卫星通信网络功率域非正交多址技术研究综述

1、卫星通信网络功率域非正交多址技术研究综述式3给出了非对称信道条件下，下行PD-NOMA系统中系统容量的上界，将其于传统OMA系统容量边界比较如图2所示，其中p|h1|2/21=20dB，p|h2|2/22=0dB。与下行信道类似，上行信道中，用户端设置功率配置因子，向基站传输时频域叠加的信号，基站接收信号后采用SIC技术实现不同用户的信号的别离与解调。其工作原理与PD-NOMA系统下行信道类似，这里不再赘述。图3比较了非对称信道条件下OMA系统与PD-NOMA系统下行信道中容量边界，其中p|h1|2/21=10dB，p|h2|2/22=0dB。由图2、图3可以看出，在用户间存在一定信道差异的情

2、况下，采用NOMA技术能够获得更高的容量上界，提升系统频带利用率。文献9、10详细分析了PD-NOMA系统的容量边界特性，可供读者进一步研究。3PD-NOMA技术在卫星通信领域的研究现状卫星通信具有覆盖范围广、用户数量多、信道条件复杂的特性。NOMA技术能有效解决未来卫星通信网络中用户数量过载、通信频带冲突的问题，在天地一体化信息网络中具有较强的应用前景。本文从PD-NOMA技术在卫星通信网络中的应用场景展开，分析目前PD-NOMA技术在卫星通信领域的研究现状。1场景一：通信卫星不接入NOMA系统11该场景中，卫星、地面通信网络间无信息交互，地面通信网络中的用户采用PD-NOMA模式接入并通信

3、时，受到卫星通信网络中同频信号的干扰。研究的主要内容包括卫星通信网络干扰下的NOMA系统模型构建与系统平均吞吐量、中断概率等性能参数的分析。该场景下的NOMA系统工作模式与用户分组、功率配置算法相较常规NOMA系统没有明显变化。2场景二：通信卫星接入NOMA系统，但不应用NOMA技术处理信号12-13该场景中，卫星、地面通信网络间存在信息交互或在统一的运算中心内进行系统参数设置，地面通信网络采用NOMA技术进行用户接入，而卫星通信用户不采用NOMA技术。文献12构造了通信卫星传输时频域叠加信号至地面基站，地面基站将信号放大后转发至地面NOMA用户的场景，分析了该场景下的系统性能参数。文献13构

4、建了一种以采用NOMA技术的地面通信系统为主、卫星通信进行补充覆盖的系统模型，将天地一体化网络中用户分组与功率配置问题分解为卫星通信用户筛选、地面通信用户配对、功率配置三步完成。3场景三：通信卫星接入NOMA系统，且使用NOMA技術处理信号14-19该场景中，通信卫星接入NOMA系统，单独应用NOMA技术或与地面通信网络联合应用NOMA技术通信。针对这一类场景的研究内容较多，研究重点包括两方面：一是研究卫星通信网络中具有信道条件差异的NOMA用户组构建。文献14构造了通信卫星在单波束下直接与地面用户采用NOMA机制通信的场景，利用不同用户的阴影衰落模型构建信道条件差;文献15构建了通信卫星下行

5、链路中单波束下地面海面用户与空中无人机用户的NOMA模型，利用用户的接收能力差异生成的信道条件差进行配对。二是在构建用户组的根底上分析卫星通信的机制对NOMA技术应用产生的影响。文献16、17对多波束卫星下用户采用NOMA接入的场景进行了分类，比较了SIC方法、SND方法、IAN方法等接收算法在不同信号环境特性下的优劣，给出了多波束卫星先进行空域预编码再进行NOMA组内功率配置的设计思路;文献18分析了多波束卫星在应用NOMA技术时的波束间干扰问题，给出了带宽与功率的优化配置算法;文献19分析了卫星通信网络与地面蜂窝网络同时采用NOMA技术时，用户节点位置、蜂窝网络半径等参数对系统性能的影响。

6、综上所述，在卫星通信网络中应用PD-NOMA技术属于新场景下的NOMA技术应用，除常规的功率分配算法与系统性能分析外，还增加了系统模型构造、用户组构造与分组方法、多波束机制下NOMA技术应用等方面的研究。4PD-NOMA技术在卫星通信中应用的技术难点4.1具有稳定信道条件差异的用户组构造NOMA技术关键在于组内用户信号在功率域上的叠加与解调20。从用户分组的角度看，只有将两个信道差异较大的用户进行配对，PD-NOMA技术提高频带利用率、提升系统总吞吐量的优势才有明显的表现21-22。卫星通信的信道条件相较地面移动通信更加复杂且路径衰减对用户的地理位置不敏感，不能直接将用户至基站物理距离值作为分

