摘要：隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的增加，星地混合網(wǎng)絡(luò)以其性能優(yōu)勢(shì)和空間優(yōu)勢(shì)吸引了大量學(xué)者的關(guān)注，然而，實(shí)現(xiàn)高速率高質(zhì)量通信的同時(shí)也會(huì)降低雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。因此，能量受限一直阻礙著星地混合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)這一問(wèn)題提出了一種基于無(wú)線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸方法。首先推導(dǎo)了衛(wèi)星終端和用戶終端的可達(dá)速率，其次引入無(wú)線攜能技術(shù)，推導(dǎo)出雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量效率，并利用蒙特卡洛仿真，對(duì)該系統(tǒng)的能量性能進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，無(wú)線攜能技術(shù)能夠有效地降低系統(tǒng)能量消耗，依據(jù)實(shí)際通信環(huán)境合理設(shè)置中繼發(fā)射功率將有助于提高系統(tǒng)能量效率。

　　關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信;雙向中繼;能量收集;能量效率

　　引言

　　衛(wèi)星通信可以為全球用戶提供無(wú)障礙和高速?gòu)V播接入，特別是在降低寬帶成本、導(dǎo)航、應(yīng)急救援等方面。相應(yīng)地，星地混合網(wǎng)絡(luò)(ybridatelliteterrestrialetwork，HSTN)以其性能優(yōu)勢(shì)和空間優(yōu)勢(shì)受到了極大的關(guān)注。HSTN是由Evens等人在文獻(xiàn)[1]中首次提出。文獻(xiàn)[2]中推導(dǎo)了陰影萊斯衰落信道中信噪比的概率密度函數(shù)(ProbabilityDensityFunction，PDF)和累積分布函數(shù)(CumulativeDistributionFunction，CDF)的閉合表達(dá)式;文獻(xiàn)[3]分析了硬件損傷對(duì)星地雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的影響;文獻(xiàn)[4]在單地面站星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，分析了分布式空時(shí)編碼的性能。

　　為有效克服星地鏈路嚴(yán)重的遮蔽效應(yīng)，文獻(xiàn)[56]中提出了中繼星地混合網(wǎng)絡(luò)。然而，考慮到傳統(tǒng)四時(shí)隙雙向中繼通信中星地鏈路的高時(shí)延問(wèn)題，Muhammad等人率先將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(PhysicallayerNetworkCoding，PNC)和模擬網(wǎng)絡(luò)編碼(AnalogNetworkCoding，ANC)引入雙向中繼星地協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，并分析了其性能。PNC的概念是由Zhang等人率先在雙向中繼信道場(chǎng)景中提出[8]。

　　考慮到信號(hào)能量的有效利用，早在2008年，Varshney在文獻(xiàn)中首次提出了無(wú)線攜能(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)的概念，接收端將射頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行信息譯碼(InformationDecoding,ID)和能量收集(nergyarvesing,EH)。對(duì)于無(wú)線攜能接收機(jī)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)10提出兩種有效的工作模式，即時(shí)間切換(TimeSwitching，TS)模式和功率劃分(PowerSplitting，PS)模式。

　　從功率角度考慮，PS模式將一部分功率用于信息譯碼，另一部分應(yīng)用于能量收集1112;從時(shí)間角度考慮，TS模式將一個(gè)通信周期劃分為兩個(gè)部分，一部分時(shí)間用于信息譯碼，另一部分應(yīng)用于能量收集1314。1網(wǎng)絡(luò)與信道模型網(wǎng)絡(luò)模型由衛(wèi)星終端源節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)終端中繼節(jié)點(diǎn)、用戶源節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分構(gòu)成。

　　假設(shè)嚴(yán)重的陰影和路徑損耗效應(yīng)導(dǎo)致衛(wèi)星終端與用戶之間無(wú)法建立可靠的通信線路，即沒有直接通信鏈路，因此必須通過(guò)移動(dòng)終端中繼，完成衛(wèi)星與用戶之間的信息交互。考慮到地面用戶能量受限問(wèn)題，將無(wú)線攜能技術(shù)引入到雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型中，構(gòu)成了基于無(wú)線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)已知完整信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)，且兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)、與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道具有對(duì)偶性。

