一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法。

背景技术：

2.无人机通信以其组网的灵活性，在星空协作通信系统中发挥了极大的优势，有效解决了卫星和地面用户之间的遮挡问题。将非正交多址接入技术应用在无人机辅助的卫星通信系统中，通过共享时频资源，能够实现多用户同时同频传输，有效地提高了频谱资源利用率和无人机的用户接入数量。但是，当无人机获取准确信道状态信息时，将不可避免地产生反馈、估计、量化等误差，增加无人机的开销，不适用于实际系统设计。
3.另一方面，随着无人机数据量的增加，传统的连接无人机和卫星的射频无线链路将无法支持激增的数据量，从而面临着巨大的技术挑战。与传统射频无线通信相比，自由空间光通信具有通信容量大、保密性高、频谱资源无需授权的特点，并且对降雨衰落不敏感，能够弥补传统射频无线链路的不足。但是，自由空间光通信容易受到大气湍流的影响，相比而言，毫米波通信容易受到降雨衰落的影响，而对大气湍流不敏感。因此，将这两种新兴的通信技术进行融合将有望突破无人机到卫星链路的容量瓶颈，从而实现无人机与卫星之间的大容量、高可靠传输。

技术实现要素：

4.针对现有技术存在的两方面的问题，本发明提出了一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法。
5.发明目的：本发明目的在于提供一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，该方法针对卫星通信网络，其中地面用户采用非正交多址技术共享时频资源，在已知地面用户角度信息的条件下，以无人机遍历和速率最大化为准则，对波束成形权矢量和功率分配方案进行联合优化设计；无人机与卫星之间通过自由空间光/毫米波通信连接，从而在保证地面用户服务质量的同时，降低无人机的开销，并通过光电切换技术提高骨干网的传输可靠性，实现卫星通信的大容量、高可靠传输。
6.发明方案：为达到上述发明目的，本发明所采用下述的技术方案：
7.第一方面，提供了一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，包括：
8.步骤1：获取无人机与用户的坐标，根据无人机与用户的坐标得到地面用户的角度信息，其中所述地面用户的角度信息为地面用户的信号相对于无人机的到达角；
9.步骤2：基于地面用户的角度信息，以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化，建立相应的优化问题；
10.步骤3：通过角度离散化方法对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，
并采用交替迭代和admm算法相结合的方法，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率；
11.步骤4：基于所述波束成形权矢量和地面用户发射功率，无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信连接，地面用户采用非正交多址技术接入无人机。
12.在一些实施例中，步骤1中，根据无人机与地面用户的坐标得到地面用户的角度信息，包括：
13.所述地面用户的角度信息表示为：
14.第k个地面用户的信号相对于无人机的到达角范围为其中θk表示第k个地面用户相对无人机的到达角，和分别表示到达角范围的下界和上界。
15.在一些实施例中，基于地面用户的角度信息，第k个地面用户和无人机之间的信道矢量hk计算为：
[0016][0017]
其中，θk表示第k个地面用户相对无人机的到达角，表示天线的阵列导向矢量，其中i为虚数单位，波数计算为κ＝2π/λ1，λ1为波长，da为天线阵元间距，n为天线数，ρk表示信道衰落增益，lk表示路径损耗，其中dk表示第k个地面用户到无人机的距离。
[0018]
在一些实施例中，步骤2中，以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化，建立相应的优化问题，包括：优化问题表示为：
[0019][0020][0021][0022][0023]
其中，s.t.表示约束条件，r
1,k
表示第k个地面用户的遍历速率，γk为满足地面用户服务质量需求的速率阈值，表示集合中任意一个元素，wr表示无人机接收波束成形权矢量，n为天线数，n表示第n个天线，p
1,k
表示第k个地面用户的发射功率，表示第k个地面用户的发射功率的最大值；
[0024]
r1表示无人机的遍历和速率，计算方法为：
[0025][0026]
其中，γ
1,k
表示无人机接收第k个地面用户信号的信干噪比，e[
·
]表示取期望值的操作，表示加性高斯白噪声方差，(
·
)h表示对向量进行共轭转置的操作，hk表示第k个地面用户和无人机之间的信道矢量，k表示地面用户总个数，j表示干扰用户的标号，hj表示第j个干扰用户和无人机之间的信道矢量，p
1,j
表示第j个干扰用户的发射功率。
[0027]
步骤2还包括：
[0028]
利用jensen不等式求出目标函数的上界，表示为：
[0029][0030]
利用mullen不等式对目标函数进行化简，基于地面用户的角度信息，优化问题重新表述为：
[0031][0032]
其中为第k个地面用户的信号相对于无人机的到达角范围；表示用户到无人机链路的信道相关矩阵；e[
·
