IRS辅助的星地融合认知网络中断性能分析.pdf

2023 年 7 月 Journal on Communications July 2023 第 44 卷第 7 期 通 信 学 报 Vol.44 No.7IRS 辅助的星地融合认知网络中断性能分析 林敏1，郭怀波1，刘笑宇1，韩略1，谈苗苗1，杨绿溪2（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京 210003；2.东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096）摘 要：分析了智能反射面（IRS）辅助的星地融合认知网络系统的中断性能。首先，针对卫星采用点波束技术服务地球站，而基站通过智能反射面扩大通信范围，并采用非正交多址接入（NOMA）技术服务多用户场景，在系统采用认知无线电技术来实现卫星主网络与地面次级网络之间频谱共享的情况下，建立以地面用户平均信干噪比最大化为目标的优化问题；其次，基于角度域的信道状态信息提出了一种低复杂度的 IRS 相移设计方案，从而得到智能反射面相移矩阵；接着，分别推导出地面用户在固定和移动 2 种情况下的中断概率闭合表达式。为了进一步分析系统性能，推导了高信噪比条件下系统的中断概率近似表达式。最后，计算机仿真验证了中断概率表达式的正确性，并分析了主要参数对系统性能的影响。关键词：星地融合认知网络；非正交多址接入；智能反射面；中断概率 中图分类号：TN92 文献标志码：A DOI:10.11959/j.issn.1000436x.2023124 Outage performance analysis of IRS-aided cognitive satellite-terrestrial network LIN Min1,GUO Huaibo1,LIU Xiaoyu1,HAN Lue1,TAN Miaomiao1,YANG Lyuxi2 1.School of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China 2.School of Information Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China Abstract:The outage performance of intelligent reflecting surface(IRS)aided cognitive satellite-terrestrial network was analyzed.Firstly,for the scenario where the point beam was enabled at the satellite to serve the earth station,and the IRS and non-orthogonal multiple access(NOMA)were deployed at the base station to expand the communication range and serve multiple users,respectively,under the condition that cognitive radio technology was employed to enable spectrum sharing between the satellite primary network and the terrestrial secondary network,an optimization problem was estab-lished to maximize the average signal-to-noise ratio of terrestrial users.Secondly,a low complexity IRS phase shift de-sign was proposed by using channel state information based on the angle domain,and the phase shift matrix of IRS was obtained.Then,the closed-form expressions of outage probabilities of terrestrial users were derived when users were static and moving,respectively.Furthermore,the asymptotic outage probability formulas at high signal-to-noise ratio were also derived to analyze the system performance.Finally,the correctness of derivation and the influence of main pa-rameters on outage performance were verified by computer simulations.Keywords:cognitive satellite-terrestrial network,non-orthogonal multiple access,intelligent reflecting surface,outage probability 收稿日期：20230316；修回日期：20230629 基金项目：重点国际合作基金资助项目（No.61720106003）；国家自然科学基金资助项目（No.61971128）；南京邮电大学引进人才科研启动基金资助项目（No.NY220111）；南京邮电大学校级自然科学基金资助项目（No.NY222114）；江苏省研究生科研与实践创新计划基金资助项目（No.KYCX20_0724）Foundation