陳 慧 張銘宇 李興旺 孫江峰 李美玲

①(河南理工大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 焦作 454003)

②(河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 焦作 454003)

③(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院 太原 030024)

1 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)(Unmanned Air Vehicle,UAV)通信技術(shù)作為通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1,2]。在未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)人機(jī)輔助通信被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)空天地一體化無(wú)縫覆蓋的一種有前途的方案。面對(duì)未來(lái)巨連接、大容量、差異化的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，無(wú)人機(jī)可以作為空中通信平臺(tái)，為有需求的地理位置提供可靠的無(wú)線通信[3,4]，如用作通信基站對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充、用作通信中繼為遠(yuǎn)距離用戶增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸以及輔助物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的收集和分發(fā)等。然而有限的頻譜資源仍會(huì)對(duì)系統(tǒng)的傳輸性能造成不利影響[4]，因此采用高效的頻譜傳輸方案對(duì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)而言頗為關(guān)鍵。

值得一提的是，非正交多址接入技術(shù)(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)具有大規(guī)模連接、低延遲、高頻譜效率、強(qiáng)魯棒性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被視為下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)革命性的多址接入框架[5]。與傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)(Orthogonal Multiple Access, OMA)相比，NOMA突破了通信資源正交劃分對(duì)接入用戶數(shù)量的限制，允許多個(gè)用戶通過(guò)功率域復(fù)用共享相同的時(shí)頻資源，不需要過(guò)于復(fù)雜的接收器就能實(shí)現(xiàn)多用戶連接[6]。功率域NOMA基于發(fā)射端的疊加編碼(Superposition Coding, SC)方案和接收端的連續(xù)干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)技術(shù)，能夠有效提高頻譜利用率。文獻(xiàn)[7]正是基于功率域NOMA提出一種無(wú)線攜能D2D網(wǎng)絡(luò)魯棒能效優(yōu)化算法，以緩解頻譜短缺等問(wèn)題。

為滿足未來(lái)無(wú)人機(jī)通信對(duì)資源利用率、數(shù)據(jù)傳輸率等方面的需求，利用NOMA進(jìn)行無(wú)人機(jī)輔助通信至關(guān)重要。無(wú)人機(jī)與地面之間的非正交多址通信被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景廣闊的空-地通信技術(shù)[8,9]。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于用戶調(diào)度的資源分配算法來(lái)優(yōu)化UAV-NOMA網(wǎng)絡(luò)的能量效率。文獻(xiàn)[9]以最大化用戶數(shù)據(jù)文件分發(fā)效率為目標(biāo)，研究了D2D輔助下UAV-NOMA網(wǎng)絡(luò)中文件調(diào)度的任務(wù)延遲問(wèn)題。

此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)頻譜效率，研究者提出一種新型網(wǎng)絡(luò)—多向中繼網(wǎng)絡(luò)(Multi-Way Relay Network, MWRN)。在MWRN 中，允許地理位置分離的多個(gè)用戶通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)完成彼此間的數(shù)據(jù)交換[10]。文獻(xiàn)[11]采用隨機(jī)和半正交兩種方法對(duì)多向中繼進(jìn)行選擇，并給出了該中繼協(xié)議下中斷概率和遍歷速率的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[12]提出了一種新的MWRN協(xié)議，在該協(xié)議下N個(gè)用戶通信需要[(N-1)/2]+1個(gè)時(shí)隙。文獻(xiàn)[13]在多輸入多輸出MWRN中結(jié)合了NOMA，以更高的頻譜效率實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)的完全交換。文獻(xiàn)[14]基于文獻(xiàn)[13]，進(jìn)一步研究了無(wú)人機(jī)輔助NOMA MWRN的性能。

