一种LoRa融合低轨卫星通信的随机接入方法及系统

本发明属于卫星移动通信领域，涉及一种lora融合低轨卫星通信的随机接入方法及系统。

背景技术：

1、lora(long range)技术作为一种低功耗广域网(lpwan)技术，广泛应用于海量低吞吐量、低功耗、广覆盖物联网设备。lora技术利用扩频调制技术实现长距离通信，具有较低的功耗和良好的穿透能力。然而，地面物联网难以部署到一些偏远地区或地形复杂地区，例如沙漠、海洋、森林等，此时可以利用卫星来补充地面物联网设施，实现全球覆盖。与地球静止轨道(geo)卫星相比，低轨(leo)卫星星座具有更高的效率、更低的传播损耗以及更广泛的覆盖范围，因此被认为是一种前景广阔的解决方案。将leo星座与lora技术融合，可以为物联网提供更广泛的覆盖范围、更大的连接性以及更高的无线通信可靠性。这种融合方案节省了构建地面网络的成本，并且不受地理环境和气候条件的限制。因此，它有望推动智慧农业、环境监测、医疗监测等多个领域的技术应用广泛实施。

2、然而，相比于地面系统，低轨卫星通信系统带来信道环境高时延、频偏和广覆盖的特性，给lora的上行随机接入过程的活跃用户检测(前导码包检测)和同步带来诸多挑战。卫星的大视场范围，海量lora设备频繁的随机接入引起碰撞冲突，大大降低了lora网络的吞吐量与效率，并增加用户终端的能量消耗。此外，低轨卫星场景下，长时延和大频偏会引起严重的用户间干扰。上述问题使得低轨卫星场景下lora随机接入的用户检测面临很大挑战，急需一种有效的随机接入接收机活跃用户检测策略。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种lora融合低轨卫星通信的随机接入方法及系统。利用多波束卫星波束域信号的稀疏特性，设计了一种基于用户分组的前导码分配方案，基于此提出了一种频域—波束域活跃用户检测方法，提高活跃用户检测的性能。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种lora融合低轨卫星通信的随机接入方法，包括以下步骤：

3、用户终端根据其相对空间位置进行分组，分组准则基于用户之间的信道正交性，在用户发起随机接入时，每组分配不同的扩频因子；

4、接收端对每一种可能的前导码扩频因子资源进行解扩，并将解扩后的信号转换到频域—波束域进行二维检测；

5、通过检测频域—波束域的信号能量峰值来判断活跃用户，并对活跃用户的到达角和时频偏参数进行估计。

6、作为优选，本发明构建均匀面阵的低轨卫星信道模型，在单个多波束低轨卫星的场景下，leo卫星上配备均匀平面阵天线，共包含m＝mx×my个天线，其中mx是x方向上的天线数量，my是y方向上的天线数量，信道模型可以表示为：

7、

8、其中，表示第k个用户的功率因子，对应于第k个用户的上行天线阵列响应矢量，是x方向上的阵列角度响应矢量

9、

10、y方向同理。式中是与真实物理角度相关的方向余弦，θk和φk分别是卫星对用户k的俯仰角和方位角。

11、在发送端，每个用户的数据信息首先经过编码器和交织器得到各自的码字，再分别与一定长度的前导码信号一起送到对应的lora调制器，接着送到复用器中组成数据帧。前导码使用的调频信号是未调制的信号，设其同步头长度为l，第k个活跃用户的lora前导码经过低轨卫星信道，受频偏，时延和用户间干扰的影响，则第p个天线上接收的第i个符号中的第n个采样信号表示为：

12、

13、其中，表示对于第k个用户的第i个符号上第n个发射信号采样，n为通用的采样点数。yi,p(n)为第p个天线接收的第i个符号的第n个抽样符号。εk为第k个用户采样率归一化后的残余载波频率偏移，频偏由多普勒频移、下行频率同步误差和晶振误差引起。τk表示第k个用户按采样时间标准化的时间偏移量。噪声服从均值为零，方差为的复高斯分布，即

14、设nk为第k个用户的采样点数，信号在接收端解扩后，信号模型写为以下矩阵形式：

15、

16、其中为属于第g个sf的第i个符号上对应yi,p(n)的解扩信号，而为第i个符号上的相位旋转矩阵，h为天线阵列的信道矩阵，用表示对应于nsf个扩频因子的集合向量，则对应具有g个扩频因子信号的长度。为对第g个sf的信号的解chirp矩阵，令则可以写为

17、

18、其中，为一个全1的行向量。

19、进一步，令sk,i＝{sk,i(0),sk,i(1),…,sk,i(nk-1)}t。对于sf小于[φ]g的用户的前导码信号，不足nk的采样点向后一个符号顺延，若超出前导码范围则补零；对于sf大于[φ]g的用户的前导码信号，按顺序截取nk点的采样信号。所有用户信号构成的矩阵sg,i表示为

20、sg,i＝{s1,i,s2,i,…,sk,i},

21、时频偏对第k个用户第i个符号的采样信号的影响所对应的向量fk,i可以写为

22、

23、则所有用户第i个符号上的时频偏矩阵fi表示为

24、fi＝{f1,i,f2,i,…,fk,i}.

