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        基于協(xié)作非正交多址的無人機輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng)中斷性能分析

        2022-09-22 03:37:50朱麗文孔槐聰郭克鋒歐陽鍵
        電子與信息學(xué)報 2022年9期
        關(guān)鍵詞:衛(wèi)星通信中繼中斷

        林 敏 朱麗文 孔槐聰 郭克鋒 歐陽鍵

        ①(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

        ②(航天工程大學(xué)航天信息學(xué)院 北京 101407)

        1 引 言

        衛(wèi)星通信憑借其覆蓋范圍廣、通信距離遠、不受地理條件限制等眾多優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于偏遠地區(qū)通信以及導(dǎo)航定位、抗震搶險等領(lǐng)域[1-3],并將成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而,衛(wèi)星與地面用戶之間存在大時延和大路徑損耗以及遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致的視距傳輸受阻等問題,使得衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶體驗有時無法得到保證。在這種情況下,基于中繼轉(zhuǎn)發(fā)的星地協(xié)作傳輸技術(shù)被認(rèn)為是提升衛(wèi)星通信服務(wù)質(zhì)量的有效手段之一[4]。在大多研究的星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)中,通常采用地面中繼將接收到的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面用戶。例如,文獻[5]研究了單用戶場景下地面中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward, AF)協(xié)議的星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)的誤碼性能與中斷性能。進一步,針對地面多用戶的星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò),文獻[6]在采用最優(yōu)用戶選擇方案的情況下,推導(dǎo)得到用戶的中斷概率閉合表達式。需要指出的是,雖然使用地面中繼可以建立衛(wèi)星與地面用戶之間的高質(zhì)量通信鏈路,但對人口稀少的偏遠地區(qū)而言,建造地面中繼站存在高成本、低回報等問題,因此需要探索其他更加實用的解決方案[7]。

        跟地面中繼相比,無人機由于其機動性好、通信組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)勢,作為空中中繼協(xié)助衛(wèi)星與地面用戶通信[8],可以實現(xiàn)增強接收信號功率、提高系統(tǒng)容量等目的,并且得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。例如,文獻[9]研究了基于無人機中繼轉(zhuǎn)發(fā)的星地協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中多用戶傳輸場景下系統(tǒng)的中斷性能;文獻[10]研究了無人機中繼采用AF協(xié)議和多用戶調(diào)度方案下的星地協(xié)作網(wǎng)絡(luò)性能;文獻[11]針對無人機輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng),分析了系統(tǒng)的中斷性能。然而,考慮到衛(wèi)星服務(wù)用戶數(shù)量越來越多,需要進一步提高系統(tǒng)資源利用率以及服務(wù)用戶通信質(zhì)量。現(xiàn)有的正交多址 (Orthogonal Multiple Access,OMA)技術(shù)已經(jīng)無法滿足上述需求。近年來,非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技術(shù)以其可大大提高系統(tǒng)頻譜資源利用率和用戶公平性等獨特優(yōu)勢,已經(jīng)成為極具發(fā)展前景的新型多址技術(shù)[12]。在這種情況下,已經(jīng)有學(xué)者研究如何將NOMA技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。例如,文獻[13,14]研究了兩用戶場景下基于NOMA的星地協(xié)作傳輸系統(tǒng)性能;文獻[15,16]針對基于NOMA的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中多用戶傳輸場景,分析了系統(tǒng)性能;文獻[17]針對基于NOMA的無人機輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng),分析了無人機中繼采用AF協(xié)議下的系統(tǒng)中斷性能。

