1.一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法,其特征在于:所述卫星物联网容量提升方法包括如下步骤:
步骤1:基于统计信道的下行链路波束成形:包括波束成形矢量优化和功率分配两部分;
基于统计信道的下行链路波束成形的波束成形矢量优化为:在卫星到簇头的传输过程中,以最小化卫星功耗为目标函数,为满足传输需求,设置了信干噪比约束,然后求解优化函数,得到波束成形矢量;
基于统计信道的下行链路波束成形的功率分配为:在簇头到物联网终端的传输过程中,以最大化总速率为目标函数,为满足传输需求,设置了信干噪比约束,假设每个簇头总功率固定,对信道条件好的终端少分配功率,然后求解优化函数,得到每个物联网终端的功率分配系数;
步骤2:基于统计信道的上行链路波束成形:包括功率分配和波束成形矢量优化两部分:基于统计信道的上行链路波束成形的功率分配:在物联网终端到簇头的传输过程中,以最大化总速率为目标函数,为满足传输需求,设置了信干噪比约束,假设每个簇头总功率固定,对信道条件好的终端少分配功率,然后求解优化函数,得到每个物联网终端的功率分配系数;
基于统计信道的上行链路波束成形的波束成形矢量优化:在簇头到卫星的传输过程中,以最大化总速率为目标函数,设置波束成形矢量模值为1,然后求解优化函数,得到波束成形矢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法,其特征在于:所述步骤1中具体包括如下步骤:步骤1‑1:不失一般性,考虑第m个簇的簇头,在这个簇头处接收到的信号写成:其中,M表示簇头个数, 为第m波束的卫星发射信号, Nm是第m个波束内物联网终端的个数,αm,n是第m个簇内第n个终端的功率,sm,n是第m个簇内第n个终端的信号,wj是第j个波束的波束成形矢量,hm是卫星和第m个簇头之间的信道模型,和fc分别表示多普勒频移和载频, 表示传播时延,gm是卫星和第m个簇头之间链路的信道增益,nch,m是信道噪声;
第m个集群的簇头将其接收到的数据进一步转发给它所服务的终端,由于传输距离长,传输损耗大,假设物联网终端无法接收其他簇头发送的信号,因此,在第m个集群的第n个终端接收的信号表示为:其中,nm,n是均值为零,方差为 的加性高斯噪声,hm,n表示第m个簇内的第n个终端到簇头之间链路的瞬时信道状态信息,其均值为零,单位方差;
考虑不完全连续干扰消除,有:
其中,βm′,n和βm,n是不完美的SIC系数,0≤β′m,n,βm,n≤1;
考虑到卫星的峰值功率是有限的,将卫星功耗最小化问题表述为:其中,γm为信干噪声比阈值, 是第m个簇头的信干噪比,重写后的信噪比公式为:步骤1‑2:在优化波束形成矢量的基础上,利用下行优化功率分配方法优化功率分配系数,此优化问题表述为:其中, 表示信干噪比阈值, 表示第m个波束内的终端功率之和, 表示为:其中,
3.根据权利要求1所述的一种基于空间域和功率域资源联合调度的卫星物联网容量提升方法,其特征在于:所述步骤2具体包括如下步骤:步骤2‑1:不失一般性,对于第m个簇中Nm‑1终端将其数据发送到簇中,这个簇头接收到的信号写成:然后,第m个簇的簇头将其接收到的数据和它自己的数据发送给卫星,第m个簇在卫星上接收到的信号表示为:其中, 是簇头传输的信号, αm,1是分配给簇头的发射功率,假设 sm,1是簇头本身的信号,
采用上行链路优化功率分配方法,使每个集群的物联网终端到簇头链路的和速率最大化,优化问题被表述为:其中, 表示信干噪比阈值, 表示第m个波束内的终端功率之和, 表示为:步骤2‑2:在功率分配的基础上,利用波束成形来最大化上行链路的和速率,因此,优化问题表述为:其中, 可以表示为: