CN115361050B - 一种基于noma和swipt的星地通信方法及系统 - Google Patents

一种基于noma和swipt的星地通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法及系统，属于通信领域，星地通信方法包括：通过卫星获取各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，根据各终端用户的功率分配因子及信号确定第一叠加信号，采用非正交多址方式向地面中继节点发送第一叠加信号；地面中继节点接收第二叠加信号，并采用功率分割协议对第二叠加信号进行分割以获取能量，采用放大转发策略，对第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号，并向各终端用户发送放大信号；终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除方法对第三叠加信号进行解码，得到对应终端用户的信号。提高了星地通信的频谱效率和容量的同时，解决了中继节点能量受限的问题。

Description

一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法及系统。
背景技术
NOMA(Non-orthogonal Multiple Access，非正交多址接入)技术作为一种提高频谱效率的有效手段，近年来在5G通信网络中的应用备受关注，但是中继节点的能量受限。SWIPT(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，无线携能通信)技术已被证明是一种通用的能量收集技术，可以延长受能量约束的无线通信系统的使用时间，并广泛应用于各种类型的无线通信网络。SWIPT一经提出便引起了学术界和工业界的广泛的关注。由于RF(radio-frequency，射频)信号可以同时携带信息和能量，因此，基于RF的SWIPT技术允许功率受限的节点在收集能量的同时还能够进行信息处理。但是从目前的研究工作来看，结合SWIPT与NOMA两种技术在星地通信网络中的研究相对较少，目前的通信技术均不能满足未来星地通信网络对系统性能和能量效率等指标的需求。
基于上述问题，亟需一种新的星地通信方法以解决星地通信网络中的中继节点能量受限的问题的同时提高频谱效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法及系统，可提高频谱效率和系统容量的同时，有效提升能量效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，包括：
通过卫星获取各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号；
通过卫星根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号；
通过卫星采用非正交多址方式向地面中继节点发送所述第一叠加信号；
通过地面中继节点接收第二叠加信号，并采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量；所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星传输至所述地面中继节点的过程中产生的第一中间信号；
通过地面中继节点基于获取的能量，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号，并向各终端用户发送所述放大信号；
针对任一终端用户，通过所述终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号；所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点传输至所述终端用户的过程中产生的第二中间信号。
可选地，所述第一叠加信号为：
其中，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号。
可选地，所述第一中间信号包括所述地面中继节点处的高斯白噪声、功率分割系数、卫星到地面中继节点的信道系数及信道估计误差；
所述第二叠加信号为：
其中，yR为第二叠加信号，ξ为功率分割系数，hR为卫星到地面中继节点的信道系数，eR为卫星到地面中继节点的信道估计误差，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号，为第一叠加信号，nR为地面中继节点处的高斯白噪声。
可选地，所述地面中继节点获取的能量为：
其中，ER为地面中继节点获取的能量，T为卫星发送第一叠加信号到终端用户接收放大信号的时间，η为能量转换效率系数，PS为卫星的发射功率，hR为卫星到地面中继节点的信道系数。
可选地，所述第二中间信号包括地面中继节点的固定放大增益因子、各终端用户处的高斯白噪声、地面中继节点到各终端用户的信道系数及信道估计误差；