]表示表示取期望值的操作，ωk表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，θk表示第k个地面用户相对无人机的到达角，a(θk)表示天线的阵列导向矢量。
[0033]
在一些实施例中，步骤3中，通过角度离散化的方法，对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，包括：
[0034]
对地面用户的信号相对于无人机的到达角进行离散化处理后，通过加权求和的方式获得第k个地面用户到无人机的信道相关矩阵计算公式为：
[0035][0036]
其中μ
k,l
表示加权系数，表示离散化之后的信道相关矩阵，其中离散化之后的到达角离散间隔 l表示第l个离散点，mk表示离散程度。
[0037]
步骤3还包括：
[0038]
将优化问题拆分为功率分配子问题和波束成形设计子问题，功率分配子问题p1和波束成形设计子问题p2可分别表述为：
[0039]
p1：
[0040][0041]
p 2:
[0042][0043]
其中其中ωv表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，μ
v,l
表示加权系数，h
v,l
表示离散化之后的信道相关矩阵。
[0044]
在一些实施例中，采用交替迭代和admm算法相结合的方法对优化问题进行求解，包括：
[0045]
引入变量将波束成形设计子问题p2转换为适用admm算法的形式，并得到对应的增广拉格朗日函数，从而利用admm算法得到波束成形设计子问题p2的解；
[0046]
将波束成形设计子问题p2的解带入功率分配子问题p1中，功率分配子问题p1为凸优化问题，利用凸优化工具求解；以此交替迭代，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率。
[0047]
在一些实施例中，步骤4中，无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光链路或毫米波链路连接，包括：
[0048]
卫星输出信噪比γ2计算为：
[0049][0050]
无人机通过自由空间光链路与卫星建立连接时，采用波分复用技术，卫星解码无人机信号的信噪比为γf；
[0051]
当γf小于预定的阈值时，自由空间光链路连接将被中断，无人机和卫星之间通过毫米波链路建立连接，卫星解码无人机信号的信噪比为γr；
[0052]
当γr小于预定的阈值时，毫米波链路也将被中断，此时无人机和卫星之间无法建立连接。
[0053]
通过光电切换技术，提高骨干网的传输可靠性，实现卫星通信的大容量、高可靠传输。
[0054]
第二方面，本发明提供了一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入装置，包括处理器及存储介质；
[0055]
所述存储介质用于存储指令；
[0056]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
[0057]
第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
[0058]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0059]
本发明所提出的无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，在满足地面用户服务质量的条件下，基于地面用户的位置信息，通过角度离散化以及交替迭代和admm算法相结合的方法，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化设计，得到大容量、高可靠的卫星通信传输方案，可有效克服信道信息不完美带来的影响，减少无人机获得准确信道信息带来的量化、估计等误差，降低无人机的开销。
[0060]
进一步的，本发明中无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光链路或毫米波链路连接，可将自由空间光通信和毫米波通信的优势结合，有效降低大气湍流和降雨衰落对系统通信质量的影响，提升系统可靠性。
附图说明
[0061]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
[0062]
图1为本发明实施例中无人机辅助的卫星通信系统示意图；
[0063]
图2为本发明的具体实施方法流程图。
具体实施方式
[0064]
为了使本技术领域的研究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完整的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0065]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0066]
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0067]
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0068]
实施例1
[0069]
一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，包括：
[0070]
步骤1：获取无人机与用户的坐标，根据无人机与用户的坐标得到地面用户的角度信息，其中所述地面用户的角度信息为地面用户的信号相对于无人机的到达角；