        總的來看,上述文獻對星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)進行了深入的研究,驗證了中繼協(xié)作技術(shù)能夠顯著提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在遮蔽效應(yīng)下的性能,但是它們主要存在以下問題:一是大多數(shù)文獻,例如文獻[5]僅研究了單用戶場景下星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能;二是雖然也有相關(guān)文獻研究多用戶場景,但是大多數(shù)文獻,例如文獻[6,10]都是在假設(shè)準(zhǔn)確信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)已知的情況下,研究了采用用戶調(diào)度或空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA)方案下星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能;三是將NOMA技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大多數(shù)文獻中,例如文獻[13-16]都是采用地面中繼將接收到的衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面用戶;四是雖然也有相關(guān)文獻提出基于NOMA的無人機輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng),但是大多數(shù)文獻,例如文獻[17]僅考慮無人機配置單天線且地面用戶簇內(nèi)僅包含遠近兩個用戶的通信場景,沒有充分利用空間資源和考慮衛(wèi)星服務(wù)用戶數(shù)量越來越多的實際情況。在這種情況下,本文針對無人機輔助的衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路,研究基于SDMA和協(xié)作NOMA相結(jié)合的多用戶傳輸系統(tǒng)。首先,配置多根天線的無人機作為中繼站輔助衛(wèi)星通信,采用NOMA技術(shù)服務(wù)多個地面用戶,并得到用戶的輸出信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, SINR)表達式。然后,建立以平均SINR最大化為準(zhǔn)則的優(yōu)化問題,并在無人機僅已知信道角度信息的情況下,得到無人機對衛(wèi)星信號的接收波束成形權(quán)矢量。進一步,為了降低算法復(fù)雜度,提出基于角度信息的迫零波束成形方案,得到無人機對多個地面用戶的發(fā)射波束成形權(quán)矢量。其次,在衛(wèi)星-無人機鏈路服從相關(guān)陰影萊斯分布,而無人機-地面用戶鏈路服從Nakagami-m分布的條件下,分別推導(dǎo)出系統(tǒng)的中斷概率閉合表達式和近似表達式。最后,仿真結(jié)果驗證了所提方案的優(yōu)越性和理論分析的正確性。

        2 系統(tǒng)模型

        如圖1所示,本文研究無人機輔助的衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路,其中靜止軌道衛(wèi)星S通過無人機中繼R轉(zhuǎn)發(fā)信號,與地面用戶D進行通信。假設(shè)衛(wèi)星S采用點波束技術(shù),無人機中繼R配置N元的均勻直線陣(Uniform Linear Array, ULA),地面用戶D配置單天線。為了實現(xiàn)多用戶同時通信,將無人機覆蓋范圍內(nèi)的地面用戶中信道相關(guān)性強和信道增益差異大的用戶劃分為一簇[18],從而將地面用戶劃分為L簇,且簇內(nèi)用戶采用NOMA技術(shù)提高頻譜利用率。跟針對單用戶場景以及多用戶場景下采用用戶調(diào)度或SDMA方案的星地協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)的文獻相比[6,10],本文的研究更具一般性。為了便于理解,本文將首先介紹信道模型和信號模型,然后對所提的波束成形方案進行描述。

        圖1 系統(tǒng)模型圖

        2.1 信道模型

        2.1.1 S-R信道模型

        2.2 信號模型

        與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Decode and Forward, DF)相比,AF協(xié)議是一種更加容易實現(xiàn)的中繼協(xié)議[20],

        2.3 無人機波束成形方案

        在無線通信中,考慮到信道的隨機性,一般通過使用戶輸出平均SINR最大來達到系統(tǒng)傳輸性能最優(yōu)的目的。因此根據(jù)式(10),本文建立以用戶輸出平均SINR最大化為準(zhǔn)則的優(yōu)化問題,在數(shù)學(xué)上可以表示為[19]

        然后,將式(17)代入優(yōu)化問題式(13),可以將優(yōu)化問題式(13)簡化為

        需要指出的是,跟大多數(shù)采用基于準(zhǔn)確CSI的波束成形方案,例如文獻[10]不同的是,本文利用信道角度信息進行波束成形設(shè)計,避免了信道估計和反饋等需要額外消耗無線資源的過程,從而更加適合于無人機通信場景。接下來,將進一步對系統(tǒng)的中斷性能進行分析。

        3 系統(tǒng)的中斷性能分析

        中斷概率是衡量無線通信服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的一項重要指標(biāo),定義為信號輸出SINR低于某一特定門限值的概率。因此,根據(jù)式(21)用戶Dl,n的中斷概率表示為

        4 系統(tǒng)的漸進性能分析

        將式(41)、式(44)和式(45)代入式(39)中,得到中斷概率漸進表達式為

        于是,系統(tǒng)的分集度和陣列增益分別為

        從以上可以看出,衛(wèi)星到無人機中繼以及無人機中繼到地面用戶的鏈路信道參數(shù)只影響系統(tǒng)的陣列增益,而對系統(tǒng)的分集度不產(chǎn)生影響。

        5 仿真驗證

        本節(jié)通過計算機仿真驗證理論分析的正確性,同時定量分析了系統(tǒng)參數(shù)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的影響。此外,為了驗證本文所提傳輸方案的優(yōu)越性,還跟傳統(tǒng)的OMA方案和文獻[17]中的方案進行對比。其中OMA方案是一個用戶獨占一個時間/頻率資源塊,文獻[17]采用無人機配置單天線且簇內(nèi)僅包含遠近兩個用戶的下行NOMA傳輸方案。仿真中考慮系統(tǒng)包含6個用戶,將所有地面用戶分為兩個簇,每個簇包含3個用戶。假設(shè)S-R鏈路經(jīng)歷中度陰影衰落,信道參數(shù)為{mR,b,ΩR}={5,0.126,0.835},而R-D鏈路服從Nakagami-m分布,衰落參數(shù)為{ml,1,ml,2,ml,3}={2,4,6},{Ωl,1,Ωl,2,Ωl,3}={2,2,2}。 此外,假設(shè)PS=PR=P,噪聲功率σS2R=σl2,n=κBT ,κ=1.38×10-23J/K為Boltzmann常數(shù)。其他主要的仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