7、组依据。目前主要的构造信道差异的方法有两类：一是利用路径衰减外的其他信道特性进行配对，如用户的阴影衰落模型14、单波束下远端用户与中心用户的路径衰减差或不同波束下用户路径衰减差18等，考虑到卫星信道模型的慢时变性与LEO卫星存在的波束覆盖区域运动情况，这类构造方法产生的用户组分组状态难以长时保持;二是利用用户端的差异进行配对，例如不同用户之间的用天线增益差15、QOS需求差16，19等，这类构造方法有的只在局部特殊场景下适用，有的限制了地面用户配对的自由度。因此如何构造具有稳定信道条件差异的用户是目前PD-NOMA在卫星通信领域应用的需要解决的重点技术问题。为解决这一问题，考虑从卫星通信用户特

8、点与业务特点出发，研究适用于卫星通信场景的用户组构造方法。4.2异构通信系统系统下的信息共享PD-NOMA系统中，用户功率配置因子设计与接收端SIC处理均需要用户信道条件作为先验信息23。地面PD-NOMA系统结构相对简单，用户信道条件、用户设备特性、QOS需求等信息可通过上行链路在基站端进行汇总。而天地一体化通信网络是典型的异构通信系统，卫星通信网络应用NOMA技术时，不仅要获取通信用户的信道信息，还需要与地面通信网络进行信息交互以实现合理的频带选择与功率设置，降低需要进一步增强天地一体化通信网络中卫星通信网络与地面通信网络间、不同轨道卫星网络间、卫星不同波束间的信息共享能力。4.3接收机设

9、计卫星通信网络用户受到路径衰落、阴影遮蔽、多径效应等多种信道干扰的影响，在接收端进行SIC难度较大。SIC接收机在对不同用户信息进行解调、重构、消除时，接收机中出现解调误差会以误差传递的形式影响后续信号的解调，降低系统性能24，同时多波束下用户的检测也会进一步增加接收机SIC处理的难度25。因此应用新的接收机SIC算法的同时，考虑算法复杂度与处理精度上的平衡是卫星通信网络中应用NOMA技术的研究方向之一。5PD-NOMA技术在卫星通信领域的开展趋势NOMA技术作为未来地面5G通信网络的关键技术之一，在与CRCognitiveRadio，认知无线电、MIMO多输入多输出系统、Mm-Wave毫米波

10、通信等新技术结合后产生了许多新的研究方向23，本节重点分析与卫星通信场景相契合的两类研究方向。5.1非完备信道条件下的NOMAImperfectCSINOMA常规的NOMA技术在进行理论分析时都建立在用户CSIChannelStateInformation，信道状态信息且无误的条件下。在卫星通信网络中，一方面由于信号传播环境复杂、受到的干扰与衰减严重，CSI易出现错误或缺失。另一方面，系统中用户信道条件信息与功率配置因子需要集中在信关站进行运算，CSI实时性较差，有时需要依靠统计信息进行SIC处理。因此如何在非完备信道条件下ImperfectCSI应用PD-NOMA技术是需要解决的一个实际问题

11、。目前对ImperfectCSI的研究主要集中在信道模型和解调SINR模型的建立与优化问题的求解上26-29，涉及的场景模型均为地面移动通信网络场景。因此在卫星通信网络中研究ImperfectCSI下的模型建立与优化算法是未来研究的方向之一。5.2协作中继NOMA技术协作中继NOMA技术CooperativeNOMA作为功率域NOMA的衍生技术，在近几年被提出并受到了较高的关注。CooperativeNOMA多应用于NOMA通信系统的下行链路中，其核心思路是利用利用NOMA系统中信道条件好的用户能够解调出信道条件差的用户的信息的特点，将得到的信号发送给信道条件差的用户，以增强其接收信号的功率，

12、提升吞吐量30。在天地一体化网络中，通信卫星覆盖范围广，用户种类多，不同特性用户之间、地面基站与卫星通信用户之间、不同轨道的卫星与地面用户之间均可进行协作中继传输以增强用户端信号能量。目前已有局部研究将CooperativeNOMA架构应用于卫星通信网络中12，31，但场景构建相对单一，有待进一步深入研究。6结束语功率域非正交多址作为新一代通信系统中高频带利用率、增加系统通信容量的有效手段，在卫星通信网络体系下有良好的应用前景。文章通过对目前卫星通信领域PD-NOMA的研究成果的总结，分析了技术运用存在的难点，展望了未来研究的热门方向。在卫星通信网络与天地一体化通信网络中应用PD-NOMA技术

13、不仅需要在理论上进行详细的论证与推导，也需要在接收技术、信息共享技术上实现实际应用上的突破。参考文献：【1】ColaTD，TarchiD，Vanelli-CoralliA.Futuretrendsinbroadbandsatellitecommunications：informationcentricnetworksandenablingtechnologiesJ.InternationalJournalofSatelliteCommunicationsandNetworking，2021，335.【2】SaitoY，BenjebbourA，KishiyamaY，etal.System-Lev

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