CN116249180B - 一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，包括基于统计信道的下行链路波束成形和基于统计信道的上行链路波束成形两部分。基于统计信道的下行链路波束成形，考虑到低轨卫星上可用的功率有限，通过优化波束成形矢量来最小化卫星的发射功耗，簇头向物联网传输数据也进行了功率优化来最大化总速率，同时满足下行场景下的传输需求；基于统计信道的上行链路波束成形，建立了两个上行总速率最大化模型，得到物联网终端最优的发送功率和卫星波束成形矢量。本方法通过利用空间和功率资源，显著提高了卫星物联网传输容量。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体的的说是涉及一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法。
背景技术
由于物联网网络可以实现万物互联的愿景，所以物联网成为5G和即将到来的6G通信***的关键驱动力。此外，到2025年，物联网终端数量可能超过270亿，这显示出巨大的发展潜力。然而，如此庞大的物联网终端给物联网网络带来了巨大的挑战，特别是在海洋、山区和沙漠等偏远地区。这些挑战是由于在偏远地区部署物联网基站可能具有挑战性和不经济性。与人口主要生活区域相比，这些孤立区域对物联网网络的依赖程度较高，如环境监测、智能农业、海洋监测等。此外，陆地物联网基站可能会受到自然灾害的干扰，如洪水、地震和海啸。相反，在卫星上部署物联网基站可以被视为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物联网基站的缺乏。此外，与静止轨道卫星相比，低轨卫星可能更适合物联网，因为低轨卫星与物联网终端之间的距离要短得多。
基于卫星的物联网已经引起了人们的广泛关注。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。最近，功率域、时间域和码域技术被设计用于辅助随机访问。然而，由于功率控制难以实现，且同一卫星波束内不同物联网终端之间的传播损耗差异可能很小，因此在卫星物联网中很难获得所需的功率域差异。此外，DSA、CRDSA、IRSA等时域NOMA技术也具有一定的应用挑战性，因为它们依赖于卫星物联网内的全局时间同步，而且CRDSA和IRSA仍然需要物联网终端之间的功率差异。此外，ACRDA也可能不适用，因为它所需的功率差异很难实现。此外，稀疏码分多址接入(SCMA)主要用于时间同步***，严重的CFI会使SCMA的性能下降。与直连模式不同的是，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。
为了提高传输能力，空间域资源被广泛应用于地面网络。通过对空间域资源的利用，可以生成波束，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。这是由于依靠动态波束形成可以有效地缓解波束间的CFI。由于这一结果，MIMO已被用于协助地面物联网网络中大量物联网终端的上行传输，从而显著提高了容量。这种增强依赖于完美信道状态信息(CSIs)的假设。虽然人们对地面MIMO的研究已经投入了大量的精力，但对卫星MIMO，特别是动态波束形成的MIMO的研究还很少。在传统的卫星通信***中，广泛采用固定多波束技术，如多波束四色复用(FCRRM)、多波束七色复用和多波束十二色复用。这些多波束技术依赖于为相邻的波束分配不同的频带或极化，以消除CFI。相比之下，全频率复用多波束(FFRM)方案允许相邻波束共享同一频段，从而显著提高了频谱效率。最近，FFRM方案也被设计用于卫星通信***，其中终端被假定为稀疏部署。此外，FFRM方案进一步用于卫星物联网，其中假定终端直接与卫星通信。
实际上，地面MIMO和卫星MIMO有一些区别，主要区别归纳如下。第一，利用MIMO技术容易获取地面网络的空间分集增益。但是采用MIMO的卫星很难获得空间分集增益，因为卫星与地面终端之间存在非富散射链路。这种差异可以用来简化卫星波束形成的设计；第二，地面MIMO可以用来区分每个终端。但由于卫星与地面终端之间的传播距离较长，卫星MIMO的角度分辨率只能区分稀疏分布的物联网终端，而不能区分密集部署的物联网终端；第三，地面MIMO高度依赖于完美的CSIs。相比之下，由于卫星存在较长的传播时延和在轨道上的运动，要获得完美的CSIs具有一定的挑战性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于联合统计信道状态信息辅助波束形成和基于功率分配的容量增强方案的卫星物联网容量提升方法，以辅助卫星物联网的上行和下行传输，该方案还可以通过动态波束形成来缓解CFI，实现FFRM。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，包括基于统计信道的下行链路波束成形和基于统计信道的上行链路波束成形两部分，具体步骤如下：
(1)基于统计信道的下行链路波束成形：包括波束成形矢量优化和功率分配两部分，分别是；(1.1)波束成形矢量优化：在卫星到簇头的传输过程中，以最小化卫星功耗为目标函数，为满足传输需求，设置了信干噪比约束，然后求解优化函数，得到波束成形矢量；(1.2)功率分配：在簇头到物联网终端的传输过程中，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；
(2)基于统计信道的上行链路波束成形：包括功率分配和波束成形矢量优化两部分，分别是；(2.1)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；(2.2)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；
