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Ergodic sum rate for uplink NOMA transmission in satellite-aerial-ground integrated networks

Chinese Journal of Aeronautics 2022年第9期35卷 58-70页

作者： huaicong kong Min LIN Jian ZHANG Jian OUYANG Jun-Bo WANG Prabhat K.UPADHYAY College of Telecommunications and Information Engineering Nanjing University of Posts and TelecommunicationsNanjing 210003China National Mobile Communications Research Laboratory Southeast UniversityNanjing 210096China Discipline of Electrical Engineering Indian Institute of Technology IndoreIndore 453552India

The application of Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA) technology into satelliteaerial-ground integrated networks can meet the requirements of ultra-high rate and massive connectivity for the Sixth-Generation(6G) communication systems. We consider an uplink NOMA scenario for such a satellite-aerial-ground integrated network where multiple users communicate with satellite under the help of an Unmanned Aerial Vehicle(UAV) as an aerial relay equipped with a phased array. Supposing that buffer-aided decode-and-forward protocol is adopted at the UAV relay, we first formulate an optimization problem to maximize Ergodic Sum Rate(ESR) of the considered system subject to individual power constraint and quality-of-service constraint of each ***, with known imperfect channel state information of each user, we propose a joint power allocation and robust Beam Forming(BF) iterative algorithm to maximize ESR for the user-to-UAV link. Besides, to take the advantages of Free-Space Optical(FSO) and millimeter Wave(mmWave)communications, we present a switch-based hybrid FSO/mmWave scheme and a robust BF algorithm for the UAV-to-satellite link to achieve higher rate. Moreover, a closed-form ESR expression is derived. Finally, the effectiveness and correctness of the proposed solutions are verified by numerical simulations, and the performance evaluation results show that the proposed solutions not only achieve performance enhancement and robustness, but also outperform the orthogonal multiple access significantly.

关键词： BeamForming(BF) Ergodic Sum Rate(ESR) Hybrid FSO/mmWave Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA) Satellite-aerial-ground integrated network The Sixth-Generation(6G)communication system

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Forward link outage performance of aeronautical broadband satellite communications

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Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering 2021年第6期22卷 790-801页

作者： huaicong kong Min LIN Shiwen HE Xiaoyu LIU Jian OUYANG Weiping ZHU College of Telecommunications and Information Engineering Nanjing University of Posts and TelecommunicationsNanjing 210003China School of Computer Science and Engineering Central South UniversityChangsha 410083China Purple Mountain Laboratories Nanjing 210096China Department of Electrical and Computer Engineering Concordia UniversityMontrealQC H3G 1M8Canada

High-throughput satellites(HTSs) play an important role in future millimeter-wave(mm Wave) aeronautical communication to meet high speed and broad bandwidth requirements. This paper investigates the outage performance of an aeronautical broadband satellite communication system’s forward link, where the feeder link from the gateway to the HTS uses free-space optical(FSO) transmission and the user link from the HTS to aircraft operates at the mm Wave band. In the user link, spot beam technology is exploited at the HTS and a massive antenna array is deployed at the aircraft. We first present a location-based beamforming(BF) scheme to maximize the expected output signal-to-noise ratio(SNR) of the forward link with the amplify-and-forward(AF) protocol,which turns out to be a phased array. Then, by supposing that the FSO feeder link follows Gamma-Gamma fading whereas the mm Wave user link experiences shadowed Rician fading, we take the influence of the phase error into account, and derive the closed-form expression of the outage probability(OP) for the considered system. To gain further insight, a simple asymptotic OP expression at a high SNR is provided to show the diversity order and coding gain. Finally, numerical simulations are conducted to confirm the validity of the theoretical analysis and reveal the effects of phase errors on the system outage performance.

关键词： Aeronautical broadband satellite network Free-space optical(FSO)transmission High throughput mmWave communication Outage probability Phase error

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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

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电子与信息学报 2022年第9期44卷 3033-3042页

作者：林敏朱丽文孔槐聪郭克锋欧阳键南京邮电大学通信与信息工程学院南京210003 航天工程大学航天信息学院北京101407

针对无人机(UAV)辅助的卫星通信系统下行链路,该文研究了基于多天线波束成形和协作非正交多址(NOMA)技术相结合的多用户传输系统。首先,在UAV采用多天线和NOMA技术服务多个用户的情况下,基于用户平均信干噪比最大化准则,提出一种利用角... 详细信息

针对无人机(UAV)辅助的卫星通信系统下行链路,该文研究了基于多天线波束成形和协作非正交多址(NOMA)技术相结合的多用户传输系统。首先,在UAV采用多天线和NOMA技术服务多个用户的情况下,基于用户平均信干噪比最大化准则,提出一种利用角度信息的波束成形方案。其次,在卫星-UAV链路服从相关阴影莱斯分布,而UAV-地面用户链路服从Nakagami-m分布的条件下,推导出系统的中断概率闭合表达式。然后,为了进一步分析系统性能,还推导了高信噪比条件下系统的中断概率近似表达式。最后,计算机仿真验证了理论分析的正确性和所提方案的优越性。