第k个终端用户接收到的第三叠加信号为：
yk＝ρ(hk+ek)yR+nk；
其中，yk为第k个终端用户接收到的第三叠加信号，ρ为地面中继节点的固定放大增益因子，hk为地面中继节点到第k个终端用户的信道系数，ek为地面中继节点到第k个终端用户的信道估计误差，yR为第二叠加信号，nk为第k个终端用户处的高斯白噪声。
可选地，所述通过所述终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号，具体包括：
通过所述终端用户接收第三叠加信号；
通过所述终端用户基于串行干扰删除方法检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户的信号；
通过所述终端用户从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户的信号。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种基于NOMA和SWIPT的星地通信系统，包括：卫星、地面中继节点及多个终端用户；所述卫星与所述地面中继节点通过无线携能通信方式通信连接；所述地面中继节点与各终端用户连接；
所述卫星包括：
信号确定单元，用于确定各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号；
叠加单元，与所述信号确定单元连接，用于根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号；
第一信号发送单元，与所述叠加单元连接，并与所述地面中继节点通过无线携能通信方式通信连接，用于采用非正交多址方法向所述地面中继节点发送所述第一叠加信号；
所述地面中继节点包括：
第一信号接收单元，与所述第一信号发送单元通过无线携能通信方式通信连接，用于接收第二叠加信号；所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星传输至所述地面中继节点的过程中产生的第一中间信号；
能量获取单元，与所述信号接收单元连接，用于采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量；
信号放大单元，与所述能量获取单元及所述信号接收单元连接，用于基于获取的能量，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号；
第二信号发送单元，与所述信号放大单元及各终端用户连接，用于向各终端用户发送所述放大信号；
各所述终端用户包括：
第二信号接收单元，与所述第二信号发送单元连接，用于接收第三叠加信号；所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点传输至所述终端用户的过程中产生的第二中间信号；
解码单元，与所述第二信号接收单元连接，用于采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号。
可选地，所述解码单元包括：
干扰信号检测模块，与所述第二信号接收单元连接，用于基于串行干扰删除方法检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户的信号；
删除模块，与所述干扰信号检测模块连接，用于从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户的信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：卫星根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号，采用非正交多址技术NOMA向地面中继节点发送所述第一叠加信号，地面中继节点接收第二叠加信号，并采用功率分割协议，对第二叠加信号进行分割，以获取能量，基于获取的能量，采用放大转发策略，对第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号，并向各终端用户发送放大信号，终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除技术对第三叠加信号进行解码，得到对应终端用户的信号，通过NOMA技术与无线携能技术相结合实现星地通信，提高了星地通信的频谱效率和容量的同时，解决了中继节点能量受限的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为卫星与终端用户之间通信过程的示意图；
图2为本发明基于NOMA和SWIPT的星地通信方法的流程图；
图3为星地通信的时隙示意图；
图4为采用时间转换方式进行能量收集的示意图；
图5为本发明基于NOMA和SWIPT的星地通信系统的模块结构示意图；
图6为用户1在不同阴影衰落和非理想CSI条件下中断概率随传输SNR的变化曲线；
图7为用户2在不同阴影衰落和非理想CSI条件下中断概率随传输SNR的变化曲线；