具体的，所述步骤(1)中，包括波束成形矢量优化和功率分配两部分:
(1.1)不失一般性，考虑第m个簇的簇头，在这个簇头处接收到的信号可以写成：
其中，M表示簇头个数，为第m波束的卫星发射信号，/>Nm是第m个波束内物联网终端的个数，αm,n是第m个簇内第n个终端的功率，sm,n是第m个簇内第n个终端的信号，wj是第j个波束的波束成形矢量，hm是卫星和第m个簇头之间的信道模型， 和fc分别表示多普勒频移和载频，/>表示传播时延，gm是卫星和第m个簇头之间链路的信道增益，nch,m是信道噪声；
然后，第m个集群的簇头将其接收到的数据进一步转发给它所服务的终端，由于传输距离长，传输损耗大，我们假设物联网终端无法接收其他簇头发送的信号，因此，在第m个集群的第n个终端接收的信号可以表示为：
其中，nm,n是均值为零，方差为的加性高斯噪声，hm,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，其均值为零，单位方差；
考虑不完全连续干扰消除，有：
其中，β′m,n和βm,n是不完美的SIC系数，0≤β′m,n,βm,n≤1；
考虑到卫星的峰值功率是有限的，将卫星功耗最小化问题表述为：
其中，γm为信干噪声比阈值，是第m个簇头的信干噪比。重写后的信噪比公式为：
(1.2)在优化波束形成矢量的基础上wm，进一步利用下行优化功率分配方法优化功率分配系数，此优化问题表述为：
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，/>可以表示为：
其中，
具体的，所述步骤(2)中，包括功率分配和波束成形矢量优化两部分：
(2.1)不失一般性，对于第m个簇中Nm-1终端将其数据发送到簇中，因此，这个簇头接收到的信号可以写成：
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：
其中，是簇头传输的信号，/>αm,1是分配给簇头的发射功率，假设/>sm,1是簇头本身的信号。
为了提高终端到簇头链路的传输能力，采用上行链路优化功率分配方法，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：
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，/>可以表示为：
(2.2)在功率分配的基础上，利用波束成形来最大化上行和率。因此，设计的优化问题可以表述为：
其中，可以表示为：
本发明的有益效果是：
本发明的下行主要考虑到低轨卫星上可用的功率有限，所以以最小化卫星功耗为目标函数，来优化波束成形矢量，簇头向物联网传输数据也进行了功率优化来最大化总速率，同时满足下行场景下的传输需求；本发明的上行主要考虑信道容量，建立了两个上行总速率最大化模型，得到物联网终端最优的发送功率和卫星波束成形矢量。
本发明提供的基于空间-功率资源联合调度提高集群式卫星物联网容量方法，下行链路和上行链路针对频率资源有限，都采用全频率复用，对于完美的信道状态信息难以获得，采用了基于统计的信道状态信息，效果和完美信道状态信息情况下近似，与传统四色复用方案相比，显著提高了传输容量。
综上所述，本发明通过利用空间和功率资源，显著提高了卫星物联网传输容量。
附图说明
图1为本发明的实施流程图。
图2为上行链路单个波束总功率和总速率之间的关系曲线。
图3为上行链路天线数量和总速率之间的关系曲线。
图4为下行链路信噪比和能效之间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，包括基于统计信道的下行链路波束成形和基于统计信道的上行链路波束成形两部分。
第一部分：基于统计信道的下行链路波束成形
包括波束成形矢量优化和功率分配两部分：
(1.1)不失一般性，考虑第m个簇的簇头，在这个簇头处接收到的信号可以写成：
其中，M表示簇头个数，为第m波束的卫星发射信号，/>Nm是第m个波束内物联网终端的个数，αm,n是第m个簇内第n个终端的功率，sm,n是第m个簇内第n个终端的信号，wj是第j个波束的波束成形矢量，hm是卫星和第m个簇头之间的信道模型， 和fc分别表示多普勒频移和载频，/>表示传播时延，gm是卫星和第m个簇头之间链路的信道增益，nch,m是信道噪声；
然后，第m个集群的簇头将其接收到的数据进一步转发给它所服务的终端，由于传输距离长，传输损耗大，我们假设物联网终端无法接收其他簇头发送的信号，因此，在第m个集群的第n个终端接收的信号可以表示为：
其中，nm,n是均值为零，方差为的加性高斯噪声，hm,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，其均值为零，单位方差；
考虑不完全连续干扰消除，有：
其中，β′m,n和βm,n是不完美的SIC系数，0≤β′m,n,βm,n≤1；
考虑到卫星的峰值功率是有限的，本发明将卫星功耗最小化问题表述为：
其中，γm为信干噪声比阈值，是第m个簇头的信干噪比。重写后的信噪比公式为：
(1.2)在优化波束形成矢量的基础上wm，进一步利用下行优化功率分配方法优化功率分配系数，此优化问题表述为：
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，/>可以表示为：
其中，
第二部分：基于统计信道的上行链路波束成形
包括功率分配和波束成形矢量优化两部分：
(2.1)不失一般性，对于第m个簇中Nm-1终端将其数据发送到簇中，因此，这个簇头接收到的信号可以写成：