通過(guò)對(duì)上述文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)將無(wú)人機(jī)通信、功率域NOMA以及MWRN結(jié)合起來(lái)的相關(guān)研究還比較少，并且現(xiàn)有研究基本上都采用了半雙工(Half-Duplex, HD)的通信方式，這在一定程度上限制了系統(tǒng)的頻譜效率。與HD相比，全雙工(Full-Duplex, FD)允許在同一時(shí)間/頻率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)NOMA上下行鏈路的同步傳輸[15]，理論上能使系統(tǒng)吞吐量加倍增長(zhǎng)。基于此，本文將FD引用到NOMA MWRN中，提出了一種無(wú)人機(jī)輔助的全雙工多向中繼非正交多址接入(FD NOMA MWRN)傳輸方案，將用戶間數(shù)據(jù)交換的時(shí)隙降低到1。本文還考慮了射頻(Radio Frequency, RF)前端存在同相/正交(In-phase/Quadrature, I/Q)失衡這一實(shí)際因素[16,17]，這是硬件損傷的類型之一，由于實(shí)際中射頻收發(fā)機(jī)使用的模擬元件不盡完美，因此RF前端始終存在I/Q失衡[18]?；谒崮Ｐ?，通過(guò)推導(dǎo)得到了總可達(dá)傳輸率(Achievable Sum Rate, ASR)和能量效率(Energy Efficiency, EE)的解析表達(dá)式，并給出了ASR在高信噪比區(qū)域下的漸近分析，接著進(jìn)一步分析了無(wú)人機(jī)工作高度和I/Q失衡參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2 系統(tǒng)模型

如圖1所示，本文考慮一個(gè)基于NOMA的全雙工多向無(wú)人機(jī)中繼通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward, DF)協(xié)議的無(wú)人機(jī)中繼U和N個(gè)單天線NOMA用戶S1,S2,...,SN構(gòu)成。假定U工作在FD模式，配備有1根發(fā)射天線和1根接收天線，分別用于下行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送和上行鏈路數(shù)據(jù)接收。此外，假定無(wú)人機(jī)為固定翼型，恒速在高度為H的上空連續(xù)飛行，其地面覆蓋范圍是半徑為r的圓，所有用戶都分布在這個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)。以圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，假設(shè)U 的坐標(biāo)表示為(xu,yu,H)，第i個(gè)用戶Si，i ∈{1,2,...,N}的坐標(biāo)為(xi,yi,0)，其中xu和yu分別為無(wú)人機(jī)垂直投影在水平面的橫、縱坐標(biāo)，xi和yi分別為Si在水平面上的橫、縱坐標(biāo)。另外，假定由于受障礙物阻擋，用戶間的直連鏈路不存在，N個(gè)地面用戶都將通過(guò)中繼互換信息，每個(gè)用戶須將其數(shù)據(jù)傳輸給剩余的N-1個(gè)用戶，同時(shí)也要接收來(lái)自這些用戶的數(shù)據(jù)信息?？紤]到多天線傳輸在降低自干擾功率的同時(shí)也會(huì)加劇系統(tǒng)的復(fù)雜性，在本文中假定了終端的發(fā)射和接收均為單天線，這可以作為文獻(xiàn)[19]中所研究無(wú)人機(jī)輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的一種典型情況。

圖1 3維無(wú)人機(jī)多向中繼通信系統(tǒng)模型圖

無(wú)人機(jī)和用戶之間的信道考慮一種復(fù)合信道模型，該模型是大尺度衰落和小尺度衰落的結(jié)合，假定大尺度衰落主要由路徑損耗造成，小尺度衰落滿足Nakagami-m衰落模型，則無(wú)人機(jī)與第i個(gè)用戶之間的信道系數(shù)hi可以表示為

