I/Q失衡影響下無人機多向全雙工中繼NOMA傳輸系統(tǒng)性能分析

陳 慧 張銘宇 李興旺 孫江峰 李美玲

①(河南理工大學物理與電子信息學院 焦作 454003)

②(河南理工大學計算機科學與技術(shù)學院 焦作 454003)

③(太原科技大學電子信息工程學院 太原 030024)

1 引言

近年來，無人機(Unmanned Air Vehicle,UAV)通信技術(shù)作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，受到學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1,2]。在未來6G網(wǎng)絡中，無人機輔助通信被認為是實現(xiàn)空天地一體化無縫覆蓋的一種有前途的方案。面對未來巨連接、大容量、差異化的移動通信網(wǎng)絡應用需求，無人機可以作為空中通信平臺，為有需求的地理位置提供可靠的無線通信[3,4]，如用作通信基站對地面網(wǎng)絡進行補充、用作通信中繼為遠距離用戶增強網(wǎng)絡傳輸以及輔助物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的收集和分發(fā)等。然而有限的頻譜資源仍會對系統(tǒng)的傳輸性能造成不利影響[4]，因此采用高效的頻譜傳輸方案對無人機通信系統(tǒng)而言頗為關(guān)鍵。

值得一提的是，非正交多址接入技術(shù)(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)具有大規(guī)模連接、低延遲、高頻譜效率、強魯棒性等技術(shù)優(yōu)勢，被視為下一代無線通信網(wǎng)絡革命性的多址接入框架[5]。與傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)(Orthogonal Multiple Access, OMA)相比，NOMA突破了通信資源正交劃分對接入用戶數(shù)量的限制，允許多個用戶通過功率域復用共享相同的時頻資源，不需要過于復雜的接收器就能實現(xiàn)多用戶連接[6]。功率域NOMA基于發(fā)射端的疊加編碼(Superposition Coding, SC)方案和接收端的連續(xù)干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)技術(shù)，能夠有效提高頻譜利用率。文獻[7]正是基于功率域NOMA提出一種無線攜能D2D網(wǎng)絡魯棒能效優(yōu)化算法，以緩解頻譜短缺等問題。

為滿足未來無人機通信對資源利用率、數(shù)據(jù)傳輸率等方面的需求，利用NOMA進行無人機輔助通信至關(guān)重要。無人機與地面之間的非正交多址通信被認為是一種應用前景廣闊的空-地通信技術(shù)[8,9]。文獻[8]提出了一種基于用戶調(diào)度的資源分配算法來優(yōu)化UAV-NOMA網(wǎng)絡的能量效率。文獻[9]以最大化用戶數(shù)據(jù)文件分發(fā)效率為目標，研究了D2D輔助下UAV-NOMA網(wǎng)絡中文件調(diào)度的任務延遲問題。

此外，為了進一步提高系統(tǒng)頻譜效率，研究者提出一種新型網(wǎng)絡—多向中繼網(wǎng)絡(Multi-Way Relay Network, MWRN)。在MWRN 中，允許地理位置分離的多個用戶通過一個或多個中繼節(jié)點完成彼此間的數(shù)據(jù)交換[10]。文獻[11]采用隨機和半正交兩種方法對多向中繼進行選擇，并給出了該中繼協(xié)議下中斷概率和遍歷速率的解析表達式。文獻[12]提出了一種新的MWRN協(xié)議，在該協(xié)議下N個用戶通信需要[(N-1)/2]+1個時隙。文獻[13]在多輸入多輸出MWRN中結(jié)合了NOMA，以更高的頻譜效率實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的完全交換。文獻[14]基于文獻[13]，進一步研究了無人機輔助NOMA MWRN的性能。

通過對上述文獻調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)將無人機通信、功率域NOMA以及MWRN結(jié)合起來的相關(guān)研究還比較少，并且現(xiàn)有研究基本上都采用了半雙工(Half-Duplex, HD)的通信方式，這在一定程度上限制了系統(tǒng)的頻譜效率。與HD相比，全雙工(Full-Duplex, FD)允許在同一時間/頻率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)NOMA上下行鏈路的同步傳輸[15]，理論上能使系統(tǒng)吞吐量加倍增長?；诖?，本文將FD引用到NOMA MWRN中，提出了一種無人機輔助的全雙工多向中繼非正交多址接入(FD NOMA MWRN)傳輸方案，將用戶間數(shù)據(jù)交換的時隙降低到1。本文還考慮了射頻(Radio Frequency, RF)前端存在同相/正交(In-phase/Quadrature, I/Q)失衡這一實際因素[16,17]，這是硬件損傷的類型之一，由于實際中射頻收發(fā)機使用的模擬元件不盡完美，因此RF前端始終存在I/Q失衡[18]?；谒崮Ｐ?，通過推導得到了總可達傳輸率(Achievable Sum Rate, ASR)和能量效率(Energy Efficiency, EE)的解析表達式，并給出了ASR在高信噪比區(qū)域下的漸近分析，接著進一步分析了無人機工作高度和I/Q失衡參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，本文考慮一個基于NOMA的全雙工多向無人機中繼通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward, DF)協(xié)議的無人機中繼U和N個單天線NOMA用戶S1,S2,...,SN構(gòu)成。假定U工作在FD模式，配備有1根發(fā)射天線和1根接收天線，分別用于下行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送和上行鏈路數(shù)據(jù)接收。此外，假定無人機為固定翼型，恒速在高度為H的上空連續(xù)飛行，其地面覆蓋范圍是半徑為r的圓，所有用戶都分布在這個圓形區(qū)域內(nèi)。以圓心為原點建立坐標系，假設U 的坐標表示為(xu,yu,H)，第i個用戶Si，i ∈{1,2,...,N}的坐標為(xi,yi,0)，其中xu和yu分別為無人機垂直投影在水平面的橫、縱坐標，xi和yi分別為Si在水平面上的橫、縱坐標。另外，假定由于受障礙物阻擋，用戶間的直連鏈路不存在，N個地面用戶都將通過中繼互換信息，每個用戶須將其數(shù)據(jù)傳輸給剩余的N-1個用戶，同時也要接收來自這些用戶的數(shù)據(jù)信息。考慮到多天線傳輸在降低自干擾功率的同時也會加劇系統(tǒng)的復雜性，在本文中假定了終端的發(fā)射和接收均為單天線，這可以作為文獻[19]中所研究無人機輔助蜂窩網(wǎng)絡通信的一種典型情況。

