基于无线携能的双向中继星地网络系统性能分析

　　摘要：随着卫星通信技术的发展和用户需求的增加，星地混合网络以其性能优势和空间优势吸引了大量学者的关注，然而，实现高速率高质量通信的同时也会降低双向中继星地网络的生存时间。因此，能量受限一直阻碍着星地混合网络的实际应用，针对这一问题提出了一种基于无线携能的双向中继星地网络系统传输方法。首先推导了卫星终端和用户终端的可达速率，其次引入无线携能技术，推导出双向中继星地网络系统的能量效率，并利用蒙特卡洛仿真，对该系统的能量性能进行了分析。仿真结果表明，无线携能技术能够有效地降低系统能量消耗，依据实际通信环境合理设置中继发射功率将有助于提高系统能量效率。

　　关键词：卫星通信;双向中继;能量收集;能量效率

　　引言

　　卫星通信可以为全球用户提供无障碍和高速广播接入，特别是在降低宽带成本、导航、应急救援等方面。相应地，星地混合网络(ybridatelliteterrestrialetwork，HSTN)以其性能优势和空间优势受到了极大的关注。HSTN是由Evens等人在文献[1]中首次提出。文献[2]中推导了阴影莱斯衰落信道中信噪比的概率密度函数(ProbabilityDensityFunction，PDF)和累积分布函数(CumulativeDistributionFunction，CDF)的闭合表达式;文献[3]分析了硬件损伤对星地双向中继网络的影响;文献[4]在单地面站星地协同网络场景中，分析了分布式空时编码的性能。

　　为有效克服星地链路严重的遮蔽效应，文献[56]中提出了中继星地混合网络。然而，考虑到传统四时隙双向中继通信中星地链路的高时延问题，Muhammad等人率先将物理层网络编码(PhysicallayerNetworkCoding，PNC)和模拟网络编码(AnalogNetworkCoding，ANC)引入双向中继星地协作网络中，并分析了其性能。PNC的概念是由Zhang等人率先在双向中继信道场景中提出[8]。

　　考虑到信号能量的有效利用，早在2008年，Varshney在文献中首次提出了无线携能(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)的概念，接收端将射频信号同时进行信息译码(InformationDecoding,ID)和能量收集(nergyarvesing,EH)。对于无线携能接收机结构，文献10提出两种有效的工作模式，即时间切换(TimeSwitching，TS)模式和功率划分(PowerSplitting，PS)模式。

　　从功率角度考虑，PS模式将一部分功率用于信息译码，另一部分应用于能量收集1112;从时间角度考虑，TS模式将一个通信周期划分为两个部分，一部分时间用于信息译码，另一部分应用于能量收集1314。1网络与信道模型网络模型由卫星终端源节点、移动终端中继节点、用户源节点三个部分构成。

　　假设严重的阴影和路径损耗效应导致卫星终端与用户之间无法建立可靠的通信线路，即没有直接通信链路，因此必须通过移动终端中继，完成卫星与用户之间的信息交互。考虑到地面用户能量受限问题，将无线携能技术引入到双向中继星地网络系统模型中，构成了基于无线携能的双向中继星地网络系统。假设每个节点已知完整信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)，且两个源节点、与中继节点之间的信道具有对偶性。

　　2系统性能分析

　　上一小节讨论了基于无线携能的双向中继星地网络系统的信号传输过程，本节将研究该系统的能量效率，以便更好地衡量系统的有效性。

　　3仿真分析

　　为了实现系统仿真结果的普适性，本文进行了10次蒙特卡洛仿真以验证系统的性能分析结果。考虑到信道大尺度衰落的影响，将路径损耗系数设置为，卫星终端到移动中继的距离为300km，移动中继到用户终端的距离为20m，卫星发射功率为43dBm，用户发射功率为27dBm，移动中继发射功率默认为30dBm。

　　几种方案分别为本文推导的两时隙物理层网络编码传输方案(PNC)、三时隙网络编码传输方案(NC)及传统四时隙路由传输方案。PNC方案的能量效率性能明显优于其他两种传输方案，且种传输方案的能量效率均随着中继发射功率的增加，先增大后减小。出现拐点的原因是，中继系统可达和速率的增长速度慢于中继系统总消耗能量的增长速度。

　　PNC方案的能量效率性能依然明显优于其他两种传输方案，且随着PS系数的增大，三种传输方案的能量效率逐渐增大，这是由于用户终端将更多的信号接收功率用于信息译码。

　　PNC方案的收集能量性能明显优于其他两种传输方案，这是因为在一个通信周期内，PNC传输方案的能量收集时间优于其他两种方案，并且随着中继发射功率的增大，PNC传输方案优势更加明显。

　　随着PS系数的增大，三种传输方案的用户终端收集能量均减小，这是因为随着PS系数的增大，用户终端将更多功率用于信息译码，而将更少的功率用于能量收集。PNC传输方案的能量收集性能依然优于其他两种方案。

　　网络论文范例：实际噪声下基于时序卷积网络的手机来源识别

　　结束语

　　为了研究无线携能技术在混合星地网络中的可行性，本文建立了一种基于无线携能的双向中继星地网络系统，通过引入放大转发方式的物理层网络编码技术及SWIPT技术，提高了中继系统的能量效率，并解决了用户终端能量受限问题。研究结果表明：①在三种传输方案中，中继系统的能量效率均随着中继发射功率的增加而先增大后减小;②在三种传输方案中，中继系统的能量效率均随着PS系数的增大而增大;③依据实际通信环境合理设置中继发射功率和PS系数将有效解决用户终端能量受限问题。

　　参考文献

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

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

　　作者：李真，王钢，杨明川，王金龙