衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)功率域非正交多址技術(shù)研究綜述

1、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)功率域非正交多址技術(shù)研究綜述式3給出了非對(duì)稱信道條件下，下行PD-NOMA系統(tǒng)中系統(tǒng)容量的上界，將其于傳統(tǒng)OMA系統(tǒng)容量邊界比較如圖2所示，其中p|h1|2/21=20dB，p|h2|2/22=0dB。與下行信道類似，上行信道中，用戶端設(shè)置功率配置因子，向基站傳輸時(shí)頻域疊加的信號(hào)，基站接收信號(hào)后采用SIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同用戶的信號(hào)的別離與解調(diào)。其工作原理與PD-NOMA系統(tǒng)下行信道類似，這里不再贅述。圖3比較了非對(duì)稱信道條件下OMA系統(tǒng)與PD-NOMA系統(tǒng)下行信道中容量邊界，其中p|h1|2/21=10dB，p|h2|2/22=0dB。由圖2、圖3可以看出，在用戶間存在一定信道差異的情

2、況下，采用NOMA技術(shù)能夠獲得更高的容量上界，提升系統(tǒng)頻帶利用率。文獻(xiàn)9、10詳細(xì)分析了PD-NOMA系統(tǒng)的容量邊界特性，可供讀者進(jìn)一步研究。3PD-NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、用戶數(shù)量多、信道條件復(fù)雜的特性。NOMA技術(shù)能有效解決未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量過(guò)載、通信頻帶沖突的問(wèn)題，在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。本文從PD-NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場(chǎng)景展開，分析目前PD-NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。1場(chǎng)景一：通信衛(wèi)星不接入NOMA系統(tǒng)11該場(chǎng)景中，衛(wèi)星、地面通信網(wǎng)絡(luò)間無(wú)信息交互，地面通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶采用PD-NOMA模式接入并通信

3、時(shí)，受到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中同頻信號(hào)的干擾。研究的主要內(nèi)容包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)干擾下的NOMA系統(tǒng)模型構(gòu)建與系統(tǒng)平均吞吐量、中斷概率等性能參數(shù)的分析。該場(chǎng)景下的NOMA系統(tǒng)工作模式與用戶分組、功率配置算法相較常規(guī)NOMA系統(tǒng)沒(méi)有明顯變化。2場(chǎng)景二：通信衛(wèi)星接入NOMA系統(tǒng)，但不應(yīng)用NOMA技術(shù)處理信號(hào)12-13該場(chǎng)景中，衛(wèi)星、地面通信網(wǎng)絡(luò)間存在信息交互或在統(tǒng)一的運(yùn)算中心內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，地面通信網(wǎng)絡(luò)采用NOMA技術(shù)進(jìn)行用戶接入，而衛(wèi)星通信用戶不采用NOMA技術(shù)。文獻(xiàn)12構(gòu)造了通信衛(wèi)星傳輸時(shí)頻域疊加信號(hào)至地面基站，地面基站將信號(hào)放大后轉(zhuǎn)發(fā)至地面NOMA用戶的場(chǎng)景，分析了該場(chǎng)景下的系統(tǒng)性能參數(shù)。文獻(xiàn)13構(gòu)

4、建了一種以采用NOMA技術(shù)的地面通信系統(tǒng)為主、衛(wèi)星通信進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋的系統(tǒng)模型，將天地一體化網(wǎng)絡(luò)中用戶分組與功率配置問(wèn)題分解為衛(wèi)星通信用戶篩選、地面通信用戶配對(duì)、功率配置三步完成。3場(chǎng)景三：通信衛(wèi)星接入NOMA系統(tǒng)，且使用NOMA技術(shù)處理信號(hào)14-19該場(chǎng)景中，通信衛(wèi)星接入NOMA系統(tǒng)，單獨(dú)應(yīng)用NOMA技術(shù)或與地面通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合應(yīng)用NOMA技術(shù)通信。針對(duì)這一類場(chǎng)景的研究?jī)?nèi)容較多，研究重點(diǎn)包括兩方面：一是研究衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中具有信道條件差異的NOMA用戶組構(gòu)建。文獻(xiàn)14構(gòu)造了通信衛(wèi)星在單波束下直接與地面用戶采用NOMA機(jī)制通信的場(chǎng)景，利用不同用戶的陰影衰落模型構(gòu)建信道條件差;文獻(xiàn)15構(gòu)建了通信衛(wèi)星下行

