面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法。

背景技术

卫星通信具有不受地理环境限制、覆盖范围广、传播距离远以及传播时延长等特点，因此能够弥补传统地面物联网地理条件受限的缺陷，是我国卫星互联网的重要组成部分。然而，在低轨卫星物联网场景下，由于卫星覆盖范围大、终端数量多，而终端具有低功耗、轻控制的特性，这就导致终端接入约束与大容量非正交多址接入需求之间的出现矛盾，将会带来接收端接收数据包碰撞的问题，大大降低了系统吞吐量。

传统随机接入技术会采用确认机制，数据包发送失败会随机选取时间段重发，严重增加了卫星终端的接入时延及功耗，且系统吞吐量较低。借鉴非正交多址接入的串行干扰消除技术思想，提出容碰撞的随机接入技术。现有的一类容碰撞随机接入技术基于竞争解决的分集时隙接入方式，利用时间域上的分集特性，通过数据包副本采用迭代干扰消除技术从而提高数据包成功接收概率，从而提高了系统的吞吐量。然而其容忍碰撞的接收条件是具有无碰撞的时隙，则在中、高负载时无法获得无碰撞数据包触发分离过程，所以在面对大量用户接入的情况下性能较低，当负载增加时，系统吞吐量仍然会急剧下降。而另一类基于功率捕获的竞争解决随机接入方式，引入功率域维度提升竞争空间，利用功率分集、功率控制及接收端功率捕获效应，结合CRDSA协议提升系统吞吐量性能。然而该方式需要碰撞信号信噪比差异满足功率域信号分离条件，但是地面无线网络中的远近效应、功率控制、用户配对等条件在卫星物联网均不适用，因此，如何提高碰撞信号信噪比差异使其满足分离阈值是需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是，引入波束形成技术，提出面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，将其应用于传统随机接入技术中，在接收端数据包发生碰撞的情况下，尽可能地分离碰撞数据包，提升系统吞吐量，降低系统丢包率。

为实现以上目的，本发明提供了一种面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，包括以下步骤：

步骤 1、接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图

步骤 2、接收端卫星在第

步骤 3、估计步骤2卫星接收到的碰撞信号

步骤 4、依据步骤3估计的碰撞信号波达方向

步骤 5、卫星依据步骤1的常规波束形成参数及步骤4所得的辅助波束最优指向

步骤 6、利用步骤1所生成的常规波束

本发明的进一步改进在于，在步骤1中，卫星根据系统设计生成上行接收波束，采用常规波束形成，得到常规波束方向图

其中，

本发明的进一步改进在于，在步骤2中，卫星物联网采用时隙ALOHA接入方式，数据帧内共有

其中，

本发明的进一步改进在于，步骤3进一步包括以下步骤：

步骤3a）、根据步骤1的上行接收波束阵列所接收的

，

其中，

步骤3b）、根据

；

步骤3c）、对估计协方差矩阵

步骤3d）、按特征值的大小排序

步骤3e）、阵列空间谱函数为：

，

其中，

步骤3f）、通过步骤3e）对谱峰

本发明的进一步改进在于，在步骤3中，对

步骤S1，以步长

步骤S2，设置空间谱的判决门限为

步骤S3，依次将步骤S2超过判决门限的空间谱值

本发明的进一步改进在于，步骤4进一步包括以下步骤：

步骤4a）、依据碰撞数据包的波达方向

，

其中，接收天线功率增益

步骤4b）、以步骤4a）中碰撞信号载干噪比

其中，

步骤4c）、对于步骤4b）所建立的数学模型，引入遗传算法进行求解。

本发明的进一步改进在于，步骤4c）进一步由以下步骤实现：

步骤S1，将步骤4a）中碰撞信号载干噪比

步骤S2，设置种群规模为

步骤S3，设置交叉概率为

步骤S4，计算步骤S2创建的初始种群

步骤S5，依据步骤S4得到个体的适应度值为

；

步骤S6，将步骤S5中所生成的优良个体

步骤S7，将步骤S6中所产生的优良个体

步骤S8，计算步骤S7生成的新一代种群中每个个体

步骤S9，若当前迭代次数小于最大值

步骤S10，令适应度函数值

步骤S11，输出当前种群中达到最优适应度函数值

本发明的进一步改进在于，步骤5进一步包括以下步骤：

步骤5a）、依据常规波束形成参数及步骤4得到的辅助波束的波束指向

步骤5b）、依据步骤5a）中所得的辅助波束最优阵列权矢量求得最优辅助波束方向图

，

其中，

本发明的进一步改进在于，步骤6实现常规波束与辅助波束配合完成碰撞信号分离机制如下：

步骤6a）、将功率较大的

步骤6b）、利用进入主辅通道碰撞信号间的相关性，将步骤6a）中辅助通道已分离的数据包

步骤6c）、将第

本发明的有益效果：一方面，本发明利用辅助波束的优势，在不需要功率控制的情况下创造了接收信号信噪比差异，使得卫星物联网场景下的多用户检测能够实现；另一方面，本发明利用辅助波束主瓣边缘滚降带实现接收信号信噪比差异，使其满足功率域分离条件，提高了碰撞信号成功分离概率，提升了系统接入吞吐量，降低了系统接入丢包率。

