[发明专利]基于低轨卫星网络的无线空中计算方法

说明书

本发明涉及一种基于低轨卫星网络的无线空中计算方法，将传统的陆地网络融合空中计算拓展到卫星部署空中计算，有利于空天地一体化的发展。不同于陆地无线通信，卫星端必须配备多天线的平面阵，考虑到地面用户设备之间的距离远远小于用户设备到卫星的距离，在用户设备随机接入的场景下，假定所有用户设备的离开角相同，即相对于卫星阵列的垂直角和水平角，从而构建出的信道模型具有一定的稀疏性。在空中计算应用下，构建出了真实接收信号与理想接收信号的不同表达式，通过构建出两者之间的最小均方根误差的问题，保证通信性能，对其进行优化求解，提高通信效益。

技术领域

本发明涉及一种通信技术，特别涉及一种基于低轨卫星网络的无线空中计算方法。

背景技术

近年来，随着物联网的快速发展以及移动边缘设备的快速普及，设备随之产生的数据也越来越多，已经在2021年达到了600拍字节。然而物联网在承担数亿台设备的连接工作的同时，传统的先传输再计算大量数据的方法会导致非常高的延迟，这在大规模网络的多址接入中是不现实的。为了解决这个挑战，一种被称为空中计算的新兴技术被提出来，它利用了无线网络中信道的波形叠加特性，即物联网设备作为发射端在同个时刻传输信息，接收端可以快速聚合和计算大量的数据。

如今，空中计算已经广泛的应用在陆地无线网络中。然而由于陆地无线网络覆盖范围的局限性，在沙漠，海洋以及一些偏远的地区，陆地网络结合空中计算不能够像预期那样实现。最近几年，卫星通信引起了广泛的讨论，并有望成为未来第六代无线网络，以实现无缝的全球覆盖，这为物联网服务提供了一种很有前途的方法。在不同轨道高度工作的卫星中，低地轨道卫星相比于其他高轨道卫星的低成本、低海拔高度、低延迟，已成为地面用户流行的通信方式。具体来说，大量的低轨卫星在500-2000公里的轨道高度运行，此前SpaceX计划发射大量的低轨卫星，到目前为止，已经有约5000颗卫星如期发射，占所有卫星的五分之四。在低地轨道卫星网络中部署空中计算，实现全球无缝通信的同时，也能够有效的提高通信效益。

发明内容

针对现在物联网通信方法无法适应日益增长的数据量问题，提出了一种基于低轨卫星网络的无线空中计算方法，基于模拟通信场景下探究卫星通信中信道的建立，构建基于空中计算架构的高效通信，从而优化整个系统的性能。

本发明的技术方案为：一种基于低轨卫星网络的无线空中计算方法，具体包括如下步骤：

1)在低轨卫星平面阵列图中，构建卫星与任意用户的信道矩阵，并转换为向量形式表示，构建低轨卫星信道模型；

2)在低轨卫星网络信道模型的基础上，卫星端通过波束赋形定义实际接收的函数，构建优化接收波束赋形向量最小化为空中计算信道接收信号失真优化问题；

3)采用连续凸近似技术和投影扰动法求解步骤2)的优化问题，先用连续凸近似方法将约束近似为线性约束，再将线性约束用闭集形式表示，通过解决凸可行问题，寻找可行点求得最优解，在最优解寻求迭代中通过投影扰动方法和在迭代中增加有界扰动的方法快速收敛至可行解。

进一步，所述步骤1)具体实现如下：

设一个低轨卫星在固定运行高度轨道上运行，采用一个均匀的平面阵列为卫星平面阵列图，它的维度为N_X×N_Z，其中N_X和N_Z分别表示沿着X轴和Z轴的阵列元素的数量，Y轴朝向地球中心，d₁和d₂分别表示沿着两个坐标轴X轴和Z轴的相邻元素之间的距离；以视线信号作为通信信号主要成分，且低轨卫星移动引起的多普勒效应能够被完美的补偿；在只考虑自由空间衰落下，定义垂直角θ∈[0，π/2)，θ为视线与平面XOY的夹角；水平角为视线在平面XOY投影线与Y轴的夹角，低轨卫星与任意用户设备之间的稀疏信道表示为：