基于上行非正交多址接入技術(shù)的星空地融合網(wǎng)絡(luò)性能分析

袁祖霞 程 銘 郭克鋒

①(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

②(航天工程大學(xué)航天信息學(xué)院 北京 101407)

1 引言

第6代移動通信(6G)網(wǎng)絡(luò)旨在擴展通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和實現(xiàn)萬物互聯(lián)，而衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、能實現(xiàn)偏遠地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入等優(yōu)點，是實現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。然而，衛(wèi)星與地面用戶建立互聯(lián)網(wǎng)連接時，受到遮蔽效應(yīng)、路徑損耗、衰落等影響，鏈路難以保持視距傳輸。為提高衛(wèi)星通信的可靠性，可利用中繼協(xié)助衛(wèi)星和地面用戶之間進行通信[2]。但考慮實際情況，在人口稀少地區(qū)建立大量地面中繼成本高、回報低，而無人機(Unmanned Aerial Vehicle， UAV)成本低、效益高、靈活性高，可作為空中中繼。因此，將無人機輔助衛(wèi)星通信的星空地融合(Satellite-Aerial-Terrestrial Integrated Network， SATIN)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為研究熱點[3]。例如，文獻[3]分析了采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的無人機中繼輔助SATIN系統(tǒng)能效性能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，現(xiàn)有的射頻(Radio Frequency， RF)通信系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足高速率業(yè)務(wù)發(fā)展要求。自由空間光(Free-Space Optical， FSO)通信相比于RF通信有很多優(yōu)點，如未分配的頻譜、容量大、功耗低、抗干擾能力強、安全性高，光電混合的網(wǎng)絡(luò)得到了大量研究[4，5]。將RF/FSO混合鏈路應(yīng)用于星空地融合網(wǎng)絡(luò)也做了初步的探索性研究[6]，如文獻[6]研究了多用戶星空地融合網(wǎng)絡(luò)遍歷容量性能。在RF/FSO混合星空地融合網(wǎng)絡(luò)中，地面用戶通過RF鏈路接入中繼，而FSO被用于連接中繼和衛(wèi)星，該方案尤其適合為偏遠地區(qū)地面用戶提供高速接入。

非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA)技術(shù)作為提高用戶接入數(shù)量和資源利用率的關(guān)鍵技術(shù)之一，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[7]。例如，文獻[7]衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用NOMA技術(shù)，在滿足發(fā)射功率和用戶服務(wù)質(zhì)量的約束條件下，實現(xiàn)了遍歷容量的最大化。需要指出的是，文獻[7]主要針對下行NOMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而上行NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的研究成果極少。同時，現(xiàn)有文獻中對NOMA技術(shù)的研究工作通常建立在完美串行干擾消除(Successive Interference Canceler， SIC)條件下[7，8]，而非完美SIC更符合衛(wèi)星通信實際應(yīng)用場景，只有極少數(shù)文獻對其做了相關(guān)研究。如文獻[9]針對單跳下行NOMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)，分析了非完美SIC條件下系統(tǒng)中斷概率和遍歷容量性能。

此外，星空地融合網(wǎng)絡(luò)中采用多天線波束成形(BeamForming， BF)技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的頻譜效率與系統(tǒng)容量[3]。將BF技術(shù)與NOMA技術(shù)相結(jié)合可以同時利用兩者的優(yōu)勢[10]。文獻[10]針對多波束衛(wèi)星服務(wù)多個NOMA用戶組場景，在滿足功率約束條件下，通過設(shè)計波束成形方案解決了系統(tǒng)遍歷容量最大化的問題。文獻[10]采用BF技術(shù)提高了NOMA系統(tǒng)性能，但其BF方案是基于準(zhǔn)確信道狀態(tài)信息(Channel State Information， CSI)條件，然而實際信號傳輸時易受到干擾且衰減嚴重，同時準(zhǔn)確CSI需實時反饋，反饋開銷較大。相比于準(zhǔn)確CSI，統(tǒng)計CSI更易獲得。