关键词：卫星通信无人机协作传输非正交多址波束成形

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基于中继选择的星地协作传输系统性能分析

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系统工程与电子技术 2020年第1期42卷 198-205页

作者：孔槐聪林敏刘笑宇吴雪雯王金元南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室江苏南京210003

由于星地混合协作网络(hybrid satellite-terrestrial cooperative network,HSTCN)能显著提升卫星通信的服务质量,近年来受到了国内外学者的广泛关注,分析了基于中继选择的星地协作传输系统的性能。首先,在卫星和地面用户之间存在直达链... 详细信息

由于星地混合协作网络(hybrid satellite-terrestrial cooperative network,HSTCN)能显著提升卫星通信的服务质量,近年来受到了国内外学者的广泛关注,分析了基于中继选择的星地协作传输系统的性能。首先,在卫星和地面用户之间存在直达链路,并且所有中继节点在采用门限判断译码转发协议辅助卫星通信的情况下,得到用户端经过最大比合并后的输出信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)表达式。其次,针对卫星信道服从阴影莱斯分布,而地面信道服从Nakagami-m分布,推导出随机选择和最佳选择两种中继选择策略下系统的中断概率闭合表达式。接着,进一步得到高信噪比条件下中断概率的近似表达式,为分析各种参数对系统性能的影响提供了更加便捷的方法。最后,计算机仿真不仅验证了理论推导的正确性,而且定量分析了协作传输带来的好处,从而为HSTCN技术的实际应用提供理论依据。

关键词：星地混合协作网络译码转发中继选择性能分析

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基于Q学习的星地融合协作传输中继选择策略

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应用科学学报 2021年第2期39卷 250-260页

作者：汪萧萧孔槐聪朱卫平林敏南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室江苏南京210003

协作网络中的中继技术能够实现空间分集,但中继选择会对系统性能产生较大影响。针对这一问题,本文提出了一种基于Q学习的星地融合协作传输中继选择策略。首先,所有中继节点在经过放大转发协议的情况下,在接收端得到最大比合并后的输出... 详细信息

协作网络中的中继技术能够实现空间分集,但中继选择会对系统性能产生较大影响。针对这一问题,本文提出了一种基于Q学习的星地融合协作传输中继选择策略。首先,所有中继节点在经过放大转发协议的情况下,在接收端得到最大比合并后的输出信噪比表达式。然后,设定Q学习的状态、动作和奖励函数,选择累积回报最大的中继节点。接着,为了遍历所有状态,引入了Boltzmann选择策略,用概率的途径来选择动作,使源节点探索所有状态并利用最优状态。最后,在所选中继节点与源节点之间进行功率分配得到最优传输功率。仿真结果表明:与随机中继选择算法相比,所提出的Q学习中继选择策略对系统性能有较大地提升。

关键词：星地融合协作网络中继选择 Q学习 Boltzmann选择策略功率分配

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基于上/下行NOMA的卫星通信系统遍历容量分析

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南京航空航天大学学报 2023年第5期55卷 780-788页

作者：谈苗苗孔槐聪黄庶沛程铭林敏南京邮电大学通信与信息工程学院南京210003

卫星通信作为实现广域覆盖和泛在连接不可或缺的一种手段,在民航空管、应急通信等实际应用中扮演着重要的角色。为了提升卫星通信系统的频谱效率和传输速率,首先将点波束和非正交多址(Non-orthogonal multiple access,NOMA)技术相结合,... 详细信息

卫星通信作为实现广域覆盖和泛在连接不可或缺的一种手段,在民航空管、应急通信等实际应用中扮演着重要的角色。为了提升卫星通信系统的频谱效率和传输速率,首先将点波束和非正交多址(Non-orthogonal multiple access,NOMA)技术相结合,提出了一种高效的上/下行NOMA传输方案。其次,在假设卫星链路服从阴影莱斯(Shadowed-Rician,SR)分布,同时接收端采用完美和非完美串行干扰消除(Successive interference cancellation,SIC)的情况下,推导出所提方案的卫星系统遍历容量闭合表达式。最后,仿真结果验证了理论分析的正确性以及所提方案相较于正交多址方案获得的性能提升,并进一步分析了信道衰落系数、功率分配系数和残余干扰程度等因素对系统遍历容量的影响。

关键词：卫星通信非正交多址遍历容量非完美串行干扰消除

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基于门限判断机会调度的多用户PLC/RF系统性能分析

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2023年第1期43卷 29-37页

作者：徐天刘笑宇孔槐聪朱丽文林敏南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003

针对融入译码转发中继技术的混合电力线通信(Power Line Communication, PLC)与射频(Radio-Frequency, RF)传输系统,首先提出了一种基于门限判断的多用户机会调度方案。其次,在PLC和RF链路信道衰落分别服从对数正态分布和相关莱斯分布... 详细信息

