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.docx
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2023-02-23
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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
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