總體來看，基于RF/FSO混合鏈路的星空地融合網(wǎng)絡(luò)的研究對提高系統(tǒng)速率具有重要意義，然而，目前學(xué)術(shù)界對其開展的研究工作較少。此外，現(xiàn)有研究表明NOMA技術(shù)能提高衛(wèi)星通信資源利用率和系統(tǒng)性能，但目前未有文獻研究上行NOMA技術(shù)在星空地融合網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。本文針對RF/FSO混合星空地融合網(wǎng)絡(luò)，研究了多天線波束成形技術(shù)和NOMA技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)遍歷和速率性能。具體而言，系統(tǒng)采用了放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward， AF)協(xié)議的UAV作為空中中繼，以輔助地面多用戶與衛(wèi)星通信。首先，在無人機采用多天線和上行NOMA技術(shù)條件下，為實現(xiàn)系統(tǒng)遍歷和速率最大化，與文獻[10]不同，本文提出了一種基于統(tǒng)計CSI的波束成形方案。接著，假設(shè)衛(wèi)星-無人機鏈路采用自由空間光鏈路且服從伽馬-伽馬衰落，無人機-地面用戶鏈路采用射頻鏈路且服從相關(guān)瑞利衰落，與文獻[8]完美SIC條件不同，本文在考慮NOMA非完美SIC條件下，推導(dǎo)了系統(tǒng)遍歷和速率的閉合表達式。最后，數(shù)值仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性，同時仿真表明所提方案具有更好的性能。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，本文研究了基于上行NOMA技術(shù)的光電混合SATIN，其中，K個地面用戶(D)與衛(wèi)星(S)之間進行通信，由于遮擋效應(yīng)，忽略衛(wèi)星和地面用戶之間的直達鏈路影響[6]，因此利用無人機作為中繼(R)協(xié)作地面用戶與衛(wèi)星進行通信，且無人機具有靜態(tài)懸停特性。假設(shè)衛(wèi)星和地面用戶為單天線，無人機配置N根天線。所有地面用戶分布于無人機的覆蓋范圍內(nèi)，且信道相關(guān)性強和信道增益差異性大的用戶被分為一組[10]，K個用戶被分配到M個NOMA組中，每組Kg個用戶且采用NOMA技術(shù)接入。

圖1 系統(tǒng)模型

2.1 信道模型

2.1.1 FSO鏈路

考慮到頻譜資源的短缺和用戶容量的需求，假設(shè)衛(wèi)星-無人機鏈路用FSO進行連接，因路徑損耗、信道衰落和天線增益的影響，F(xiàn)SO鏈路信道表示為[12]

2.2 信號模型

2.3 波束成形

3 遍歷和速率性能分析

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 波束成形次優(yōu)化方案的流程圖

4 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)通過計算機仿真實驗驗證了系統(tǒng)遍歷和速率性能分析的正確性與所提出的方案的優(yōu)越性。仿真實驗中，衛(wèi)星-無人機和無人機-地面用戶鏈路分別服從伽馬-伽馬衰落和相關(guān)瑞利衰落。無人機天線數(shù)N={8，32}， 所有用戶K=6分布在無人機的覆蓋范圍內(nèi)，且被分成M=2組。此外，假設(shè)FSO鏈路和RF鏈路的平均信噪比相同γˉFSO=γˉrk=γˉ，噪聲功率σr2=σd2=KbTB，Kb= 1.38×10-23J/K，T= 300 K ，噪聲帶寬B=20 MHz，其他系統(tǒng)參數(shù)如表1所示[6]，蒙特卡羅仿真次數(shù)為 106。為了表明本文所提方案的優(yōu)勢，仿真實驗中分別與傳統(tǒng)OMA策略和其他波束成形方案作了對比：

表1 系統(tǒng)參數(shù)

(1) 所提NOMA策略與OMA策略對比：將NOMA策略和OMA策略兩種情況下的性能作比較。在星地融合網(wǎng)絡(luò)中，地面用戶采用正交多址接入(Orthogonal Multiple Access， OMA)[9]，仿真圖中表示為“OMA 策略”。本文中NOMA策略仿真了非完美SIC/完美SIC的情況，圖中表示為“所提NOMA策略-非完美SIC/完美SIC”。