5、鏈路中單波束下地面海面用戶與空中無(wú)人機(jī)用戶的NOMA模型，利用用戶的接收能力差異生成的信道條件差進(jìn)行配對(duì)。二是在構(gòu)建用戶組的根底上分析衛(wèi)星通信的機(jī)制對(duì)NOMA技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)16、17對(duì)多波束衛(wèi)星下用戶采用NOMA接入的場(chǎng)景進(jìn)行了分類，比較了SIC方法、SND方法、IAN方法等接收算法在不同信號(hào)環(huán)境特性下的優(yōu)劣，給出了多波束衛(wèi)星先進(jìn)行空域預(yù)編碼再進(jìn)行NOMA組內(nèi)功率配置的設(shè)計(jì)思路;文獻(xiàn)18分析了多波束衛(wèi)星在應(yīng)用NOMA技術(shù)時(shí)的波束間干擾問(wèn)題，給出了帶寬與功率的優(yōu)化配置算法;文獻(xiàn)19分析了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)同時(shí)采用NOMA技術(shù)時(shí)，用戶節(jié)點(diǎn)位置、蜂窩網(wǎng)絡(luò)半徑等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

6、綜上所述，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用PD-NOMA技術(shù)屬于新場(chǎng)景下的NOMA技術(shù)應(yīng)用，除常規(guī)的功率分配算法與系統(tǒng)性能分析外，還增加了系統(tǒng)模型構(gòu)造、用戶組構(gòu)造與分組方法、多波束機(jī)制下NOMA技術(shù)應(yīng)用等方面的研究。4PD-NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信中應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)4.1具有穩(wěn)定信道條件差異的用戶組構(gòu)造NOMA技術(shù)關(guān)鍵在于組內(nèi)用戶信號(hào)在功率域上的疊加與解調(diào)20。從用戶分組的角度看，只有將兩個(gè)信道差異較大的用戶進(jìn)行配對(duì)，PD-NOMA技術(shù)提高頻帶利用率、提升系統(tǒng)總吞吐量的優(yōu)勢(shì)才有明顯的表現(xiàn)21-22。衛(wèi)星通信的信道條件相較地面移動(dòng)通信更加復(fù)雜且路徑衰減對(duì)用戶的地理位置不敏感，不能直接將用戶至基站物理距離值作為分

7、組依據(jù)。目前主要的構(gòu)造信道差異的方法有兩類：一是利用路徑衰減外的其他信道特性進(jìn)行配對(duì)，如用戶的陰影衰落模型14、單波束下遠(yuǎn)端用戶與中心用戶的路徑衰減差或不同波束下用戶路徑衰減差18等，考慮到衛(wèi)星信道模型的慢時(shí)變性與LEO衛(wèi)星存在的波束覆蓋區(qū)域運(yùn)動(dòng)情況，這類構(gòu)造方法產(chǎn)生的用戶組分組狀態(tài)難以長(zhǎng)時(shí)保持;二是利用用戶端的差異進(jìn)行配對(duì)，例如不同用戶之間的用天線增益差15、QOS需求差16，19等，這類構(gòu)造方法有的只在局部特殊場(chǎng)景下適用，有的限制了地面用戶配對(duì)的自由度。因此如何構(gòu)造具有穩(wěn)定信道條件差異的用戶是目前PD-NOMA在衛(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用的需要解決的重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，考慮從衛(wèi)星通信用戶特

8、點(diǎn)與業(yè)務(wù)特點(diǎn)出發(fā)，研究適用于衛(wèi)星通信場(chǎng)景的用戶組構(gòu)造方法。4.2異構(gòu)通信系統(tǒng)系統(tǒng)下的信息共享PD-NOMA系統(tǒng)中，用戶功率配置因子設(shè)計(jì)與接收端SIC處理均需要用戶信道條件作為先驗(yàn)信息23。地面PD-NOMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，用戶信道條件、用戶設(shè)備特性、QOS需求等信息可通過(guò)上行鏈路在基站端進(jìn)行匯總。而天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)是典型的異構(gòu)通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用NOMA技術(shù)時(shí)，不僅要獲取通信用戶的信道信息，還需要與地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互以實(shí)現(xiàn)合理的頻帶選擇與功率設(shè)置，降低需要進(jìn)一步增強(qiáng)天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)間、不同軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間、衛(wèi)星不同波束間的信息共享能力。4.3接收機(jī)設(shè)

