王静贤，冯旭，成俊峰，张景
中国电子科学研究院，北京 100041)
摘要：随着卫星物联网的快速发展，为了满足卫星通信网络大连接、高谱效的接入需求，亟需设计一种更加有效的多址接入机制。非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access, NOMA）技术在相同网络资源条件下，可大幅度增大系统容量，提高网络资源的利用率，在5G通信网络中得到了广泛关注，但在卫星通信网络中的应用缺乏系统性的分析验证。本文首次对目前主流的NOMA技术—基于功率分配的非正交多址接入（Power Division based Non-Orthogonal Multiple Access, PD-NOMA）、多用户共享接入（Multi User Shared Access, MUSA）、稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access, SCMA）和图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access, PDMA）在卫星通信系统取得应用实例的可行性进行了分析，并对以上NOMA技术在传输可靠性和资源利用率方面进行了仿真对比。结果表明，PDMA系统的传输性能最好，然而设计复杂度最高。PD-NOMA系统实现简单，但是传输性能较差。SCMA系统的传输性能介于PDMA和MUSA之间，但其可根据业务需求灵活调整码本设计，易于与免调度机制结合，并且接收端可采用复杂度较低的译码算法，因此与其他三种NOMA技术相比较，SCMA技术可作为卫星通信系统中NOMA方案的优选技术。
关键词：卫星通信网络；非正交多址接入；可靠性；谱效
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：
Application of NOMA technology in satellite communication system
WANG Jingxian, FENG Xu, ZHANG Jing
(China Academic of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)
Abstract: With the rapid development of satellite IoT, a more efficient multiple access technology is urgently needed to meet the access requirements of satellite communication networks for large connections and high spectral efficiency. Non-orthogonal multiple access technology (NOMA) as a key technology that can greatly increase the number of user access and resource utilization, has received extensive attention in 5G communication networks. However, there lacks systematic analysis and verification of the NOMA application in the satellite communication network. In this paper, for the first time, the performance of the four mainstream NOMA technologies, power division based non-orthogonal multiple access (PD-NOMA), multi-user shared access (MUSA), sparse code division multiple access (SCMA) and pattern division multiple access (PDMA), were analyzed in satellite communication systems, and these NOMA technologies were compared in terms of reliability and resource utilization by simulation. The results show that the PDMA system has the best transmission performance and the highest design complexity, while the PD-NOMA system has the simplest algorithm, but the transmission performance is the worst. The transmission performance obtained by the SCMA system is between PDMA and MUSA. However, it can flexibly adjust the codebook according to business needs. Moreover, it is easy to be combined with the grant free mechanism, and the receiving end can use a decoding algorithm with lower complexity. Thus, compared with the other three NOMA technologies, SCMA technology can be preferred for non-orthogonal multiple access in satellite communication systems.
Key Words: Satellite communication network; non-orthogonal multiple access; reliability; spectrum efficiency
1引言
