基于均匀平面阵列的低轨卫星对地面信号频谱感知方法

本发明属于无线通信的，具体涉及基于均匀平面阵列的低轨卫星对地面信号频谱感知方法。

背景技术：

1、针对高速无线网络的需求，地面移动通信系统和卫星移动通信系统都在高速发展，地面移动通信系统可以提供高数据速率和低延迟，但目前只能覆盖约20％的陆地面积，仅占整个地球表面的6％。相比之下，卫星移动通信系统可以获得真正的全球覆盖，并因其传输质量好、通信容量大、组网方便迅速等优点，能够有助于加速弥合区域间的数字鸿沟，扩展地面网络的覆盖和服务范围。卫星网络作为地面网络的延伸和补充，已成为下一代移动通信系统的主导技术之一，构建星地一体化系统，实现无线移动通信的无缝覆盖，其中低轨卫星以传输延时小、链路损耗低、发射灵活等优点，被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一。然而，随着星地综合系统的发展，不可避免地面临频谱资源短缺的问题，因此有必要将认知无线电技术应用到星地综合系统中，认知无线电是一种在频谱的授权用户(主用户)允许的情况下，非授权用户(次用户)机会式地接入使用授权用户闲置频谱资源的技术，将认知无线电技术应用到星地综合通信系统中是提高频谱资源利用率的一种有效的解决方案，在一定程度上可以缓解频谱资源紧缺的难题。频谱感知技术是认知无线电的关键技术之一，因此，亟需要探索有效的卫星对地频谱感知方法。

2、目前的低轨卫星频谱感知方法已经有一定的研究基础，y.wang,x.ding等人在其发表的论文“performance analysis ofspectrum sensingbased on distributedsatellite clusters underperturbation”(chinacommunications,pp.1-12,2022)提出了一种波束形成辅助的分布式卫星群频谱感知方案，通过对各协作卫星接收到的感知信号进行信号级融合，以增强在强弱信号共存的情况下对弱信号的感知能力，仿真实验验证了该方法在提高频谱感知能力，尤其是在微弱信号感知方面的优越性。该卫星频谱感知方法存在的不足之处是：该方法利用卫星位置的统计特性，用平均波束方向图近似瞬时值，没有充分考虑到低轨卫星的实际运动，难以应用于实际的地面信号检测中。并且该方法低轨卫星配备抛物面天线，然而低轨卫星相对于地球表面的运动速度非常快，抛物面天线通常需要更多机械调整和稳定装置来确保其正确的定位和指向，这使得卫星频谱感知的时效性较差，卫星频谱感知性能难以得到提升。北京理工大学提出的专利申请“低轨卫星星座的多星协作信号检测方法及相关设备”(申请号cn202310681419.7申请公布号cn116566474a)中公开了一种低轨卫星星座的多星协作信号检测方法。这种方法通过对卫星接收的信号进行后处理，以及基于非支配排序遗传ii算法进行迭代处理，得到用于进行数据处理的最佳卫星组合，这一定程度上可以解决现有技术中对多星协作的低轨卫星星座中信号检测不够准而导致响应不准确的问题，但是该方法未考虑卫星对地链路的可见性，这使得低轨卫星频谱感知性能难以得到进一步提升。

3、基于上述事实，亟需研究新的星地系统卫星频谱感知方法，充分考虑低轨卫星的实际移动和卫星对地链路的可见性，提高动态频谱环境中的卫星频谱感知性能。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术的不足，提出了基于均匀平面阵列的低轨卫星对地面信号频谱感知方法。本发明采用配备均匀平面阵列天线的低轨卫星，对地面用户发射的信号进行检测，充分考虑低轨卫星的实际移动以及卫星对地链路的可见性，提高了动态频谱环境中的低轨卫星频谱感知性能，并可以应用于实际星地系统的地面信号检测中。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、基于均匀平面阵列的低轨卫星对地面信号频谱感知方法，包括以下步骤：

4、(1)低轨卫星配备的均匀平面阵列对地面用户终端发送的信号进行采集；

5、(2)对采集的地面信号数据进行处理，低轨卫星均匀平面阵列采用最大比值合并各天线接收信号，使得低轨卫星接收信号达到最优信噪比，并将数据能量和作为检测统计量y；

6、(3)考虑卫星对地面链路的可见性，计算出地面信号的检测门限λ；

7、(4)将检测统计量y与检测门限λ进行比较，对地面信号频段占用情况进行判断，完成低轨卫星对地面信号的频谱感知。

8、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

9、步骤(1)中，均匀平面阵列对地面用户终端发送的信号进行采集的具体方法为：

10、(1a)低轨卫星配备了由m＝mxmy根天线组成的均匀平面阵列，用于接收地面用户发射的无线电信号，m为均匀平面阵列的接收天线数，mx和my分别是x轴和y轴上的天线数量；

