一种适用于GEO/LEO网络的LEO上行异步协同多址接入方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于geo/leo网络的leo上行异步协同多址接入方法。

背景技术：

空天信息网络作为我国重要的基础设施，受到越来越多的关注。截止到2015年8月31日中国在轨卫星数目达142颗，已超过俄罗斯，仅次于美国成为世界拥有卫星数目第二多的国家。为全面推进国家民用空间基础设施健康快速发展，促进空间资源规模化、业务化、产业化应用，我国于2015年发布了“国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015-2025年)”。通过业界和国家对空天信息网络相关研究的重视可以看出，空天信息网络的发展将是我国经济和国防建设不可或缺的核心组成部分。由于地球同步轨道卫星(geosynchronousearthorbit,geo)和低轨卫星(lowearthorbit,leo)在传输时延、覆盖范围，传输损耗等方面具有优势互补的特性，为了满足卫星网络中实时/非实时业务、低速/高速业务的共存服务需求，geo/leo网络是未来空天信息网络的重要组成部分。

在geo/leo网络中，一般基于软件定义网络(softwaredefinednetwork,sdn)思想，利用geo和leo在覆盖范围上的天然差异性，将geo/leo网络分为geo控制面和leo数据面，在geo控制面完成对底层leo节点消息的汇集和分发。由于未来leo数量在千颗的数量级(例如oneweb公司采用720颗leo卫星组成星座)，因此leo的多址接入技术设计成为重要的问题。对于未来geo/leo网络，随机接入技术比其他多址接入方式更具有优势，它在提升资源利用率，降低接入时延等方面具有重要意义。然而，现有的随机接入方法并没有考虑如何分配和利用空天网络的多节点资源，大数量级的leo节点在同时接入一个geo节点时会导致大量消息的碰撞；此外，现有的随机接入协议大多基于时隙同步，对于geo/leo网络而言其时延是异构时变的，整体同步难度很大，而且同步需要带来额外的信令和功率等资源开销。因此，异构时延下的leo异步随机接入方法的研究对空天网络的发展具有重要意义。

在geo/leo网络中，geo-leo链路存在较明显的异构时延(heterogeneousdelay)，它是由于网络中geo节点及leo节点由于位置上的差异性引起的同一geo节点与不同leo节点间的传播时延差异，主要体现在以下几个方面：不同leo发送节点到同一geo接收节点的时延不同；同一leo发送点到不同geo接收节点的时延不同以及同一leo发送节点到同一geo接收节点的时延随时间变化(leo卫星相对geo卫星高速运动)。由于异构时延的这种时延多样性和时变性，在geo/leo网络中实现时间同步会存在同步开销大和同步频繁的问题，使得传统基于时隙同步随机接入技术难以得到应用。典型的异步随机接入技术如纯aloha协议[1]，吞吐量只有0.18packet/slot，性能较好的asynchronousflippeddiversityaloha(afda)[2]和asynchronouscontentionresolutiondiversityaloha(acrda)[3]技术可以获得较高的吞吐量，但他们都是针对单接收点的异步接入。随着星间协作技术的发展，星间链路传输能力不断增强，为星间协作提供了可能性。在地面网络中，已有研究者提出基于时隙aloha的多基站协作随机接入(cooperativeslottedaloha)技术[4]，利用不同发送节点到同一接收节点的时延不同，通过多节点协作干扰消除技术最大化系统吞吐量，完成多址接入。但该技术只适用于时隙aloha的场景，在具有异构时延的geo/leo网络中，会存在同步开销大和频繁同步的问题。因此，如何利用geo/leo网络节点数量多、节点间存在星间链路可协同工作的优势，设计一种适用于geo/leo网络的leo异步协同多址接入技术，同时保证系统的吞吐量和丢包率，是推动空天通信网络发展的关键。

参考文献如下：

[1]roberts,lawrenceg."alohapacketsystemwithandwithoutslotsandcapture."acmsigcommcomputercommunicationreview5.2(1975):28-42.

[2]zheng,lei,andl.cai."afda:asynchronousflippeddiversityalohaforemergingwirelessnetworkswithlongandheterogeneousdelay."ieeetransactionsonemergingtopicsincomputing3.1(2015):64-73.