在传统的卫星通信网络中，通常将可用的资源划分成正交资源块，每个接入网络的卫星用户都占用其中的一个资源块进行数据传输，从而避免用户间的干扰，保证用户的通信质量[1-3]。采用这种正交多址接入（Orthogonal Multiple Access, OMA）方式时，卫星网络中可容纳的最大用户数量与正交资源数目相等，在卫星载荷资源的约束下，卫星网络在海量用户接入的场景中受到限制。因此，为了满足卫星物联网大规模连接的需求，亟需引入一种新的用户多址接入机制，以提高其资源利用率。随着5G网络的商业化部署及6G网络的深入研究，非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access, NOMA）技术得到了广泛关注[4-7]。NOMA技术在相同资源上为多个用户提供服务，通过接收端复杂的检测算法和干扰消除算法区分不同用户，以换取吞吐量的提高。目前主流的NOMA技术主要包括功率分配的非正交多址接入（Power Division based Non Orthogonal Multiple Access, PD-NOMA），多用户共享接入（Multi User Shared Access, MUSA），稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access, SCMA），图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access, PDMA）四种。
文献[8-9]对比了PD-NOMA机制和OMA机制，可以看出PD-NOMA机制在用户公平性、频谱效率、小区边缘吞吐量、连接用户数和时延方面的优势。文献[10]提出了PDMA机制的图样矩阵设计策略，仿真证明在PDMA机制与OMA机制取得相似可靠度的条件下，PDMA机制可以达到300%的过载率。文献[11]提出在低轨卫星通信系统中，通过联合PD-NOMA和OFDM机制来提高频谱效率，并且通过仿真结果证明了提出的机制在容量、误码率等方面均优于传统的OMA机制。
NOMA技术增加了接收端对多用户信号检测的复杂度，文献[12]提出了SCMA体制下的误码率上界，仿真结果显示随着系统中用户数量的增多误码率逐渐上升。为了降低接收端的误码率，文献[13]评估了SCMA系统中功率分配机制对误码率的影响，从而提出系统能效最大的功率分配策略。文献[14]通过建立图样矩阵和能耗的联合优化模型，提高了PDMA应用于mMTC场景时的能效。文献[15-16]设计了PD-NOMA机制下的用户终端配对策略，以减小由于同组内用户与基站间的距离相差较小引起的干扰。其中文献[16]提出基于相对稳定的用户业务需求特征来对用户进行配对，以解决用户的快速移动导致与基站间距离波动幅度大的问题。文献[17]提出了MUSA系统中的功率分配机制，通过增大同一资源块上承载的不同用户信号的功率差异，来降低系统的平均误码率。
由以上分析可知，目前对NOMA技术的研究主要集中在地面5G通信网络中。然而，相比于地面通信，卫星通信网络在传输环境上更加复杂，面临的挑战也更大。因此对各种NOMA技术在卫星通信网络中的应用性能进行专门的对比分析是必不可少的。本文对PD-NOMA、MUSA、SCMA和PDMA这四种NOMA技术在卫星通信网络中的应用进行分析研究，然后基于仿真结果对各种NOMA技术所表现的性能进行对比，验证理论分析，最后对本文进行了总结。
2NOMA技术在卫星通信系统中应用的可行性分析
2.1 PD-NOMA技术
PD-NOMA技术基于信道条件好的用户可以将信道条件差的用户信号进行解码的原理，为不同的用户分配不同的功率因子，使得信道较差的用户接收端得到较高的信干噪比值，而信道较好的用户的信干噪比值较低，则各个用户接收端可以采用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术来提取出自身的信号，从而满足多个接入用户可以共享相同时频资源块的需求[15]。
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从图6中可以观察到随着SNR的增大，系统的频谱利用率越来越高，这是因为SNR的增大提高了用户接收端的信干噪比值，使得同等带宽下支持的数据传输速率得以提升，从而有效提高了频谱的利用率。同样，基于PDMA技术的卫星通信系统保证了用户端等效接收分集度的一致性，整体上提高了可用资源块上可承载的数据流量，使得谱效最高；与PD-NOMA和MUSA相比，SCMA系统基于稀疏码本设计原则将谱效分别提高了1.9倍和0.9倍；由于PD-NOMA单纯的采用功率域分配方案，对于星地之间的长链路来说，不同用户得到相近的功率因子，从而导致用户间的干扰最大，频谱利用率最低。
4结论
为了满足卫星通信网络多连接、高谱效的需求，本文对NOMA技术在卫星通信系统中应用的可行性进行了对比分析，并通过仿真进一步验证了理论分析，同时从传输可靠性和资源利用率方面对多种NOMA技术在卫星通信系统中的性能进行了对比。结果显示，PDMA系统基于多维资源组合方式的特征图样及收发端联合设计原则，具有最高的传输可靠性和频谱资源利用率；SCMA系统采用稀疏码扩频技术，传输性能介于PDMA和MUSA之间；而PD-NOMA系统仅仅在功率域复用，用户间的干扰较强，因此传输性能最差。但是在算法以及硬件结构复杂度上，PDMA系统需要对多维资源上承载的信号进行叠加和检测，图样叠加矩阵难以精确估计，算法实现最复杂；而PD-NOMA系统技术实现较为容易，硬件结构简单。SCMA系统码本设计灵活，具有较强的业务适应能力，并且接收端可以采用复杂度相对较低的MPA算法进行译码。因此综合来看，与另外三种NOMA技术相对比，SCMA更加适用于资源受限的卫星通信系统。后续将重点开发卫星试验平台，以验证NOMA技术在实际卫星通信网络环境中的应用能力。
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作者简介王静贤（1989—），女，河北，博士，中国电子科学研究院，主要研究方向为天地一体化信息网络、移动通信网络，无线资源管理技术等；
冯旭（1987—），男，河北，高级工程师，中国电子科学研究院，主要研究方向为计算机网络，卫星通信网络；
成俊峰（1991—），女，河北，硕士，中国电子科学研究院，主要研究方向为无线通信、天地一体化信息网络；
张 景（1974—），男，广东，研究员高工，中国电子科学研究院，主要研究方向为基于5G移动通信技术体制的卫星无线接入网技术、基于4G/5G技术体制的时敏专网、移动边缘计算技术在行业中的应用等。