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：
其中，是簇头传输的信号，/>αm,1是分配给簇头的发射功率，假设/>sm,1是簇头本身的信号。
为了提高终端到簇头链路的传输能力，采用上行链路优化功率分配方法，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：
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，/>可以表示为：
(2.2)在功率分配的基础上，利用波束成形来最大化上行和率。因此，设计的优化问题可以表述为：
其中，可以表示为：
图2为基于本发明方法进行的仿真，在上行链路中，单个波束总功率为-10到20dB的情况下，五种不同方案的总速率。
图3为基于本发明方法进行的仿真，在上行链路中，天线数量为16到128的情况下，五种不同方案的总速率。
图4为基于本发明方法进行的仿真，在下行链路中，信噪比为-10到20dB的情况下，三种不同方案的总速率，从图中可以看出，全频率方案明显优于四色复用方案和传统方案，在高信噪比区域，全频率方案比四色复用方案能效提高近10倍，并且远远高于传统方案。
综上所述，本发明提供的基于空间-功率资源联合调度提高集群式卫星物联网容量方法，下行主要考虑到低轨卫星上可用的功率有限，所以以最小化卫星功耗为目标函数，来优化波束成形矢量，簇头向物联网传输数据也进行了功率优化来最大化总速率，同时满足下行场景下的传输需求；上行主要考虑信道容量，建立了两个上行总速率最大化模型，得到物联网终端最优的发送功率和卫星波束成形矢量。
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 (3)
1.一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，其特征在于：所述卫星物联网容量提升方法包括如下步骤：
步骤1：基于统计信道的下行链路波束成形：包括波束成形矢量优化和功率分配两部分；
基于统计信道的下行链路波束成形的波束成形矢量优化为：在卫星到簇头的传输过程中，以最小化卫星功耗为目标函数，为满足传输需求，设置了信干噪比约束，然后求解优化函数，得到波束成形矢量；
基于统计信道的下行链路波束成形的功率分配为：在簇头到物联网终端的传输过程中，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；
步骤2：基于统计信道的上行链路波束成形：包括功率分配和波束成形矢量优化两部分：
基于统计信道的上行链路波束成形的功率分配：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；
基于统计信道的上行链路波束成形的波束成形矢量优化：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。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，其特征在于：所述步骤1中具体包括如下步骤：
步骤1-1：不失一般性，考虑第m个簇的簇头，在这个簇头处接收到的信号写成：
其中，M表示簇头个数，为第m波束的卫星发射信号，/>Nm是第m个波束内物联网终端的个数，αm,n是第m个簇内第n个终端的功率，sm,n是第m个簇内第n个终端的信号，wj是第j个波束的波束成形矢量，hm是卫星和第m个簇头之间的信道模型， 和fc分别表示多普勒频移和载频，/>表示传播时延，gm是卫星和第m个簇头之间链路的信道增益，nch,m是信道噪声；
第m个集群的簇头将其接收到的数据进一步转发给它所服务的终端，由于传输距离长，传输损耗大，假设物联网终端无法接收其他簇头发送的信号，因此，在第m个集群的第n个终端接收的信号表示为：
其中，nm,n是均值为零，方差为的加性高斯噪声，hm,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，其均值为零，单位方差；
考虑不完全连续干扰消除，有：
其中，βm′,n和βm,n是不完美的SIC系数，0≤β′m,n,βm,n≤1；
考虑到卫星的峰值功率是有限的，将卫星功耗最小化问题表述为：
其中，γm为信干噪声比阈值，是第m个簇头的信干噪比，重写后的信噪比公式为：
步骤1-2：在优化波束形成矢量的基础上，利用下行优化功率分配方法优化功率分配系数，此优化问题表述为：
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，/>表示为：
其中，
3.根据权利要求1所述的一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法，其特征在于：所述步骤2具体包括如下步骤：
步骤2-1：不失一般性，对于第m个簇中Nm-1终端将其数据发送到簇中，这个簇头接收到的信号写成：
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，/>αm,1是分配给簇头的发射功率，假设/>sm,1是簇头本身的信号，
采用上行链路优化功率分配方法，使每个集群的物联网终端到簇头链路的和速率最大化，优化问题被表述为：
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，/>表示为：
步骤2-2：在功率分配的基础上，利用波束成形来最大化上行链路的和速率，因此，优化问题表述为：
其中，可以表示为：
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