基于协作非正交多址的无人机辅助卫星通信系统中断性能分析

林 敏 朱丽文 孔槐聪 郭克锋 欧阳键

①(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

②(航天工程大学航天信息学院 北京 101407)

1 引 言

卫星通信凭借其覆盖范围广、通信距离远、不受地理条件限制等众多优点，已经被广泛应用于偏远地区通信以及导航定位、抗震抢险等领域[1-3]，并将成为下一代无线通信的关键技术之一。然而，卫星与地面用户之间存在大时延和大路径损耗以及遮蔽效应导致的视距传输受阻等问题，使得卫星系统的用户体验有时无法得到保证。在这种情况下，基于中继转发的星地协作传输技术被认为是提升卫星通信服务质量的有效手段之一[4]。在大多研究的星地协作传输网络中，通常采用地面中继将接收到的卫星信号转发给地面用户。例如，文献[5]研究了单用户场景下地面中继采用放大转发(Amplify and Forward, AF)协议的星地协作传输网络的误码性能与中断性能。进一步，针对地面多用户的星地协作传输网络，文献[6]在采用最优用户选择方案的情况下，推导得到用户的中断概率闭合表达式。需要指出的是，虽然使用地面中继可以建立卫星与地面用户之间的高质量通信链路，但对人口稀少的偏远地区而言，建造地面中继站存在高成本、低回报等问题，因此需要探索其他更加实用的解决方案[7]。

跟地面中继相比，无人机由于其机动性好、通信组网方式灵活等优势，作为空中中继协助卫星与地面用户通信[8]，可以实现增强接收信号功率、提高系统容量等目的，并且得到了学术界和工业界的高度重视。例如，文献[9]研究了基于无人机中继转发的星地协作网络中多用户传输场景下系统的中断性能；文献[10]研究了无人机中继采用AF协议和多用户调度方案下的星地协作网络性能；文献[11]针对无人机辅助卫星通信系统，分析了系统的中断性能。然而，考虑到卫星服务用户数量越来越多，需要进一步提高系统资源利用率以及服务用户通信质量。现有的正交多址 (Orthogonal Multiple Access,OMA)技术已经无法满足上述需求。近年来，非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技术以其可大大提高系统频谱资源利用率和用户公平性等独特优势，已经成为极具发展前景的新型多址技术[12]。在这种情况下，已经有学者研究如何将NOMA技术应用于卫星通信系统。例如，文献[13,14]研究了两用户场景下基于NOMA的星地协作传输系统性能；文献[15,16]针对基于NOMA的卫星通信系统中多用户传输场景，分析了系统性能；文献[17]针对基于NOMA的无人机辅助卫星通信系统，分析了无人机中继采用AF协议下的系统中断性能。

总的来看，上述文献对星地协作传输网络进行了深入的研究，验证了中继协作技术能够显著提升卫星通信系统存在遮蔽效应下的性能，但是它们主要存在以下问题：一是大多数文献，例如文献[5]仅研究了单用户场景下星地协作传输网络的性能；二是虽然也有相关文献研究多用户场景，但是大多数文献，例如文献[6,10]都是在假设准确信道状态信息(Channel State Information, CSI)已知的情况下，研究了采用用户调度或空分多址(Space Division Multiple Access, SDMA)方案下星地协作传输网络的性能；三是将NOMA技术应用于卫星通信系统的大多数文献中，例如文献[13-16]都是采用地面中继将接收到的卫星信号转发给地面用户；四是虽然也有相关文献提出基于NOMA的无人机辅助卫星通信系统，但是大多数文献，例如文献[17]仅考虑无人机配置单天线且地面用户簇内仅包含远近两个用户的通信场景，没有充分利用空间资源和考虑卫星服务用户数量越来越多的实际情况。在这种情况下，本文针对无人机辅助的卫星通信系统下行链路，研究基于SDMA和协作NOMA相结合的多用户传输系统。首先，配置多根天线的无人机作为中继站辅助卫星通信，采用NOMA技术服务多个地面用户，并得到用户的输出信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, SINR)表达式。然后，建立以平均SINR最大化为准则的优化问题，并在无人机仅已知信道角度信息的情况下，得到无人机对卫星信号的接收波束成形权矢量。进一步，为了降低算法复杂度，提出基于角度信息的迫零波束成形方案，得到无人机对多个地面用户的发射波束成形权矢量。其次，在卫星-无人机链路服从相关阴影莱斯分布，而无人机-地面用户链路服从Nakagami-m分布的条件下，分别推导出系统的中断概率闭合表达式和近似表达式。最后，仿真结果验证了所提方案的优越性和理论分析的正确性。

2 系统模型

如图1所示，本文研究无人机辅助的卫星通信系统下行链路，其中静止轨道卫星S通过无人机中继R转发信号，与地面用户D进行通信。假设卫星S采用点波束技术，无人机中继R配置N元的均匀直线阵(Uniform Linear Array, ULA)，地面用户D配置单天线。为了实现多用户同时通信，将无人机覆盖范围内的地面用户中信道相关性强和信道增益差异大的用户划分为一簇[18]，从而将地面用户划分为L簇，且簇内用户采用NOMA技术提高频谱利用率。跟针对单用户场景以及多用户场景下采用用户调度或SDMA方案的星地协作传输网络的文献相比[6,10]，本文的研究更具一般性。为了便于理解，本文将首先介绍信道模型和信号模型，然后对所提的波束成形方案进行描述。