图8为用户3在不同阴影衰落和非理想CSI条件下中断概率随传输SNR的变化曲线；
图9为不同衰落参数下的中断概率随传输SNR的变化曲线；
图10为不同目标传输速率下的中断概率随传输SNR的变化曲线；
图11为系统吞吐量随传输SNR的变化曲线；
图12为能量效率随传输SNR的变化曲线。
符号说明：
卫星-1，信号确定单元-11，叠加单元-12，第一信号发送单元-13，地面中继节点-2，第一信号接收单元-21，能量获取单元-22，信号放大单元-23，第二信号发送单元-24，终端用户-3，第二信号接收单元-31，解码单元-32。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法及系统，通过将非正交多址接入及无线携能通信技术相结合，提高了星地通信的频谱效率和容量的同时，解决了中继节点能量受限的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，由于地面的终端用户与卫星S之间存在严重的阴影衰落，不存在直连链路，因此，卫星S通过地面中继节点R与K个终端用户进行通信。
如图2所示，本发明基于NOMA和SWIPT的星地通信方法包括：
S1：通过卫星获取各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号。
S2：通过卫星根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号。具体地，第一叠加信号为射频信号。
所述第一叠加信号为：
其中，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，并且满足a1≥a2≥...≥aK，且PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号。
S3：通过卫星采用非正交多址方式向地面中继节点发送所述第一叠加信号。同时，卫星分出一部分功率进行SWIPT。
S4：通过地面中继节点接收第二叠加信号，并采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量。所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星传输至所述地面中继节点的过程中产生的第一中间信号。即地面中继节点R使用功率分割协议从卫星发出的射频信号中收集能量。在第一个时隙，在中继地面中继节点R处将接收到的第二叠加信号分成两个不同的功率电平来实现对信号的扫描。一部分被发送到电路，用来获得能量，另一部分被传送到基带，以发送至各终端用户。
具体地，所述第一中间信号包括所述地面中继节点处的高斯白噪声、功率分割系数、卫星到地面中继节点的信道系数及信道估计误差。
所述第二叠加信号为：
其中，yR为第二叠加信号，ξ为功率分割系数，hR为卫星到地面中继节点的信道系数，eR为卫星到地面中继节点的信道估计误差，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号，为第一叠加信号，nR为地面中继节点处的高斯白噪声，/> 为地面中继节点处噪声的方差。
由于地面中继节点R采用功率分割协议进行能量收集，所以假设卫星发送第一叠加信号到终端用户接收放大信号的时间为T，T＝第一时隙+第二时隙，如图3所示。那么在T/2时间内收集到的能量可以表示为：
其中，ER为地面中继节点获取的能量，T为卫星发送第一叠加信号到终端用户接收放大信号的时间，η为能量转换效率系数，0≤η≤1，PS为卫星的发射功率，hR为卫星到地面中继节点的信道系数。
地面中继节点收集的能量可以为终端提供能源，为偏远地区能量受限的终端延长使用寿命。
S5：通过地面中继节点基于获取的能量，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号，并向各终端用户发送所述放大信号。具体地，地面中继节点采用放大转发策略对第二叠加信号进行放大处理。
地面中继节点的发射功率为：
S6：针对任一终端用户，通过所述终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号。所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点传输至所述终端用户的过程中产生的第二中间信号。
具体地，所述第二中间信号包括地面中继节点的固定放大增益因子、各终端用户处的高斯白噪声、地面中继节点到各终端用户的信道系数及信道估计误差。
第k个终端用户接收到的第三叠加信号为：
其中，yk为第k个终端用户接收到的第三叠加信号，ρ为地面中继节点的固定放大增益因子，hk为地面中继节点到第k个终端用户的信道系数，ek为地面中继节点到第k个终端用户的信道估计误差，yR为第二叠加信号，nk为第k个终端用户处的高斯白噪声，为第k个终端用户处噪声的方差，PR为地面中继节点的发射功率，Ps为卫星的发射功率，hR为卫星到地面中继节点的信道系数，E(|hR|2)表示对|hR|2求期望，/>为卫星到地面中继节点的信道估计误差的方差，/>为地面中继节点处噪声的方差。
