Low earth orbit (LEO) satellite constellation-enabled communication networks are expected to be an important part of many Internet of Things (IoT) deployments due to their unique advantage of providing seamless global coverage. In this paper, we investigate the random access problem in massive multiple-input multiple-output-based LEO satellite systems, where the multi-satellite cooperative processing mechanism is considered. Specifically, at edge satellite nodes, we conceive a training sequence padded multi-carrier system to overcome the issue of imperfect synchronization, where the training sequence is utilized to detect the devices' activity and estimate their channels. Considering the inherent sparsity of terrestrial-satellite links and the sporadic traffic feature of IoT terminals, we utilize the orthogonal approximate message passing-multiple measurement vector algorithm to estimate the delay coefficients and user terminal activity. To further utilize the structure of the receive array, a two-dimensional estimation of signal parameters via rotational invariance technique is performed for enhancing channel estimation. Finally, at the central server node, we propose a majority voting scheme to enhance activity detection by aggregating backhaul information from multiple satellites. Moreover, multi-satellite cooperative linear data detection and multi-satellite cooperative Bayesian dequantization data detection are proposed to cope with perfect and quantized backhaul, respectively. Simulation results verify the effectiveness of our proposed schemes in terms of channel estimation, activity detection, and data detection for quasi-synchronous random access in satellite systems.


翻译:低轨道(LEO)卫星星座网络由于其提供无缝全球覆盖的独特优势,预计将成为许多物联网(IoT)部署的重要组成部分。在本文中,我们研究了基于大规模多输入多输出的LEO卫星系统中的随机接入问题,并考虑了多卫星协作处理机制。具体而言,在边缘卫星节点处,我们构想了一个填充训练序列的多载波系统,以克服不完全同步的问题,其中训练序列用于检测设备的活动并估计其信道。考虑到地球-卫星链路的固有稀疏性和IoT终端的间歇性流量特性,我们利用正交近似消息传递-多测量向量算法来估计延迟系数和用户终端活动情况。为进一步利用接收阵列的结构,进行二维旋转不变技术的信号参数估计,以增强信道估计。最后,在中央服务器节点处,我们提出了一种多数投票方案,通过聚合多个卫星的返回信息来增强活动检测。此外,我们提出了多卫星协作线性数据检测和多卫星协作贝叶斯去量化数据检测,以应对完美和量化的返回信息。模拟结果验证了我们所提出的准同步随机访问卫星系统中的信道估计、活动检测和数据检测方案的有效性。

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