面向新型混合星地网络的资源分配与性能分析

摘要

近几十年来，卫星通信以其覆盖范围广、组网灵活以及不易受灾害影响等优点，为地面光纤或蜂窝网络服务不到的偏远地区和应急通信场景提供覆盖。然而，卫星通信对视距传输依赖性强、系统容量有限等缺点，极大程度地限制了卫星通信的推广和发展。因此，利用地面网络基础设施丰富、传输速率高等优点对卫星网络进行补充，即将二者相结合形成混合星地网络，可实现高速移动宽带网络的全天候无缝覆盖，是通信网络发展的必然趋势。但是传统混合星地网络存在以下两个问题：首先，网络中卫星和地面部分采用各自的网络管理中心和不同的空口技术，系统兼容性差且资源无法得到全局优化；此外，卫星和地面部分采用相互独立的频谱管理方案，易导致频谱资源在时间和空间上的浪费。针对上述问题，本文对一体化星地网络和认知星地网络两种新型混合星地网络架构开展研究。 在一体化星地网络中，通过采用统一的管控中心和相互兼容的空中接口，可以对系统资源实现一体化综合处理，且卫星和地面网络之间允许使用同一频段。在认知星地网络中，通过引入认知无线电技术使得卫星网络和地面网络间可实现灵活的频谱共享，有效缓解了有限频谱与日益增长的宽带服务需求间的矛盾。相比于传统混合星地网络，两种新型混合星地网络架构在提升网络兼容性、管理灵活性及频谱资源利用率的同时，其场景多样化、干扰环境复杂等特点也对网络资源分配带来了新的挑战。此外，由于混合星地网络中卫星通信和地面通信在信道衰落等方面存在较大差异，如何准确地对网络性能进行评估和分析是混合星地网络面临的又一难题。本文针对一体化星地网络和认知星地网络两种新型网络架构的资源分配与传输性能分析展开研究，取得的主要成果包括： 1.针对一体化星地网络提出了一种高能效的自适应传输机制。现有星地网络中，卫星可直接与地面目的节点通信或借助地面中继节点进行协作传输。直传模式下星地链路因严重的阴影效应存在误符号率高、传输速率低等问题，而协作传输虽然可通过分集增益提升传输可靠性，其中继节点额外的功率消耗易带来能量效率低的问题。因此，本文综合考虑卫星通信对于能效和传输可靠性的需求，提出了一种基于误符号率约束的高能效自适应传输机制。首先对直传和协作传输两种传输模式的误码性能进行了理论分析，得到了平均误符号率和渐进误码率的闭式表达式。在此基础上，本文以能量效率最大化为优化目标，传输误符号率为约束对提出的自适应传输机制进行优化建模，并研究了优化问题中涉及的能量效率、频谱效率和误符号率间的折中关系。为了更直观的反映系统参数对传输模式的影响，我们对经济效益这一综合指标进行了分析和讨论。本文提出的自适应传输方案可根据通信场景所处的具体环境灵活地选择传输模式，可在保障系统传输可靠性的前提下，大幅提升系统能量效率。此外，经济效益指标可作为一个有效量化能量效率与频谱效率间折中关系的综合指标，在系统参数设置方面具有重要的工程意义。 2.针对认知星地网络中两种典型通信场景，分别在保障初级通信质量的前提下对次级通信的性能进行了理论分析。首先，场景一是地面通信作为次级用户接入初级卫星通信的工作频段，此时蜂窝基站端需通过功率控制保障卫星接收端的干扰功率约束，同时蜂窝小区边缘用户会受到来自卫星通信的系统间共信道干扰（co-channel interference,CCI）以及周围小区的系统内CCI。通过求解该混合CCI的统计特性，我们分析了小区边缘用户的中断性能，得到了中断概率的闭式表达式。其次，场景二是卫星通信作为次级用户接入地面初级通信的工作频段，考虑到地面通信强加的干扰功率约束及卫星信道的阴影衰落可能导致卫星通信传输性能差的问题，我们将协作通信引入到认知星地网络中。由于协作通信中信噪比形式复杂且星地链路分布中存在特殊函数，传统基于概率密度函数的理论分析方法不适用，因此我们提出一种基于矩母函数理论的推导方法。根据矩母函数定义，将一个三变量联合分布问题分解成一个单变量和双变量分布问题，并得到了中断概率和误符号率的闭式表达式。仿真结果证实了理论分析的正确性，并给出了衰落情况、干扰功率约束等系统参数对于网络性能的影响。 3.研究了面向服务质量（Quality-of-Service,QoS）保障和干扰功率约束的认知星地网络。现有关于认知星地网络的研究主要围绕如何最大化系统频谱效率或能量效率展开，并未考虑到不同业务的时延QoS保障不同，不能满足未来宽带卫星网络的服务需求。针对这一问题，本文首先从有效容量角度分析了次级卫星通信在保障一定时延QoS需求时可支持的吞吐量。在此基础上，综合考虑卫星通信对于低能耗和不同时延QoS保障的需求，提出了一种最大化有效容量效率的功率优化方案。通过Charnes-Cooper理论我们首先将凹-凸的分数规划问题转化为凸优化问题，并利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件得到了最优发送功率的表达式。为了进一步从理论上评估时延指数、干扰约束等参数对于系统性能的影响，我们基于得到的发送功率的最优解，对系统中断性能进行了分析，最终得到了中断概率的闭式表达式。仿真结果不仅验证了理论分析的正确性，还表明该方案可在同时保障初级地面通信干扰约束和卫星通信不同统计QoS约束的前提下，支持无线衰落信道上多媒体业务的实时传输。