[3]degaudenzi,r,etal."asynchronouscontentionresolutiondiversityaloha:makingcrdsatrulyasynchronous."wirelesscommunicationsieeetransactionson13.11(2014):6193-6206.

[4]etal."cooperativeslottedalohaformulti-basestationsystems."ieeetransactionsoncommunications63.4(2015):1443-1456.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于geo/leo网络的leo异步协同多址接入技术，利用geo-leo链路的时延差以及geo间协同工作能力，在geo接收节点处通过串行干扰消除方法解决leo上行消息在异步随机接入时的碰撞问题。

本发明提供的一种适用于geo/leo网络的leo上行异步协同多址接入方法，各leo节点编码调制消息包发送出去；每个leo节点发送的消息包至少被两个geo节点接收；各geo节点将接收到的消息包回传给地面的信关站；信关站的解调装置为每个geo节点对应设置有一个滑动检测窗口，进行消息检测和编码解调。

所述的信关站的解调装置，对各geo节点发送的消息包进行检测和编码解调的过程包括：

步骤1，在geo节点i处检测到未发生碰撞的消息包并解码；

步骤2，将步骤1的解码信息在本地发送给协作geo节点j处，j≠i；在geo节点j处，根据leo节点到geo节点j再到信关站的信道信息，对该解码信息重新编码调制，生成消息包pkreg；所述的重新编码调制的方式与leo节点的相同；

步骤3，在geo节点j处，消息包pkreg与其他消息包发生了碰撞，将pkreg与geo节点j的滑动检测窗口内所有的信息进行相关运算，产生一个峰值，峰所在的位置就是消息包pkreg在geo接收节点j的中心位置；

步骤4，在geo节点j处，根据消息包pkreg和确定的位置，将pkreg所引入的干扰消除，使得与消息包pkreg发生碰撞的消息包变成未发生碰撞的消息包；然后对未发生碰撞的消息包进行解码；

重复上面步骤1～步骤4，进行迭代干扰消除，直到到达设置的最大迭代次数。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)本发明利用了geo/leo网络中存在较为明显的异构时延，无需系统同步，减少了用于系统同步所引入的功率和信令开销；

(2)本发明通过空间分集的思想，每个消息包只需发送一遍，可以被多个接收节点接收，降低了终端的功耗；

(3)在接收机方面，本发明采用跨节点协同迭代干扰消除技术，结合滑动相关检测技术可以有效的对碰撞的消息包进行恢复。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的geo层卫星分布示意图；

图2是本发明geo/leo网络架构示意图；

图3是本发明方法中进行跨节点协同干扰消除的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明针对于geo/leo网络中leo在接入geo时面临的多址接入技术问题，在卫星通信资源及功率受限的情况下，提出一种基于geo-leo链路时延差的新型多址接入方法，为leo上行消息防碰撞问题提出一种有效解决方案。

本发明实施例的geo/leo网络架构中，假设leo层有m颗leo卫星，它们被6颗geo卫星覆盖，如图1所示。由于3颗geo即可覆盖全球，因此任何一个leo节点向上层发送的消息都可以被至少2颗geo所接收。

由于卫星分布轨道高度不同，使得同一leo节点发送的消息到达不同geo节点的时延不同；不同leo节点发送的消息到达同一geo节点的时延也不同。本系统是异步系统，不需要时间同步，leo节点可以随时发送消息。这样，相同的消息，在不同geo节点处的碰撞情况也就不同。geo卫星接收到消息后，将消息回传给地面的信关站进行协同检测处理。在本发明中，假设每颗geo卫星到信关站的信道是相互独立的且在此过程中不会产生误码。

本发明采用了空间分集的思想，每个leo只需要发送一次消息，它可以被至少2颗geo卫星所接收，不需要发送多条该消息的复制消息，这降低了leo的功率开销。每条消息在[t,t+δt]时间范围内被接收，其中t是leo节点到geo节点的最小传播时延，δt是最大传播时延差。假设系统负载服从参数为λ的泊松分布，每条消息包等长，持续时间为τ，由于数据包长度τ≈1ms，一般来说在geo/leo网络中假设δt＞τ是合理的。图2为geo/leo网络的系统架构示意图，leo发送的消息至少被2颗geo接收，各geo回传消息给地面的信关站。