Items:The Key International Cooperation Research Project(No.61720106003),The National Natural Science Founda-tion of China(No.61971128),Talent Research Start-up Foundation of Nanjing University of Posts and Telecommunications(No.NY220111),The Natural Science Foundation of Nanjing University of Posts and Telecommunications(No.NY222114),The Postgraduate Research and Practice Innovation Program of Jiangsu Province(No.KYCX20_0724)第 7 期 林敏等：IRS 辅助的星地融合认知网络中断性能分析 65 0 引言 众所周知，5G 已经进入商业运营阶段。虽然以地面通信网络为基础的通信基础设施能够为高密度人口地区用户提供即时、高速数据传输服务任务1，但因地理条件和商业模式的限制，地面通信网络仍无法经济有效地解决海洋、沙漠等人口稀少地区，以及地震和泥石流等应急场景下的通信难题。相比之下，卫星通信网络具有覆盖范围广、对基础设施依赖小、不受地理条件限制等优点，在下一代移动通信系统中具有广阔的应用场景2-3。然而，一方面，卫星通信网络依赖视距传输，特别是在室内和市区人口密集区域，容易受到各种建筑物的遮挡而降低通信质量。为克服 2 个通信网络独立运行的缺点，在有效覆盖人口稀少区域的同时，为人口密集地区提供大容量的泛在连接服务，研究人员提出将卫星通信网络和地面通信网络相结合，构成星地融合网络4。另一方面，随着移动终端数量的激增，传统的频谱资源已显得捉襟见肘，面对急剧增加的频谱需求，如何更高效地利用有限的频谱资源已成为亟待解决的问题5。为此，有研究学者考虑将认知无线电（CR,cognitive radio）技术应用于星地融合网络，构成星地融合认知网络（CSTN,cognitive satellite-terrestrial network）以提升网络的频谱利用率6-7。其中，针对CSTN，文献6推导了2 种调度方案下地面用户的中断概率和遍历容量；文献7提出了一种基于服务质量约束的功率分配方案。文献6-7的研究结果表明 CR 技术应用于星地融合网络可以提升系统频谱效率，但为了进一步增加用户接入数并提升频谱效率，仍需要探索其他有潜力的技术与之结合。近 几 年 来，非 正 交 多 址 接 入（NOMA,non-orthogonal multiple access）技术也获得了业界的广泛关注，该技术通过在功率域这一新的维度上进行非正交的频谱复用，有望在显著增加系统中用户接入数的同时，提升系统的频谱效率8。鉴于 NOMA 的这一优势，将它应用于星地融合网络已逐渐成为研究热点9-11。例如，文献9推导了在星地融合网络中基于 NOMA 传输方式的用户中断概率；文献10推导了CSTN 中主、次级用户的遍历容量；文献11考虑在CSTN 次网中应用NOMA 技术，通过波束成形和功率资源分配实现了系统传输容量最大化。文献9-11对NOMA 技术在CSTN 中的应用进行了研究，仿真结果表明，将NOMA 技术应用于CSTN 极具发展潜力。与此同时，智能反射面（IRS,intelligent reflecting surface）技术正成为未来 6G 的重要支撑12。IRS 的优势在于其由众多低成本、低功耗的反射原件组成，通过编程完全可以调节反射信号的相位和幅度，从而实现对无线传播环境的智能控制，因此可灵活应用于多种无线通信场景13。其中，文献14研究了 2 种相移设计对 IRS 辅助的 NOMA 通信系统性能的影响，并采用中心极限定理近似的方法推导得到了系统中断概率闭合表达式。文献15在下行 CR 系统中引入多个 IRS，在保证对主用户干扰功率小于门限值的前提下，最大限度地提高了次用户的可达速率。值得注意的是，虽然现有文献对 IRS 辅助通信系统的性能已进行了深入的研究14-15，但它们仅适用于地面无线网络，将 IRS 技术应用于 CSTN 中将带来何种增益仍需要进一步研究。为解决这一问题，文献16考虑将 IRS技术应用于 CSTN 中，可以扩大通信覆盖范围，增强网络的安全性能。文献17针对 IRS 辅助的星空地融合网络进行鲁棒波束成形设计。文献18分析了由IRS 辅助的星地融合网络的中断性能，推导了中断概率、遍历容量和误符号率的表达式。文献19研究了由 IRS 辅助的有干扰的卫星无人机地面融合网络的中断性能，推导了中断概率的闭合表达式，并分析了主要参数对中断性能的影响。文献20提出了一种IRS 授权的安全合作传输策略，通过在卫星用户附近部署一个 IRS，反射来自地面的共同频谱干扰，以保护在卫星信号下行传输中不被窃听。文献21针对IRS 辅助的 CSTN，提出了一种针对波束成形权矢量和 IRS 相移的交替优化方案。值得注意的是，文献18-21在分析 IRS 辅助的通信系统性能时，均考虑通过利用信道的瞬时CSI设计IRS的相移矩阵。然而，由于 IRS 通常配置大量的无线器件，其信道估计本身就是一项富有挑战性的工作，也是当前的一个技术难题22。一方面，在实际场景中，信道通常是复杂且时变的，在一个时隙中估计出 CSI 后，进行无源波束成形时的更新可能会迟滞；另一方面，当基站获得 CSI时，将 CSI 传递给 IRS 控制器也造成了额外的通信开销。因此，如何经济且有效地获取 IRS 链路的 CSI是智能反射面技术在实际应用中亟待解决的问题。与获取瞬时 CSI