發(fā)布時(shí)間：2020-05-05 14:16

【摘要】：近幾十年來(lái),衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活以及不易受災(zāi)害影響等優(yōu)點(diǎn),為地面光纖或蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)和應(yīng)急通信場(chǎng)景提供覆蓋。然而,衛(wèi)星通信對(duì)視距傳輸依賴性強(qiáng)、系統(tǒng)容量有限等缺點(diǎn),極大程度地限制了衛(wèi)星通信的推廣和發(fā)展。因此,利用地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施豐富、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充,即將二者相結(jié)合形成混合星地網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的全天候無(wú)縫覆蓋,是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是傳統(tǒng)混合星地網(wǎng)絡(luò)存在以下兩個(gè)問(wèn)題:首先,網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星和地面部分采用各自的網(wǎng)絡(luò)管理中心和不同的空口技術(shù),系統(tǒng)兼容性差且資源無(wú)法得到全局優(yōu)化;此外,衛(wèi)星和地面部分采用相互獨(dú)立的頻譜管理方案,易導(dǎo)致頻譜資源在時(shí)間和空間上的浪費(fèi)。針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)一體化星地網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)兩種新型混合星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開(kāi)展研究。在一體化星地網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)采用統(tǒng)一的管控中心和相互兼容的空中接口,可以對(duì)系統(tǒng)資源實(shí)現(xiàn)一體化綜合處理,且衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)之間允許使用同一頻段。在認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)引入認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)間可實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜共享,有效緩解了有限頻譜與日益增長(zhǎng)的寬帶服務(wù)需求間的矛盾。相比于傳統(tǒng)混合星地網(wǎng)絡(luò),兩種新型混合星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在提升網(wǎng)絡(luò)兼容性、管理靈活性及頻譜資源利用率的同時(shí),其場(chǎng)景多樣化、干擾環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源分配帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。此外,由于混合星地網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信和地面通信在信道衰落等方面存在較大差異,如何準(zhǔn)確地對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估和分析是混合星地網(wǎng)絡(luò)面臨的又一難題。本文針對(duì)一體化星地網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)兩種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的資源分配與傳輸性能分析展開(kāi)研究,取得的主要成果包括:1.針對(duì)一體化星地網(wǎng)絡(luò)提出了一種高能效的自適應(yīng)傳輸機(jī)制�，F(xiàn)有星地網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星可直接與地面目的節(jié)點(diǎn)通信或借助地面中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作傳輸。直傳模式下星地鏈路因嚴(yán)重的陰影效應(yīng)存在誤符號(hào)率高、傳輸速率低等問(wèn)題,而協(xié)作傳輸雖然可通過(guò)分集增益提升傳輸可靠性,其中繼節(jié)點(diǎn)額外的功率消耗易帶來(lái)能量效率低的問(wèn)題。因此,本文綜合考慮衛(wèi)星通信對(duì)于能效和傳輸可靠性的需求,提出了一種基于誤符號(hào)率約束的高能效自適應(yīng)傳輸機(jī)制。首先對(duì)直傳和協(xié)作傳輸兩種傳輸模式的誤碼性能進(jìn)行了理論分析,得到了平均誤符號(hào)率和漸進(jìn)誤碼率的閉式表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,本文以能量效率最大化為優(yōu)化目標(biāo),傳輸誤符號(hào)率為約束對(duì)提出的自適應(yīng)傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化建模,并研究了優(yōu)化問(wèn)題中涉及的能量效率、頻譜效率和誤符號(hào)率間的折中關(guān)系。為了更直觀的反映系統(tǒng)參數(shù)對(duì)傳輸模式的影響,我們對(duì)經(jīng)濟(jì)效益這一綜合指標(biāo)進(jìn)行了分析和討論。本文提出的自適應(yīng)傳輸方案可根據(jù)通信場(chǎng)景所處的具體環(huán)境靈活地選擇傳輸模式,可在保障系統(tǒng)傳輸可靠性的前提下,大幅提升系統(tǒng)能量效率。此外,經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)可作為一個(gè)有效量化能量效率與頻譜效率間折中關(guān)系的綜合指標(biāo),在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置方面具有重要的工程意義。2.針對(duì)認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)中兩種典型通信場(chǎng)景,分別在保障初級(jí)通信質(zhì)量的前提下對(duì)次級(jí)通信的性能進(jìn)行了理論分析。首先,場(chǎng)景一是地面通信作為次級(jí)用戶接入初級(jí)衛(wèi)星通信的工作頻段,此時(shí)蜂窩基站端需通過(guò)功率控制保障衛(wèi)星接收端的干擾功率約束,同時(shí)蜂窩小區(qū)邊緣用戶會(huì)受到來(lái)自衛(wèi)星通信的系統(tǒng)間共信道干擾(co-channel interference,CCI)以及周圍小區(qū)的系統(tǒng)內(nèi)CCI。通過(guò)求解該混合CCI的統(tǒng)計(jì)特性,我們分析了小區(qū)邊緣用戶的中斷性能,得到了中斷概率的閉式表達(dá)式。其次,場(chǎng)景二是衛(wèi)星通信作為次級(jí)用戶接入地面初級(jí)通信的工作頻段,考慮到地面通信強(qiáng)加的干擾功率約束及衛(wèi)星信道的陰影衰落可能導(dǎo)致衛(wèi)星通信傳輸性能差的問(wèn)題,我們將協(xié)作通信引入到認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)中。由于協(xié)作通信中信噪比形式復(fù)雜且星地鏈路分布中存在特殊函數(shù),傳統(tǒng)基于概率密度函數(shù)的理論分析方法不適用,因此我們提出一種基于矩母函數(shù)理論的推導(dǎo)方法。根據(jù)矩母函數(shù)定義,將一個(gè)三變量聯(lián)合分布問(wèn)題分解成一個(gè)單變量和雙變量分布問(wèn)題,并得到了中斷概率和誤符號(hào)率的閉式表達(dá)式。仿真結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性,并給出了衰落情況、干擾功率約束等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的影響。3.研究了面向服務(wù)質(zhì)量(Quality-of-Service,QoS)保障和干擾功率約束的認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)有關(guān)于認(rèn)知星地網(wǎng)絡(luò)的研究主要圍繞如何最大化系統(tǒng)頻譜效率或能量效率展開(kāi),并未考慮到不同業(yè)務(wù)的時(shí)延QoS保障不同,不能滿足未來(lái)寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)需求。針對(duì)這一問(wèn)題,本文首先從有效容量角度分析了次級(jí)衛(wèi)星通信在保障一定時(shí)延QoS需求時(shí)可支持的吞吐量。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮衛(wèi)星通信對(duì)于低能耗和不同時(shí)延QoS保障的需求,提出了一種最大化有效容量效率的功率優(yōu)化方案。通過(guò)Charnes-Cooper理論我們首先將凹-凸的分?jǐn)?shù)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題,并利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件得到了最優(yōu)發(fā)送功率的表達(dá)式。為了進(jìn)一步從理論上評(píng)估時(shí)延指數(shù)、干擾約束等參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響,我們基于得到的發(fā)送功率的最優(yōu)解,對(duì)系統(tǒng)中斷性能進(jìn)行了分析,最終得到了中斷概率的閉式表達(dá)式。仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了理論分析的正確性,還表明該方案可在同時(shí)保障初級(jí)地面通信干擾約束和衛(wèi)星通信不同統(tǒng)計(jì)QoS約束的前提下,支持無(wú)線衰落信道上多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN927.2

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本文編號(hào)：2650283