[发明专利]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

说明书

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。

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通信系统的关键驱动力。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)主要用于时间同步系统，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。在传统的卫星通信系统中，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系统，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。