一种基于NOMA辅助的多用户卫星通信方法及系统与流程

本发明属于卫星通信领域，公开了一种基于noma辅助的多用户卫星通信方法及系统。

背景技术：

1、地面有线和无线通信网络经过若干代的发展，已经具有网络结构固定，传输稳定可靠，服务质量好等优势，然而，地面通信网络的建设必须考虑所建基础设施的环境和成本，难以有效覆盖人口稀少的高山和广阔的海面等区域。而且由于地面网络结构固定，一旦发生较大的破坏，区域网络可能直接瘫痪。与地面网络相比，卫星通信网络具有覆盖范围大、通信距离远、通信容量大、组网灵活，传输质量不受地理条件限制等优点，是一种可以有效覆盖全域的网络。

2、当下的卫星通信网络大多无法在有限的频谱、时间和功率资源内，为海量用户提供高通信质量、低时延、高用户公平性和资源利用率的无线服务，且在多波束卫星通信下，信号的干扰也比较大。

技术实现思路

1、发明目的：提供一种基于noma辅助的多用户卫星通信方法及系统，以解决现有技术存在的上述问题。

2、技术方案：一种基于noma辅助的多用户卫星通信方法，包括如下步骤：

3、s1、建立卫星与用户终端的多波束通信链接，收集卫星和用户终端的位置信息，构建卫星到用户终端的信号传输模型，基于信号传输模型对用户终端进行聚类划分，得到用户组，设定用户组和波束的对应关系；

4、s2、根据用户组和波束的对应关系以及信号传输模型，构建用户组接收信号的模型表达式，模型表达式包括信号、干扰和噪声；

5、s3、基于用户组接收信号的模型表达式，依序采用预编码和noma技术对信号进行处理，计算得到消除干扰后的用户组与卫星通信信号速率之和，记为和速率，通过和速率构建和速率表达式；

6、s4、针对和速率表达式构建资源优化模型，获得最优资源分配方案，并配置到通信系统。

7、根据本技术的一个方面，步骤s1具体为：

8、s11、卫星采用多波束通信制式向用户终端发送信号，建立卫星与用户终端的多波束通信链接，采集卫星和用户终端的位置信息并存储；

9、s12、基于卫星和用户终端的位置信息，计算卫星到用户终端的距离和角度，构建卫星到用户终端的信号传输模型，包括信道系数、增益和衰落；

10、s13、根据信号传输模型，采用k-means聚类算法对用户终端进行划分，得到用户组，设定用户组和波束的对应关系，使得用户组数量与波束数量相同。

11、根据本技术的一个方面，步骤s2具体为：

12、s21、根据用户组和波束的对应关系，为每个用户组分配唯一的频段，使得不同用户组的频段不重叠，避免波束间的干扰；根据信号传输模型，计算用户组与卫星通信的信号强度，得到信号的表达式；

13、s22、根据信号传输模型，计算用户组与卫星通信的信噪比，得到噪声的表达式；

14、s23、根据用户终端的位置信息和信号强度，计算用户组与卫星通信的干扰，得到干扰的表达式；

15、s24、基于信号的表达式、噪声的表达式和干扰的表达式，构建用户组接收信号的模型表达式。

16、根据本技术的一个方面，步骤s3具体为：

17、s31、将用户组接收信号的模型表达式转换为整体信道矩阵，并获取信道增益；基于整体信道矩阵，采用最少均方误差的线性预编码方案构建预编码矩阵，对预编码矩阵进行归一化和正则化，获得预编码信号矩阵；

18、s32、采用noma技术将预编码信号矩阵进行叠加，根据信道增益确定用户组的解码顺序，基于解码顺序采用串行干扰消除方法对叠加后的信号进行解码，计算用户组的信干噪比sinr；

19、s33、根据用户组的信干噪比，采用香农定理计算每个用户组的速率，将所有用户组的速率相加，得到消除干扰后的和速率表达式。

20、根据本技术的一个方面，步骤s4具体为：

21、s41、针对资源优化问题，基于和速率表达式构建资源优化模型，包括目标函数和约束条件；

22、s42、采用分式规划法对资源优化模型进行求解，得到最优功率分配系数集合，使得和速率达到最大，获得最优资源分配方案；

23、s43、将最优功率分配系数更新到卫星，使得卫星按照最优资源分配方案对信号进行处理。

24、根据本技术的一个方面，还包括步骤s5、设定差异检测机制，定期检测用户终端和卫星的位置信息，当发生超过预设阈值的偏离时，重新对用户终端进行聚类划分，获取新的最优资源分配方案，具体为：

25、s51、记录按照最优资源分配方案处理过的用户终端和卫星的稳定位置，同时定期检测并记录用户终端和卫星的实时位置，将用户终端和卫星的稳定位置与实时位置进行比较，计算位置的偏离程度；

26、s52、根据位置的偏离程度对信号传输模型中的信道系数的影响程度，设置最大偏离值；

27、s53、如果位置的偏离程度超过最大偏离值，则重新对用户终端进行聚类划分，获取新的最优资源分配方案。

28、根据本技术的一个方面，所述步骤s1还包括对卫星到用户终端的信号传输模型进行修正，具体为：

29、s1a、收集卫星和用户终端的位置信息和速度信息，将卫星和用户终端的位置信息转换为直角坐标系下的坐标，将卫星和用户终端的速度信息转换为直角坐标系下的速度向量；

30、s1b、根据卫星和用户终端的坐标和速度向量，计算卫星到用户终端的距离和角度，以及卫星和用户终端的相对速度和方向；

31、s1c、根据卫星到用户终端的距离和角度，以及卫星和用户终端的相对速度和方向，计算多普勒频移和多普勒扩散的值；

32、s1d、根据多普勒频移和多普勒扩散的值，对信号传输模型进行修正，得到修正后的信号传输模型。

33、根据本技术的一个方面，步骤s33还包括使用神经网络技术对用户组的速率进行预测和优化，具体为：

34、s33a、将用户组的信干噪比作为输入，将用户组的速率作为输出，构建多层感知器的神经网络；

35、s33b、收集多用户卫星通信的历史数据，将历史数据划分为训练集、验证集和测试集，对训练集中的历史数据进行预处理；

36、s33c、使用预处理后的训练集对神经网络进行训练，使用验证集对训练后的神经网络的性能进行评估；

37、s33d、使用测试集对训练后的神经网络进行测试，对比测试的结果和计算得到的用户组的速率，计算训练后的神经网络的误差和方差，评估训练后的神经网络的可靠性和效果。

38、根据本技术的一个方面，所述步骤s4还包括对多模态的发送数据制定不同的传输指标，具体为：

39、s4a、设置传输得分的多模态加权矩阵，表示不同的用户终端在接收不同模态数据时所应当得到的资源倾斜度；

40、s4b、根据各用户组的速率和多模态加权矩阵计算最优传输得分，当所有的信号均为同一种数据时，最优传输得分即为最大和速率；

41、s4c、对每个用户组接下来需要接收的信号根据原始数据形式进行区分，并体现到多模态加权矩阵中，每隔预定时间对多模态加权矩阵的权重进行更新。

42、基于noma辅助的多用户卫星通信系统，使用基于noma辅助的多用户卫星通信方法，包括用户终端聚类划分模块、信道建模模块、资源优化模块、信号处理模块和差异检测模块。

43、有益效果：本发明通过一种基于noma辅助的多用户卫星通信方法及系统，实现了多用户在多波束卫星下的合理资源分配，减少了信号的干扰，并达到一个更优的通信速率。