[0071]
步骤2：基于地面用户的角度信息，以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化，建立相应的优化问题；
[0072]
步骤3：通过角度离散化方法对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，并采用交替迭代和admm算法相结合的方法，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率；
[0073]
步骤4：基于所述波束成形权矢量和地面用户发射功率，无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信连接，地面用户采用非正交多址技术接入无人机。
[0074]
在一些实施例中，本实施例提供一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，在保证地面用户服务质量的同时，采用基于角度信息的优化方案设计，可有效克服信道信息不完美带来的影响，减少无人机获得准确信道信息带来的量化、估计等误差，降低无人机的开销。并通过光电切换技术有效降低大气湍流和降雨衰落对系统通信质量的影响，提高骨干网的传输可靠性，从而实现卫星通信的大容量、高可靠传输。图1为无人机辅助的卫星通信系统示意图，k个地面用户采用非正交多址技术接入无人机，无人机采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信链路与地球静止轨道卫星连接，无人机配备n 元均匀线阵天线。
[0075]
本方法首先获取无人机和地面用户的坐标，根据无人机和地面用户的坐标得到地面用户的角度信息；基于地面用户的角度信息，以无人机遍历和速率最大化为准则，对波束成形权矢量和功率分配方案进行联合优化设计，无人机与卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信连接。本方法能够克服信道信息不完美带来的影响，降低无人机的开销，并有效减少大气湍流和降雨衰落的影响，从而实现卫星通信系统的大容量、高可靠传输。详细步骤如下：
[0076]
(1)获取地面用户的角度信息，具体包括：获取无人机和地面用户的坐标，从而得到第k个地面用户信号相对于无人机的到达角范围为其中θk表示第k个
地面用户相对无人机的到达角，和分别表示到达角范围的下界和上界。在一些实施例中，通过gps得到无人机和地面用户的坐标。
[0077]
基于角度信息，第k个地面用户和无人机之间的信道矢量计算为：
[0078][0079]
其中，θk表示第k个地面用户相对无人机的到达角，表示天线的阵列导向矢量，其中i为虚数单位，波数计算为κ＝2π/λ1，λ1为波长，da为天线阵元间距，n为天线数，ρk表示信道衰落增益，lk表示路径损耗，其中dk表示第k个地面用户到无人机的距离。
[0080]
(2)以无人机遍历和速率最大化为目标，满足地面用户发射功率约束和地面用户服务质量约束，对波束成形权矢量和功率分配方案进行联合优化，建立相应的优化问题，优化问题表示为：
[0081][0082]
其中，s.t.表示约束条件，r
1,k
表示第k个地面用户的遍历速率，γk为满足地面用户服务质量需求的速率阈值，表示集合中任意一个元素，wr表示无人机接收波束成形权矢量，n为天线数，n表示第n个天线，p
1,k
表示第k个地面用户的发射功率，表示第k个地面用户的发射功率的最大值；
[0083]
r1表示无人机的遍历和速率，计算方法为：
[0084][0085]
其中，γ
1,k
表示无人机接收第k个地面用户信号的信干噪比，e[
·
]表示取期望值的操作，表示加性高斯白噪声方差，(
·
)h表示对向量进行共轭转置的操作，hk表示第k个地面用户和无人机之间的信道矢量，k表示地面用户总个数，j表示干扰用户的标号，hj表示第j个地面用户和无人机之间的信道矢量，p
1,j
表示第j个地面用户的发射功率。
[0086]
(3)对优化问题进行化简。首先利用jensen不等式求出目标函数的上界，具体计算为：
[0087][0088]
再利用mullen不等式对目标函数进行化简，基于获取的角度信息，优化问题可以重新表述为：
[0089][0090]
其中为第k个地面用户的信号相对于无人机的到达角范围；表示用户到无人机链路的信道相关矩阵；e[
·
]表示表示取期望值的操作，ωk表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，θk表示第k个地面用户相对无人机的到达角，a(θk)表示天线的阵列导向矢量。
[0091]
(4)通过角度离散化的方法，对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，过程包括：
[0092]
首先对地面用户信号相对于无人机的到达角进行离散化处理，然后通过加权求和的方式获得第k个地面用户到无人机的信道相关矩阵计算公式为：
[0093][0094]
其中μ
k,l
表示加权系数，表示离散化之后的信道相关矩阵，其中表示离散化之后的到达角，表示离散间隔，l表示第l个离散点，mk表示离散程度。
[0095]
(5)采用交替迭代和admm算法相结合的方法联合优化功率分配和波束成形设计，过程包括：首先将优化问题拆分为功率分配子问题p1和波束成形设计子问题p2，分别表示为：
[0096]
p1：