圖1 3維無人機多向中繼通信系統(tǒng)模型圖

無人機和用戶之間的信道考慮一種復合信道模型，該模型是大尺度衰落和小尺度衰落的結(jié)合，假定大尺度衰落主要由路徑損耗造成，小尺度衰落滿足Nakagami-m衰落模型，則無人機與第i個用戶之間的信道系數(shù)hi可以表示為

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 ASR分析

3.2 EE分析

其中，系統(tǒng)的能量消耗PTot=N ·PS+PU。

4 仿真分析

首先，對NOMA與OMA方案[12]進行比較，圖2給出不同用戶數(shù)N={3,4,5}時系統(tǒng)ASR隨信噪比的變化曲線。其中，N=4時功率分配系數(shù)設置為a1=b1=0.6，a2=b2=0.2，a3=b3=0.12，a4=b4=0.08；N=5時功率分配系數(shù)設置為a1=b1=0.5，a2=b2=0.2，a3=b3=0.15，a4=b4=0.1，a5=b5=0.05。圖中的仿真曲線逼近理論曲線，這可以驗證本文所得系統(tǒng)ASR閉式表達式的正確性。結(jié)合圖2(a)和圖2(b)，可以看出不論系統(tǒng)是否受到I/Q失衡的影響，兩種方案下系統(tǒng)ASR都隨著用戶數(shù)量的增加而增大。這說明ASR是由系統(tǒng)中的所有用戶貢獻的[14]。從圖2(a)還可以看出NOMA方案下系統(tǒng)的傳輸率明顯優(yōu)于OMA方案，這是因為該系統(tǒng)將OMA方案下通信傳輸所需的[(N-1)/2]+1個時隙縮減到1個，進而可以達到近似N/2的ASR增益，并且增益隨著用戶數(shù)量N的增加而增大。當系統(tǒng)處于理想條件時，可以看到在高信噪比區(qū)域出現(xiàn)了O M A 傳輸?shù)腁 S R 優(yōu)于NOMA傳輸?shù)那闆r，如圖2(b)所示。這是因為本文所設計系統(tǒng)為FD NOMA傳輸系統(tǒng)，會受到RSI帶來的負面影響。這一點將在下面的分析中具體討論。同時，值得注意的是：N=5時，NOMA方案優(yōu)于OMA方案，這說明OMA方案的ASR深受N的影響。

圖2 NOMA/OMA方案下的系統(tǒng)ASR對比

圖3 HD/FD工作模式下的傳輸性能對比

圖4 系統(tǒng)ASR與UAV高度關(guān)系圖

圖5 NOMA/OMA方案下的EE對比

圖6 ASR與振幅及相位不匹配程度關(guān)系圖

5 結(jié)束語

本文研究了受I/Q失衡影響的無人機輔助多向全雙工NOMA中繼通信系統(tǒng)的傳輸性能，推導了ASR的解析表達式，并在高信噪比區(qū)域進行了漸近分析，在此基礎上，又進一步分析了系統(tǒng)EE。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)多向OMA中繼系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更具性能優(yōu)勢。當用戶數(shù)量增加時，系統(tǒng)ASR增益更加顯著?；谔岣叩腁SR以及減少的時隙數(shù)，NOMA方案也帶來了顯著的EE增益。本文還比較了HD和FD兩種中繼通信方案，結(jié)果表明在中低信噪比下，F(xiàn)D中繼系統(tǒng)的傳輸率總是優(yōu)于HD中繼系統(tǒng)；在高信噪比下，受RSI的影響，F(xiàn)D中繼系統(tǒng)性能會有所下降。通過以上方案的兩兩比較，進一步說明了NOMA和FD中繼的結(jié)合能夠有效提高系統(tǒng)對頻譜/能量資源的利用率，所提方案可為增強現(xiàn)有無人機協(xié)作通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能提供理論參考。最后，本文指出：I/Q失衡會惡化系統(tǒng)性能，可以通過發(fā)射端的校準方案和接收端的補償算法來降低這種射頻硬件損傷；同時系統(tǒng)ASR受到無人機工作高度的限制，可以根據(jù)實際場景靈活部署無人機來優(yōu)化系統(tǒng)性能，具體工作將在未來的研究中進一步展開。