[论文解读] Robust Design for NOMA-based Multi-Beam LEO Satellite Internet of Things

Jianhang Chu, Xiaoming Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Satellite Communication Systems参考文献 39被引用 8

一句话总结

本文提出两种针对非正交多址（NOMA）的多波束低地球轨道（LEO）卫星物联网网络的鲁棒波束成形算法，旨在在信道相位不确定性条件下最小化总发射功率。通过利用来自设备经网关反馈的非完美信道状态信息（CSI），该算法确保了非关键与关键物联网应用的可靠性能，相较于传统的TDMA和CDMA方案展现出显著的鲁棒性与功率节省优势。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the issue of massive access in a beyond fifth-generation (B5G) multi-beam low earth orbit (LEO) satellite internet of things (IoT) network in the presence of channel phase uncertainty due to channel state information (CSI) conveyance from the devices to the satellite via the gateway. Rather than time division multiple access (TDMA) or frequency division multiple access (FDMA) with multi-color pattern, a new non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme is adopted to support massive IoT distributed over a very wide range. Considering the limited energy on the LEO satellite, two robust beamforming algorithms against channel phase uncertainty are proposed for minimizing the total power consumption in the scenarios of noncritical IoT applications and critical IoT applications, respectively. Both thoeretical analysis and simulation results validate the effectiveness and robustness of the proposed algorithms for supporting massive access in satellite IoT.

研究动机与目标

• 解决在频谱和能量资源有限的多波束LEO卫星网络中大规模物联网接入的挑战。
• 克服因设备经网关向卫星反馈非完美CSI而导致的信道相位不确定性所引起的性能下降。
• 设计在现实信道不确定性条件下，针对非关键与关键物联网应用的鲁棒波束成形算法，以最小化总发射功率。
• 通过采用NOMA而非传统正交多址（OMA）方案，在高密度、广域物联网部署中确保服务质量（QoS）并实现干扰抑制。

提出的方法

• 提出一种在信道相位不确定性条件下，针对基于NOMA的多波束LEO卫星物联网网络的鲁棒波束成形设计。
• 建立两个优化问题：一个针对非关键物联网采用平均信干噪比（SINR）约束，另一个针对关键物联网采用中断概率约束。
• 利用半定松弛（SDR）与连续凸逼近（SCA）方法，高效求解非凸优化问题。
• 通过将相位不确定性建模为CSI中的有界误差，将其纳入波束成形设计，从而增强对信道估计误差的鲁棒性。
• 提出一种鲁棒设计框架，即使实际信道偏离估计的CSI，也能维持服务质量。
• 将所提算法与传统方案（如TDMA、零 forcing（ZF）波束成形和S-Bounding方法）进行对比，以验证性能优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在信道相位不确定性条件下，为基于NOMA的多波束LEO卫星物联网网络设计鲁棒波束成形？
• RQ2 相位误差对波束成形性能有何影响？如何通过设计缓解该影响以维持QoS？
• RQ3 与传统的OMA方案（如TDMA和CDMA）相比，所提出的鲁棒波束成形算法在功率效率与可靠性方面表现如何？
• RQ4 在信道不确定性条件下，关键物联网应用中功率消耗与中断概率之间的权衡关系是什么？
• RQ5 与非鲁棒波束成形相比，鲁棒设计在非完美CSI下能将性能退化降低到何种程度？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形算法相较于TDMA和ZF波束成形，显著降低了总发射功率，尤其在高SINR需求条件下优势明显。
• 算法1（平均SINR约束）在低至中等SINR范围内优于ZF波束成形，展现出更优的干扰管理能力。
• 算法2（中断概率约束）的功耗低于S-Bounding方法，证明其在关键应用场景中的有效性。
• 即使在5°相位不确定性条件下，所提算法与完美CSI情况下的性能差距极小，验证了其强大的鲁棒性。
• 与非鲁棒波束成形相比，鲁棒设计显著降低了中断概率，尤其在高相位误差下，确保了可靠的QoS。
• 在高SINR和高用户数条件下，NOMA系统相比CDMA功耗显著更低，支持每个资源块内更多设备接入。