[0097][0098]
p2：
[0099][0100]
其中其中ωv表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，μ
v,l
表示加权系数，h
v,l
表示离散化之后的信道相关矩阵。
[0101]
功率分配子问题p1为凸优化问题，可以利用凸优化工具求解。
[0102]
通过引入变量将波束成形设计子问题p2转换为适用admm 算法的形式：
[0103][0104]
对应的增广拉格朗日函数为：
[0105][0106]
其中，vk为拉格朗日乘子，ρ为惩罚因子。利用admm算法得到波束成形设计子问题p2的解带入功率分配子问题p1中，以此交替迭代直至收敛求得最优可行解。整个算法的具体步骤如下：
[0107]
1.令μ
k,l
＝1/mk，迭代次数t＝0，设置初始化可行解w
(t)
，收敛判据ε1＞0；
[0108]
2.外层迭代算法参数更新：求解功率分配子问题p1，获得的最优解记为
[0109]
3.迭代次数m＝0，设置初始化可行解收敛判据ε2＞0；
[0110]
4.内层admm算法参数更新：
[0111]
a.根据以下表达式更新
[0112][0113]
b.根据以下优化问题更新
[0114]
[0115]
c.根据以下表达式更新
[0116][0117]
d.根据以下表达式更新
[0118][0119]
5.如果满足收敛条件停止迭代，否则更新迭代次数m＝m+1，重复步骤4；
[0120]
6.令如果满足收敛条件停止迭代，输出无人机波束成形权矢量和地面用户发射功率，否则更新迭代次数t＝t+1，重复步骤2。
[0121]
(6)无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信建立连接，具体描述为：通过预估卫星解码无人机信号的信噪比，在自由空间光链路和毫米波链路之间进行切换，因此卫星输出信噪比计算为：
[0122][0123]
具体描述为：无人机通过自由空间光链路与卫星建立连接时，考虑采用波分复用技术，卫星解码无人机信号的信噪比为γf；
[0124]
当γf小于预定的阈值时，自由空间光链路连接将被中断，无人机和卫星之间通过毫米波链路建立连接，卫星解码无人机信号的信噪比为γr；
[0125]
当γr小于预定的阈值时，毫米波链路也将被中断，此时无人机和卫星之间无法建立连接。通过光电切换技术，提高骨干网的传输可靠性，实现卫星通信系统的大容量、高可靠传输。
[0126]
实施例2
[0127]
第二方面，本实施例提供了一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入装置，包括处理器及存储介质；
[0128]
所述存储介质用于存储指令；
[0129]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
[0130]
实施例3
[0131]
第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
[0132]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的
实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0133]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0134]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0135]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0136]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，包括：步骤1：获取无人机与用户的坐标，根据无人机与用户的坐标得到地面用户的角度信息，其中所述地面用户的角度信息为地面用户的信号相对于无人机的到达角；步骤2：基于地面用户的角度信息，以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化，建立相应的优化问题；步骤3：通过角度离散化方法对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，并采用交替迭代和admm算法相结合的方法，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率；步骤4：基于所述波束成形权矢量和地面用户发射功率，无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光/毫米波通信连接，地面用户采用非正交多址技术接入无人机。2.根据权利要求1所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤1中，根据无人机与地面用户的坐标得到地面用户的角度信息，包括：所述地面用户的角度信息表示为：第k个地面用户的信号相对于无人机的到达角范围为其中θ
k
表示第k个地面用户相对无人机的到达角，和分别表示到达角范围的下界和上界。3.根据权利要求1或2所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，基于地面用户的角度信息，第k个地面用户和无人机之间的信道矢量h
k
计算为：其中，θ
k
