基于功率分流增量中继的CPDMA卫星-地面移动网络性能分析与优化

《IEICE Transactions on Communications》：Performance Analysis of CPDMA-Based Satellite-Terrestrial Mobile Networks with Power Splitting Enabled Incremental Relaying

本文针对卫星-地面移动网络中用户公平性和能量效率低的问题，提出了一种结合功率分流(PS)和增量中继(IR)的协作模式分多址(PSEIR-CPDMA)方案。研究人员通过理论推导和仿真验证，证明了该方案在中断概率和系统吞吐量方面优于传统PS-CPDMA，为6G天地一体化网络提供了高效可靠的接入技术解决方案。

　　

在6G通信时代，卫星通信被国际电信联盟(ITU)确定为6G集成ManyNets的重要组成部分。随着5G三大应用场景向6G五大应用场景的升级扩展，实现高效、快速、智能的卫星通信接入技术成为研究热点。然而，传统的正交多址技术存在频谱利用率低的问题，而非正交多址(NOMA)技术虽然能提高频谱效率，但在卫星通信场景中面临用户公平性和能量消耗的挑战。

特别是在卫星-地面移动网络(STMN)中，由于用户信道质量差异显著，强用户作为中继节点时需要消耗额外能量，这会加重其负担。同时，弱用户由于信道条件较差，容易发生通信中断。如何平衡用户间的公平性，同时提高系统能量效率，成为亟待解决的关键问题。

针对这些问题，发表在《IEICE Transactions on Communications》上的这项研究提出了一种创新的解决方案——基于功率分流增量中继的协作模式分多址(PSEIR-CPDMA)系统。该系统巧妙地将功率分流(PS)技术和增量中继(IR)协议相结合，在保证用户公平性的同时，显著提升了系统性能。

研究人员采用的理论分析方法主要包括：建立卫星-地面混合信道模型（卫星链路采用Shadowed-Rician衰落，地面链路采用Nakagami-m衰落）、推导中断概率闭合表达式、分析系统吞吐量性能、进行渐进性能分析获取分集增益和编码增益，并通过蒙特卡洛仿真验证理论结果的正确性。

系统模型设计

研究构建了一个单卫星多波束场景下的下行链路STMN系统。系统采用阵列馈电反射面天线形成多波束覆盖，将地面用户根据信道状态信息(CSI)分成多个簇。每个簇内的K个用户通过模式矩阵G_N×K^PDMA共享N个资源单元(RE)，实现非正交资源复用。特别地，研究选取K=3、N=2的典型场景，使用特定的模式矩阵实现三用户在两资源单元上的复用。

信道特性分析

卫星-地面链路采用考虑波束增益和距离衰减的复合信道模型，其信道功率增益服从Shadowed-Rician分布。地面用户间链路则考虑自由空间损耗(FSL)和小尺度衰落，信道增益服从Nakagami-m分布。这种混合信道模型的建立为后续性能分析奠定了坚实基础。

传输模式选择机制

系统创新性地引入了基于反馈的增量中继机制。最强用户U₃根据弱用户的反馈信号(ACK/NACK)决定工作模式：当所有用户返回ACK时，系统工作在直接PDMA(DPDMA)模式；当有任何用户返回NACK时，U₃启用功率分流协议，将接收信号分成能量收集和信息解码两部分，使用收集的能量作为中继转发信号。

性能分析结果

中断概率分析表明，在延迟受限传输模式下，PSEIR-CPDMA方案显著优于传统PS-CPDMA。通过渐进分析得到的分集增益显示，U₁和U₂能够获得更高的分集阶数，而U₃由于承担中继功能且分配功率最小，其分集增益相对较低。

数值结果验证

仿真结果充分验证了理论分析的正确性。图2显示，在存在非理想连续干扰消除(ISIC)的情况下，由于残留干扰的影响，U₂和U₃的中断性能有所下降，而U₁作为首个解码用户，其中断性能保持不变。高信噪比时，渐进结果与理论分析完美吻合。

图3展示了目标速率R对中断概率的影响。随着R增大，三个用户都需要更高的信噪比阈值才能成功解码，导致中断概率上升。值得注意的是，U₃虽然初始性能最优，但由于功率分流和最低功率分配，其性能恶化速度最快。

系统吞吐量优化

图5的吞吐量曲线揭示了一个重要现象：系统吞吐量随目标速率R先增后减，存在最优的R值使吞吐量最大化。这是因为当R较小时，虽然解码成功概率高，但传输效率低；而当R过大时，解码成功率急剧下降，反而降低吞吐量。

功率分流因子优化

图6展示了功率分流因子ρ对系统性能的影响。研究发现存在最优的ρ值平衡能量收集和信息解码的需求。当U₃的目标速率R₃增大时，最优ρ值减小，因为需要更多功率用于自身信号的成功解码。

能量效率优势

图7的能量效率比较表明，PSEIR-CPDMA方案相比传统PS-CPDMA具有显著优势。这主要得益于增量中继机制避免了不必要的中继操作，以及功率分流技术有效利用了无线能量。

研究的创新性主要体现在三个方面：首次将IR-CPDMA与EH、PS协议结合应用于STMN；深入推导了延迟受限模式下的中断概率和吞吐量表达式；通过参数优化实现了系统性能的显著提升。

这项研究为6G天地一体化网络提供了一种高效可靠的接入技术解决方案。PSEIR-CPDMA方案通过智能的模式切换和能量管理，在保证用户公平性的同时，显著提升了系统频谱效率和能量效率，对未来卫星移动通信系统的发展具有重要指导意义。

研究的实际应用价值在于，它为资源受限的卫星通信场景提供了一种可行的多用户接入方案。通过动态调整功率分配因子和功率分流因子，系统能够自适应不同的信道条件和业务需求，实现性能最优化的同时保证用户间的公平性。