针对融入译码转发中继技术的混合电力线通信(Power Line Communication, PLC)与射频(Radio-Frequency, RF)传输系统,首先提出了一种基于门限判断的多用户机会调度方案。其次,在PLC和RF链路信道衰落分别服从对数正态分布和相关莱斯分布的条件下,推导出采用所提调度方案的PLC/RF系统中断概率和归一化平均反馈负载的闭合表达式。接着,还通过分析高信噪比条件下系统中断概率的渐进性能,得到系统分集度和阵列增益的简单闭合表达式。最后,计算机仿真不仅验证了理论分析的正确性,而且进一步揭示了所提方案能够在尽量减少反馈负载的同时获得较优的中断性能,从而为实际的系统设计提供参考和依据。

关键词：电力线通信射频通信多用户调度中断概率

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多用户卫星通信系统的中断性能分析

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系统工程与电子技术 2020年第9期42卷 2123-2129页

作者：廖向荣林敏刘笑宇孔槐聪李雄飞吴晓欢南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 中国空间技术研究院西安分院西安710000

针对卫星通信系统,分析了基于门限判断放大转发(amplify-and-forward,AF)协议情况下的系统中断性能。首先,考虑星载天线增益和卫星链路损耗,并假设卫星链路的小尺度衰落服从阴影莱斯(shadowed-Rician,SR)分布,推导出多用户卫星通信系统... 详细信息

针对卫星通信系统,分析了基于门限判断放大转发(amplify-and-forward,AF)协议情况下的系统中断性能。首先,考虑星载天线增益和卫星链路损耗,并假设卫星链路的小尺度衰落服从阴影莱斯(shadowed-Rician,SR)分布,推导出多用户卫星通信系统的中断概率闭合表达式。然后,为了便于进一步分析系统的性能,推导出高信噪比(signal noise ratio,SNR)条件下系统中断概率的渐近表达式,得到系统的分集度和编码增益的解析表达式。最后,计算机仿真验证了理论分析的正确性,并分析了用户数和信道参数对多用户卫星通信系统性能的影响,从而为实际系统设计提供了参考和依据。

关键词：多用户卫星通信放大转发阴影莱斯中断概率

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基于NOMA的卫星通信半免授权传输性能分析

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2024年第5期44卷 19-27页

作者：郭焱林敏谈苗苗孔槐聪程铭南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003

卫星通信能够为地面用户提供广域范围、随遇接入的通信服务,近年来备受国内外学者的关注。文中研究了采用半免授权(SGF)传输方案的卫星通信系统的性能。根据卫星通信的特点,利用用户的统计信道状态信息,提出了一种基于上行非正交多址(NO... 详细信息

卫星通信能够为地面用户提供广域范围、随遇接入的通信服务,近年来备受国内外学者的关注。文中研究了采用半免授权(SGF)传输方案的卫星通信系统的性能。根据卫星通信的特点,利用用户的统计信道状态信息,提出了一种基于上行非正交多址(NOMA)的SGF传输方案,从而提高系统的频谱效率和接入能力。假设卫星链路服从阴影莱斯分布,分别考虑移动终端采用随机接入和分布式争用两种方式的情况,推导出地球站和移动终端的中断概率以及整个系统吞吐量的闭合表达式。仿真结果验证了理论分析的正确性和所提方案的优越性,并定量分析了用户数、目标数据速率等典型参数对系统性能的影响。

关键词：卫星通信统计信道状态信息非正交多址接入半免授权传输阴影莱斯衰落

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采用混合多址技术的卫星系统反向链路遍历容量分析

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2023年第4期43卷 16-25页

作者：郭焱孔槐聪廖向荣林敏欧阳键南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京210003 中国移动(苏州)软件技术有限公司江苏苏州215009

近年来,点波束和非正交多址接入技术作为提升卫星系统资源利用率和传输速率的有效手段,受到了工业界和学术界的广泛关注。文中提出了一种联合时域⁃功率域的混合多址接入技术的多用户卫星通信系统传输方案,并对其反向链路的遍历容量进行... 详细信息

近年来,点波束和非正交多址接入技术作为提升卫星系统资源利用率和传输速率的有效手段,受到了工业界和学术界的广泛关注。文中提出了一种联合时域⁃功率域的混合多址接入技术的多用户卫星通信系统传输方案,并对其反向链路的遍历容量进行了分析。首先,结合点波束技术将卫星覆盖范围内的多个用户分为若干个组,组内用户采用非正交多址技术,每个用户组采用时分多址技术,从而获得更高的频谱效率。其次,为了验证所提传输方案的性能,在卫星采用放大转发协议和卫星链路服从阴影莱斯分布的条件下,推导出卫星系统反向链路遍历容量的闭合表达式。最后,计算机仿真验证了理论分析的正确性,以及所提传输方案相较于现有调度方案在提升系统容量方面具有的优势,从而为实际的方案设计和工程应用提供参考。

关键词：卫星通信放大转发协议混合多址接入阴影莱斯信道

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