进一步地，步骤S6具体包括：
S61：通过所述终端用户接收第三叠加信号。
S62：通过所述终端用户基于串行干扰删除技术检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户的信号。
S63：通过所述终端用户从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户的信号。
在第二个时隙，终端用户接收第三叠加信号并执行串行干扰删除技术进行解码。
以两个用户为例，其中，一个近端用户(近端用户是指信道条件好的用户)和一个远端用户(远端用户是指信道条件差的用户)。为了保证用户之间的公平性，在占用相同物理资源的情况下，基站(或中继)给远近用户分配不同的功率因子，其中，给近端用户分配较小的功率因子，给远端用户分配较大的功率因子。然后基站(或中继)利用叠加编码机制发送叠加信号给远端用户和近端用户。由于近端用户具有较好的信道条件，其首先利用SIC机制先检测出远端用户的信号，然后将该信号从叠加信号中删除掉再去检测自身的信号。相反，由于远端用户信道条件差，其在进行解码时直接将近端用户的信号当成干扰去检测。
根据所有终端用户的信道增益进行排序，设置解码顺序为(1,2,...,k,...K)，并根据顺序实现解码过程.为了便于计算，假设且m<k。在第k个终端用户处解码第m个终端用户的接收SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)可以表示为：
其中，γk→m为第k个终端用户解码第m个终端用户的SINR，am为第m个终端用户的功率分配因子，ξ为功率分割系数，ρ为地面中继节点的固定放大增益因子，K为终端用户的总数，为地面中继节点到第k个终端用户的信道估计误差的方差，ρ为地面中继节点的固定放大增益因子。
SIC解码会一直被执行，直到前k-1个终端用户的信号全部被解码。此时，第k个终端用户解码自己信号的SINR表示为：
γk→k为第k个终端用户解码自己信号的SINR，ak为第k个终端用户的功率分配因子，
对于第K个终端用户来说，首先要将之前的K-1个终端用户的信号解码完成，然后开始解码自己的信号，对应的SINR可以表示为：
其中，γK为第K个终端用户的SINR，aK为第K个终端用户的功率分配因子。
要求出第K个终端用户的SINR，需要首先求出地面中继节点到第i个终端用户的信道增益|hi|2的PDF(Probability Density Function，概率密度函数)。在第一时隙中，假设卫星与第i个终端用户之间的信道链路hi建模为Shadowed-Rician分布，则|hi|2的PDF可以表示为：
其中，2bi与Ωi分别表示多径分量和LOS径分量的平均功率，mi是Nakagami-m分布的衰落参数，(·)j是阶乘幂，j和l代表自然数。
对|hi|2的PDF进行积分可以得到CDF(Cumulative Distribution Function，累积分布函数)：
将第二时隙中地面链路的信道增益建模为服从Nakagami-m的分布|hk|2的PDF和CDF分别表示为：
其中Γ(·)表示Gamma函数，ωk是地面链路的平均功率，mk表示衰落程度的参数，表示为mk的mk次方。
根据排序统计理论，根据用户信道增益对进行排序设置解码顺序后，排序后信道增益的CDF进一步表示为：
在本实施例中，卫星S、地面中继节点R和所有终端用户均配备单天线，并且由于卫星与终端用户之间存在严重的阴影衰落或者物理障碍，所以它们之间不存在直连链路。卫星S到中继节点R的信道系数为hR、中继节点R到第k个用户的信道系数为hk，|hk|2为卫星S到中继节点R的信道增益。
考虑到实际应用场景中很难获取理想的非理想信道状态信息(Channel StateInformation，CSI)，所以将实际的信道系数采用线型最小均方误差(Linear MinimumMean Square Error，LMMSE)的方法建模为/>其中，hk为中继节点R到第k个用户的信道系数，ek表示信道估计误差，并且服从/>为了使用户在执行SIC(successiveinterference cancellation，串行干扰删除)时能够获取更好的性能，将地面中继节点R到k个终端用户的信道增益根据排序理论进行排序，即：|h1|2≤|h2|2≤...≤|hk|2，其中，|h1|2为第1个终端用户的信道增益。
此外，能量的收集还可采用TS(time switching，时间转换)的方式进行，如图4所示。地面中继节点根据时间分割系数α转换到不同的时间进行能量收集和信号的传输，在这种情况下，信号在时域内分裂，信号在一个时隙内到达地面中继节点，用来传输能量或解码信息。TS技术不需要过于复杂的硬件接收机，如果采用TS，接收机将必须在能量收集和信息解码之间进行时间转换，因此，须在时域内执行信号分割。TS技术使简单的硬件实现在接收端成为可能，但同时也需要信息/能量调度和准确的时间同步。