　　2系統(tǒng)性能分析

　　上一小節(jié)討論了基于無(wú)線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程，本節(jié)將研究該系統(tǒng)的能量效率，以便更好地衡量系統(tǒng)的有效性。

　　3仿真分析

　　為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真結(jié)果的普適性，本文進(jìn)行了10次蒙特卡洛仿真以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能分析結(jié)果。考慮到信道大尺度衰落的影響，將路徑損耗系數(shù)設(shè)置為，衛(wèi)星終端到移動(dòng)中繼的距離為300km，移動(dòng)中繼到用戶終端的距離為20m，衛(wèi)星發(fā)射功率為43dBm，用戶發(fā)射功率為27dBm，移動(dòng)中繼發(fā)射功率默認(rèn)為30dBm。

　　幾種方案分別為本文推導(dǎo)的兩時(shí)隙物理層網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方案(PNC)、三時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方案(NC)及傳統(tǒng)四時(shí)隙路由傳輸方案。PNC方案的能量效率性能明顯優(yōu)于其他兩種傳輸方案，且種傳輸方案的能量效率均隨著中繼發(fā)射功率的增加，先增大后減小。出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因是，中繼系統(tǒng)可達(dá)和速率的增長(zhǎng)速度慢于中繼系統(tǒng)總消耗能量的增長(zhǎng)速度。

　　PNC方案的能量效率性能依然明顯優(yōu)于其他兩種傳輸方案，且隨著PS系數(shù)的增大，三種傳輸方案的能量效率逐漸增大，這是由于用戶終端將更多的信號(hào)接收功率用于信息譯碼。

　　PNC方案的收集能量性能明顯優(yōu)于其他兩種傳輸方案，這是因?yàn)樵谝粋�(gè)通信周期內(nèi)，PNC傳輸方案的能量收集時(shí)間優(yōu)于其他兩種方案，并且隨著中繼發(fā)射功率的增大，PNC傳輸方案優(yōu)勢(shì)更加明顯。

　　隨著PS系數(shù)的增大，三種傳輸方案的用戶終端收集能量均減小，這是因?yàn)殡S著PS系數(shù)的增大，用戶終端將更多功率用于信息譯碼，而將更少的功率用于能量收集。PNC傳輸方案的能量收集性能依然優(yōu)于其他兩種方案。

　　網(wǎng)絡(luò)論文范例：實(shí)際噪聲下基于時(shí)序卷積網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)來(lái)源識(shí)別

　　結(jié)束語(yǔ)

　　為了研究無(wú)線攜能技術(shù)在混合星地網(wǎng)絡(luò)中的可行性，本文建立了一種基于無(wú)線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)引入放大轉(zhuǎn)發(fā)方式的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)及SWIPT技術(shù)，提高了中繼系統(tǒng)的能量效率，并解決了用戶終端能量受限問(wèn)題。研究結(jié)果表明：①在三種傳輸方案中，中繼系統(tǒng)的能量效率均隨著中繼發(fā)射功率的增加而先增大后減小;②在三種傳輸方案中，中繼系統(tǒng)的能量效率均隨著PS系數(shù)的增大而增大;③依據(jù)實(shí)際通信環(huán)境合理設(shè)置中繼發(fā)射功率和PS系數(shù)將有效解決用戶終端能量受限問(wèn)題。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]EVANS,WERNERMLUTZetal.Integrationofatelliteanderrestrialystemsinutureultimediaommunications[J].WirelessCommunications,IEEE,200512(5):7280

　　[2]BHATNAGARMR,AM.OntheClosedFormPerformanceAnalysisofMaximalRatioCombininginShadowedRicianFadingLMSChannels[J].IEEECommunicationsLetters,2014,18(1):5457.

　　作者：李真，王鋼，楊明川，王金龍