(2) 波束成形方案：在衛(wèi)星-中繼-用戶的星地融合網(wǎng)絡(luò)中，將所提出的BF方案與其他接收/發(fā)送BF方案相比，如最大比合并/發(fā)送(Maximal Ratio Combining/Transmission， MRC/ MRT)[21]和最大比合并/迫零(MRC/Zero-Forcing， MRC/ZF)[22]兩種BF方案，圖中分別表示為“MRC/MRT BF方案”和“MRC/ZF BF方案”。

圖4所示為NOMA和OMA不同策略下系統(tǒng)遍歷和速率隨平均信噪比γˉ增大而顯著提高，設(shè)天線數(shù)N={8，32}，K=6，αm，j= 0.8。圖中理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果一致，證明理論推導(dǎo)式(41)的正確性。由圖可知，NOMA策略下完美SIC的系統(tǒng)遍歷和速率性能優(yōu)于OMA策略，這是因為采用NOMA技術(shù)可以同時服務(wù)多個用戶，具有更好的頻譜效率。同時，在NOMA和OMA策略下，可以發(fā)現(xiàn)天線數(shù)配置不同時，系統(tǒng)遍歷和速率都隨著天線數(shù)N增加有所提高。因此，可以通過增加無人機的天線數(shù)提高系統(tǒng)性能。

圖4 NOMA/OMA策略下遍歷和速率曲線

圖5對比了NOMA完美/非完美SIC條件下采用不同波束成形方案，系統(tǒng)遍歷和速率隨γˉ 的變化曲線，其中N= 8 ，K=6，αm，j= 0.8，ξm，j={0，0.04}。由圖可以看出，隨著影響因子ξm，j增大，非完美SIC遍歷和速率比完美SIC差，當(dāng)γˉ在低信噪比區(qū)域時，其性能與完美SIC相差不大，但是在高信噪比區(qū)域隨γˉ增大與完美SIC差距越來越大，且達到飽和狀態(tài)。圖中還比較了同一NOMA組中采用兩種波束成形方案的性能，由用戶信道增益條件好壞決定，第1種為權(quán)向量wm，1滿足信道增益條件最好的用戶達到最大可達速率，第2種為權(quán)向量wm，2滿足信道增益條件最差的用戶達到最大可達速率，波束成形權(quán)向量如式(15)。通過對比這兩種方案可以看出，完美SIC情況下系統(tǒng)遍歷和速率幾乎接近，而非完美SIC情況下，第1種方案性能高于第2種方案。因此，本文采用了第1種方案。

圖5 NOMA完美/非完美SIC條件下采用不同BF方案遍歷和速率曲線

圖6對比了不同波束成形方案下系統(tǒng)遍歷和速率隨γˉ 的 變化曲線，其中N= 8，K=6，αm，j= 0.8。將NOMA完美SIC條件下BF方案與MRC/ZF，MRC/MRT兩種BF方案作對比。由圖可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)遍歷和速率性能在所提BF方案下高于MRC/ZF、MRC/MRT的BF方案，且隨γˉ的增大性能顯著提高，從而表明所提波束成形方案的優(yōu)越性。

圖6 不同波束成形方案下遍歷和速率曲線

5 結(jié)束語

本文針對RF/FSO混合星空地融合網(wǎng)絡(luò)，研究了多天線波束成形技術(shù)和上行NOMA技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)遍歷與速率性能。首先，在無人機采用多天線和上行NOMA技術(shù)條件下，為實現(xiàn)系統(tǒng)遍歷和速率最大化，提出了基于統(tǒng)計CSI的波束成形方案。接著，假設(shè)衛(wèi)星-無人機鏈路服從伽馬-伽馬衰落，無人機-地面用戶鏈路服從相關(guān)瑞利衰落，本文在考慮NOMA非完美SIC條件下，推導(dǎo)了系統(tǒng)和速率的閉合表達式。最后，數(shù)值仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。仿真結(jié)果表明，與OMA方案相比，所提方案提高了系統(tǒng)性能，并且與MRC/ZF， MRC/MRT波束成形方案相比，所提方案具有更好的性能優(yōu)勢。本文研究為NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，并對實際通信系統(tǒng)的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。此外，我們將在今后的工作中進一步地基于NOMA上下行混合鏈路技術(shù)的星空地融合網(wǎng)絡(luò)作分析和研究。