基于NOMA的星地一体化网络动态频谱共享技术研究

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星地一体化网络由于能够提供高吞吐量和无处不在的覆盖范围,已成为未来无线网络的一种有前途并流行的基础设施结构。卫星和地面网络相结合可以实现其在导航、救灾和广播领域的潜在应用。而频谱资源并未充分利用,频谱共享问题一直是人们的研究热点。5G及后续的移动通信系统被期待拥有更多的功能,例如基于云的相关应用和大规模物联网等。为了适应这些挑战,对网络的要求将更加严格,例如更高的数据速率、低延迟、大规模连接、更高的频谱和功率效率。通过将NOMA技术与认知无线电相结合,可以使多个用户同时访问并提高频谱利用率。因此,本论文将对基于NOMA的星地一体化网络动态频谱共享技术展开研究。首先,通过大量阅读国内外参考文献,分析星地一体化网络和动态频谱共享技术目前的研究现状,明确本文的研究方向及意义。介绍在星地一体化网络中进行频谱共享网络接入的两种方式。分析对比基于认知无线电的三种动态频谱共享技术,介绍5G采用的NOMA技术原理及其优势。针对通信链路的遮蔽效应问题,可采用协作NOMA方案及DF/AF中继协议改善用户的性能。认知无线电技术与NOMA技术的融合可进一步提高频谱的利用率。然后,本文提出了一种基于峰值干扰约束的NOMA星地一体化网络频谱共享技术。针对实际不理想的网络,着重分析信道状态信息不完美、连续干扰消除不完全以及收发硬件损伤因素所造成的影响。利用Meijer-G函数,提出非理想的主次网络封闭式的覆盖概率表达式来衡量用户性能。此外,为实现所有用户间的性能公平,提出一种动态的自适应功率分配方案,推导出主次用户功率分配因子的闭合表达式,并通过仿真验证该方案可在实际动态变化的场景下进行最优功率分配。最后,研究了基于双工/半双工的协作NOMA星地一体化网络频谱共享技术,针对障碍物会遮挡信号的传输链路,影响星地网络的系统性能,利用DF中继协议,有效改善受到干扰约束限制的次要用户性能。针对实际网络,分析连续干扰消除不完全和信道状态信息不完美产生的影响,推导出非理想主次网络封闭式的中断概率表达式,在高信噪比下,分析次要网络的渐进中断性能及分集增益。在不同的链路场景下进行仿真,结果表明,在连续干扰消除完全情况下,全双工方式仅在低信噪比下优于半双工方式,信道状态误差对半双工方式影响显著。在不完全连续干扰消除下,全双工方式将一直优于半双工方式。
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