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CN113824490B - 一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法 - Google Patents

一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法 Download PDF

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CN113824490B CN202111409431.XA CN202111409431A CN113824490B CN 113824490 B CN113824490 B CN 113824490B CN 202111409431 A CN202111409431 A CN 202111409431A CN 113824490 B CN113824490 B CN 113824490B
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Abstract

本发明公开了一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其包括以下步骤：S1、获取具边缘用户和中心用户；S2、获取原始信号；S3、通过联合干扰消除技术从原始信号中获取所有中心用户的接收功率和数据；S4、在总接收功率中消去所有中心用户的接收功率，得到剩余接收功率；S5、对剩余接收功率进行解调解码，得到边缘用户的发送信号，进而得到边缘用户的发送数据。本发明将非正交多址接入技术和软切换技术相结合，通过干扰消除技术，实现了切换用户的星地双连接传输，从而实现了星地链路系统吞吐量和切换用户通信服务质量的联合优化。

Description

一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法。
背景技术
低轨卫星通信系统在实现全球移动通信和天地一体化网络中发挥着重要作用，然而，由于低轨卫星的快速运动，导致星地链路切换频繁，严重影响了切换用户（边缘用户）的通信服务质量，这对系统的资源分配和用户的通信服务质量的保障带来了巨大的挑战。现有技术多是致力于研究最大化网络吞吐量的方法，亦或是切换用户通信服务质量优先的方法，仅能实现系统吞吐量和切换用户通信服务质量的取舍，难以实现对系统吞吐量和切换用户通信服务质量的兼顾，大大限制了低轨卫星通信系统的性能和应用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法解决了切换用户通信质量差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其包括以下步骤：
S1、获取具有波束重叠区域的q个波束，将波束重叠区域的所有用户作为一个整体，得到边缘用户；将每个波束未与其他波束重叠的区域的所有用户作为一个中心用户，得到q个中心用户；
S2、获取原始信号：将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束；同时使所有中心用户采用全部功率发送数据给对应的波束；
S3、通过联合干扰消除技术从原始信号中获取所有中心用户的接收功率和数据；
S4、在总接收功率中消去所有中心用户的接收功率，得到剩余接收功率；
S5、对剩余接收功率进行解调解码，得到边缘用户的发送信号，进而得到边缘用户的发送数据。
进一步地，步骤S1中获取具有波束重叠区域的q个波束的具体方法为：
对于任一个用户，判断其是否仅接收到一个下行功率，若是则判定其位于未与其他波束重叠的区域；否则判断该用户所接收的所有下行最大功率之间的差距是否达到20%，若是则判定该用户位于波束重叠区域；进而获取具有波束重叠区域的波束。
进一步地，步骤S1中获取具有波束重叠区域的q个波束的具体方法为：
通过用户查询卫星时刻表，根据自身位置和卫星时刻表判断其是否位于波束重叠区域，并获取重叠区域的波速数量。
进一步地，步骤S2中将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、以最大吞吐量最优为条件，构建如下优化问题：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示约束条件；C1、C2和C3均表示频率资源分配约束；C4和C5为发送功率约束；C6为解码门限约束；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第i个波束第m个边缘用户的资源情况，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示进行分配，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示不分配；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示边缘用户m是否在波束i内的
Figure DEST_PATH_IMAGE007
信道上分配资源；M为边缘用户总数，m为边缘用户编号，
Figure 748037DEST_PATH_IMAGE007
为第i个波束的第k个信道资源，i为波束编号，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为边缘用户m在
Figure 573910DEST_PATH_IMAGE007
信道上的发送功率，I为波束总数，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为终端上行总功率约束，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为中心用户j的信干噪比，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为最低信干噪比门限，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为切换用户m的信干噪比；
S2-2、通过拉格朗日对偶法，获取KKT条件对应的迭代表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
均为拉格朗日算子，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为步长，h为优化问题对应的拉格朗日方程；下标
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为第n种频率复用颜色的第i个波束下的第m个边缘用户；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为第n种频率复用颜色的第k个子信道；l为迭代次数；
S2-3、通过梯度下降法对迭代公式进行求解，得到边缘用户最优上行发送功率分配方案和功率与频率资源配对方案，完成将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束。
本发明的有益效果为：本发明将非正交多址接入技术和软切换技术相结合，通过干扰消除技术，实现了切换用户的星地双连接传输，从而实现了星地链路系统吞吐量和切换用户通信服务质量的联合优化。
附图说明
图1为本方法的流程示意图；
图2为针对的多波束低轨卫星通信系统星地链路接入场景示意图；
图3为基于非正交多址接入的多波束联合接收机示意图；
图4为基于非正交多址接入的软切换传输示意图；
图5为在不同波束中心用户信道增益条件下的归一化上行和速率和用户h功率分配值的关系图；
图6为在不同波束中心用户信道增益条件下的归一化上行和速率和用户h功率分配值的关系图；
图7为在不同波束中心用户信道增益条件下的归一化上行和速率和用户h功率分配值的关系图；
图8为在不同波束中心用户信道增益条件下的归一化上行和速率和用户h功率分配值的关系图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3和图4所示，该基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法包括以下步骤：
