星地融合网络中的非正交多址接入技术研究

发布时间：2020-06-18 02:23

【摘要】：通过卫星网络和地面网络相互补充形成的星地融合网络可以有效克服两个网络独立运行时的缺点,提高卫星和地面网络的资源利用率,为用户提供高质量的无线服务。采用正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)的星地融合网络虽然能有效地降低用户间的干扰,但用户独占时间/频谱资源块的分配方式会极大地限制资源利用率和接入网络的用户数量。非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)通过功率域复用和串行干扰消除技术(Successive Interference Cancellation,SIC)可以同时同频发送多个信号,具有比OMA技术更高的资源利用率和用户公平性,受到学术界和工业界的极大关注。然而,相比于地面网络,卫星网络的信道衰落更复杂,对NOMA技术在星地融合网络的引入带来了挑战。此外,星地融合网络具有场景多样化和环境复杂等特点,如何准确地评估和分析相关性能是NOMA--星地融合网络面临的又一难题。本文在验证NOMA应用于卫星通信网络的可行性后,重点对引入NOMA技术后的星地融合网络各应用场景的资源分配和性能分析展开研究,具体工作包括:1、研究了引入NOMA技术的卫星通信网络在下行和上行通信场景中提升用户公平性和资源利用率的方法。首先,在下行通信网络场景中,在保证用户采用NOMA技术的速率优于其采用OMA技术的前提下,提出了以系统合速率最大化为目标的功率分配优化算法,根据该功率优化算法推导了系统的遍历容量和能量效率及各NOMA用户的中断概率和平均误码率表达式。其次,在上行卫星通信系统中,获得了用户信干噪比与非精确信道估计、天线指向误差和用户位置的关系式。基于该信干噪比关系式,分析了NOMA技术和OMA技术下各用户的遍历容量表达式。仿真结果表明:与OMA技术相比,引入NOMA技术后,下行卫星通信系统可以获得比OMA技术下更优的系统吞吐量和能量效率。此外,仿真结果还表明NOMA-上行卫星通信系统在系统容量方面具有更大的容量优势,以及训练序列长度、用户位置、链路衰落程度和用户位置都对系统性能有较大的影响。2、研究了引入NOMA技术的星地协作网络在视距链路中断和中继节点存在的场景中提升资源利用率的问题和在中继节点不存在的场景中提升衰落用户通信质量的方法,提出了基于NOMA技术的星地协作网络模型和基于协作NOMA技术的星地协作网络模型。首先,通过中继节点的放大转发,建立了基于NOMA技术的星地协作网络模型,分析推导了各NOMA用户的中断概率和渐进中断概率与功率分配因子的关系表达式。然后,利用链路质量好的NOMA用户可以解码链路质量差用户信号的特点,将星地视距链路良好的用户与视距链路深衰落的用户配对作为一个NOMA组,建立了基于协作NOMA技术的星地协作网络模型,分析推导了系统的中断概率和遍历容量与功率分配因子的关系表达式。仿真结果表明:选用合适的功率分配因子,基于NOMA技术的星地协作网络模型中用户的通信性能均优于其OMA技术下的用户性能。同时,基于协作NOMA技术的星地协作网络模型在低发送功率配置下可以达到提高接入网络的用户数量和提高链路条件差用户性能的双重目的,进一步提高了资源利用率。3、研究了引入NOMA技术的星地认知网络提升系统资源利用率及提升深衰落认知用户传输速率的问题,提出了一种基于NOMA技术的星地认知网络拓扑结构和一种基于NOMA技术的认知星地协作网络。在联合考虑卫星授权用户干扰温度和地面认知网络最大发送功率的限制条件下,首先,分析了基于NOMA技术的星地认知网络中,认知网络在共信道干扰下的系统容量与功率分配因子的关系表达式。然后,在基于NOMA技术的认知星地协作网络中,认知源节点采用NOMA技术广播信息并根据信道特性自适应地调节功率分配因子,认知中继节点通过中继-源节点功率比参数合理设置其传输功率并进行译码转发,以最大化认知用户的传输速率。仿真结果表明,与OMA技术相比,选用合适的功率分配因子,基于NOMA技术的星地认知网络可以取得更高的系统遍历容量和资源利用率。当功率比在一定范围内时,与采用OMA技术的协作中继方案相比,基于NOMA技术的认知星地协作网络的传输速率可提高13.7%左右;当两种方案传输速率相同时,该方案可节约功率30%左右。
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5
【图文】：

技术原理,功率

§1.5 NOMA 技术的发展§1.5.1 NOMA 技术原理以图1-2所示的两用户为例，与OMA技术相比，功率域NOMA技术（简称NOMA技术）的主要特点是功率域参与复用，发送端通过增加非正交的资源分配，主动引入多用户干扰，同时发送多个用户的信号。接收端根据自己的链路质量，直接解码或采用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）解码。具体来说，发送端分配较多功率给链路质量较差用户以保证通信，分配较少的功率给链路质量较好的图1-2 功率域NOMA 技术原理

仰角,夹角,情况,卫星

包括：卫星通信网络的非正交多址接入，星地协作网络的非正交多址接入技术和星地认知网络的非正交多址接入技术。图2-2 ( )Ib 随仰角I 和夹角I 变化的情况§2.3 本章小结本章对 NOMA 技术在卫星个人/移动通信网络中应用的可行性进行了分析。我们首先分析了卫星个人/移动通信网络的组成结构和工作频率，在此基础上，分析了卫星个人/移动通信网络在对应工作频率上的链路预算。最后，根据仿真结果，我们知道卫星用户的不同参数配置，例如：天线尺寸、天线增益、所处位置以及由移动造成用户经历不同的阴影衰落程度等，都可以使位于同一卫星波束中的卫星用户经历不一样的链路增益。该分析结果使得 NOMA 在卫星通信网络中的应用成为可能，这为后续章节的展开提供了前提保证。

【参考文献】