11、(1b)基于地面用户发射的无线电信号的样本，对两种情况作出判决：一、接收信号为经过阴影莱斯信道衰落和加性高斯白噪声干扰的衰落信号，二、接收信号仅包含噪声。

12、步骤(1b)中，对地面用户发射的无线电信号的样本进行判决的方法为：

13、一、当待检测频段信号存在时，接收信号为经过阴影莱斯信道衰落和加性高斯白噪声干扰的衰落信号，其中，r为接收信号，地面用户通过阴影莱斯衰落信道向低轨卫星发射e(|x|2)＝1的信号s，pt为地面信号发射功率，wh是均匀平面阵列接受波束的权重，hsr是低轨卫星m个天线与地面用户之间的信道衰落向量，n为各接收天线独立同分布的加性高斯白噪声，服从均值为0，方差为的高斯分布，其中，κ是玻尔兹曼常数，b为带宽，t是接收天线噪声温度，im为m维单位矩阵，g是波束增益，

14、二、当待检测频段信号不存在时，接收信号仅包含噪声r＝n。

15、步骤(2)的具体方法为：

16、(2a)对步骤(1)采集的地面信号数据进行处理，建立频谱感知二元假设模型：

17、

18、(2b)通过建立波束成形权重向量的约束优化问题，在均匀平面阵列接受波束权重wh的共轭转置矩阵w约束下，使得接收信号信噪比γ最大，从而得到最优接受波束权重wopt为：

19、

20、其中，||·||表示欧几里得范数，wh是均匀平面阵列接受波束的权重，w为wh的共轭转置矩阵，hsr是低轨卫星m个天线与地面用户之间的信道衰落向量，hsrh为hsr的共轭转置矩阵，

21、(2c)得出基于最大比值合并方案的接收信号信噪比为：

22、

23、其中，为地面用户信号的发射信噪比，hi是低轨卫星第i个天线与地面用户之间的信道衰落向量，

24、(2d)地面信号数据的检测统计量构建为:

25、

26、其中，n为低轨卫星接收信号采集样本数。

27、步骤(3)的具体方法为：

28、(3a)考虑到卫星对地链路的可见性，将步骤(2a)中建立的频谱感知二元假设模型修正为：

29、

30、其中，o0表示低轨卫星频谱感知节点检测到可用频谱，即检测频段未被占用，o1表示低轨卫星频谱感知节点未检测到可用频谱，即检测频段被占用，θemin是地面用户与低轨卫星通信的最小仰角，θut,s是地面用户到低轨卫星的连接线与地面用户到地球中心的连接线之间的夹角，

31、(3b)按照下式反推计算地面信号的检测门限λ

32、

33、其中，u为时间带宽积，k为和两项的求和下限，其中，ms、2b0和ω分别表示nakagami衰落系数、散射分量平均功率和视距分量平均功率，为地面信号检测的检测概率，η为天线效率，j为的求和下限，在数值上等于时间带宽积u，γ(·)为伽马函数，1f1(·,·,·)为合流超几何函数，(mms)k为pochhammer函数，计算公式为(mms)k＝mms(mms+1)···(mms+k-1)，f(θe,s)为

34、

35、步骤(4)的具体方法为：

36、将检测统计量y与检测门限λ进行比较，决策规则为

37、

38、当检测统计量y大于等于检测门限λ时，检测到地面信号，即该授权频段被占用；当检测统计量y小于检测门限λ时，未检测到地面信号，即该授权频段空闲。

39、本发明与现有技术相比，有益效果如下：

40、第一，由于本发明低轨卫星配备均匀平面阵列代替抛物面天线进行地面信号数据采集，低轨卫星移动速度较快，均匀平面阵列通过对每根天线的相位和振幅进行调整，能够更容易实现波束的灵活调整，使得本发明克服抛物面天线通常需要更多时间机械调整和稳定装置来确保其正确的定位和指向的不足。本发明解决了现有低轨卫星对地面信号检测方法中抛物面天线采集信号数据时效性低的问题，使得数据采集的时效性有所提高。

41、第二，由于本发明针对低轨卫星的实际移动，充分考虑由低轨卫星移动特性引起的时变信道衰落和卫星节点快速移动等特征，克服了当前低轨卫星检测地面频谱方法忽略卫星信道变化，难以应用于实际的问题。本发明解决了现有低轨卫星对地面信号检测方法中未考虑低轨卫星实际移动致使难以应用于实际的问题，使得感知算法能更好的应用于实际的地面信号检测中。

42、第三，由于本发明使用处理后的地面信号数据能量和作为检测统计量，将该检测统计量与基于二元假设模型和卫星对地链路可见性空间条件推导出的门限进行比较，提升了低轨卫星检测地面信号的性能。本发明解决了现有低轨卫星对地面信号检测方法中未考虑频谱空间性导致检测精度低的问题，提升了低轨卫星检测地面信号的性能。