非完美条件下的非正交多址接入星地融合网络性能分析_帅海峰.pdf

非完美条件下的非正交多址接入星地融合网络性能分析帅海峰郭克锋*安康朱诗兵李长青(航天工程大学航天信息学院北京101416)(南京航空航天大学电子与信息工程学院南京210016)(国防科技大学第六十三研究所南京210007)摘要：随着星地融合网络(ISTNs)的快速发展，大量的传感器和无线设备都有无线服务的接入需求，从而对星地融合网络的频谱效率和服务质量提出了新的挑战。不同于传统的正交多址接入技术，非正交多址接入(NOMA)技术可在相同的频率下传输不同用户的信号，其被认作为提高星地融合网络频谱效率的有效方法，从而被广泛研究。目前，针对NOMA和星地融合网络的研究大多都是在理想条件下进行的，由此该文研究更加实际的情况，即在非完美串行干扰消除(SIC)、信道估计误差和同频干扰下，对星地融合网络的性能进行研究。该文在假设卫星端和地面端均采用多天线的前提下，推导了系统遍历容量的闭式表达式，验证了非完美条件对于系统性能的影响。同时蒙特卡罗仿真验证了理论分析和推导的正确性。关键词：星地融合网络；非正交多址接入；串行干扰消除；信道状态信息；同频干扰中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0427-09DOI:10.11999/JEIT220377On the Performance of Non-Orthogonal Multiple AccessIntegrated Satellite-Terrestrial Networks inImperfect ConstraintsSHUAIHaifengGUOKefengANKangZHUShibingLIChangqing(School of Space Information,Space Engineering University,Beijing 101416,China)(College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)(The Sixty-third Research Institute,National University of Defense Technology,Nanjing 210007,China)Abstract:WiththerapiddevelopmentofIntegratedSatellite-TerrestrialNetworks(ISTNs),largescalesensorsandwirelessdeviceshavethedemandtoaccessthewirelessservices,whichisanewchallengetothespectrumefficiencyandqualityofserviceofISTNs.Differentfromtheconventionalorthogonalmultipleaccesstechnology,Non-OrthogonalMultipleAccess(NOMA)canprovidecommunicationguaranteeformultipleusersinthesamefrequency.ItisconsideredtobeaneffectivetechnicalpathtoimprovethespectralefficiencyofISTNs,henceithasbeenwidelystudied.Atpresent,mostoftheresearchonNOMAandISTNsareinvestigatedunderperfectcondition.Motivatedbythiscondition,theperformanceofISTNswiththemorepracticalsituation,i.e.,imperfectSuccessiveInterferenceCancellation(SIC),channelestimationerrorandco-channelinterference,isstudiedinthispaper.Consideringthatbothsatelliteandterrestrialusersusemultipleantennas,theclosed-formexpressionofergodiccapacityisderived,whichverifiestheimpactofimperfectconditionsonthesystemperformance.Meanwhile,MonteCarlosimulationisperformedtoverifythecorrectnessoftheoreticalderivationresults.Key words:IntegratedSatellite-TerrestrialNetworks(ISTNs);Non-OrthogonalMultipleAccess(NOMA);SuccessiveInterferenceCancellation(SIC);ChannelStatementInformation(CSI);Co-channelinterference收稿日期：2022-04-01；改回日期：2022-07-22；网络出版：2022-07-29*通信作者：郭克锋基金项目：国家自然科学基金(61901502,62001517)，国家创新人才博士后计划(BX20200101)，航天工程大学项目(2020XXAQ01,2019XXAQ05)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61901502,62001517),TheNationalPostdoctoralProgramforInnovativeTalents(BX20200101),TheProjectofSpaceEngineeringUniversity(2020XXAQ01,2019XXAQ05)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.20231 引言星地融合网络(IntegratedSatellite-TerrestrialNetworks,ISTNs)具有覆盖范围广、传输数据通量高、可连接用户数多和抗毁性强等特性，是在遇到地震、台风等极端自然灾害之后重建通信链路的最有效途径1。