面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法与流程

1.本发明涉及一种非正交大规模随机接入方法，尤其涉及一种面向卫星物联网通信环境的用户接入技术，适用于卫星物联网中海量用户突发性传输和随机接入过程，属于通信领域。


背景技术：

2.随着第五代(5g)通信技术全球标准逐渐成熟，其支持多样化的场景和不同的业务需求。作为5g最具前景的应用之一，物联网(internet of things，iot)旨在连接数十亿数量的设备，彻底改变我们现在的生活方式。5g的mmtc场景的连接密度为每平方公里100万台设备，已经能够应对当前密集城市场景下的物联网用户接入量的增长。通过地面网络的大规模部署，可以支持热点区域的物联网应用。然而目前仍缺乏高效的针对偏远地区的覆盖方案。
3.与5g相比，6g网络有望在2030年实现无处不在的大规模覆盖，即6g将提供全球范围的无线通信服务并实现广泛的物联网应用，特别是在偏远地区。6g将实现严格的无缝物联网，覆盖海洋、森林、山区等近100％的地理范围。目前的地面物联网系统，如sigfox、lora、nb
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iot和emtc等，无法满足6g物联网广覆盖和高通信可靠性的要求。卫星通信作为一种替代方式，具有覆盖范围广、全天候工作能力强、通信可靠性强的特点。为了满足物联网的新要求，6g需要与卫星系统进行互补。
4.高效的物联网服务依赖于精心设计的多用户接入技术。在5gmmtc场景中，随机接入(ra)和非正交多址(noma)技术已成为突出的研究趋势，其可以分别通过允许用户自主传输和非正交信号叠加来降低发射机的复杂性。然而，由于传输环境存在显著差异，针对地面物联网开发的多址技术无法直接部署在卫星对应设备中。具体来说，卫星通信中空间与地面之间的传播距离较长，导致往返传输时延大，大尺度路径损耗高。此外，卫星通信信道的快速波动将导致设备之间的时间和频率不同步。
5.卫星物联网中的随机接入和异步传输会导致传输业务的不确定激活和非正交信号之间不可控的干扰，而这将破坏传统noma方案用户之间的约束关系，降低传输鲁棒性。如何设计适用于卫星物联网通信环境的大规模用户随机接入方案，仍缺乏相关的解决方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决卫星物联网中的随机接入和异步传输带来的用户信号之间干扰不可控的问题，提出一种基于串行干扰删除的非正交大规模随机接入方法；该方法采用激活用户在帧中多个时隙重复传输，并在接收端利用用户之间的异步信息进行帧间的串行干扰删除来恢复用户信息，从而解决用户异步随机接入带来的不可控干扰，在卫星物联网中实现非正交随机接入方案。
7.本发明的目的是通过下技术方案实现的。
8.面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，包含以下步骤：
9.步骤一、用户随机接入
10.卫星通信覆盖范围内m个用户终端，根据自己的需要进行传输，随机接入到卫星，每帧时间内激活用户数为ε*m，其中ε为随机接入概率。激活用户在该帧的b个时隙上重复传输d个相同突发数据包，其中b＝d；不同激活用户占用的b个时隙位置不同。其中每帧一共包含n个时隙，n>b；
11.步骤二、接收端信号处理
12.在发送端处，用户随机接入，每个激活用户发送帧的时隙边界不同，最大用户间相对时延在一个时隙内，接收端接收到信号为激活用户发送信号的叠加，然后接收端依据每个用户的时延对接收到叠加的信号进行匹配滤波，得到每个用户的接收帧信号。
13.步骤三、多用户信号检测
14.依据上述步骤二处得到的每个用户的接收信号依次进行帧内串行干扰删除和帧间串行干扰删除。
15.步骤1、比较步骤二中得到的各用户的接收信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，对于最大的信干噪比时隙处的用户信号按照最大似然比的原则进行恢复，得到该用户信号。
16.步骤2、根据步骤三1恢复的用户信号重新构建该用户发送的帧信号，其他剩余用户依据用户间相对时延，将重新构建的用户帧信号带来的干扰进行删除，更新剩余用户的接收信号。
