一种联合用户分组和多波束的卫星物联网容量提升方法

本发明公开了一种联合用户分组和多波束的卫星物联网容量提升方法，属于无线通信技术。

背景技术：

1、低轨卫星物联网自诞生以来，一直受到研究领域的广泛关注。尤其是针对一些如山丘，海洋，沙漠等的偏远地区，陆地无线网络可能存在覆盖上的漏洞。相比之下，用卫星进行无线网络覆盖会是更好的解决方案。因此，对卫星物联网通信的需求日益增大。同时随着未来卫星物联网对物联网流量的需求不断增加，物联网终端的数量也将大幅增加。与互联网追求的高吞吐量不同，卫星物联网追求的是接入更多的物联网终端，因为卫星物联网的服务主要面向资产跟踪，环境监测和智能农业等领域，这些领域内可能存在大量低速率的物联网终端。

2、为了承载巨量的物联网终端，卫星物联网应提供足够大的用户容量。但同时接入卫星的大型物联网终端可能会对彼此造成同频干扰，从而导致用户容量下降。为了缓解同频干扰，这些物联网终端可以以授权方式接入卫星。在这种方式下物联网终端将数据传输到卫星至少需要四个步骤。卫星物联网具有以下特点：如低轨卫星的高移动性，高传播时延，覆盖范围大，可用频谱资源有限，短突发通信以及对低功耗的高要求。结合这些，考虑利用空间资源来提高卫星物联网网络的用户容量，同时简化接入步骤。

技术实现思路

1、本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种联合用户分组和多波束的卫星物联网容量提升方法，容量提升效率高，提升大。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种联合用户分组和多波束的卫星物联网容量提升方法,卫星形成波束辅助物联网用户接入，针对有用户位置和无用户位置两种情况分别进行用户分组；在用户分组后，实施多波束联合处理；具体包括物联网用户分组和多波束联合处理两个部分，其中：

3、所述物联网用户分组包括：根据卫星端是否获取用户准确位置选择分组方式，若卫星端获取用户位置，则基于用户位置进行用户分组；若卫星端无用户准确位置，则基于用户分布进行用户分组；

4、所述多波束联合处理包括：当基于用户位置进行分组时，根据用户统计信道状态信息，结合用户位置误差，建立多波束联合处理优化问题，通过优化波束成形矢量，最大化物联网用户和速率；

5、当基于用户分布进行分组时，根据区域统计信道状态信息，建立多波束联合处理优化问题，通过优化波束成形矢量，最大化物联网用户和速率。

6、进一步的，所述基于用户位置进行用户分组具体包括为：

7、给定gx和gy，分组的分配方式如下：

8、

9、其中，表示分组序号，

10、ax表示阵列天线中x轴的天线数目，ay表示阵列天线中y轴的天线数目，

11、ax表示阵列天线中x轴的天线序号，ay表示阵列天线中y轴的天线序号，0≤ax≤ax-1，0≤ay≤ay-1，

12、gx表示阵列天线中x轴的频率资源序号，gy表示阵列天线中y轴的频率资源序号，0≤gx≤nf,x-1，0≤gy≤nf,y-1，

13、nf,x表示阵列天线中x轴的分配的频率资源最大数量，nf,y表示阵列天线中y轴的分配的频率资源最大数量；

14、对物联网用户uk而言，其中：k为用户序号，表示用户总数量，该用户uk是否分配到分组的判断准则为

15、若且

16、其中，表示存在位置误差时物联网用户与阵列天线中x轴的夹角，表示存在位置误差时物联网用户与阵列天线中y轴的夹角，

17、其中：δx＝2/(nf,xax)，δy＝2/(nf,yay)。

18、进一步的，所述步骤(1)中，基于用户分布进行用户分组建模为：

19、(1)初始化遗传算法的遗传因子、变异因子、交叉因子、群规模和迭代次数，建立遗传算法的第一代种群，其中每个个体为一种波束覆盖方案；

20、(2)计算种群中每个个体的适应度值，适应度函数值越小越优；

21、(3)根据一定的约束条件对种群内的非法解进行排除；考虑的约束条件包括：波束将所需区域全覆盖约束，波束间的重叠范围以及波束数量上限；设定罚函数因子，对不满足约束条件的个体，其适应度值会因为罚函数因子的影响变得极大；

22、(4)对种群执行轮盘赌选择算子，选择出下一代种群；

23、(5)对下一代种群执行交叉和变异算子，其中交叉算子采用单点交叉，变异算子采用均匀变异；

24、(6)如果达到结束条件，则输出基于用户分布的分组结果，否则返回到步骤(2)。

25、进一步的，遗传算法中染色体的编码为：

26、ch＝[x11,x12,...,x1n,x21,...,x2n,...,xmn]＝[x1,x2,...,xm×n]

