衛星通信網絡功率域非正交多址技術研究綜述

2019-06-27 00:22:30 移動通信2019年5期

葛瑞星 李廣俠 邊東明 李龍

【摘? 要】衛星通信網絡正面臨多用戶、大容量、高效率的接入需求帶來的挑戰。非正交多址技術作為5G通信網絡中提高接入用戶數量與用戶通信容量的關鍵技術,在衛星領域的應用受到了廣泛的關注。以NOMA技術中的功率域NOMA(PD-NOMA)為研究重點,在介紹其基本原理的基礎上,總結了衛星通信網絡中該技術的研究現狀,分析了應用存在的技術難點,提出了未來研究的發展趨勢。

【關鍵詞】衛星通信網絡;功率域;非正交多址

中圖分類號:TN927

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)05-0033-07

1? ?引言

近年來,伴隨著LEO(Low Earth Orbit,低軌道)星座衛星成為衛星通信發展新的熱點,國內外公布了包括Oneweb、Stralink、鴻雁、虹云等在內的多個星座的研制與發射計劃,衛星通信技術正向高通量衛星、立體衛星網絡、星地一體化網絡通方向發展[1]。2016年,我國將天地一體化信息網絡建設列入《“十三五”國家科技創新規劃》,該網絡以GEO(Geostationary Earth Orbit,地球靜止軌道)衛星、LEO星座衛星為核心,與地面互聯網和移動通信網互聯互通,擬建成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地一體化信息網絡體系。

然而,在目前衛星通信系統頻帶資源受限、用頻沖突的環境下,立體衛星網絡、天地一體化信息網絡的應用將加劇異構通信系統間的頻率沖突與同頻信號干擾,對系統運行控制帶來了極大的挑戰。通信用戶采用何種方式接入衛星網絡,有效利用衛星頻率資源、功率資源,在避免干擾的前提下提升通信容量成為當今衛星通信網絡研究的重點問題。

相對衛星通信網絡而言,地面通信網絡在頻譜利用、功率配置等技術上發展更為成熟。作為當今地面5G通信網絡在頻譜利用方面的新興技術,NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址)技術能夠通過用戶分組、功率配置、碼字設置等方式實現多用戶信號的非正交傳輸,在提高頻帶利用率與通信容量上有突出的表現[2-4]。將這一技術運用于衛星通信網絡中以解決頻帶資源緊張、頻率利用沖突的問題,已成為衛星通信技術理論研究的熱點之一。

本文以功率域NOMA技術(PD-NOMA,Power-Domain NOMA)為重點,在闡述其基本原理的基礎上,針對目前該技術在衛星通信網絡中的研究現狀與技術難點,對其未來發展的主要趨勢進行了展望。

2? ?NOMA技術介紹

2.1? NOMA技術種類

在傳統的正交多址接入(OMA)技術中,每一個用戶占據一個獨立的時間/帶寬資源,在未來大數量用戶接入的環境下,信道條件差的用戶會占據大量資源塊,導致系統頻譜效率降低,限制系統容量[5]。隨著接收機設計技術的發展與設備運算能力的提升,多個用戶以非正交的形式復用同一資源塊,并在接收端通過對應算法進行信號分離的非正交接入(NOMA)模式成為未來替代OMA接入的新接入模式。目前主流的NOMA技術包括PD-NOMA、SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏碼多址接入)、MUSA(Multi-User Shared Access,多用戶共享接入)與PUMA(Pattern Division Multiple Access,圖樣分割多址)等[6-7],其主要特性由表1所示。幾種NOMA技術中,PD-NOMA的提出最早,研究成果最多,是本文主要的研究對象。

2.2? PD-NOMA技術原理

PD-NOMA的核心思路是通過引入新的維度——功率域,實現多個用戶對單個時頻資源塊的復用。在發射端,不同用戶以設定的功率等級發射信號,在時頻域疊加傳輸,在接收端,接收機通過SIC(Successive Interference Cancellation,串行干擾消除)算法,利用信號的功率配置因子實現不同用戶信號的區分與分離[8]。

以基本單雙用戶下行單元為例, PD-NOMA系統的工作原理如圖1所示:

基站作為信號發射端在設置合適的功率配置因子α1、α2后向用戶1與用戶2發射時頻域疊加信號,信號表示為:

其中,h1、h2為信道條件參數,n1、n2為信道加性白噪聲:n1CN(0,σ21),n2CN(0,σ22),且|h1|2/σ21>|h2|2/σ22,根據PD-NOMA功率分配的原則,為確保系統公平性,在接收端實現SIC,發射端給弱信道條件用戶分配功率高于強信道條件用戶,即α1<α2。

下行鏈路中,用戶作為信號接收端,具備SIC處理功能。用戶1由于信道條件較好,首先解調功率較大的用戶2的信號,重構后消除用戶2信號,解調并提取用戶1信號。用戶2用于信道條件較差,直接將用戶1信號作為噪聲處理,提取自身信號。在用戶1成功解調、重構用戶2信號并實現消除即完成SIC處理后,用戶通信容量分別為:

