基于地面中继的卫星通信系统资源分配研究及仿真验证

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卫星通信系统在其发展的历程中,一直在通信网络中扮演着重要的作用。在人烟稀少的地区或者在地面网络无法覆盖的茫茫大海之中,卫星通信成为人们与外界联络最有效的桥梁,此外在地面网络遭到破坏的情况下,卫星网络能够保持提供通信服务,做到了广域无缝隙的覆盖。在人口密集的城市地区,卫星通信的条件受到限制,而地面中继技术的出现,为密集城市和室内用户提供通信服务从而实现卫星移动通信真正意义上的无缝覆盖的解决方案中,起到了有效的作用。在地面中继加入卫星通信系统后,干扰的抑制以及资源的规划分配问题变得更加复杂。本文根据选定的分别适用于卫星和地面的信道模型以及资源分配的算法和方案,考虑、分析现实中所存在的场景,确立基于地面中继的卫星通信系统的系统模型,并对已有资源分配的算法和方案进行改进,针对系统模型下相应的场景,提出了适用于集成地面中继的卫星通信系统的资源分配方案。本文对引入地面中继的地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星通信系统提出了对卫星链路和地面链路划分不同时隙比例的非对称资源分配算法。由于所涉及的优化问题是一个混合整数规划问题,需要考虑到GEO卫星功率限制的严格性以及资源分配的复杂度和有效性,算法选择通过异步的方式先后对卫星链路和地面链路的子载波资源进行分配,并相应地优化功率分配,此后通过调整中继通信的时隙比例划分,对星地两段链路的容量进行平衡。该算法对子载波的分配以及时隙比例的划分能够有效地避免各个地面中继之间的同频干扰的影响。仿真结果显示,与时隙对称比例的资源分配算法相比,非对称资源分配算法能达到较高的频带利用率,性能上的优势十分明显。本文使用NS-2(Network Simulator version2)网络仿真工具搭建了集成地面中继的卫星通信系统仿真平台。仿真平台首先在原有的卫星通信模块上添加了控制平面的功能,并完善了用户平面的功能。为满足中继通信的需求,新建了地面中继节点,并对卫星、地面中继以及终端节点的媒体接入控制(Media Access Control, MAC)层进行修改。对于地面中继节点,在前若干个时隙,接收来自于信关站(卫星节点)的数据包,在后若干个时隙,根据所采用的中继方式转发接收到的数据包。在资源管理模块中,仿真平台通过一定的方式对功率、信道状态等在NS-2中进行了表征,实现了非对称资源分配算法的接口。仿真结果表明,所设计的仿真平台合理有效,能够达到为基于地面中继的卫星通信系统资源分配方案进行仿真分析与验证的目的,并对其进行了仿真分析和性能评估。
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