表示第k个地面用户相对无人机的到达角，表示天线的阵列导向矢量，其中i为虚数单位，波数计算为κ＝2π/λ1，λ1为波长，d
a
为天线阵元间距，n为天线数，ρ
k
表示信道衰落增益，表示路径损耗，其中d
k
表示第k个地面用户到无人机的距离。4.根据权利要求1所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤2中，以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对地面用户发射功率和无人机波束成形权矢量进行联合优化，建立相应的优化问题，包括：优化问题表示为：化，建立相应的优化问题，包括：优化问题表示为：化，建立相应的优化问题，包括：优化问题表示为：化，建立相应的优化问题，包括：优化问题表示为：其中，s.t.表示约束条件，r
1,k
表示第k个地面用户的遍历速率，γ
k
为满足地面用户服务
质量需求的速率阈值，表示集合中任意一个元素，w
r
表示无人机接收波束成形权矢量，n为天线数，n表示第n个天线，p
1,k
表示第k个地面用户的发射功率，表示第k个地面用户的发射功率的最大值；r1表示无人机的遍历和速率，计算方法为：其中，γ
1,k
表示无人机接收第k个地面用户信号的信干噪比，e[
·
]表示取期望值的操作，表示加性高斯白噪声方差，(
·
)
h
表示对向量进行共轭转置的操作，h
k
表示第k个地面用户和无人机之间的信道矢量，k表示地面用户总个数，j表示干扰用户的标号，h
j
表示第j个干扰用户和无人机之间的信道矢量，p
1,j
表示第j个干扰用户的发射功率。5.根据权利要求4所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤2还包括：利用jensen不等式求出目标函数的上界，表示为：利用mullen不等式对目标函数进行化简，基于地面用户的角度信息，优化问题重新表述为：述为：述为：述为：其中为第k个地面用户的信号相对于无人机的到达角范围；表示用户到无人机链路的信道相关矩阵；e[j]表
示表示取期望值的操作，ω
k
表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，θ
k
表示第k个地面用户相对无人机的到达角，a(θ
k
)表示天线的阵列导向矢量。6.根据权利要求5所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤3中，通过角度离散化的方法，对优化问题中地面用户的位置不确定性进行处理，包括：对地面用户的信号相对于无人机的到达角进行离散化处理后，通过加权求和的方式获得第k个地面用户到无人机的信道相关矩阵计算公式为：其中μ
k,l
表示加权系数，表示离散化之后的信道相关矩阵，其中离散化之后的到达角离散间隔l表示第l个离散点，m
k
表示离散程度。7.根据权利要求6所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤3还包括：将优化问题拆分为功率分配子问题和波束成形设计子问题，功率分配子问题p1和波束成形设计子问题p2可分别表述为：p1：p1：p1：p2:p2:p2:其中其中ω
v
表示信道衰落的平均功率，表示路径损耗，μ
v,l
表示加权系数，h
v,l
表示离散化之后的信道相关矩阵；采用交替迭代和admm算法相结合的方法对优化问题进行求解，包括：引入变量将波束成形设计子问题p2转换为适用admm算法的形式，并得到对应的增广拉格朗日函数，从而利用admm算法得到波束成形设计子问题p2的解；将波束成形设计子问题p2的解带入功率分配子问题p1中，功率分配子问题p1为凸优化
问题，利用凸优化工具求解；以此交替迭代，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率。8.根据权利要求1所述的一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，其特征在于，步骤4中，无人机和卫星之间采用光电切换技术，通过自由空间光链路或毫米波链路连接，包括：卫星输出信噪比γ2计算为：无人机通过自由空间光链路与卫星建立连接时，采用波分复用技术，卫星解码无人机信号的信噪比为γ
f
；当γ
f
小于预定的阈值时，自由空间光链路连接将被中断，无人机和卫星之间通过毫米波链路建立连接，卫星解码无人机信号的信噪比为γ
r
；当γ
r
小于预定的阈值时，毫米波链路也将被中断，此时无人机和卫星之间无法建立连接。9.一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至8任一项所述方法的步骤。10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。

技术总结

本发明提供一种无人机辅助的卫星通信系统上行非正交多址接入方法，包括：获取地面用户的角度信息；基于地面用户的角度信息，无人机通信系统采用非正交多址接入技术服务覆盖区域内的地面用户；以无人机遍历和速率最大化为目标，满足最大发射功率约束条件和地面用户服务质量约束条件，对波束成形权矢量和功率分配方案进行联合优化，并建立相应的优化问题；通过角度离散化的方法对地面用户的位置不确定性进行处理，并采用交替迭代和ADMM算法相结合的方法进行求解，获得波束成形权矢量和地面用户发射功率；无人机与卫星之间通过自由空间光/毫米波通信连接，从而实现卫星与多个用户的通信。的通信。的通信。