本发明属于无线通信，主要涉及低轨卫星otfs通信系统，具体涉及一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法及系统。
背景技术：
1、近年来，低轨卫星互联网产业蓬勃发展，其将与地面蜂窝网络形成优势互补，为用户提供全球覆盖的高速稳定的宽带连接服务。然而，星载天线功率的不足将严重限制低轨道卫星系统的下行链路传输速率。考虑到未来低轨星座的超密集部署(例如spacex公司的starlink星座)，用户终端可以在顶空同时观测到几十甚至上百颗卫星，这将为分布式多卫星协同传输(distributed multi-satellite cooperative transmission,dmct)的实现奠定重要基础。
2、分布式多星协同传输的核心思想是将mimo技术应用于低轨卫星通信系统中，终端可视的低轨卫星将形成协同卫星簇，簇中的每颗卫星向终端发送相同或者不同的数据流，以获得阵列增益、分集增益或复用增益。然而，由于协同卫星之间相对距离远，相对运动速度快，数据流之间难以实现时间和相位的完美同步。在这种情况下，到达终端的每个数据流之间的相位差的动态变化将引起严重的时变快衰落，这是分布式多星协同传输系统所面临的严峻挑战。
3、目前，正交时频空(orthogonal time frequency space,otfs)调制技术已被证明在时变快衰落信道中具有稳定且良好的性能。此外，otfs波形的低峰均比特性将有效减小低轨卫星通信系统中功放非线性的影响。
技术实现思路
1、本发明将otfs技术引入分布式多星协同传输架构中，提供一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法及系统，以克服由于多路数据流相位差的动态变化造成的时变快速衰落问题，从而实现下行链路的功率增强，并大幅提升星地链路的传输性能。
2、本发明采用的技术方案为：
3、一种基于分布式多星协同的低轨卫星otfs功率增强传输方法，包括以下步骤：
4、s1：终端与中控卫星建立连接，接入低轨卫星网络；
5、s2：终端通过上行控制信道向中控卫星发送下行功率增强请求，同时通过上行数据共享信道发送终端当前的定位信息；
6、s3：中控卫星根据终端位置信息和星座中各卫星的星历信息，选择与终端通信的通信仰角在30°到150°之间的业务空闲态卫星共同组成协同卫星簇，并通过下行数据共享信道将协同卫星的总数量发送给终端；
7、s4：中控卫星通过星间激光链路向协同卫星簇中的其他卫星发送调度控制指令以及业务数据信息，然后协同卫星簇中的所有卫星将业务波束中心对准终端所在坐标，并采用otfs调制方式发送相同数据流到用户终端；
8、s5：终端接收到来自多颗卫星的叠加信号后，对叠加信号进行otfs解调；
9、s6：终端采用子空间追踪算法对解调信号进行信道估计；
10、s7：终端对信道估计后信号采用消息传输算法完成信号检测；
11、s8：对检测出的qam符号序列进行星座图解映射，然后进行ldpc译码以获取所传输的业务数据。
12、进一步的，所述s3具体包括以下步骤：
13、s3.1：中控卫星以地球中心为原点构建三维度坐标系，并根据终端的位置信息以及星座中各卫星的星历信息计算出在三维坐标系中的坐标，其中终端坐标为(xu,yu,zu)，第p个协同卫星的坐标为
14、s3.2：以地球中心、终端和协同卫星p三个坐标点构建一个三角形，并利用坐标计算三角形各边的距离：
15、
16、其中代表终端到协同卫星p的距离，代表协同卫星p到地心的距离，lu,o代表终端到地心的距离；
17、s3.3：根据余弦定理，计算协同卫星p与终端的通信仰角θp：
18、
19、s3.4：中控卫星选择通信仰角在30°到150°之间的业务空闲态卫星，设共选择p个协同卫星，以组成协同卫星簇；
20、s3.5：中控卫星通过下行数据共享信道将协同卫星的数量信息p发送给终端。
21、进一步的，所述s4具体包括以下步骤：
22、s4.1：中控卫星根据用户定位信息以及协同卫星簇中各卫星的星历信息，估计出每个协同卫星所传数据流的预补偿粗频偏值，并计算各协同卫星的定时调整量，以实现每个协同卫星所发射数据流到达终端的时延差控制在循环前缀长度范围内；
