【摘要】：近幾十年來,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,為地面光纖或蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不到的偏遠地區(qū)和應(yīng)急通信場景提供覆蓋。然而,衛(wèi)星通信對視距傳輸依賴性強、系統(tǒng)容量有限等缺點,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)點對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行補充,即將二者相結(jié)合形成混合星地網(wǎng)絡(luò),可實現(xiàn)高速移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的全天候無縫覆蓋,是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。但是傳統(tǒng)混合星地網(wǎng)絡(luò)存在以下兩個問題: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)兼容性差且資源無法得到全局優(yōu)化;此外,衛(wèi)星和地面部分采用相互獨立的頻譜管理方案,易導致頻譜資源在時間和空間上的浪費。針對上述問題,本文對一體化星地網(wǎng)絡(luò)和認知星地網(wǎng)絡(luò)兩種新型混合星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開展研究。在一體化星地網(wǎng)絡(luò)中,通過采用統(tǒng)一的管控中心和相互兼容的空中接口,可以對系統(tǒng)資源實現(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。在認知星地網(wǎng)絡(luò)中,通過引入認知無線電技術(shù)使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)間可實現(xiàn)靈活的頻譜共享,有效緩解了有限頻譜與日益增長的寬帶服務(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,其場景多樣化、干擾環(huán)境復雜等特點也對網(wǎng)絡(luò)資源分配帶來了新的挑戰(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,如何準確地對網(wǎng)絡(luò)性能進行評估和分析是混合星地網(wǎng)絡(luò)面臨的又一難題。本文針對一體化星地網(wǎng)絡(luò)和認知星地網(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研究,取得的主要成果包括:1.針對一體化星地網(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)點通信或借助地面中繼節(jié)點進行協(xié)作傳輸。直傳模式下星地鏈路因嚴重的陰影效應(yīng)存在誤符號率高、傳輸速率低等問題,而協(xié)作傳輸雖然可通過分集增益提升傳輸可靠性,其中繼節(jié)點額外的功率消耗易帶來能量效率低的問題。因此,本文綜合考慮衛(wèi)星通信對于能效和傳輸可靠性的需求,提出了一種基于誤符號率約束的高能效自適應(yīng)傳輸機制。首先對直傳和協(xié)作傳輸兩種傳輸模式的誤碼性能進行了理論分析,得到了平均誤符號率和漸進誤碼率的閉式表達式。在此基礎(chǔ)上,本文以能量效率最大化為優(yōu)化目標,傳輸誤符號率為約束對提出的自適應(yīng)傳輸機制進行優(yōu)化建模,并研究了優(yōu)化問題中涉及的能量效率、頻譜效率和誤符號率間的折中關(guān)系。為了更直觀的反映系統(tǒng)參數(shù)對傳輸模式的影響,我們對經(jīng)濟效益這一綜合指標進行了分析和討論。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)濟效益指標可作為一個有效量化能量效率與頻譜效率間折中關(guān)系的綜合指標,在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置方面具有重要的工程意義。2.針對認知星地網(wǎng)絡(luò)中兩種典型通信場景,分別在保障初級通信質(zhì)量的前提下對次級通信的性能進行了理論分析。首先,場景一是地面通信作為次級用戶接入初級衛(wèi)星通信的工作頻段,此時蜂窩基站端需通過功率控制保障衛(wèi)星接收端的干擾功率約束,同時蜂窩小區(qū)邊緣用戶會受到來自衛(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。通過求解該混合CCI的統(tǒng)計特性,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式。其次,場景二是衛(wèi)星通信作為次級用戶接入地面初級通信的工作頻段,考慮到地面通信強加的干擾功率約束及衛(wèi)星信道的陰影衰落可能導致衛(wèi)星通信傳輸性能差的問題,我們將協(xié)作通信引入到認知星地網(wǎng)絡(luò)中。由于協(xié)作通信中信噪比形式復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)理論的推導方法。根據(jù)矩母函數(shù)定義,將一個三變量聯(lián)合分布問題分解成一個單變量和雙變量分布問題,并得到了中斷概率和誤符號率的閉式表達式。仿真結(jié)果證實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知星地網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)有關(guān)于認知星地網(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,并未考慮到不同業(yè)務(wù)的時延QoS保障不同,不能滿足未來寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)需求。針對這一問題,本文首先從有效容量角度分析了次級衛(wèi)星通信在保障一定時延QoS需求時可支持的吞吐量。在此基礎(chǔ)上,綜合考慮衛(wèi)星通信對于低能耗和不同時延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Charnes-Cooper理論我們首先將凹-凸的分數(shù)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題,并利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件得到了最優(yōu)發(fā)送功率的表達式。為了進一步從理論上評估時延指數(shù)、干擾約束等參數(shù)對于系統(tǒng)性能的影響,我們基于得到的發(fā)送功率的最優(yōu)解,對系統(tǒng)中斷性能進行了分析,最終得到了中斷概率的閉式表達式。仿真結(jié)果不僅驗證了理論分析的正確性,還表明該方案可在同時保障初級地面通信干擾約束和衛(wèi)星通信不同統(tǒng)計QoS約束的前提下,支持無線衰落信道上多媒體業(yè)務(wù)的實時傳輸。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN927.2

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本文編號：2650283