17.步骤3、比较剩余各用户更新的接收信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，对于最大的信干噪比时隙处的用户信号按照最大似然比的原则进行恢复，得到该用户信号。
18.步骤4、重复执行上述步骤2、3直到恢复全部用户的信号。
19.有益效果
20.1、本发明的面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，激活物联网设备根据自己的需要进行传输，不需要进行时间调整或资源调度，降低控制信令交互开销。
21.2、本发明的面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，采用非正交的接入方式，允许多个用户的信号在同一物理资源上随机叠加传输，提高物理资源利用率，满足大规模的物联网设备接入需求。
22.3、本发明的面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，接收端采用帧内串行干扰删除和帧间串行干扰删除，考虑到用户间的相对时延信息，解决异步传输带来的非正交信号之间不可控干扰。
附图说明
23.图1为本发明实施步骤的流程图；
24.图2为实施例场景示意图；
25.图3为实施例用户帧信息非同步叠加情况；
26.图4为实施例三维因子图及串行干扰删除过程。
27.图5为实施例帧时隙数为200时本发明方案仿真性能
28.图6为实施例帧时隙数为2000时本发明方案仿真性能
具体实施方式
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都应当属于本发明保护的范围。
30.下面结合具体场景对该发明实施例的具体步骤进行说明：
31.面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，如图1所示，具体步骤如下：
32.步骤一、用户随机接入
33.物联网终端用户处于卫星的通信范围内，它们根据自己的需要进行传输，随机接入到卫星。考虑以下卫星物联网通信场景，如图2所示，每帧内激活用户数为3。激活用户在该帧的2个时隙上重复传输2个相同突发数据包，不同激活用户占用的时隙位置不同。其中每帧包含4个时隙；
34.其中对于不同的用户占用时隙的位置可以等效为稀疏码本，设计稀疏发送矩阵，矩阵的每一行表示每一个激活用户，矩阵行中1的位置代表本激活用户占用帧中时隙的位置，矩阵列中的1表示同一时隙处叠加的激活用户。本实施例中稀疏发送矩阵如下：
[0035][0036]
激活用户发送的突发数据包在帧结构中的稀疏性来减少用户间异步随机接入所带来的不可控干扰，同时将用户突发数据包重复传输，增加了接收端的后验信息，用于后续的用户信号的恢复。
[0037]
步骤二、接收端信号处理
[0038]
在发送端处，每帧内三个用户随机接入，每个激活用户发送帧的时隙边界不同，最大用户间相对时延在一个时隙内，接收端接收到信号为激活用户发送信号的叠加，如图3所示，其表明三个用户帧信号非同步叠加的一种情况，接收端依据每个用户的时延对接收到的叠加信号进行匹配滤波，得到每个用户的接收帧信号。
[0039]
步骤三、多用户信号检测
[0040]
依据上述步骤二处得到的三个用户的接收信号依次进行帧内串行干扰删除和帧间串行干扰删除。如图4所示，采用一个三维因子图来描述三个用户的信号模型，其中用户传输数据包和占用时隙分别由用户节点(un)和时隙节点(vn)表示。连接un和vn的一条边代表一次突发传输。与传统的二维因子图模型不同，该三维因子图为用户延迟引入了一个额外的维度。所述维度中的每个截面都是一个二维因子图，其与一个特定用户的时序对应。因此步骤三分为以下几小步：
[0041]
步骤1、比较步骤二中得到的各用户的接收帧信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，由图3可以看到，其中用户二在其帧的第4个时隙上没有受到其他用户的干扰，因此该处的信干噪比最大，对于此处的用户二信号按照最大似然比的原则进行恢复，得到用户二的信号。
[0042]
步骤2、根据步骤1中恢复的用户二信号重新构建用户2发送的帧信号，依据图4可