23、s4.2：中控卫星将各协同卫星的预补偿粗频偏值、定时调整量、业务数据信息以及终端的定位信息通过星间激光链路发送给各协同卫星；
24、s4.3：各协同卫星基于自身星历信息以及终端的定位信息，重新计算各自相控阵天线业务波束的发射方向，并将业务波束中心对准目标终端所在坐标；
25、s4.4：各协同卫星将业务数据比特流依次进行ldpc编码、星座图映射和otfs调制，形成otfs波形信号，并根据中控卫星所下发的预补偿粗频偏值和定时调整量对otfs波形信号进行频偏和时偏的预补偿，然后将基带信号送入射频端，最后通过星载相控阵天线发送至终端。
26、进一步的，所述s4.4具体包括以下步骤：
27、s4.4.1：各协同卫星将业务数据比特流进行ldpc编码后得到编码比特流u，然后进行星座图映射得到数据符号；
28、s4.4.2：将数据符号和预先设定好的导频符号放置在大小为n×m的时延-多普勒网格γ中，其中定义x[k,l]代表时延-多普勒网格的第k行l列的符号；
29、s4.4.3：进行逆辛傅里叶变换将时延-多普勒网格中的符号从时延-多普勒域变换到时频域：
30、
31、s4.4.4：通过海森堡变换得到时域otfs波形信号s(t)：
32、
33、上式中，δf是子载波间隔，t＝1/δf是符号周期，gtx(t)是成型滤波函数，当gtx(t)为理想的矩型窗函数时，海森堡变换则退化为传统的idft变换，即ofdm调制变换；
34、s4.4.5：各协同卫星根据中控卫星所下发的预补偿粗频偏值和定时调整量对otfs波形信号进行频偏和时偏的预补偿，随后将预补偿后的基带信号送入射频端，最后通过星载相控阵天线发送至终端。
35、进一步的，所述s5具体包括以下步骤：
36、s5.1：终端对接收到来自多颗卫星的叠加信号进行下变频，获取叠加后的基带otfs波形信号r(t)，其中r(t)的表达式为：
37、r(t)＝∫∫h(τ,υ)s(t-τ)ej2πυ(t-τ)dτdυ+z(t)
38、上式中，υ代表多普勒频偏，τ代表时延，z(t)代表高斯白噪声，h(τ,υ)代表时延-多普勒域的信道响应；在分布式多星协同传输系统中，信道响应h(τ,υ)的表达式如下：
39、
40、其中p代表dmct信道的传播路径数量，也代表协同卫星的总数量，hi、τi和υi分别代表第i条路径的信道复增益、时延和残余多普勒频偏，信道复增益服从莱斯分布，δ(τ-τi)和δ(υ-υi)分别代表第i个卫星子信道的时延和多普勒频偏；
41、s5.2：通过维格纳变换将基带otfs波形信号r(t)从时域映射到时频域上：
42、y[n,m]＝∫grx(t-nt)r(t)e-j2πmδf(t-nt)dt其中grx(t)是匹配滤波函数；
43、s5.3：进行辛傅里叶变换将信号y[n,m]从时频域变换到时延-多普勒域，得到otfs解调信号y[k,l]：
44、
45、基于上述流程可得分布式多星协同otfs系统时延-多普勒域传输模型如下：
46、y＝hx+z
47、
48、其中y,x∈nm×1分别为接收符号向量和发送符号向量，h∈nm×nm代表dmct信道矩阵(h为循环矩阵)，z∈nm×1代表加性高斯白噪声向量。
49、进一步的，所述s6具体包括以下步骤：
50、s6.1：通过矩阵变换将分布式多星协同otfs系统时延-多普勒域传输模型重新写成如下形式：
51、y＝xh+z
52、其中h∈nm×1代表时延-多普勒域信道响应向量，x∈nm×nm为符号循环矩阵，第j行表达式如下：
53、x[j]＝[x[(k-0)n,(l-0)m]x[(k-1)n,(l-0)m]]…x[(k-n-1)n,(l-m-1)m]]
54、将otfs信道估计问题转化为稀疏信号恢复问题：
55、s.t.||h||0＝p
56、s6.2：基于子空间追踪算法进行信道估计；具体过程如下：
57、s6.2.1：输入接收导频符号向量y，发送导频符号矩阵即感知矩阵x以及稀疏度即协同卫星数量p；
58、s6.2.2：初始化残差r0＝y，迭代次数索引t＝1，非零元素位置的索引集a初始化为空集，已选择的原子构成的采样矩阵t初始化为空集；
59、s6.2.3：计算感知矩阵x和残差rt-1的内积：