S1、获取具有波束重叠区域的q个波束，将波束重叠区域的所有用户作为一个整体，得到边缘用户；将每个波束未与其他波束重叠的区域的所有用户作为一个中心用户，得到q个中心用户；每个中心用户都对应一个波束，每个边缘用户可用波束数量为重叠的波束数量；
S2、获取原始信号：将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束；同时使所有中心用户采用全部功率发送数据给对应的波束；
S3、通过联合干扰消除技术从原始信号中获取所有中心用户的接收功率和数据；联合干扰消除技术为现有技术，可以由多波束联合接收机实现；
S4、在总接收功率中消去所有中心用户的接收功率，得到剩余接收功率；
S5、对剩余接收功率进行解调解码，得到边缘用户的发送信号，进而得到边缘用户的发送数据。
步骤S1中获取具有波束重叠区域的q个波束的具体方法为：
①、对于任一个用户，判断其是否仅接收到一个下行功率，若是则判定其位于未与其他波束重叠的区域；否则判断该用户所接收的所有下行最大功率之间的差距是否达到20%，若是则判定该用户位于波束重叠区域；进而获取具有波束重叠区域的波束；
②、通过用户查询卫星时刻表，根据自身位置和卫星时刻表判断其是否位于波束重叠区域，并获取重叠区域的波速数量。
步骤S2中将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、以最大吞吐量最优为条件，构建如下优化问题：
Figure 640830DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 184944DEST_PATH_IMAGE002
表示约束条件；C1、C2和C3均表示频率资源分配约束；C4和C5为发送功率约束；C6为解码门限约束；
Figure 536291DEST_PATH_IMAGE003
为第i个波束第m个边缘用户的资源情况，
Figure 623195DEST_PATH_IMAGE004
表示进行分配，
Figure 909951DEST_PATH_IMAGE005
表示不分配；
Figure 816727DEST_PATH_IMAGE006
表示边缘用户m是否在波束i内的
Figure 96399DEST_PATH_IMAGE007
信道上分配资源；M为边缘用户总数，m为边缘用户编号，
Figure 37810DEST_PATH_IMAGE007
为第i个波束的第k个信道资源，i为波束编号，
Figure 999862DEST_PATH_IMAGE008
为边缘用户m在
Figure 393934DEST_PATH_IMAGE007
信道上的发送功率，I为波束总数，
Figure 352663DEST_PATH_IMAGE009
为终端上行总功率约束，
Figure 7635DEST_PATH_IMAGE010
为中心用户j的信干噪比，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
为最低信干噪比门限，
Figure 839456DEST_PATH_IMAGE013
为切换用户m的信干噪比。
S2-2、通过拉格朗日对偶法，获取KKT条件对应的迭代表达式：
Figure 845458DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 342299DEST_PATH_IMAGE015
均为拉格朗日算子，
Figure 366624DEST_PATH_IMAGE016
为步长，h为优化问题对应的拉格朗日方程；下标
Figure 290718DEST_PATH_IMAGE017
为第n种频率复用颜色的第i个波束下的第m个边缘用户；
Figure 659382DEST_PATH_IMAGE018
为第n种频率复用颜色的第k个子信道；l为迭代次数；
S2-3、通过梯度下降法对迭代公式进行求解，得到边缘用户最优上行发送功率分配方案和功率与频率资源配对方案，完成将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束。
在本发明的一个实施例中，在引入本方法之前，以最大化上行吞吐量为例，系统无法为切换用户h提供上行资源，只能分别服务用户a和用户b，用户a的上行速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为噪声功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为用户a的上行发送功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为用户a到波束1（链路1）的信道增益和天线接收增益的总和。同理，用户b的上行速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为用户b的上行发送功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为用户b到波束2（链路2）的信道增益和天线接收增益的总和。
在引入本发明后，基于非正交多址接入技术和多波束联合干扰消除技术，切换用户h同时使用用户a和用户b的频率资源分别发送数据给波束1和波束2，用户h的信号在第一轮解码中视为噪声，不做任何处理，则用户a的上行速率变为了：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为用户h的在波束1内的上行发送功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为用户h到波束1的信道增益和天线接收增益的总和。
同理，对用户b，其上行速率变为了：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为用户h的在波束2内的上行发送功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为用户h到波束2的信道增益和天线接收增益的总和。
通过多波束干扰消除技术，在解出用户a和b的接收信号后，可消去原信号中的这部分信号，此时，用户h的信号就成了有用信号，再进行解调解码，可得用户h在波束1的速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
在波束2的速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
故用户h的和速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
则本发明后，用户a、b和h的总速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
相比于引入本发明前，增加的速率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
通过软件仿真可以证明，增加的速率在各种多波束天线模型下的常规信噪比下都是大于零的，即通过引入基于星地链路上行非正交多址接入的软切换技术，虽然增加了多波束接收机的复杂度，但能够增加系统的上行吞吐量，且同时增加了切换用户的通信服务质量。
针对本申请所应用的场景，得到如图5、图6、图7和图8所示的在不同波束中心用户信道增益条件下的归一化上行和速率和用户h功率分配值的关系图。4张图的归一化信道增益如表1所示，其中在引入本发明之前的用户a和b的和速率分别为31.02Mbps、30.27Mbps、30.27Mbps和30.28Mbps。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE039
Figure DEST_PATH_IMAGE040
图5 1 1
图6 1 0.9
图7 0.9 1
图8 0.95 0.95
引入本方法之后，用户a、b和h的和速率随用户h在波束1内分配的功率的变化情况分别如图5~8所示，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，可以看出不同信道增益条件下的最优功率分配和总速率各有不同，但与引入本发明之前的和速率相比，均有明显的提升，且保证了切换用户的通信服务质量。
综上所述，本发明将非正交多址接入技术和软切换技术相结合，通过干扰消除技术，实现了切换用户的星地双连接传输，从而实现了星地链路系统吞吐量和切换用户通信服务质量的联合优化。