图1 系统模型图

2.1 信道模型

2.1.1 S-R信道模型

2.2 信号模型

与译码转发协议(Decode and Forward, DF)相比，AF协议是一种更加容易实现的中继协议[20]，

2.3 无人机波束成形方案

在无线通信中，考虑到信道的随机性，一般通过使用户输出平均SINR最大来达到系统传输性能最优的目的。因此根据式(10)，本文建立以用户输出平均SINR最大化为准则的优化问题，在数学上可以表示为[19]

然后，将式(17)代入优化问题式(13)，可以将优化问题式(13)简化为

需要指出的是，跟大多数采用基于准确CSI的波束成形方案，例如文献[10]不同的是，本文利用信道角度信息进行波束成形设计，避免了信道估计和反馈等需要额外消耗无线资源的过程，从而更加适合于无人机通信场景。接下来，将进一步对系统的中断性能进行分析。

3 系统的中断性能分析

中断概率是衡量无线通信服务质量(Quality of Service, QoS)的一项重要指标，定义为信号输出SINR低于某一特定门限值的概率。因此，根据式(21)用户Dl,n的中断概率表示为

4 系统的渐进性能分析

将式(41)、式(44)和式(45)代入式(39)中，得到中断概率渐进表达式为

于是，系统的分集度和阵列增益分别为

从以上可以看出，卫星到无人机中继以及无人机中继到地面用户的链路信道参数只影响系统的阵列增益，而对系统的分集度不产生影响。

5 仿真验证

本节通过计算机仿真验证理论分析的正确性，同时定量分析了系统参数对卫星通信系统性能的影响。此外，为了验证本文所提传输方案的优越性，还跟传统的OMA方案和文献[17]中的方案进行对比。其中OMA方案是一个用户独占一个时间/频率资源块，文献[17]采用无人机配置单天线且簇内仅包含远近两个用户的下行NOMA传输方案。仿真中考虑系统包含6个用户，将所有地面用户分为两个簇，每个簇包含3个用户。假设S-R链路经历中度阴影衰落，信道参数为{mR,b,ΩR}={5,0.126,0.835}，而R-D链路服从Nakagami-m分布，衰落参数为{ml,1,ml,2,ml,3}={2,4,6},{Ωl,1,Ωl,2,Ωl,3}={2,2,2}。 此外，假设PS=PR=P，噪声功率σS2R=σl2,n=κBT ,κ=1.38×10-23J/K为Boltzmann常数。其他主要的仿真参数设置见表1。

表1 系统的参数设置

图2给出了第2个簇中3个用户的中断概率随发射功率P的变化情况。仿真中假设无人机配置天线数为N=8， 无人机到用户的离开角为{θ2,1,θ2,2,θ2,3}={45°,60°,75°}， 功率分配系数为{α2,1,α2,2,α2,3}={0.6,0.3,0.1}， 目标速率为{Rth1,Rth2,Rth3}={0.65,1.2,2.4}bit/(s·Hz)。从图2可以看出Monte Carlo仿真结果与系统的理论值相吻合，证明了系统理论分析的正确性。

图2 不同用户中断概率随发射功率P的变化情况

图3给出了不同发射功率P的情况下，用户D2,3的中断概率随目标速率R的变化情况，仿真中P分别取0 dBW和 3 dBW。从中可以看出，NOMA方案下的用户D2,3中断性能明显优于OMA方案。另外，在P= 3 dBW条件下系统的中断性能优于P= 0 dBW，这与图2中用户中断概率随发射功率P的增大而减小的结论是相符合的。

图3 不同发射功率P下用户D 2,3中断概率随目标速率的变化情况

图4为改变无人机配置天线数的条件下，用户D2,3中断概率随发射功率P的变化曲线，并与传统的OMA方案和文献[17]的方案进行比较。仿真中无人机配置天线数分别为N=8和N=16。从中可以看出，无人机配置天线数目越多，用户D2,3中断性能越好。这是因为多天线技术可以提供阵列增益，从而提高地面用户的接收信号强度，提升系统性能。另外，仿真结果表明，在考虑簇内包含3个用户的情况下，用户D2,1中断性能与文献[17]中簇内远用户的中断性能相接近。由此可以体现出本文工作的优越性。

图4 无人机配置不同天线数下用户D2,3中断概率随发射功率P的变化情况

图5为用户D2,1中断概率随功率分配系数的变化趋势图，可以进一步分析功率分配系数对用户中断性能的影响。仿真中为保证功率分配系数满足α2,1>α2,2>α2,3，设 定α2,3=0.1 ，则α2,1取 值 范围为0.51～0.89,α2,2=0.9-α2,1。从图中可以看出，随着α2,1的增加，用户D2,1的中断概率减小。由此说明，提高用户功率分配系数，可以改善用户的中断性能。这是因为随着α2,1的增加而增大了式(21)表示的用户D2,1的SINR，从而使其中断概率减小。

图5 用户D 2,1中断概率随功率分配系数的变化情况

6 结束语

针对无人机辅助的卫星通信系统下行链路，分析了基于SDMA和协作NOMA相结合的多用户传输系统的中断性能。首先，配置多根天线的无人机作为中继站辅助卫星通信，采用NOMA技术服务多个地面用户，得到地面用户的输出SINR表达式。然后，基于用户平均SINR最大化准则，提出了利用信道角度信息的波束成形方案。接着，进一步推导得到系统的中断概率闭合表达式和高信噪比下系统的中断概率近似表达式。最后，计算机仿真验证了本文所提方案的优越性以及理论分析的正确性，并且定量分析了相关参数对用户性能的影响，为进一步探索NOMA技术在无人机辅助卫星通信系统中的应用提供了有益的参考。