如图5所示，本发明基于NOMA和SWIPT的星地通信系统包括：卫星1、地面中继节点2及多个终端用户3。所述卫星1与所述地面中继节点2通过无线携能通信方式通信连接。所述地面中继节点2与各终端用户3连接。
所述卫星1包括：信号确定单元11、叠加单元12及第一信号发送单元13。
其中，所述信号确定单元11用于确定各终端用户3的功率分配因子及各终端用户3的信号。
所述叠加单元12与所述信号确定单元11连接，所述叠加单元12用于根据各终端用户3的功率分配因子及各终端用户3的信号，确定第一叠加信号。
所述第一信号发送单元13与所述叠加单元12连接，并与所述地面中继节点2通过无线携能通信方式通信连接，所述第一信号发送单元13用于采用非正交多址技术NOMA向所述地面中继节点2发送所述第一叠加信号。
所述地面中继节点2包括：第一信号接收单元21、能量获取单元22、信号放大单元23及第二信号发送单元24。
其中，所述第一信号接收单元21与所述第一信号发送单元13通过无线携能通信方式通信连接，所述第一信号接收单元21用于接收第二叠加信号；所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星1传输至所述地面中继节点2的过程中产生的第一中间信号。
所述能量获取单元22与所述信号接收单元连接，所述能量获取单元22用于采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量。
所述信号放大单元23与所述能量获取单元22及所述信号接收单元连接，所述信号放大单元23用于基于获取的能量，采用放大转发策略，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号。
所述第二信号发送单元24与所述信号放大单元23及各终端用户3连接，所述第二信号发送单元24用于向各终端用户3发送所述放大信号。
各所述终端用户3包括：第二信号接收单元31及解码单元32。
其中，所述第二信号接收单元31与所述第二信号发送单元24连接，所述第二信号接收单元31用于接收第三叠加信号。所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点2传输至所述终端用户3的过程中产生的第二中间信号。
所述解码单元32与所述第二信号接收单元31连接，所述解码单元32用于采用串行干扰删除技术对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户3的信号。
具体地，所述解码单元32包括：干扰信号检测模块及删除模块。
其中，所述干扰信号检测模块与所述第二信号接收单元31连接，所述干扰信号检测模块用于基于串行干扰删除技术检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户3的信号。
所述删除模块与所述干扰信号检测模块连接，所述删除模块用于从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户3的信号。
由于星地通信系统中面临频谱资源匮乏的问题，并且为了满足未来星地通信网络对系统性能和能量效率等指标的需求，本发明将SWIPT与NOMA两种技术结合应用在星地通信网络中，旨在提高频谱效率和系统容量的同时，有效提升系统的能量效率。此外，SWIPT技术也可以有效解决星地通信网络中的中继节点能量受限的问题。通过多个用户信息叠加在相同的物理资源上进行通信来提高频谱效率并以功率分割的方式携带能量，以解决传统的基于正交的星地通信频谱资源有限，以及偏远地区通信终端能量有限的问题。
下面对本发明基于NOMA和SWIPT的星地通信方法的技术效果进行验证：
性能分析1：准确中断概率分析
为了保证用户的QoS(Quality of Service，服务质量)，地面终端用户的数据速率必须高于预定的目标数据速率。当CSI(Channel State Information，信道状态信息)条件确定的传输速率低于目标速率时，则发生中断事件。假定代表第k个终端用户预设的SINR阈值，Rk代表第k个终端用户预设的目标数据速率，并满足/>
终端用户k的中断事件定义为：当终端用户k不能解码自己的信号或者终端用户m(1≤m≤k)信号时，则发生中断。所以终端用户k发生中断的补事件Ck，m可以描述为：
其中，γk→m为第k个终端用户解码第m个终端用户的SINR，为第k个终端用户预设的SINR阈值，|hR|2为卫星到地面中继节点的信道增益，|hk|2为地面中继节点R到k个终端用户的信道增益，am为第m个终端用户的功率分配因子。
终端用户k发生中断的概率为：
上式可重新改写为：
由不等式可得上式的下界/>为：/>
性能分析2：渐进中断概率分析
为了能够更深入地了解星地系统的中断性能，分析了在高信噪比条件下的渐进中断概率。
首先，定义在高信噪比条件下相关的变量则可以重新计算为：
则有
通过上述的计算，可以发现在高信噪比条件下，均趋于一个常数，所以，中断概率会保持为一个非0的常数，也可以认为在高信噪比条件下，用户的中断概率会出现一个错误平层。
