摘要：隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展和用戶需求的增加，星地混合網(wǎng)絡以其性能優(yōu)勢和空間優(yōu)勢吸引了大量學者的關注，然而，實現(xiàn)高速率高質量通信的同時也會降低雙向中繼星地網(wǎng)絡的生存時間。因此，能量受限一直阻礙著星地混合網(wǎng)絡的實際應用，針對這一問題提出了一種基于無線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸方法。首先推導了衛(wèi)星終端和用戶終端的可達速率，其次引入無線攜能技術，推導出雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)的能量效率，并利用蒙特卡洛仿真，對該系統(tǒng)的能量性能進行了分析。仿真結果表明，無線攜能技術能夠有效地降低系統(tǒng)能量消耗，依據(jù)實際通信環(huán)境合理設置中繼發(fā)射功率將有助于提高系統(tǒng)能量效率。

　　關鍵詞：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障礙和高速廣播接入，特別是在降低寬帶成本、導航、應急救援等方面。相應地，星地混合網(wǎng)絡(ybridatelliteterrestrialetwork，HSTN)以其性能優(yōu)勢和空間優(yōu)勢受到了極大的關注。HSTN是由Evens等人在文獻[1]中首次提出。文獻[2]中推導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)的閉合表達式;文獻[3]分析了硬件損傷對星地雙向中繼網(wǎng)絡的影響;文獻[4]在單地面站星地協(xié)同網(wǎng)絡場景中，分析了分布式空時編碼的性能。

　　為有效克服星地鏈路嚴重的遮蔽效應，文獻[56]中提出了中繼星地混合網(wǎng)絡。然而，考慮到傳統(tǒng)四時隙雙向中繼通信中星地鏈路的高時延問題，Muhammad等人率先將物理層網(wǎng)絡編碼(PhysicallayerNetworkCoding，PNC)和模擬網(wǎng)絡編碼(AnalogNetworkCoding，ANC)引入雙向中繼星地協(xié)作網(wǎng)絡中，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景中提出[8]。

　　考慮到信號能量的有效利用，早在2008年，Varshney在文獻中首次提出了無線攜能(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)的概念，接收端將射頻信號同時進行信息譯碼(InformationDecoding,ID)和能量收集(nergyarvesing,EH)。對于無線攜能接收機結構，文獻10提出兩種有效的工作模式，即時間切換(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，另一部分應用于能量收集1112;從時間角度考慮，TS模式將一個通信周期劃分為兩個部分，一部分時間用于信息譯碼，另一部分應用于能量收集1314。1網(wǎng)絡與信道模型網(wǎng)絡模型由衛(wèi)星終端源節(jié)點、移動終端中繼節(jié)點、用戶源節(jié)點三個部分構成。

　　假設嚴重的陰影和路徑損耗效應導致衛(wèi)星終端與用戶之間無法建立可靠的通信線路，即沒有直接通信鏈路，因此必須通過移動終端中繼，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題，將無線攜能技術引入到雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)模型中，構成了基于無線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)。假設每個節(jié)點已知完整信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)，且兩個源節(jié)點、與中繼節(jié)點之間的信道具有對偶性。

　　2系統(tǒng)性能分析

　　上一小節(jié)討論了基于無線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)的信號傳輸過程，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

　　為了實現(xiàn)系統(tǒng)仿真結果的普適性，本文進行了10次蒙特卡洛仿真以驗證系統(tǒng)的性能分析結果。考慮到信道大尺度衰落的影響，將路徑損耗系數(shù)設置為，衛(wèi)星終端到移動中繼的距離為300km，移動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，移動中繼發(fā)射功率默認為30dBm。

　　幾種方案分別為本文推導的兩時隙物理層網(wǎng)絡編碼傳輸方案(PNC)、三時隙網(wǎng)絡編碼傳輸方案(NC)及傳統(tǒng)四時隙路由傳輸方案。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)拐點的原因是，中繼系統(tǒng)可達和速率的增長速度慢于中繼系統(tǒng)總消耗能量的增長速度。

　　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，這是因為在一個通信周期內，PNC傳輸方案的能量收集時間優(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，這是因為隨著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)絡論文范例：實際噪聲下基于時序卷積網(wǎng)絡的手機來源識別

　　結束語

　　為了研究無線攜能技術在混合星地網(wǎng)絡中的可行性，本文建立了一種基于無線攜能的雙向中繼星地網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過引入放大轉發(fā)方式的物理層網(wǎng)絡編碼技術及SWIPT技術，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題。研究結果表明：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)實際通信環(huán)境合理設置中繼發(fā)射功率和PS系數(shù)將有效解決用戶終端能量受限問題。

　　參考文獻

　　[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