SCIENTIASINICAInformationis中国科学:信息科学2023年第53卷第2期:387–401c©2023《中国科学》杂志社www.scichina.cominfocn.scichina.com论文基于星间协作的低轨卫星物联网鲁棒预编码设计褚建杭,陈晓明*浙江大学信息与电子工程学院,杭州310027*通信作者.E-mail:chenxiaoming@zju.edu.cn收稿日期:2022–02–21;修回日期:2022–03–16;接受日期:2022–04–05;网络出版日期:2023–02–01国家自然科学基金(批准号:U21A20443)资助项目摘要随着物联网的广泛应用,地面物联网已经难以满足海量广域分布设备的接入需求,亟需研究低地球轨道(low-earthorbit,LEO)卫星物联网(satelliteInternetofThings,SIoT).LEO-SIoT网络为了实现全球无缝覆盖,会使用几十颗甚至上千颗低轨卫星组成一个卫星星座,但这也造成了严重的星间干扰.本文提出一种结合非正交多址接入(non-orthogonalmultipleacces,NOMA)和多波束预编码技术的LEO-SIoT网络,可以支持海量设备接入并抑制波束间和卫星间干扰.然而,卫星获取的信道状态信息(channelstateinformation,CSI)具有信道误差,导致传统的预编码方法无法起到抑制干扰的作用.因此,本文首先以低轨卫星物联网的总功耗为目标函数,并以物联网设备所需速率阈值的中断概率为约束建立星间联合鲁棒预编码优化问题;其次,利用二阶泰勒展开、伯恩斯坦不等式(Bernstein-typeinequality,BTI)和惩罚函数等数学方法将原问题转化为近似等效的二阶锥规划(second-orderconeprogram,SOCP)问题;最后,本文提出了一种鲁棒预编码算法来解决SOCP问题.大量仿真结果证明了该算法的有效性和鲁棒性.关键词低轨卫星物联网,鲁棒预编码,非正交多址接入,星间协作1引言随着物联网(InternetofThings,IoT)在工业、农业、交通和医疗等各个领域的广泛应用,IoT设备数量呈现爆炸式增长[1,2].据预测[3],到2030年,IoT设备数量将以千亿计.其中,有大量的IoT设备将部署在偏远地区和极端地形,例如山川悬崖、江河湖海,以及森林沙漠等,而这些地区尚无有效的无线覆盖,亟需建设覆盖全球的物联网.对于全球无缝覆盖的愿景,单纯依靠地面蜂窝IoT网络难以实现,由此卫星物联网(satelliteInter-netofThings,SIoT)网络受到了学术界和工业界的高度重视[4,5].LEO(low-earthorbit)卫星由于其引用格式:褚建杭,陈晓明.基于星间协作的低轨卫星物联网鲁棒预编码设计.中国科学:信息科学,2023,53:387–401,doi:10.1360/SSI-2022-0069ChuJH,ChenXM.Robustprecodingdesignforinter-satellitecooperation-basedl...