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 ASR分析

3.2 EE分析

其中，系統(tǒng)的能量消耗PTot=N ·PS+PU。

4 仿真分析

首先，對(duì)NOMA與OMA方案[12]進(jìn)行比較，圖2給出不同用戶數(shù)N={3,4,5}時(shí)系統(tǒng)ASR隨信噪比的變化曲線。其中，N=4時(shí)功率分配系數(shù)設(shè)置為a1=b1=0.6，a2=b2=0.2，a3=b3=0.12，a4=b4=0.08；N=5時(shí)功率分配系數(shù)設(shè)置為a1=b1=0.5，a2=b2=0.2，a3=b3=0.15，a4=b4=0.1，a5=b5=0.05。圖中的仿真曲線逼近理論曲線，這可以驗(yàn)證本文所得系統(tǒng)ASR閉式表達(dá)式的正確性。結(jié)合圖2(a)和圖2(b)，可以看出不論系統(tǒng)是否受到I/Q失衡的影響，兩種方案下系統(tǒng)ASR都隨著用戶數(shù)量的增加而增大。這說(shuō)明ASR是由系統(tǒng)中的所有用戶貢獻(xiàn)的[14]。從圖2(a)還可以看出NOMA方案下系統(tǒng)的傳輸率明顯優(yōu)于OMA方案，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)將OMA方案下通信傳輸所需的[(N-1)/2]+1個(gè)時(shí)隙縮減到1個(gè)，進(jìn)而可以達(dá)到近似N/2的ASR增益，并且增益隨著用戶數(shù)量N的增加而增大。當(dāng)系統(tǒng)處于理想條件時(shí)，可以看到在高信噪比區(qū)域出現(xiàn)了O M A 傳輸?shù)腁 S R 優(yōu)于NOMA傳輸?shù)那闆r，如圖2(b)所示。這是因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)系統(tǒng)為FD NOMA傳輸系統(tǒng)，會(huì)受到RSI帶來(lái)的負(fù)面影響。這一點(diǎn)將在下面的分析中具體討論。同時(shí)，值得注意的是：N=5時(shí)，NOMA方案優(yōu)于OMA方案，這說(shuō)明OMA方案的ASR深受N的影響。

圖2 NOMA/OMA方案下的系統(tǒng)ASR對(duì)比

圖3 HD/FD工作模式下的傳輸性能對(duì)比

圖4 系統(tǒng)ASR與UAV高度關(guān)系圖

圖5 NOMA/OMA方案下的EE對(duì)比

圖6 ASR與振幅及相位不匹配程度關(guān)系圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了受I/Q失衡影響的無(wú)人機(jī)輔助多向全雙工NOMA中繼通信系統(tǒng)的傳輸性能，推導(dǎo)了ASR的解析表達(dá)式，并在高信噪比區(qū)域進(jìn)行了漸近分析，在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步分析了系統(tǒng)EE。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)多向OMA中繼系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更具性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)ASR增益更加顯著?；谔岣叩腁SR以及減少的時(shí)隙數(shù)，NOMA方案也帶來(lái)了顯著的EE增益。本文還比較了HD和FD兩種中繼通信方案，結(jié)果表明在中低信噪比下，F(xiàn)D中繼系統(tǒng)的傳輸率總是優(yōu)于HD中繼系統(tǒng)；在高信噪比下，受RSI的影響，F(xiàn)D中繼系統(tǒng)性能會(huì)有所下降。通過(guò)以上方案的兩兩比較，進(jìn)一步說(shuō)明了NOMA和FD中繼的結(jié)合能夠有效提高系統(tǒng)對(duì)頻譜/能量資源的利用率，所提方案可為增強(qiáng)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能提供理論參考。最后，本文指出：I/Q失衡會(huì)惡化系統(tǒng)性能，可以通過(guò)發(fā)射端的校準(zhǔn)方案和接收端的補(bǔ)償算法來(lái)降低這種射頻硬件損傷；同時(shí)系統(tǒng)ASR受到無(wú)人機(jī)工作高度的限制，可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景靈活部署無(wú)人機(jī)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能，具體工作將在未來(lái)的研究中進(jìn)一步展開(kāi)。