摘要：隨著衛星通信技術的發展和用戶需求的增加，星地混合網絡以其性能優勢和空間優勢吸引了大量學者的關注，然而，實現高速率高質量通信的同時也會降低雙向中繼星地網絡的生存時間。因此，能量受限一直阻礙著星地混合網絡的實際應用，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絡系統傳輸方法。首先推導了衛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絡系統的能量效率，并利用蒙特卡洛仿真，對該系統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能量消耗，依據實際通信環境合理設置中繼發射功率將有助于提高系統能量效率。

　　關鍵詞：衛星通信;雙向中繼;能量收集;能量效率

　　引言

　　衛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，星地混合網絡(ybridatelliteterrestrialetwork，HSTN)以其性能優勢和空間優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(ProbabilityDensityFunction，PDF)和累積分布函數(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絡的影響;文獻[4]在單地面站星地協同網絡場景中，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絡。然而，考慮到傳統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絡編碼(PhysicallayerNetworkCoding，PNC)和模擬網絡編碼(AnalogNetworkCoding，ANC)引入雙向中繼星地協作網絡中，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網絡與信道模型網絡模型由衛星終端源節點、移動終端中繼節點、用戶源節點三個部分構成。

　　假設嚴重的陰影和路徑損耗效應導致衛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絡系統模型中，構成了基于無線攜能的雙向中繼星地網絡系統。假設每個節點已知完整信道狀態信息(ChannelStateInformation，CSI)，且兩個源節點、與中繼節點之間的信道具有對偶性。

　　2系統性能分析

　　上一小節討論了基于無線攜能的雙向中繼星地網絡系統的信號傳輸過程，本節將研究該系統的能量效率，以便更好地衡量系統的有效性。

　　3仿真分析

　　為了實現系統仿真結果的普適性，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，將路徑損耗系數設置為，衛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，衛星發射功率為43dBm，用戶發射功率為27dBm，移動中繼發射功率默認為30dBm。

　　幾種方案分別為本文推導的兩時隙物理層網絡編碼傳輸方案(PNC)、三時隙網絡編碼傳輸方案(NC)及傳統四時隙路由傳輸方案。PNC方案的能量效率性能明顯優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射功率的增加，先增大后減小。出現拐點的原因是，中繼系統可達和速率的增長速度慢于中繼系統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于其他兩種傳輸方案，且隨著PS系數的增大，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于其他兩種方案，并且隨著中繼發射功率的增大，PNC傳輸方案優勢更加明顯。

　　隨著PS系數的增大，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于其他兩種方案。

　　網絡論文范例：實際噪聲下基于時序卷積網絡的手機來源識別

　　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絡系統，通過引入放大轉發方式的物理層網絡編碼技術及SWIPT技術，提高了中繼系統的能量效率，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，中繼系統的能量效率均隨著中繼發射功率的增加而先增大后減小;②在三種傳輸方案中，中繼系統的能量效率均隨著PS系數的增大而增大;③依據實際通信環境合理設置中繼發射功率和PS系數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