近年来，随着物联网(Internet-of-Things,IoT)、车联网(Internet-of-Vehicles,IoV)、远程医疗等其他技术的快速发展和急切需求，星地融合网络在学术界和工程领域都获得了巨大的关注2。服务质量(QualityofService,QoS)和频谱效率是未来星地融合网络发展的两个关键因素。因此，为了提高频谱效率并增强用户的服务体验，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)技术被引入到星地融合网络中3。NOMA技术采用功率域多址方案，实现利用同一频率资源向多个传感器用户传输内容的目的，从而提高频谱效率，并通过功率分配因子提高传感器用户的服务质量，这有别于传统的正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess,OMA)技术4。由于NOMA技术的优越性，许多研究分析了将NOMA技术应用于卫星通信(SatelliteCommunication,SatCom)后对于系统性能的提升。文献5研究了NOMA辅助的星地融合网络的中断性能，并推导得到了系统的中断概率(OutageProbability,OP)的闭式解析表达式和渐近表达式。文献6建立了基于NOMA的卫星通信系统的功率分配优化模型，提高了传感器用户的服务质量。文献7将NOMA方案应用于基于内容分发的星地融合网络，并推导得到了中断概率和命中概率的解析表达式。多天线技术同样是增强系统传输质量的关键技术。相比基于单天线的NOMA系统，多天线技术的应用可以有效提高系统的容量8。文献9研究了多天线节点下的星地融合中继网络(IntegratedSatellite-TerrestrialRelayNetwork,ISTRN)的性能，并验证了多天线技术对于系统性能提升的积极影响。文献10通过分析比较得出了多天线星地融合网络的中断概率更优。文献11讨论了多天线星地融合网络的可靠性和安全性，并通过数值结果验证了多天线技术的优越性。在实际条件的影响下，基于NOMA的星地融合网络在传输和检测过程中会受到各种非完美因素的影响。在传输过程中，信道通常会经历严重的衰落，如雨、雾等天气的影响，因此，系统很难获得完美的信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)12。同时由于信道估计技术的限制，信道估计误差(ChannelEstimationErrors,CEEs)不可避免地会出现在信道状态信息估计过程中13。文献14在陆地移动卫星系统中考虑了不完美CSI，推导得到了系统的精确和渐近中断概率。文献15建立了非理想CSI下的卫星通信系统模型，并推导得到了系统的最优能量利用效率。此外，在卫星信号接收检测过程中，NOMA用户采用串行干扰消除(Su-ccessiveInterferenceCancellation,SIC)技术来获取叠加信号中每个传感器用户的目标信号16。然而，由于接收器性能的限制，实际条件下很难实现完美的串行干扰消除17。文献18分析了在非完美SIC下的基于NOMA的卫星通信系统性能，推导得出了每个传感器用户中断概率和渐近中断概率的解析表达式。然而，作者采用了一个独立的干扰因子来表示非完美SIC的影响，缺乏系统性的理论分析。此外，由于频谱资源的重复利用，同频干扰(Co-ChannelInterference,CCI)同样会出现在信号传输过程中19。文献20分别从遍历容量(ErgodicCapacity,EC)、中断概率、平均符号错误率和能量效率等方面评估了同频干扰对星地融合网络的影响。针对以上问题，本文在非完美条件下，即信道估计误差，非完美SIC和同频干扰的影响下，对基于NOMA的星地融合网络的遍历容量性能进行了研究。本文的主要贡献如下：(1)建立了非完美条件下的星地融合NOMA网络的系统模型。由于接收机性能的限制，串行干扰消除是非完美的。由于非完美的信道状态信息，考虑了信道估计误差。同时，频率的重复利用导致了同频干扰。(2)通过遍历容量性能的理论推导，刻画了不同非完美条件参数对于星地融合NOMA网络的影响。(3)采用蒙特卡罗仿真进一步验证了遍历容量性能理论推导的正确性。2 系统模型和问题建模SUi,i(1,2,.,p,q,.,N)Ui,i (p,q)如图1所示，本文考虑一个基于NOMA的多天线星地融合网络，其中地球同步卫星(Geosyn-chronousEarthOrbit,GEO)信号源 采用NOMA技术通过直连链路与地面的传感器用户进行通信。地面传感器用户通过分组策略分为多个簇，不失一般性，本文针对一个卫星波束下的两个NOMA用户进行分析。两用户NOMA场景被3GPP(ThirdGenera-tionPartnershipProject)组织认可为可以增强传感器用户的频谱效率。因此，采用两用户NOMA方案，不仅可以简化系统模型并可以为未来研究多NOMA传感器用户场景提供基础5。此外，假设两个地面传感器用户位于卫星多个波束中的同一个428电子与信息学报第45卷MIc,c 1,2,.,N波束内。地面传感器用户为了增强天线增益配置了根天线。同时，由于地面设备频率复用，每一个传感器用户都会受到个干扰的影响。2.1 信道模型在星地融合网络中，采取阵列馈电反射(ArrayFedReflect