以看到，用户二对用户一帧信号的1、2、4时隙和用户三的1、2、4时隙带来干扰，用户一和用户三根据相对时延删除用户二信号带来的干扰，得到新的用户一和用户三的接收帧信号。
[0043]
步骤3、比较用户一和用户三新的接收帧信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，由图4所示，用户一的时隙处的信干噪比最大，按照最大似然比的原则进行恢复，得到用户一的信号。
[0044]
步骤4、根据步骤3中恢复的用户一的信号重新构建用户一的帧信号，由图4可以看到，用户一对用户三帧信号的1、2、3时隙造成干扰，用户三依据用户一与其之间的相对时延删除用户一带来的干扰，随后对得到的帧信号比较相应时隙处的信干噪比，恢复用户三的信号，从而完成所有用户信号的检测。
[0045]
在上述实施例步骤下，进行不同场景下的仿真，从而说明本发明的有益效果。
[0046]
如图5和6所示，分别仿真了帧时隙数分别为200和2000的情况，其中激活用户在每一帧中占用时隙数为2，由图可知，由于用户间的异步带来的干扰，异步的sa(slotted aloha)方案相比于同步情况性能下降。在csa(coded slotted aloha)方案中引入重复数为2的重复编码传输，相比异步情况sa方案实现了吞吐量的增益，但其仍比同步的sa方案性能差。本发明方案利用了异步传输中的存在的用户干扰，其归一化吞吐量优于异步sa和csa方案，甚至优于同步csa方案。在帧的时隙数为200时，相比于同步csa方案，吞吐量增益约为13％，在帧时隙数为2000时，相比于同步csa方案，吞吐量增益约为22％。
[0047]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.面向卫星物联网的异步非正交大规模随机接入方法，其特征在于：包含以下步骤：步骤一、用户随机接入卫星通信覆盖范围内m个用户终端，根据自己的需要进行传输，随机接入到卫星，每帧时间内激活用户数为ε*m，其中ε为随机接入概率；激活用户在该帧的b个时隙上重复传输d个相同突发数据包，其中b＝d；不同激活用户占用的b个时隙位置不同；其中每帧一共包含n个时隙，n>b；步骤二、接收端信号处理在发送端处，用户随机接入，每个激活用户发送帧的时隙边界不同，最大用户间相对时延在一个时隙内，接收端接收到信号为激活用户发送信号的叠加，然后接收端依据每个用户的时延对接收到叠加的信号进行匹配滤波，得到每个用户的接收帧信号；步骤三、多用户信号检测依据上述步骤二处得到的每个用户的接收信号依次进行帧内串行干扰删除和帧间串行干扰删除；步骤1、比较步骤二中得到的各用户的接收信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，对于最大的信干噪比时隙处的用户信号按照最大似然比的原则进行恢复，得到该用户信号；步骤2、根据步骤三1恢复的用户信号重新构建该用户发送的帧信号，其他剩余用户依据用户间相对时延，将重新构建的用户帧信号带来的干扰进行删除，更新剩余用户的接收信号；步骤3、比较剩余各用户更新的接收信号在一帧中不同时隙处的信干噪比，对于最大的信干噪比时隙处的用户信号按照最大似然比的原则进行恢复，得到该用户信号；步骤4、重复执行上述步骤2、3直到恢复全部用户的信号。
技术总结
本发明涉及一种非正交大规模随机接入方法，尤其涉及一种面向卫星物联网通信环境的用户接入技术，适用于卫星物联网中海量用户突发性传输和随机接入过程，属于通信领域。本发明的目的是为了解决卫星物联网中的随机接入和异步传输带来的用户信号之间干扰不可控的问题，提出一种基于串行干扰删除的非正交大规模随机接入方法；该方法采用激活用户在帧中多个时隙重复传输，并在接收端利用用户之间的异步信息进行帧间的串行干扰删除来恢复用户信息，从而解决用户异步随机接入带来的不可控干扰，在卫星物联网中实现非正交随机接入方案。在卫星物联网中实现非正交随机接入方案。在卫星物联网中实现非正交随机接入方案。


技术研发人员：王爱华 杨松立 杨佳程 叶能 王培森 董俊伟
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.04.27
技术公布日：2021/6/29