Claims (4)

1.一种基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取具有波束重叠区域的q个波束，将波束重叠区域的所有用户作为一个整体，得到边缘用户；将每个波束未与其他波束重叠的区域的所有用户作为一个中心用户，得到q个中心用户；
S2、获取原始信号：将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束；同时使所有中心用户采用全部功率发送数据给对应的波束；
S3、通过联合干扰消除技术从原始信号中获取所有中心用户的接收功率和数据；
S4、在总接收功率中消去所有中心用户的接收功率，得到剩余接收功率；
S5、对剩余接收功率进行解调解码，得到边缘用户的发送信号，进而得到边缘用户的发送数据。
2.根据权利要求1所述的基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其特征在于，步骤S1中获取具有波束重叠区域的q个波束的具体方法为：
对于任一个用户，判断其是否仅接收到一个下行功率，若是则判定其位于未与其他波束重叠的区域；否则判断该用户所接收的所有下行最大功率之间的差距是否达到20%，若是则判定该用户位于波束重叠区域；进而获取具有波束重叠区域的波束。
3.根据权利要求1所述的基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其特征在于，步骤S1中获取具有波束重叠区域的q个波束的具体方法为：
通过用户查询卫星时刻表，根据自身位置和卫星时刻表判断其是否位于波束重叠区域，并获取重叠区域的波速数量。
4.根据权利要求1所述的基于星地链路上行非正交多址接入的软切换方法，其特征在于，步骤S2中将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、以最大吞吐量最优为条件，构建如下优化问题：
Figure 903397DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 345224DEST_PATH_IMAGE002
表示约束条件；C1、C2和C3均表示频率资源分配约束；C4和C5为发送功率约束；C6为解码门限约束；
Figure 430861DEST_PATH_IMAGE003
为第i个波束第m个边缘用户的资源情况，
Figure 449983DEST_PATH_IMAGE004
表示进行分配，
Figure 646478DEST_PATH_IMAGE005
表示不分配；
Figure 435090DEST_PATH_IMAGE006
表示边缘用户m是否在波束i内的
Figure 547753DEST_PATH_IMAGE007
信道上分配资源；M为边缘用户总数，m为边缘用户编号，
Figure 198046DEST_PATH_IMAGE007
为第i个波束的第k个信道资源，i为波束编号，
Figure 195302DEST_PATH_IMAGE008
为边缘用户m在
Figure 635159DEST_PATH_IMAGE007
信道上的发送功率，I为波束总数，
Figure 531440DEST_PATH_IMAGE009
为终端上行总功率约束，
Figure 993995DEST_PATH_IMAGE010
为中心用户j的信干噪比，
Figure 797872DEST_PATH_IMAGE011
为最低信干噪比门限，
Figure 662273DEST_PATH_IMAGE012
为切换用户m的信干噪比；
S2-2、通过拉格朗日对偶法，获取KKT条件对应的迭代表达式：
Figure 588510DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 30640DEST_PATH_IMAGE014
均为拉格朗日算子，
Figure 776224DEST_PATH_IMAGE015
为步长，h为优化问题对应的拉格朗日方程；下标
Figure 294799DEST_PATH_IMAGE016
为第n种频率复用颜色的第i个波束下的第m个边缘用户；
Figure 654586DEST_PATH_IMAGE017
为第n种频率复用颜色的第k个子信道；l为迭代次数；
S2-3、通过梯度下降法对迭代公式进行求解，得到边缘用户最优上行发送功率分配方案和功率与频率资源配对方案，完成将边缘用户的上行发送总功率分为q份，并分别使用q个中心用户的频率资源分别发送数据给对应的波束。
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