附图说明

图1是本发明方法的辅助接收波束指向优化流程框图。

图2是本发明中不同分离门限下碰撞信号可分离成功率图。

图3是本发明中不同分离门限下系统吞吐量性能图。

图4是本发明中不同分离门限下系统丢包率性能图。

图5是图4中A位置的局部放大图。

图6是图4中B位置的局部放大图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

需要强调的是，在描述本发明过程中，各种公式和约束条件分别使用前后一致的标号进行区分，但也不排除使用不同的标号标志相同的公式和/或约束条件，这样设置的目的是为了更清楚的说明本发明特征所在。

如图1所示，本发明的面向碰撞分离的卫星物联网辅助接收波束指向优化方法，主要包括如下步骤：

步骤 1、接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图

步骤 2、接收端卫星在第

步骤 3、估计步骤2卫星接收到的碰撞信号

步骤 4、依据步骤3估计的碰撞信号波达方向

步骤 5、卫星依据步骤1的常规波束形成参数及步骤4所得的辅助波束最优指向

步骤 6、利用步骤1所生成的常规波束

以下结合附图对本发明进行详细描述。

步骤 1、接收端卫星根据系统设计生成上行接收波束方向图

在步骤1中，卫星根据系统设计生成上行接收波束，采用常规波束形成，得到常规波束方向图

其中，

步骤 2、接收端卫星在第

在步骤2中，卫星物联网中主要采用时隙ALOHA接入方式，数据帧内共有

，

其中，

步骤 3、估计步骤2卫星接收到的碰撞信号

实际应用中有多种波达方向估计方法，如Capon算法、MUSIC算法等，步骤3使用MUSIC算法为例说明波达方向估计的具体过程，在条件允许情况下，也可以使用其他方法进行波达方向估计。

步骤3中的具体步骤如下：

3a）根据步骤1的上行接收波束阵列所接收的

其中，

3b）根据

3c）对估计协方差矩阵

3d）按特征值的大小排序

3e）阵列空间谱函数为：

其中，

步骤S1，以步长

步骤S2，设置空间谱的判决门限为

步骤S3，依次将步骤S2超过判决门限的空间谱值

3f）通过步骤3e）对谱峰

步骤 4、依据步骤3估计的碰撞信号波达方向

实际应用中有多种求解最优化问题的方法，如遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等，本步骤使用遗传算法为例说明求解辅助波束最优指向及最大碰撞信号载干噪比的具体过程，在条件允许情况下，也可以使用其他方法进行求解。

本步骤的具体实现如下：

4a）依据碰撞数据包的波达方向

其中，接收天线功率增益

4b）以步骤4a）中碰撞信号载干噪比

其中，

4c）对于步骤4b）所建立的数学模型，引入遗传算法进行求解，包括如下步骤：

步骤S1，将步骤4a）中碰撞信号载干噪比

步骤S2，设置种群规模为

步骤S3，设置交叉概率为

步骤S4，计算步骤S2创建的初始种群

步骤S5，依据步骤S4得到个体的适应度值为

步骤S6，将步骤S5中所生成的优良个体

步骤S7，将步骤S6中所产生的优良个体

步骤S8，计算步骤S7生成的新一代种群中每个个体

步骤S9，若当前迭代次数小于最大值

步骤S10，令适应度函数值

步骤S11，输出当前种群中达到最优适应度函数值

步骤 5、卫星依据步骤1的常规波束形成参数及步骤4所得的辅助波束最优指向

5a）依据常规波束形成参数及步骤4得到的辅助波束的波束指向

5b）依据步骤5a）中所得的辅助波束最优阵列权矢量求得最优辅助波束方向图

其中，

步骤 6、利用步骤1所生成的常规波束

实际应用中，有多种现有的信号分离技术与信号接收方法可供选择使用，本发明不再说明碰撞信号具体分离与接收过程。本步骤实现常规波束与辅助波束配合完成碰撞信号分离机制如下：

6a）将功率较大的

6b）利用进入主辅通道碰撞信号间的相关性，将步骤6a）中辅助通道已分离的数据包

6c）将第

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

实验场景：

场景设置了载波频率为2GHz，带宽为20kHz，常规波束阵元数为32个，阵元间隔为波长的一半，星地链路距离为1000km，等效噪声温度为290K，终端发送功率为-10dBW，终端发送增益为0dBi，碰撞信号可实现分离的载干噪比阈值为分别设置为8dB、9dB和10dB。

实验内容与结果：

实验1、统计碰撞信号载干噪比最大值满足功率域分离条件的成功率。

通过遗传算法对所建立的数学模型进行求解，统计不同来波方向的碰撞信号载干噪比最大值大于分离门限的成功率。分别取不同分离门限，在多个数据包碰撞的情况下所得成功率如图2所示。从成功率变化趋势可以看出，分离门限越低，数据包碰撞个数越少，可分离的成功率越高。

实验2、验证不同分离门限下的系统吞吐量性能。

图3是系统吞吐量的性能，图4-图6是丢包率的性能。从仿真结果可以看出，与传统时隙ALOHA随机接入技术相比较，引入辅助波束指向优化方法分离碰撞信号可以有效提升系统吞吐量，降低系统丢包率，且分离门限越低，吞吐量峰值对应的归一化负载越大，系统吞吐量提升越大。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。