9、計(jì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)用戶受到路徑衰落、陰影遮蔽、多徑效應(yīng)等多種信道干擾的影響，在接收端進(jìn)行SIC難度較大。SIC接收機(jī)在對(duì)不同用戶信息進(jìn)行解調(diào)、重構(gòu)、消除時(shí)，接收機(jī)中出現(xiàn)解調(diào)誤差會(huì)以誤差傳遞的形式影響后續(xù)信號(hào)的解調(diào)，降低系統(tǒng)性能24，同時(shí)多波束下用戶的檢測(cè)也會(huì)進(jìn)一步增加接收機(jī)SIC處理的難度25。因此應(yīng)用新的接收機(jī)SIC算法的同時(shí)，考慮算法復(fù)雜度與處理精度上的平衡是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用NOMA技術(shù)的研究方向之一。5PD-NOMA技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的開展趨勢(shì)NOMA技術(shù)作為未來(lái)地面5G通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在與CRCognitiveRadio，認(rèn)知無(wú)線電、MIMO多輸入多輸出系統(tǒng)、Mm-Wave毫米波

10、通信等新技術(shù)結(jié)合后產(chǎn)生了許多新的研究方向23，本節(jié)重點(diǎn)分析與衛(wèi)星通信場(chǎng)景相契合的兩類研究方向。5.1非完備信道條件下的NOMAImperfectCSINOMA常規(guī)的NOMA技術(shù)在進(jìn)行理論分析時(shí)都建立在用戶CSIChannelStateInformation，信道狀態(tài)信息且無(wú)誤的條件下。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，一方面由于信號(hào)傳播環(huán)境復(fù)雜、受到的干擾與衰減嚴(yán)重，CSI易出現(xiàn)錯(cuò)誤或缺失。另一方面，系統(tǒng)中用戶信道條件信息與功率配置因子需要集中在信關(guān)站進(jìn)行運(yùn)算，CSI實(shí)時(shí)性較差，有時(shí)需要依靠統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行SIC處理。因此如何在非完備信道條件下ImperfectCSI應(yīng)用PD-NOMA技術(shù)是需要解決的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題

11、。目前對(duì)ImperfectCSI的研究主要集中在信道模型和解調(diào)SINR模型的建立與優(yōu)化問(wèn)題的求解上26-29，涉及的場(chǎng)景模型均為地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。因此在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中研究ImperfectCSI下的模型建立與優(yōu)化算法是未來(lái)研究的方向之一。5.2協(xié)作中繼NOMA技術(shù)協(xié)作中繼NOMA技術(shù)CooperativeNOMA作為功率域NOMA的衍生技術(shù)，在近幾年被提出并受到了較高的關(guān)注。CooperativeNOMA多應(yīng)用于NOMA通信系統(tǒng)的下行鏈路中，其核心思路是利用利用NOMA系統(tǒng)中信道條件好的用戶能夠解調(diào)出信道條件差的用戶的信息的特點(diǎn)，將得到的信號(hào)發(fā)送給信道條件差的用戶，以增強(qiáng)其接收信號(hào)的功率，

12、提升吞吐量30。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，通信衛(wèi)星覆蓋范圍廣，用戶種類多，不同特性用戶之間、地面基站與衛(wèi)星通信用戶之間、不同軌道的衛(wèi)星與地面用戶之間均可進(jìn)行協(xié)作中繼傳輸以增強(qiáng)用戶端信號(hào)能量。目前已有局部研究將CooperativeNOMA架構(gòu)應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中12，31，但場(chǎng)景構(gòu)建相對(duì)單一，有待進(jìn)一步深入研究。6結(jié)束語(yǔ)功率域非正交多址作為新一代通信系統(tǒng)中高頻帶利用率、增加系統(tǒng)通信容量的有效手段，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)體系下有良好的應(yīng)用前景。文章通過(guò)對(duì)目前衛(wèi)星通信領(lǐng)域PD-NOMA的研究成果的總結(jié)，分析了技術(shù)運(yùn)用存在的難點(diǎn)，展望了未來(lái)研究的熱門方向。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用PD-NOMA技術(shù)

13、不僅需要在理論上進(jìn)行詳細(xì)的論證與推導(dǎo)，也需要在接收技術(shù)、信息共享技術(shù)上實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用上的突破。參考文獻(xiàn)：【1】ColaTD，TarchiD，Vanelli-CoralliA.Futuretrendsinbroadbandsatellitecommunications：informationcentricnetworksandenablingtechnologiesJ.InternationalJournalofSatelliteCommunicationsandNetworking，2021，335.【2】SaitoY，BenjebbourA，KishiyamaY，etal.System-Lev

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