25、用户终端根据其相对空间位置进行分组，分组准则基于用户之间的信道正交性。在用户发起随机接入时，每组分配不同的前导码资源，且所有用户可以选择相同的扩频因子。为了实现信道正交，用户k和i的方向余弦需要满足以下条件:

26、

27、

28、其中nx和ny是除0以外的整数。由于活跃用户不可能集中在一个点上，所以在用户分布接近于正交点的情况下，可以实现近似的正交性。令c∈{x,y}，在最大俯仰角θmax的约束下，方向余弦角的最大值是将区间用间隔等分，空间角度区间集合可以表示为：

29、

30、其中(ax,ay)和(bx,by)分别表示波束和组的坐标。为区间长度，gx和gy是角度扩展因子，是角度区间的中心点。表示为：

31、

32、其中ac∈{0,1,...,gc-1},bc∈{0,1,...,mc-1}。整个区间分为gxgy＝nsf组，nsf为lora扩频因子的数目。每个活跃用户在发起接入时应找到它的空间角所在的区域作为优选，用户发送的前导码所对应的扩频因子索引由ninit＝gx(ay-1)+ax计算得到。

33、进一步，设计对应每组用户的波束域转换信号，检测占用第g∈{1,...,nsf}个初始扩频因子资源用户的波束域偏移dft矩阵表示如下：

34、

35、

36、其中与为波束域dft变换矩阵，[b]i,j表示矩阵第i行第j列元素，mod表示取模操作。由于最大的俯仰角θmax限制了卫星视场范围，因此只需采用个波束索引数即可完成后续处理。

37、进一步，接收端将接收到信号与对应的dft矩阵相乘转换为频域—波束域，并执行fft前导码检测，第g个初始扩频因子资源用户的第i个符号转换后的频域—波束域信号表示为

38、

39、其中是解扩后第i个符号的信号，为哈达玛积，a*表示a的共轭转置，nfft为fft点数。用表示对应于nsf个扩频因子的集合向量，则对应具有g个扩频因子信号的长度，为对应第g个扩频因子信号的dft变换矩阵，nfft为fft点数。

40、进一步，检测频域—波束域的信号能量峰值判断活跃用户，并对活跃用户的到达角和时频偏参数进行估计。对l个符号的取众数，得到待处理信号当检测存在初始扩频因子索引g的用户时，首先通过求的最大能量幅值来选择对应的波束索引n：

41、

42、其中|| ||为2范数，m和n分别是对应的频域和波束索引，和分别是已选择的频域索引集合和波束索引集合，与为分别在{0，1，...,nfft}和{0,1,...,exey-1}内对应索引的补集。en表示第n个元素等于1，其他元素等于0的向量。

43、进一步，直接判断fft最大幅值的功率，在当前波束索引上找到频域峰值，据此便得到了当前到达角的用户的时频偏参数估计。检测峰值后丢弃因为±1误差导致的同样具有较高幅值的左右频域索引：

44、

45、直到所找峰值的功率小于预设阈值χ，停止当前波束索引的检测。活跃用户的到达角进一步由波束索引得到，时频偏参数值进一步由频域索引得到。对于频域峰值索引m，前导时频偏参数估计值可以表示为

46、

47、基于相同的发明构思，本发明提供一种lora融合低轨卫星通信的随机接入系统，包括：用户分组单元，用于用户终端根据其相对空间位置进行分组，分组准则基于用户之间的信道正交性，在用户发起随机接入时，每组分配不同的扩频因子；信号转换单元，用于接收端对每一种可能的前导码扩频因子资源进行解扩，并将解扩后的信号转换到频域—波束域进行二维检测；以及用户检测单元，用于通过检测频域—波束域的信号能量峰值来判断活跃用户，并对活跃用户的到达角和时频偏参数进行估计。

48、基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的一种lora融合低轨卫星通信的随机接入方法的步骤。

49、基于相同的发明构思，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的一种lora融合低轨卫星通信的随机接入方法的步骤。

50、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

51、1.本发明在低轨卫星长时延大频偏的场景下研究了随机接入问题，基于用户分组的前导码分配方法显著降低了用户之间的干扰并缓解用户碰撞问题，提高了接入效率。

52、2.本发明中频域—波束域的检测提供了显著的信号合并增益，利用用户不同的到达角和时频偏参数进行了信号的分离，提高了活跃用户检测性能。相比传统方法，本发明的活跃用户检测方法不再依赖于解调信号幅值功率比，避免了由于大频偏和海量用户接入导致的严重用户间干扰问题，提高了检测的准确性和稳定性。