基于上行非正交多址接入技术的星空地融合网络性能分析

袁祖霞 程 铭 郭克锋

①(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

②(航天工程大学航天信息学院 北京 101407)

1 引言

第6代移动通信(6G)网络旨在扩展通信系统的覆盖范围和实现万物互联，而卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、能实现偏远地区网络接入等优点，是实现这一愿景的关键技术之一[1]。然而，卫星与地面用户建立互联网连接时，受到遮蔽效应、路径损耗、衰落等影响，链路难以保持视距传输。为提高卫星通信的可靠性，可利用中继协助卫星和地面用户之间进行通信[2]。但考虑实际情况，在人口稀少地区建立大量地面中继成本高、回报低，而无人机(Unmanned Aerial Vehicle， UAV)成本低、效益高、灵活性高，可作为空中中继。因此，将无人机辅助卫星通信的星空地融合(Satellite-Aerial-Terrestrial Integrated Network， SATIN)网络逐渐成为研究热点[3]。例如，文献[3]分析了采用放大转发协议的无人机中继辅助SATIN系统能效性能。

随着互联网快速发展，现有的射频(Radio Frequency， RF)通信系统已经难以满足高速率业务发展要求。自由空间光(Free-Space Optical， FSO)通信相比于RF通信有很多优点，如未分配的频谱、容量大、功耗低、抗干扰能力强、安全性高，光电混合的网络得到了大量研究[4，5]。将RF/FSO混合链路应用于星空地融合网络也做了初步的探索性研究[6]，如文献[6]研究了多用户星空地融合网络遍历容量性能。在RF/FSO混合星空地融合网络中，地面用户通过RF链路接入中继，而FSO被用于连接中继和卫星，该方案尤其适合为偏远地区地面用户提供高速接入。

非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access， NOMA)技术作为提高用户接入数量和资源利用率的关键技术之一，在卫星通信领域引起了学者的广泛关注[7]。例如，文献[7]卫星通信系统采用NOMA技术，在满足发射功率和用户服务质量的约束条件下，实现了遍历容量的最大化。需要指出的是，文献[7]主要针对下行NOMA卫星通信系统，而上行NOMA技术在卫星通信网络中的研究成果极少。同时，现有文献中对NOMA技术的研究工作通常建立在完美串行干扰消除(Successive Interference Canceler， SIC)条件下[7，8]，而非完美SIC更符合卫星通信实际应用场景，只有极少数文献对其做了相关研究。如文献[9]针对单跳下行NOMA卫星通信系统，分析了非完美SIC条件下系统中断概率和遍历容量性能。

此外，星空地融合网络中采用多天线波束成形(BeamForming， BF)技术有利于提高系统的频谱效率与系统容量[3]。将BF技术与NOMA技术相结合可以同时利用两者的优势[10]。文献[10]针对多波束卫星服务多个NOMA用户组场景，在满足功率约束条件下，通过设计波束成形方案解决了系统遍历容量最大化的问题。文献[10]采用BF技术提高了NOMA系统性能，但其BF方案是基于准确信道状态信息(Channel State Information， CSI)条件，然而实际信号传输时易受到干扰且衰减严重，同时准确CSI需实时反馈，反馈开销较大。相比于准确CSI，统计CSI更易获得。

总体来看，基于RF/FSO混合链路的星空地融合网络的研究对提高系统速率具有重要意义，然而，目前学术界对其开展的研究工作较少。此外，现有研究表明NOMA技术能提高卫星通信资源利用率和系统性能，但目前未有文献研究上行NOMA技术在星空地融合网络中应用。本文针对RF/FSO混合星空地融合网络，研究了多天线波束成形技术和NOMA技术相结合的系统遍历和速率性能。具体而言，系统采用了放大转发(Amplify-and-Forward， AF)协议的UAV作为空中中继，以辅助地面多用户与卫星通信。首先，在无人机采用多天线和上行NOMA技术条件下，为实现系统遍历和速率最大化，与文献[10]不同，本文提出了一种基于统计CSI的波束成形方案。接着，假设卫星-无人机链路采用自由空间光链路且服从伽马-伽马衰落，无人机-地面用户链路采用射频链路且服从相关瑞利衰落，与文献[8]完美SIC条件不同，本文在考虑NOMA非完美SIC条件下，推导了系统遍历和速率的闭合表达式。最后，数值仿真结果验证了理论分析的正确性，同时仿真表明所提方案具有更好的性能。

2 系统模型

如图1所示，本文研究了基于上行NOMA技术的光电混合SATIN，其中，K个地面用户(D)与卫星(S)之间进行通信，由于遮挡效应，忽略卫星和地面用户之间的直达链路影响[6]，因此利用无人机作为中继(R)协作地面用户与卫星进行通信，且无人机具有静态悬停特性。假设卫星和地面用户为单天线，无人机配置N根天线。所有地面用户分布于无人机的覆盖范围内，且信道相关性强和信道增益差异性大的用户被分为一组[10]，K个用户被分配到M个NOMA组中，每组Kg个用户且采用NOMA技术接入。

图1 系统模型

2.1 信道模型

2.1.1 FSO链路

考虑到频谱资源的短缺和用户容量的需求，假设卫星-无人机链路用FSO进行连接，因路径损耗、信道衰落和天线增益的影响，FSO链路信道表示为[12]