27、其中，m代表依照直角坐标系的x方向设置的波束备用点个数；

28、n代表依照直角坐标系的y方向设置的波束备用点个数；

29、xij为：在需要进行波束覆盖的区域内依照直角坐标系的x,y方向均匀设置波束备用点，xij的值为以这个波束备用点为中心的波束半径的大小。

30、进一步的，约束条件的设定为：

31、波束半径约束：

32、

33、波束间的重叠范围约束：

34、

35、波束覆盖终端数量上限约束：

36、

37、波束将所需区域全覆盖约束：

38、

39、

40、其中，ri表示波束bi的半径，ax表示天线阵列横向的阵列规模，

41、ay表示天线阵列纵向的阵列规模，

42、nb表示波束数目，

43、ni表示合成波束bi所需的最小波束数量；

44、rmin表示天线阵列能提供的最小波束半径；

45、ρmax为物联网用户部署密度的最大值，η为重叠区域面积的调节因子，λ为波束覆盖区域内物联网用户数量的调节因子，表示波束bi,bi'的重叠面积，表示波束bi覆盖的终端数量，表示波束bi,bi'的交点。

46、进一步的，适应度函数值的定义为：

47、

48、其中，σ0表示罚函数因子，cover表示是否满足波束将所需区域全覆盖约束，overlap表示是否满足波束间的重叠范围约束，表示是否满足天线所能支持的最大波束数量约束，若不满足其中任意约束，将该约束对应的罚函数变量置为1。

49、进一步的，根据用户统计信道状态信息，结合用户位置误差，多波束联合处理包括以下步骤：

50、建立多波束联合处理优化问题：

51、

52、

53、

54、其中，表示波束成形矢量，表示分组中物联网用户数量，

55、表示第分组中第i个物联网用户的速率；

56、hs,i,sat表示第i个物联网用户到卫星的统计信道状态信息，

57、hs,u,sat表示第u个物联网用户到卫星的统计信道状态信息，

58、pt表示物联网用户的发射功率，σ2表示噪声功率，h表示求共轭转置操作；

59、计算每个波束和频率资源下的波束成形矢量：

60、

61、其中，i表示单位矩阵，mge()表示求最大广义特征向量操作；

62、计算和速率：

63、

64、

65、其中，表示子载波带宽，表示子载波数目，

66、表示分组中第i个用户到卫星间链路的瞬时信道状态信息，

67、表示分组中第u个用户到卫星间链路的瞬时信道状态信息；

68、用户容量可表示为：

69、

70、其中，如果否则rth为传输速率阈值。

71、进一步的，根据区域统计信道状态信息，建立多波束联合处理优化问题包括以下步骤：

72、建立多波束联合处理优化问题：

73、

74、

75、

76、其中，wij表示波束成形矢量，nb表示波束数目，

77、表示第i个波束中第j个频率资源下的物联网用户的和速率；

78、hrs,ij表示第i个波束中第j个频率资源下波束覆盖区域的统计信道状态信息；

79、hrs,uj表示第u个波束中第j个频率资源下波束覆盖区域的统计信道状态信息，σ2表示噪声功率；

80、计算每个波束和频率下的波束成形矢量：

81、wij＝mge(aij,bij)

82、其中，mge()表示求最大广义特征向量操作；

83、计算和速率：

84、

85、

86、其中，表示第i个波束和第j个频率资源下的用户k的速率，表示第i个波束和第j个频率资源物联网用户数量，表示第u个波束和第j个频率资源物联网用户数量，表示子载波带宽，表示子载波数目，hijk,sat表示第i个波束和第j个频率资源下，第k个物联网用户到卫星的链路的瞬时信道状态信息，hijl,sat表示第i个波束和第j个频率资源下，第l个物联网用户到卫星的链路的瞬时信道状态信息，hujz,sat表示第u个波束和第j个频率资源下，第z个物联网用户到卫星的链路的瞬时信道状态信息；

87、计算用户容量：

88、

89、其中，rth为传输速率阈值，ι(·)为指示函数，定义为

90、

91、有益效果：本发明是一种联合用户分组和多波束的卫星物联网容量提升方法，与传统的七色复用方法相比，该方法带来的用户容量提升可达10倍,本发明利用空间资源来提高卫星物联网网络的用户容量，降低数据包的碰撞概率，同时可简化接入步骤。