        表1 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

        圖2給出了第2個簇中3個用戶的中斷概率隨發(fā)射功率P的變化情況。仿真中假設(shè)無人機配置天線數(shù)為N=8, 無人機到用戶的離開角為{θ2,1,θ2,2,θ2,3}={45°,60°,75°}, 功率分配系數(shù)為{α2,1,α2,2,α2,3}={0.6,0.3,0.1}, 目標(biāo)速率為{Rth1,Rth2,Rth3}={0.65,1.2,2.4}bit/(s·Hz)。從圖2可以看出Monte Carlo仿真結(jié)果與系統(tǒng)的理論值相吻合,證明了系統(tǒng)理論分析的正確性。

        圖2 不同用戶中斷概率隨發(fā)射功率P的變化情況

        圖3給出了不同發(fā)射功率P的情況下,用戶D2,3的中斷概率隨目標(biāo)速率R的變化情況,仿真中P分別取0 dBW和 3 dBW。從中可以看出,NOMA方案下的用戶D2,3中斷性能明顯優(yōu)于OMA方案。另外,在P= 3 dBW條件下系統(tǒng)的中斷性能優(yōu)于P= 0 dBW,這與圖2中用戶中斷概率隨發(fā)射功率P的增大而減小的結(jié)論是相符合的。

        圖3 不同發(fā)射功率P下用戶D 2,3中斷概率隨目標(biāo)速率的變化情況

        圖4為改變無人機配置天線數(shù)的條件下,用戶D2,3中斷概率隨發(fā)射功率P的變化曲線,并與傳統(tǒng)的OMA方案和文獻[17]的方案進行比較。仿真中無人機配置天線數(shù)分別為N=8和N=16。從中可以看出,無人機配置天線數(shù)目越多,用戶D2,3中斷性能越好。這是因為多天線技術(shù)可以提供陣列增益,從而提高地面用戶的接收信號強度,提升系統(tǒng)性能。另外,仿真結(jié)果表明,在考慮簇內(nèi)包含3個用戶的情況下,用戶D2,1中斷性能與文獻[17]中簇內(nèi)遠用戶的中斷性能相接近。由此可以體現(xiàn)出本文工作的優(yōu)越性。

        圖4 無人機配置不同天線數(shù)下用戶D2,3中斷概率隨發(fā)射功率P的變化情況

        圖5為用戶D2,1中斷概率隨功率分配系數(shù)的變化趨勢圖,可以進一步分析功率分配系數(shù)對用戶中斷性能的影響。仿真中為保證功率分配系數(shù)滿足α2,1>α2,2>α2,3,設(shè) 定α2,3=0.1 ,則α2,1取 值 范圍為0.51~0.89,α2,2=0.9-α2,1。從圖中可以看出,隨著α2,1的增加,用戶D2,1的中斷概率減小。由此說明,提高用戶功率分配系數(shù),可以改善用戶的中斷性能。這是因為隨著α2,1的增加而增大了式(21)表示的用戶D2,1的SINR,從而使其中斷概率減小。

        圖5 用戶D 2,1中斷概率隨功率分配系數(shù)的變化情況

        6 結(jié)束語

        針對無人機輔助的衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路,分析了基于SDMA和協(xié)作NOMA相結(jié)合的多用戶傳輸系統(tǒng)的中斷性能。首先,配置多根天線的無人機作為中繼站輔助衛(wèi)星通信,采用NOMA技術(shù)服務(wù)多個地面用戶,得到地面用戶的輸出SINR表達式。然后,基于用戶平均SINR最大化準(zhǔn)則,提出了利用信道角度信息的波束成形方案。接著,進一步推導(dǎo)得到系統(tǒng)的中斷概率閉合表達式和高信噪比下系統(tǒng)的中斷概率近似表達式。最后,計算機仿真驗證了本文所提方案的優(yōu)越性以及理論分析的正確性,并且定量分析了相關(guān)參數(shù)對用戶性能的影響,為進一步探索NOMA技術(shù)在無人機輔助衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有益的參考。

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