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第一章 绪论

1.2混合星地网络的概况

1.3混合星地网络的发展

1.3.1传统混合星地网络存在的问题

1.3.2新型混合星地网络架构

1.4论文的主要工作和章节安排

1.4.1本文的主要工作

1.4.2本文的章节安排

第二章 新型混合星地网络介绍

2.2.1一体化星地网络特点

2.2.2一体化星地网络面临的主要挑战与研究现状

2.3认知星地网络

2.3.1认知星地网络特点

2.3.2认知星地网络面临的主要挑战与研究现状

2.4星地链路模型

2.4.1阴影莱斯（Shadowed-Rician）信道模型

2.4.2Generalized-K 信道模型

2.5本章小结

第三章 一体化星地网络中高能效自适应传输机制

3.2系统模型

3.2.1直传模式

3.2.2协作模式

3.3不同传输模式下的误码性能分析

3.3.1不同传输模式下的平均误码性能分析

3.3.2不同传输模式下的渐进误码性能分析

3.4基于误符号率约束的高能效自适应传输机制

3.4.1频谱效率与能量效率

3.4.2优化问题建模与分析

3.4.3基于经济效益的自适应传输机制分析

3.5仿真结果

3.6本章小结

第四章 面向干扰约束的认知星地网络性能分析

4.2地面通信为次级用户的认知星地网络性能分析

4.2.1系统模型

4.2.2干扰约束及混合共信道干扰下中断性能分析

4.2.3仿真结果

4.3卫星通信为次级用户的认知星地协作网络性能分析

4.3.1系统模型

4.3.2干扰约束下基于矩母函数的误码与中断性能分析

4.3.3仿真结果

4.4本章小结

第五章 面向时延 QoS 保障和干扰约束的认知星地网络功率优化与性能分析

5.2系统模型

5.3统计时延 QoS 保障机制

5.4面向时延 QoS 保障和干扰约束的有效容量分析

5.4.1有效容量理论推导

5.4.2仿真结果

5.5面向时延 QoS 保障和干扰约束的功率优化与分析

5.5.1功率优化方案

5.5.2基于最优功率的中断性能分析

5.5.3仿真结果

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

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