式(3)給出了非對稱信道條件下,下行PD-NOMA系統中系統容量的上界,將其于傳統OMA系統容量邊界比較如圖2所示,其中p|h1|2/σ21=20 dB,p|h2|2/σ22=0 dB。

與下行信道類似,上行信道中,用戶端設置功率配置因子,向基站傳輸時頻域疊加的信號,基站接收信號后采用SIC技術實現不同用戶的信號的分離與解調。其工作原理與PD-NOMA系統下行信道類似,這里不再贅述。圖3比較了非對稱信道條件下OMA系統與PD-NOMA系統下行信道中容量邊界,其中p|h1|2/σ21=10 dB,p|h2|2/σ22=0 dB。

由圖2、圖3可以看出,在用戶間存在一定信道差異的情況下,采用NOMA技術能夠獲得更高的容量上界,提升系統頻帶利用率。文獻[9]、[10]詳細分析了PD-NOMA系統的容量邊界特性,可供讀者進一步研究。

3? ? PD-NOMA技術在衛星通信領域的研究現狀

衛星通信具有覆蓋范圍廣、用戶數量多、信道條件復雜的特性。NOMA技術能有效解決未來衛星通信網絡中用戶數量過載、通信頻帶沖突的問題,在天地一體化信息網絡中具有較強的應用前景。本文從PD-NOMA技術在衛星通信網絡中的應用場景展開,分析目前PD-NOMA技術在衛星通信領域的研究現狀。

(1)場景一:通信衛星不接入NOMA系統[11]

該場景中,衛星、地面通信網絡間無信息交互,地面通信網絡中的用戶采用PD-NOMA模式接入并通信時,受到衛星通信網絡中同頻信號的干擾。研究的主要內容包括衛星通信網絡干擾下的NOMA系統模型構建與系統平均吞吐量、中斷概率等性能參數的分析。該場景下的NOMA系統工作模式與用戶分組、功率配置算法相較常規NOMA系統沒有明顯變化。

(2)場景二:通信衛星接入NOMA系統,但不應用NOMA技術處理信號[12-13]

該場景中,衛星、地面通信網絡間存在信息交互或在統一的運算中心內進行系統參數設置,地面通信網絡采用NOMA技術進行用戶接入,而衛星通信用戶不采用NOMA技術。文獻[12]構造了通信衛星傳輸時頻域疊加信號至地面基站,地面基站將信號放大后轉發至地面NOMA用戶的場景,分析了該場景下的系統性能參數。文獻[13]構建了一種以采用NOMA技術的地面通信系統為主、衛星通信進行補充覆蓋的系統模型,將天地一體化網絡中用戶分組與功率配置問題分解為衛星通信用戶篩選、地面通信用戶配對、功率配置三步完成。

(3)場景三:通信衛星接入NOMA系統,且使用NOMA技術處理信號[14-19]

該場景中,通信衛星接入NOMA系統,單獨應用NOMA技術或與地面通信網絡聯合應用NOMA技術通信。針對這一類場景的研究內容較多,研究重點包括兩方面:

一是研究衛星通信網絡中具有信道條件差異的NOMA用戶組構建。文獻[14]構造了通信衛星在單波束下直接與地面用戶采用NOMA機制通信的場景,利用不同用戶的陰影衰落模型構建信道條件差;文獻[15]構建了通信衛星下行鏈路中單波束下地面(海面)用戶與空中無人機用戶的NOMA模型,利用用戶的接收能力差異生成的信道條件差進行配對。

二是在構建用戶組的基礎上分析衛星通信的機制對NOMA技術應用產生的影響。文獻[16]、[17]對多波束衛星下用戶采用NOMA接入的場景進行了分類,比較了SIC方法、SND方法、IAN方法等接收算法在不同信號環境特性下的優劣,給出了多波束衛星先進行空域預編碼再進行NOMA組內功率配置的設計思路;文獻[18]分析了多波束衛星在應用NOMA技術時的波束間干擾問題,給出了帶寬與功率的優化配置算法;文獻[19]分析了衛星通信網絡與地面蜂窩網絡同時采用NOMA技術時,用戶節點位置、蜂窩網絡半徑等參數對系統性能的影響。

綜上所述,在衛星通信網絡中應用PD-NOMA技術屬于新場景下的NOMA技術應用,除常規的功率分配算法與系統性能分析外,還增加了系統模型構造、用戶組構造與分組方法、多波束機制下NOMA技術應用等方面的研究。