性能分析3：系统吞吐量分析
系统吞吐量是衡量无线通信系统性能的一项重要指标。根据上述中断概率的计算结果，在延时受限传输模式下，卫星以恒定的速率向地面用户发送数据信息，此时，系统吞吐量的性能主要会受到用户中断概率的影响。
因此，专用中继场景下星地通信系统吞吐量的表达式可以定义为：
性能分析4：能量效率分析
能量效率是指每能量单位传输的信息比特数量，被认为是新一代通信系统的有效性能指标。在专用中继场景下，星地通信系统的能量效率表达式可以表示为：
其中，ρ是功率放大效率，并且满足条件ρ>1，Ploss表示固定功率损耗，包括辐射功率、静态功率、电路功率和其他一些系统开销。
在仿真中，阴影莱斯信道参数设置为HS(Heavy Shadowing，重度阴影)和AS(Average Shadowing，中度阴影)两种模式，相应的参数配置为：
HS衰落模式：(br,mr,Ωr)＝(0.063,2,0.0005)
AS衰落模式:(br,mr,Ωr)＝(0.251,5,0.279)
此外，假设K＝3，功率分配系数分别为a0＝0.5,a2＝0.5,a3＝0.1；用户的目标传输速率分别设置为R1＝0.1bit/sHz，R2＝0.5bit/s/Hz，R3＝1bit/s/Hz；能量转换效率系数设置为η＝0.7，功率分割系数设置为ξ＝0.4，1/Δ2＝0.9。假设地面链路的平均功率相等ω1＝ω2＝ω3＝1。信道估计误差平均功率分别设定为0.001和0.01，如图6-图8所示，图中实线表示卫星信道经历HS衰落，点划线表示卫星信道经历AS衰落。从图6-图8中可以观察到用户的中断性能与卫星信道的衰落程度密切相关。通过比较HS和AS两种衰落模式下的中断概率，可以发现AS模式下的中断性能要优于HS模式，这是因为随着与衰落程度相关的参数的增大，对应的接收信号中的LOS径分量以及多径分量的平均功率也随之变大，则大大降低了用户发生中断的概率。此外，随着信道估计误差平均功率的增大，3个地面用户的中断性能明显下降；特别是在高SNR区域，用户的中断性能不再随着传输SNR的增加而发生变化，出现了错误平层。
从图9和图10可以观察到在中、高SNR区域三个用户的中断概率下界与模拟值基本贴合。此外，随着传输SNR的增加，中断概率逐渐降低并达到一个固定值，出现这种现象的原因是受到信道估计误差的影响，在高SNR区域的分集阶数变为0，这也进一步验证了渐进中断概率的分析结果。最后，可以观察到在星地通信网络中应用NOMA机制可以同时为多个用户提供服务，并且保证了用户的公平性。
图10中，卫星链路经历AS衰落从图中可以观察到，当三个NOMA用户的目标传输速率增加时，各自的中断概率将会增加。发生这个现象的原因是，用户的目标数据速率增大会导致相应的SINR检测阈值增加，从而增大了中断事件发生的概率。
图11分析了在不同的阴影衰落模式下，系统吞吐量随传输SNR的变化曲线。图中实线表示卫星信道经历HS衰落，点划线表示卫星信道经历AS衰落。从图中可以观察到AS模式下的吞吐量性能要优于HS模式，这是由于在AS模式下用户可以获得较好的中断性能，相较AS模式，HS模式下的吞吐量对信道估计误差的敏感度更高。
图12分析了在不同的阴影衰落模式和信道估计误差条件下，能量效率随传输SNR的变化情况。图中卫星信道经历AS衰落的曲线用实线表示，卫星信道经历HS衰落的曲线用点划线表示。从图12中可以看出，当S与R节点之间通信链路的阴影衰落从HS衰落减弱为AS衰落时，系统的能量效率性能改善明显，出现这种现象的主要原因是从HS衰落减弱为AS衰落的过程中，接收信号中LOS径分量的平均功率增大将近558倍。此外受到三种不同程度的信道估计误差干扰，能量效率有一定程度的下降。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，其特征在于，所述基于NOMA和SWIPT的星地通信方法包括：
通过卫星获取各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号；
通过卫星根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号；
通过卫星采用非正交多址方式向地面中继节点发送所述第一叠加信号；
通过地面中继节点接收第二叠加信号，并采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量；所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星传输至所述地面中继节点的过程中产生的第一中间信号；
通过地面中继节点基于获取的能量，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号，并向各终端用户发送所述放大信号；