60、w＝xtrt-1
61、s6.2.4：选择内积最大的前p个原子，即先对w从大到小排序，并选择前p个原子，将索引放入索引集a中；同时，更新采样矩阵的集合；
62、s6.2.5：用最小二乘法重构目标信号，重构后的信号为并更新残差；
63、
64、
65、s6.2.6：若||rt||2＜||rt-1||2，令t＝t+1，跳转至s6.2.3继续迭代计算；若||rt||2≥||rt-1||2即本次迭代的残差并未减小，说明本轮候选原子集并未产生更大的贡献，为了检验本轮候选原子集的可靠性，跳转至s6.2.7；
66、s6.2.7：回溯至上一步进行逐原子检验，即令t＝t-1，初始化单步迭代索引i＝1；
67、s6.2.8：更新采样矩阵集合，其中i＝1,…p；
68、s6.2.9：执行最小二乘法计算重构信号，并更新残差；
69、
70、
71、s6.2.10：若||rt,i||2＜||rt,i-1||2，令i＝i+1，跳转s6.2.8；否则，停止迭代，输出信道估计结果
72、一种基于分布式多星协同的低轨卫星otfs功率增强传输系统，所述系统包括：选星模块、多星协同频偏估计模块、多星协同定时控制模块、星上otfs调制模块和终端otfs解调模块；
73、所述的选星模块装载于中控卫星的中央处理器中，用于根据用户终端的定位信息以及星座中所有运行卫星的星历信息，计算各卫星与终端的可通信仰角值，并选择通信仰角在30°到150°之间的业务空闲态卫星，以组成协同卫星簇；
74、所述的多星协同频偏估计模块装载于中控卫星的中央处理器中，用于根据用户终端的定位信息以及各协同卫星的星历信息，计算出各协同卫星向终端发送信号的粗频偏值，并将频偏信息通过星间链路传输给各协同卫星，从而使各协同卫星发送信号的归一化频偏控制在小数倍内；
75、所述的多星协同定时控制模块装载于中控卫星的中央处理器中，用于根据用户终端的定位信息以及各协同卫星的星历信息，计算各协同卫星所发送信号到达终端的时延差，并将定时调整的控制信息通过星间链路传输给各协同卫星，从而使的各路协同卫星数据流在到达终端时的时延差控制在循环前缀长度范围内，保障数据流之间的符号级粗同步；
76、所述的星上otfs调制模块装载于每个协同卫星的基带处理器中，用于协同卫星将业务数据比特流依次进行ldpc编码、星座图映射和otfs调制，形成otfs波形信号并送入射频端，最后通过星载相控阵天线发送至终端；
77、所述的终端otfs解调模块装载于用户终端的基带处理器中，用于终端对接收的基带otfs波形信号进行解调，从而最终获取业务数据的比特流信息，具体功能包括otfs解调、otfs信道估计、otfs信号检测、星座图解映射和ldpc译码。
78、本发明的有益效果如下：
79、本发明公开的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法及系统，面向超密集低轨星座卫星天线功率受限问题，采用分布式多星协同传输架构，充分利用丰富的低轨星座卫星资源，大幅提升星地下行链路的信噪比；并将otfs技术引入分布式多星协同传输系统中，以克服由于多路数据流相位差的动态变化造成的卫星信道时变快速衰落问题，从而有效增强星地链路的传输性能。
1.一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，所述s3具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，所述s4具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，所述s4.4具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，所述s5具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输方法，其特征在于，所述s6具体包括以下步骤：
7.一种基于分布式多星协同低轨卫星otfs功率增强传输系统，所述系统包括：选星模块、多星协同频偏估计模块、多星协同定时控制模块、星上otfs调制模块和终端otfs解调模块；
