一种星地联合的天地一体化大规模接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种星地联合的天地一体化大规模接入方法。

背景技术

过去的几十年见证了通信行业的需求激增和新应用的兴起，大量的技术创新和理论突破构建了一代又一代可靠的无线通信网络。今年来第五代(5G)通信网络已经逐步落实，与第四代(4G)长期演进高级(LTEA)系统相比，第五代(5G)网络具有海量设备连接能力，更高的业务流量能力和定制的用户服务体验的需求。然而，虽然数十年来的发展已经产生了丰富的技术来增强地面网络，但是仍然存在有一些挑战地面网络难以解决，例如频谱稀缺和一些极端地区的通信网络难以覆盖。

由于经济和地理原因，地面网络的服务区域通常无法达到全球100％的覆盖范围。对于人口密度很低的地区，不必要的通讯实体将导致人均平均费用较高，而且在一些特殊地区，很难部署基础通信设施。与此同时，卫星网络突破了从传统地面网络到空间维度的地理限制，近年来吸引了空前的关注。由于普遍存在的服务覆盖范围和强大的多链路传输能力，卫星在全球范围内提供了灵活的接入方案。因此卫星网络和地面网络能形成有效的互补，联合星地网络将会成为未来通信系统中的重要组成部分。并且由于5G通信的时延要求，低轨道卫星(LEO)是星地网络中卫星端的极佳选择。

此外，未来的无线网络将需要支持海量物联网设备的同时接入。在当前广泛采用的正交多接入技术中，如时分复用多接入(TDMA)、频分复用多接入(FDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，非正交多接入技术主要利用发射端的叠加编码和接收端的串行干扰抵消实现高效的多用户接入。然而，当接入用户数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。因此需要将用户分为多个簇(即卫星波束覆盖区域和基站不同小区方向)，并只在每个簇内进行串行干扰抵消，从而有效降低了用户的计算复杂度。然而，不同簇之间会产生新的簇间干扰，并且由于在同一频段，卫星网络与地面网络间也会产生网络间干扰。

为了进一步提高非正交多接入技术的性能，必须有效抑制各类干扰，即需要采取有效的波束成形技术。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中地面通信网络覆盖范围有限问题，并设计了一类天地一体化网络为未来无线通信提供了一种高效的接入方法，进而提出了一种星地联合的天地一体化大规模接入方法。本发明将非正交多址接入技术与星地联合网络结合起来建立天地一体化通信网络，能够有效的弥补单一地面网络的不足，从而进一步提升当前通信系统的能力，实现全球覆盖和支撑海量设备接入。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种星地联合的天地一体化大规模接入方法，其包括如下步骤：

1)所有卫星用户根据其所在区域，自然归属于不同的L个卫星波束覆盖区域，并且第l个卫星区域内部有S

2)第l个卫星区域内的基站根据信道长期统计信息，获得第m个簇内第n个基站用户

3)第l个卫星区域内的基站根据基站用户信道状态信息顺序，为基站用户

4)根据功率分配因子α

5)卫星用户和基站用户分别接收到卫星和基站发射的信号后，对同一区域或同一簇内的用户信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的天地一体化大规模接入方法，其特征在于，所述步骤3)中的波束设计方法为：

a)初始化发射波束

其中

b)由于信道状态信息的获取与实际信道始终存在偏差，其中卫星信道存在相位偏差，地面基站信道存在幅相误差；因此实际卫星用户信道状态信息为

下标j代表基站第j个波束，i代表基站某个波束内的第i个用户；

其中A

对于卫星用户，

其中A

令

v

其中，下标[l,m,n]代表基站用户参数，即代表第l个卫星波束区域内基站的第m个簇内的第n个基站用户；[l,s]代表卫星用户参数，即代表第l个卫星波束区域内的第s个卫星用户；q

利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的W

进一步的，所述步骤4)具体为：卫星为所有卫星用户发射的总的叠加广播信号

进一步的，所述步骤5)中串行干扰抵消的方法为：任一卫星用户首先对同一区域内信道增益弱于自身的用户的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码；同样的，基站用户与卫星用户的串行干扰抵消方法相同。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明提出的星地联合的天地一体化大规模接入方法，解决了陆地物联网无法做到全球覆盖的缺陷，使得全球通信无缝连接有可能实现，具有实现复杂度低、频谱效率高、能有效抑制干扰等优点。

附图说明

图1是本发明方法的框图；

图2是在不同相位误差大小时，本发明方法所需的最小功率比较示意图；

图3是在本发明方法和正交接入方法(时分复用)所需的最小功率比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提出的一种星地联合的天地一体化大规模接入方法的系统框图如图1所示，卫星有K

本发明所采用的具体技术方案包括如下步骤：

1)所有卫星用户根据其所在区域，自然归属于不同的L个卫星波束覆盖区域，并且第l个卫星区域内部有S

2)第l个卫星区域内的基站根据信道长期统计信息，获得第m个簇内第n个基站用户

3)第l个卫星区域内的基站根据基站用户信道状态信息顺序，为基站用户

其中，波束设计方法为：

a)初始化发射波束

其中

b)由于信道状态信息的获取与实际信道始终存在偏差，，其中卫星信道存在相位偏差，地面基站信道存在幅相误差，因此实际卫星用户信道状态信息为

对于基站用户我们有

同样的，对于卫星用户我们有

令

v

其中，除非有特殊说明，否则下标[l,m,n]代表基站用户参数，即代表第l个卫星波束区域内基站的第m个簇内的第n个基站用户。[l,s]代表卫星用户参数，即代表第l个卫星波束区域内的第s个卫星用户。q

利用迭代法求解每次发射功率的最小值，每轮迭代得到相应的W

4)根据功率分配因子α

步骤4)具体为：卫星为所有卫星用户发射的总的叠加广播信号

5)卫星用户和基站用户分别接收到卫星和基站发射的信号后，对同一区域或同一簇内的用户信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

其中，串行干扰抵消的方法为：任一卫星用户首先对同一区域内信道增益弱于自身的用户的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码；同样的，基站用户与卫星用户的串行干扰抵消方法相同。

通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明提出的星地联合的天地一体化大规模接入方法在对抗一定程度的卫星信道相位误差时有较好的性能，即具有较好的鲁棒性。另外，图3表明本发明所提方法比正交接入方法在相同用户服务要求下消耗系统功率更少，即证明了本发明所提方法的有效性。因此，本发明提出的星地联合的天地一体化大规模接入方法为天地一体化的全球网络覆盖提供了一种可行且有效的大规模用户接入方法。