针对任一终端用户，通过所述终端用户接收第三叠加信号，并采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号，具体包括：通过所述终端用户接收第三叠加信号；通过所述终端用户基于串行干扰删除方法检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户的信号；通过所述终端用户从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户的信号；其中，近端用户首先利用SIC机制先检测出远端用户的信号，然后将该信号从叠加信号中删除掉再去检测自身的信号；远端用户在进行解码时直接将近端用户的信号当成干扰去检测；所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点传输至所述终端用户的过程中产生的第二中间信号。
2.根据权利要求1所述的基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，其特征在于，所述第一叠加信号为：
其中，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号。
3.根据权利要求1所述的基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，其特征在于，所述第一中间信号包括所述地面中继节点处的高斯白噪声、功率分割系数、卫星到地面中继节点的信道系数及信道估计误差；
所述第二叠加信号为：
其中，yR为第二叠加信号，ξ为功率分割系数，hR为卫星到地面中继节点的信道系数，eR为卫星到地面中继节点的信道估计误差，K为终端用户的数量，ai为第i个终端用户的功率分配因子，PS为卫星的发射功率，xi为第i个终端用户的信号，为第一叠加信号，nR为地面中继节点处的高斯白噪声。
4.根据权利要求1所述的基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，其特征在于，所述地面中继节点获取的能量为：
其中，ER为地面中继节点获取的能量，T为卫星发送第一叠加信号到终端用户接收放大信号的时间，η为能量转换效率系数，PS为卫星的发射功率，hR为卫星到地面中继节点的信道系数。
5.根据权利要求1所述的基于NOMA和SWIPT的星地通信方法，其特征在于，所述第二中间信号包括地面中继节点的固定放大增益因子、各终端用户处的高斯白噪声、地面中继节点到各终端用户的信道系数及信道估计误差；
第k个终端用户接收到的第三叠加信号为：
yk＝p(hk+ek)yR+nk；
其中，yk为第k个终端用户接收到的第三叠加信号，ρ为地面中继节点的固定放大增益因子，hk为地面中继节点到第k个终端用户的信道系数，ek为地面中继节点到第k个终端用户的信道估计误差，yR为第二叠加信号，nk为第k个终端用户处的高斯白噪声。
6.一种基于NOMA和SWIPT的星地通信系统，其特征在于，所述基于NOMA和SWIPT的星地通信系统包括：卫星、地面中继节点及多个终端用户；所述卫星与所述地面中继节点通过无线携能通信方式通信连接；所述地面中继节点与各终端用户连接；
所述卫星包括：
信号确定单元，用于确定各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号；
叠加单元，与所述信号确定单元连接，用于根据各终端用户的功率分配因子及各终端用户的信号，确定第一叠加信号；
第一信号发送单元，与所述叠加单元连接，并与所述地面中继节点通过无线携能通信方式通信连接，用于采用非正交多址方法向所述地面中继节点发送所述第一叠加信号；
所述地面中继节点包括：
第一信号接收单元，与所述第一信号发送单元通过无线携能通信方式通信连接，用于接收第二叠加信号；所述第二叠加信号中包括第一叠加信号以及所述第一叠加信号从所述卫星传输至所述地面中继节点的过程中产生的第一中间信号；
能量获取单元，与所述信号接收单元连接，用于采用功率分割协议，对所述第二叠加信号进行分割，以获取能量；
信号放大单元，与所述能量获取单元及所述信号接收单元连接，用于基于获取的能量，对所述第二叠加信号进行放大处理，得到放大信号；
第二信号发送单元，与所述信号放大单元及各终端用户连接，用于向各终端用户发送所述放大信号；
各所述终端用户包括：
第二信号接收单元，与所述第二信号发送单元连接，用于接收第三叠加信号；所述第三叠加信号中包括第二叠加信号以及所述第二叠加信号从所述地面中继节点传输至所述终端用户的过程中产生的第二中间信号；
解码单元，与所述第二信号接收单元连接，用于采用串行干扰删除方法对所述第三叠加信号进行解码，得到对应所述终端用户的信号；
所述解码单元包括：
干扰信号检测模块，与所述第二信号接收单元连接，用于基于串行干扰删除方法检测出多址干扰信号；所述多址干扰信号为其他终端用户的信号；
删除模块，与所述干扰信号检测模块连接，用于从所述第三叠加信号中删除所述多址干扰信号，得到所述终端用户的信号；其中，近端用户首先利用SIC机制先检测出远端用户的信号，然后将该信号从叠加信号中删除掉再去检测自身的信号；远端用户在进行解码时直接将近端用户的信号当成干扰去检测。
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