基于上行非正交多址接入技術的星空地融合網絡性能分析

袁祖霞 程 銘 郭克鋒

①(南京郵電大學通信與信息工程學院 南京 210003)

②(航天工程大學航天信息學院 北京 101407)

1 引言

第6代移動通信(6G)網絡旨在擴展通信系統的覆蓋范圍和實現萬物互聯，而衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信容量大、能實現偏遠地區網絡接入等優點，是實現這一愿景的關鍵技術之一[1]。然而，衛星與地面用戶建立互聯網連接時，受到遮蔽效應、路徑損耗、衰落等影響，鏈路難以保持視距傳輸。為提高衛星通信的可靠性，可利用中繼協助衛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，將無人機輔助衛星通信的星空地融合(Satellite-Aerial-Terrestrial Integrated Network， SATIN)網絡逐漸成為研究熱點[3]。例如，文獻[3]分析了采用放大轉發協議的無人機中繼輔助SATIN系統能效性能。

隨著互聯網快速發展，現有的射頻(Radio Frequency， RF)通信系統已經難以滿足高速率業務發展要求。自由空間光(Free-Space Optical， FSO)通信相比于RF通信有很多優點，如未分配的頻譜、容量大、功耗低、抗干擾能力強、安全性高，光電混合的網絡得到了大量研究[4，5]。將RF/FSO混合鏈路應用于星空地融合網絡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絡遍歷容量性能。在RF/FSO混合星空地融合網絡中，地面用戶通過RF鏈路接入中繼，而FSO被用于連接中繼和衛星，該方案尤其適合為偏遠地區地面用戶提供高速接入。

非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA)技術作為提高用戶接入數量和資源利用率的關鍵技術之一，在衛星通信領域引起了學者的廣泛關注[7]。例如，文獻[7]衛星通信系統采用NOMA技術，在滿足發射功率和用戶服務質量的約束條件下，實現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衛星通信系統，而上行NOMA技術在衛星通信網絡中的研究成果極少。同時，現有文獻中對NOMA技術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更符合衛星通信實際應用場景，只有極少數文獻對其做了相關研究。如文獻[9]針對單跳下行NOMA衛星通信系統，分析了非完美SIC條件下系統中斷概率和遍歷容量性能。

此外，星空地融合網絡中采用多天線波束成形(BeamForming， BF)技術有利于提高系統的頻譜效率與系統容量[3]。將BF技術與NOMA技術相結合可以同時利用兩者的優勢[10]。文獻[10]針對多波束衛星服務多個NOMA用戶組場景，在滿足功率約束條件下，通過設計波束成形方案解決了系統遍歷容量最大化的問題。文獻[10]采用BF技術提高了NOMA系統性能，但其BF方案是基于準確信道狀態信息(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，同時準確CSI需實時反饋，反饋開銷較大。相比于準確CSI，統計CSI更易獲得。

總體來看，基于RF/FSO混合鏈路的星空地融合網絡的研究對提高系統速率具有重要意義，然而，目前學術界對其開展的研究工作較少。此外，現有研究表明NOMA技術能提高衛星通信資源利用率和系統性能，但目前未有文獻研究上行NOMA技術在星空地融合網絡中應用。本文針對RF/FSO混合星空地融合網絡，研究了多天線波束成形技術和NOMA技術相結合的系統遍歷和速率性能。具體而言，系統采用了放大轉發(Amplify-and-Forward， AF)協議的UAV作為空中中繼，以輔助地面多用戶與衛星通信。首先，在無人機采用多天線和上行NOMA技術條件下，為實現系統遍歷和速率最大化，與文獻[10]不同，本文提出了一種基于統計CSI的波束成形方案。接著，假設衛星-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，推導了系統遍歷和速率的閉合表達式。最后，數值仿真結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 系統模型

如圖1所示，本文研究了基于上行NOMA技術的光電混合SATIN，其中，K個地面用戶(D)與衛星(S)之間進行通信，由于遮擋效應，忽略衛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)協作地面用戶與衛星進行通信，且無人機具有靜態懸停特性。假設衛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，且信道相關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技術接入。

圖1 系統模型

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，假設衛星-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，FSO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 系統框圖

圖3 波束成形次優化方案的流程圖

4 仿真結果與分析

本節通過計算機仿真實驗驗證了系統遍歷和速率性能分析的正確性與所提出的方案的優越性。仿真實驗中，衛星-無人機和無人機-地面用戶鏈路分別服從伽馬-伽馬衰落和相關瑞利衰落。無人機天線數N={8，32}， 所有用戶K=6分布在無人機的覆蓋范圍內，且被分成M=2組。此外，假設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，其他系統參數如表1所示[6]，蒙特卡羅仿真次數為 106。為了表明本文所提方案的優勢，仿真實驗中分別與傳統OMA策略和其他波束成形方案作了對比：

表1 系統參數

(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。在星地融合網絡中，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：在衛星-中繼-用戶的星地融合網絡中，將所提出的BF方案與其他接收/發送BF方案相比，如最大比合并/發送(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不同策略下系統遍歷和速率隨平均信噪比γˉ增大而顯著提高，設天線數N={8，32}，K=6，αm，j= 0.8。圖中理論推導和仿真結果一致，證明理論推導式(41)的正確性。由圖可知，NOMA策略下完美SIC的系統遍歷和速率性能優于OMA策略，這是因為采用NOMA技術可以同時服務多個用戶，具有更好的頻譜效率。同時，在NOMA和OMA策略下，可以發現天線數配置不同時，系統遍歷和速率都隨著天線數N增加有所提高。因此，可以通過增加無人機的天線數提高系統性能。

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γˉ在低信噪比區域時，其性能與完美SIC相差不大，但是在高信噪比區域隨γˉ增大與完美SIC差距越來越大，且達到飽和狀態。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。由圖可以發現，系統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越性。

圖6 不同波束成形方案下遍歷和速率曲線

5 結束語

本文針對RF/FSO混合星空地融合網絡，研究了多天線波束成形技術和上行NOMA技術相結合的系統遍歷與速率性能。首先，在無人機采用多天線和上行NOMA技術條件下，為實現系統遍歷和速率最大化，提出了基于統計CSI的波束成形方案。接著，假設衛星-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瑞利衰落，本文在考慮NOMA非完美SIC條件下，推導了系統和速率的閉合表達式。最后，數值仿真結果驗證了理論分析的正確性。仿真結果表明，與OMA方案相比，所提方案提高了系統性能，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勢。本文研究為NOMA技術在衛星通信中的應用提供了理論依據，并對實際通信系統的設計具有指導意義。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的星空地融合網絡作分析和研究。