本发明适用于geo/leo网络的leo上行异步协同多址接入方法，调制端在leo节点，解调端在信关站，信关站对geo接收到的信号进行解调。

在leo的调制端，每个消息包在leo节点处以编码速率r和调制指数m进行编码和调制，然后不需要系统同步，将其发送出去，它会被geo节点所接收。在消息包的前端将会附着一段前导序列用于信号捕获和信道估计。

本发明的解调装置在信关站处，为每个geo接收节点对应设置有一个滑动检测窗口，用于对接收到的消息进行解码。假设当前滑动检测窗口的起始位置为ws，终止位置为we，当窗口内接收到信号时，该信号被滤波、采样，然后存储到本地。由于geo/leo网络存在异构时延，所以滑动窗口的大小w要大于δt，这样能保证接收机高效的运转。当前窗口内的消息处理完毕后，窗口会向右移动δw，然后新生成的检测窗口会处理在[ws+δw,we+δw]范围内接收到的消息，之前δw窗口内存储的样本将被删除。δw为设置的窗口滑动步长。

当geo接收节点检测到两个以上消息时，会存在消息包碰撞，本发明利用异构时延，利用未碰撞的消息包来进行跨节点协同干扰消除，恢复碰撞的消息包。如图3所示，通过2个geo接收节点的滑动检测窗口为例，来说明信关站的解调装置的消息检测流程，下面说明各个步骤。

步骤1，未碰撞消息包检测，信关站处的解调装置并行检测geo节点接收到的消息，检测过程可以利用接收到信号功率的差异性，从功率最强的信号开始检测。一旦消息的前导序列被检测到，解调器会根据前导序列对信道进行估计，然后对后面的消息进行解码。解码完成后会进行crc(循环冗余校验)校验，如果校验通过，则会认为解码成功，也就是该消息没有与其他消息发生碰撞。图3中第1个geo接收节点里的第1个消息包就是一个没有发生碰撞的消息包。

步骤2，协同与重构，一旦在某个geo接收节点i处的滑动检测窗口检测到未发生碰撞的消息包，那么会把该消息包的信息在本地发送给其他协作geo节点j(j≠i)的滑动检测窗口。然后在协作geo节点j处的窗口，根据leo节点到该geo节点j再到信关站的信道信息，对该信息重新编码调制，重新生成消息包，重新生成的消息包记为pkreg。在图3中，geo接收节点1会把消息包1的信息发送给geo接收节点2，geo接收节点2会根据它对应的信道信息重新对消息包1进行编码调制。

步骤3，干扰消息位置确定，图3中，geo接收节点2处的消息包1与其他消息包发生了碰撞，需要把它引入的干扰消除。目前已经在geo接收节点2处重新生成了消息包1，但是由于本发明方法没有时间同步，也就没有时隙的概念，因此消息包1在geo接收节点2处的具体位置并不知道。本发明方法采用滑动相关技术来确定干扰包的位置，即消息包1在geo接收节点2处的位置。由于重新生成的消息包pkreg与leo终端发送的消息采用相同的编码和调制方式，因此将pkreg与检测窗口内所有的信息进行相关运算，会产生一个峰值，这个峰所在的位置就是该干扰包在此geo接收节点的中心位置。

步骤4，协同干扰消除，当干扰包的位置确定以后，其引入的干扰可以被消除，这样使得一些原本发生碰撞的消息包变成未发生碰撞的消息包。如图3中第2个geo接收节点中的消息包2，它原本只与消息包1发生碰撞。一旦消息包1引入的干扰被消除，那么消息包2可以成功被检测。

按照这个过程，不断的对步骤1～步骤4进行迭代干扰消除，直到到达设置的最大迭代次数如此，利用异构时延恢复了碰撞的消息包。其中，i、j为geo的编号，本发明实施例中，i＝1,2,…6；j＝1,2,…6。

但是，经过多次迭代后，一些消息包在所有节点处仍然处于碰撞状态，无法被成功检测，如图3中的消息包3和消息包4。由于本发明基于的是异步系统，所以消息间可能只是存在一小部分的碰撞。因此，可以利用前向纠错码(forwarderrorcorrection,fec)对信号进行编码，通过该编码的强纠错能力，对发生小部分碰撞的消息进行还原，从而进一步提升本发明方法的性能。