的数量;为第k个无人机用户的噪声功率。
(5)在卫星通信***和无人机通信***共享毫米波频谱资源的条件下,以卫星和无人机的发射功率之和最小化为目标函数,卫星和无人机用户的服务质量满足各自要求为约束条件,构建相应的星空融合无线传输优化问题,可表示为:
其中,Γs,l为第l个卫星用户组的最低信干噪比门限;为第k个无人机用户解码多播信号的最低信干噪比门限,Γu,k为第k个无人机用户解码单播信号的最低信干噪比门限。
(6)将公式(10)-公式(12)代入问题(13)中,并利用半正定规划方法进行等价转化,可以得到:
其中,为卫星第l个波束的波束成形权矢量所构成的矩阵;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量所构成的矩阵;为卫星到第l个组第m个地球站的信道矩阵;为无人机到第l个组第m个地球站的信道矩阵;为无人机到第k个无人机用户的信道矩阵;rank(·)为矩阵秩。
(6)Wl和Vk存在秩一约束问题,利用惩罚函数改写优化目标函数,消除秩一约束,问题(14)可转换为凸优化问题,可表示为:
其中,λmax(·)表示矩阵的最大特征值;为卫星第l个波束的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;最大特征值对应的特征向量;最大特征值对应的特征向量;δl对应的惩罚函数系数;ρk对应的惩罚函数系数;为第l个组第m个卫星用户的噪声方差,为第k个无人机用户的噪声方差。
(7)对凸优化问题(15)进行迭代求解,得到卫星和无人机波束成形权矢量,完成共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输。过程包括:
1)初始化惩罚因子δl和ρk、计算精度ε、迭代次数t=0;
2)求解忽略秩一约束的优化问题(14),获得最优解记为
3)计算得到的最大特征值以及对应的特征向量
4)求解凸优化问题(15),获得最优解记为
5)如果则δl=2δl;如果则ρl=2ρl
6)更新迭代次数t=t+1;
7)如果满足收敛条件
迭代结束,输出卫星波束成形权矢量和无人机发送波束成形权矢量;否则返回3)。
实施例2
本实施例2提供了一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输装置,包括处理器及存储介质;
存储介质用于存储指令;
处理器用于根据指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
实施例3
本实施例3提供了一种存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,包括如下步骤:
获取信道状态信息;
根据所述信道状态信息,基于卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组并采用多组多播技术进行信号传输、无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,构建优化问题;
基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对所述优化问题进行求解,得到卫星和无人机的波束成形权矢量,实现共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输;
其中,所述优化问题的目标函数为卫星和无人机的发射功率之和最小化,所述优化问题的约束条件为卫星和无人机用户的服务质量满足各自要求。
2.根据权利要求1所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,所述信道状态信息包括卫星到第i个用户的信道矢量gi,以及无人机到第i个用户的信道矢量hi
3.根据权利要求2所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,根据所述信道状态信息,卫星通信***对其覆盖范围内的卫星用户进行分组,包括:
采用用户分组算法,定义两个用户组之间的相关性作为代价函数;
在初始状态将每一个用户视作一个独立的用户组,每次循环将使得代价函数最小的一对用户组进行配对,组成一个更大的用户组,直至将卫星覆盖范围内的所有卫星用户进行分组。
4.根据权利要求1所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,采用多组多播技术进行信号传输,包括:
卫星用户的输出信干噪比的表达式如下:
Figure FDA0003968682360000021
其中,γl,m为第l组第m个卫星用户的输出信干噪比,gl,m为卫星到第l个组第m个地球站的信道矢量;hl,m为无人机到第l个组第m个地球站的信道矢量;
Figure FDA0003968682360000022
为卫星第l个波束的波束成形权矢量;
Figure FDA0003968682360000023
为无人机发送多播信号的波束成形权矢量;
Figure FDA0003968682360000024
为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量;
Figure FDA0003968682360000025
为第l个组第m个地球站的噪声功率。
5.根据权利要求4所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,根据所述信道状态信息,无人机通信***采用层分复用技术服务多个无人机用户,包括:
第k个无人机用户多播信号和单播信号的输出信干噪比可分别表示为:
Figure FDA0003968682360000026
Figure FDA0003968682360000027
其中,
Figure FDA0003968682360000028
为第k个无人机用户的多播信号输出信干噪比,γu,k为第k个无人机用户的单播信号输出信干噪比;hu,k为无人机到第k个无人机用户的信道矢量;v0为无人机发送多播信号的权矢量;vk为无人机发送第k个单播信号的权矢量;K为无人机用户的数量;
Figure FDA0003968682360000029
为第k个无人机用户的噪声功率。
6.根据权利要求5所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,所述优化问题的表达式如下:
Figure FDA0003968682360000031
Figure FDA0003968682360000032
Figure FDA0003968682360000033
γu,k≥Γu,k,k∈{1,…,K}
其中,Γs,l为第l个卫星用户组的最低信干噪比门限;
Figure FDA0003968682360000034
为第k个无人机用户解码多播信号的最低信干噪比门限,Γu,k为第k个无人机用户解码单播信号的最低信干噪比门限。
7.根据权利要求6所述的共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输方法,其特征是,基于半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,对所述优化问题进行求解,包括:
利用半正定规划和惩罚函数法相结合的方法,将所述优化问题转化成凸优化问题再进行求解,所述凸优化问题的表达式如下:
Figure FDA0003968682360000035
Figure FDA0003968682360000036
Figure FDA0003968682360000037
Figure FDA0003968682360000038
其中,
Figure FDA0003968682360000039
为卫星第l个波束的波束成形权矢量所构成的矩阵;
Figure FDA00039686823600000310
为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矢量所构成的矩阵;
Figure FDA0003968682360000041
为卫星到第l个组第m个地球站的信道矩阵;
Figure FDA0003968682360000042
为无人机到第l个组第m个地球站的信道矩阵;
Figure FDA0003968682360000043
为无人机到第k个无人机用户的信道矩阵;λmax(·)表示矩阵的最大特征值;
Figure FDA0003968682360000044
为卫星第l个波束的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;
Figure FDA0003968682360000045
为无人机发送第k个单播信号的波束成形权矩阵在第t次迭代时的最优解;
Figure FDA0003968682360000046
Figure FDA0003968682360000047
最大特征值对应的特征向量;
Figure FDA0003968682360000048
Figure FDA0003968682360000049
最大特征值对应的特征向量;δl
Figure FDA00039686823600000410
对应的惩罚函数系数;ρk
Figure FDA00039686823600000411
对应的惩罚函数系数;
Figure FDA00039686823600000412
为第l个组第m个卫星用户的噪声方差,
Figure FDA00039686823600000413
为第k个无人机用户的噪声方差。
8.一种共享毫米波频段的广域覆盖星空融合无线传输装置,其特征在于,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
9.一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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