2.2 信号模型

2.3 波束成形

3 遍历和速率性能分析

图2 系统框图

图3 波束成形次优化方案的流程图

4 仿真结果与分析

本节通过计算机仿真实验验证了系统遍历和速率性能分析的正确性与所提出的方案的优越性。仿真实验中，卫星-无人机和无人机-地面用户链路分别服从伽马-伽马衰落和相关瑞利衰落。无人机天线数N={8，32}， 所有用户K=6分布在无人机的覆盖范围内，且被分成M=2组。此外，假设FSO链路和RF链路的平均信噪比相同γ¯FSO=γ¯rk=γ¯，噪声功率σr2=σd2=KbTB，Kb= 1.38×10-23J/K，T= 300 K ，噪声带宽B=20 MHz，其他系统参数如表1所示[6]，蒙特卡罗仿真次数为 106。为了表明本文所提方案的优势，仿真实验中分别与传统OMA策略和其他波束成形方案作了对比：

表1 系统参数

(1) 所提NOMA策略与OMA策略对比：将NOMA策略和OMA策略两种情况下的性能作比较。在星地融合网络中，地面用户采用正交多址接入(Orthogonal Multiple Access， OMA)[9]，仿真图中表示为“OMA 策略”。本文中NOMA策略仿真了非完美SIC/完美SIC的情况，图中表示为“所提NOMA策略-非完美SIC/完美SIC”。

(2) 波束成形方案：在卫星-中继-用户的星地融合网络中，将所提出的BF方案与其他接收/发送BF方案相比，如最大比合并/发送(Maximal Ratio Combining/Transmission， MRC/ MRT)[21]和最大比合并/迫零(MRC/Zero-Forcing， MRC/ZF)[22]两种BF方案，图中分别表示为“MRC/MRT BF方案”和“MRC/ZF BF方案”。

图4所示为NOMA和OMA不同策略下系统遍历和速率随平均信噪比γ¯增大而显著提高，设天线数N={8，32}，K=6，αm，j= 0.8。图中理论推导和仿真结果一致，证明理论推导式(41)的正确性。由图可知，NOMA策略下完美SIC的系统遍历和速率性能优于OMA策略，这是因为采用NOMA技术可以同时服务多个用户，具有更好的频谱效率。同时，在NOMA和OMA策略下，可以发现天线数配置不同时，系统遍历和速率都随着天线数N增加有所提高。因此，可以通过增加无人机的天线数提高系统性能。

图4 NOMA/OMA策略下遍历和速率曲线

图5对比了NOMA完美/非完美SIC条件下采用不同波束成形方案，系统遍历和速率随γ¯ 的变化曲线，其中N= 8 ，K=6，αm，j= 0.8，ξm，j={0，0.04}。由图可以看出，随着影响因子ξm，j增大，非完美SIC遍历和速率比完美SIC差，当γ¯在低信噪比区域时，其性能与完美SIC相差不大，但是在高信噪比区域随γ¯增大与完美SIC差距越来越大，且达到饱和状态。图中还比较了同一NOMA组中采用两种波束成形方案的性能，由用户信道增益条件好坏决定，第1种为权向量wm，1满足信道增益条件最好的用户达到最大可达速率，第2种为权向量wm，2满足信道增益条件最差的用户达到最大可达速率，波束成形权向量如式(15)。通过对比这两种方案可以看出，完美SIC情况下系统遍历和速率几乎接近，而非完美SIC情况下，第1种方案性能高于第2种方案。因此，本文采用了第1种方案。

图5 NOMA完美/非完美SIC条件下采用不同BF方案遍历和速率曲线

图6对比了不同波束成形方案下系统遍历和速率随γ¯ 的 变化曲线，其中N= 8，K=6，αm，j= 0.8。将NOMA完美SIC条件下BF方案与MRC/ZF，MRC/MRT两种BF方案作对比。由图可以发现，系统遍历和速率性能在所提BF方案下高于MRC/ZF、MRC/MRT的BF方案，且随γ¯的增大性能显著提高，从而表明所提波束成形方案的优越性。

图6 不同波束成形方案下遍历和速率曲线

5 结束语

本文针对RF/FSO混合星空地融合网络，研究了多天线波束成形技术和上行NOMA技术相结合的系统遍历与速率性能。首先，在无人机采用多天线和上行NOMA技术条件下，为实现系统遍历和速率最大化，提出了基于统计CSI的波束成形方案。接着，假设卫星-无人机链路服从伽马-伽马衰落，无人机-地面用户链路服从相关瑞利衰落，本文在考虑NOMA非完美SIC条件下，推导了系统和速率的闭合表达式。最后，数值仿真结果验证了理论分析的正确性。仿真结果表明，与OMA方案相比，所提方案提高了系统性能，并且与MRC/ZF， MRC/MRT波束成形方案相比，所提方案具有更好的性能优势。本文研究为NOMA技术在卫星通信中的应用提供了理论依据，并对实际通信系统的设计具有指导意义。此外，我们将在今后的工作中进一步地基于NOMA上下行混合链路技术的星空地融合网络作分析和研究。