4? PD-NOMA技術在衛星通信中應用的技術難點

4.1? 具有穩定信道條件差異的用戶組構造

NOMA技術關鍵在于組內用戶信號在功率域上的疊加與解調[20]。從用戶分組的角度看,只有將兩個信道差異較大的用戶進行配對,PD-NOMA技術提高頻帶利用率、提升系統總吞吐量的優勢才有明顯的表現[21-22]。衛星通信的信道條件相較地面移動通信更加復雜且路徑衰減對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組依據。目前主要的構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行配對,如用戶的陰影衰落模型[14]、單波束下遠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,考慮到衛星信道模型的慢時變性與LEO衛星存在的波束覆蓋區域運動情況,這類構造方法產生的用戶組分組狀態難以長時保持;二是利用用戶端的差異進行配對,例如不同用戶之間的用天線增益差[15]、QOS需求差[16, 19]等,這類構造方法有的只在部分特殊場景下適用,有的限制了地面用戶配對的自由度。因此如何構造具有穩定信道條件差異的用戶是目前PD-NOMA在衛星通信領域應用的需要解決的重點技術問題。為解決這一問題,考慮從衛星通信用戶特點與業務特點出發,研究適用于衛星通信場景的用戶組構造方法。

4.2? 異構通信系統系統下的信息共享

PD-NOMA系統中,用戶功率配置因子設計與接收端SIC處理均需要用戶信道條件作為先驗信息[23]。地面PD-NOMA系統結構相對簡單,用戶信道條件、用戶設備特性、QOS需求等信息可通過上行鏈路在基站端進行匯總。而天地一體化通信網絡是典型的異構通信系統,衛星通信網絡應用NOMA技術時,不僅要獲取通信用戶的信道信息,還需要與地面通信網絡進行信息交互以實現合理的頻帶選擇與功率設置,降低來自地面通信網絡的干擾。同時衛星通信網絡中多層衛星、衛星多波束的通信機制也增加了系統內部共享信息的復雜度。因此在衛星通信網絡中應用NOMA技術,需要進一步增強天地一體化通信網絡中衛星通信網絡與地面通信網絡間、不同軌道衛星網絡間、衛星不同波束間的信息共享能力。

4.3? 接收機設計

衛星通信網絡用戶受到路徑衰落、陰影遮蔽、多徑效應等多種信道干擾的影響,在接收端進行SIC難度較大。SIC接收機在對不同用戶信息進行解調、重構、消除時,接收機中出現解調誤差會以誤差傳遞的形式影響后續信號的解調,降低系統性能[24],同時多波束下用戶的檢測也會進一步增加接收機SIC處理的難度[25]。因此應用新的接收機SIC算法的同時,考慮算法復雜度與處理精度上的平衡是衛星通信網絡中應用NOMA技術的研究方向之一。

5? ?PD-NOMA技術在衛星通信領域的發展趨勢

NOMA技術作為未來地面5G通信網絡的關鍵技術之一,在與CR(Cognitive Radio,認知無線電)、MIMO(多輸入多輸出系統)、Mm-Wave(毫米波通信)等新技術結合后產生了許多新的研究方向[23],本節重點分析與衛星通信場景相契合的兩類研究方向。

5.1? 非完備信道條件下的NOMA(Imperfect CSI?NOMA)

常規的NOMA技術在進行理論分析時都建立在用戶CSI(Channel State Information,信道狀態信息)已知且無誤的條件下。在衛星通信網絡中,一方面由于信號傳播環境復雜、受到的干擾與衰減嚴重,CSI易出現錯誤或缺失。另一方面,系統中用戶信道條件信息與功率配置因子需要集中在信關站進行運算,CSI實時性較差,有時需要依靠統計信息進行SIC處理。因此如何在非完備信道條件下(Imperfect CSI)應用PD-NOMA技術是需要解決的一個實際問題。目前對Imperfect CSI的研究主要集中在信道模型和解調SINR模型的建立與優化問題的求解上[26-29],涉及的場景模型均為地面移動通信網絡場景。因此在衛星通信網絡中研究Imperfect CSI下的模型建立與優化算法是未來研究的方向之一。

5.2? 協作中繼NOMA技術

協作中繼NOMA技術(Cooperative NOMA)作為功率域NOMA的衍生技術,在近幾年被提出并受到了較高的關注。Cooperative NOMA多應用于NOMA通信系統的下行鏈路中,其核心思路是利用利用NOMA系統中信道條件好的用戶能夠解調出信道條件差的用戶的信息的特點,將得到的信號發送給信道條件差的用戶,以增強其接收信號的功率,提升吞吐量[30]。在天地一體化網絡中,通信衛星覆蓋范圍廣,用戶種類多,不同特性用戶之間、地面基站與衛星通信用戶之間、不同軌道的衛星與地面用戶之間均可進行協作中繼傳輸以增強用戶端信號能量。目前已有部分研究將Cooperative NOMA架構應用于衛星通信網絡中[12, 31],但場景構建相對單一,有待進一步深入研究。

6? ?結束語

功率域非正交多址作為新一代通信系統中高頻帶利用率、增加系統通信容量的有效手段,在衛星通信網絡體系下有良好的應用前景。文章通過對目前衛星通信領域PD-NOMA的研究成果的總結,分析了技術運用存在的難點,展望了未來研究的熱門方向。在衛星通信網絡與天地一體化通信網絡中應用PD-NOMA技術不僅需要在理論上進行詳細的論證與推導,也需要在接收技術、信息共享技術上實現實際應用上的突破。

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