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基于混合光电传输的无人机中继通信系统性能分析.docx
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基于混合光电传输的无人机中继通信系统性能分析.docx
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基于混合光电传输的无人机中继通信系统性能分析
0 引言
随着信息社会的发展,人类对无处不在的网络覆盖以及更高通信数据速率
的需求不断增加,从而推动了无线通信技术的不断发展。随着 在全球范围内
的不断普及,万物互联时代即将到来。以及下一代无线通信网络有望通过提
供高数据速率,提升拥挤区域的服务质量,降低现有网络盲点,克服目前地面
基础设施存在的缺陷。无人机( ,)通信具备机
动性好、成本低、易于部署等优势,被认为是实现该目标的一项有效解决方案 ,
并广泛应用于各个场景
。例如,无人机作为中继扩大覆盖范围
,将其应用于
前传和回传连接
,或者无人机作为基站可以有效提升网络的容量
,以及物联
网中的数据采集
。互联网视频等高流量业务的暴增,使无人机信息传输量呈指
数级增长,导致无人机与基站连接的前传和回传链路是无人机网络的一个主要
挑战。
与射频(,)无线传输相比,自由空间光(
!,"#)通信凭借其通信容量大、保密性高、频谱无须授权使用等优势
$%
&
,被考虑应用于无人机网络中的前传和回传链路。具体而言,无人机作为移动
中继节点将 链路从用户收集的大量数据通过 "#移动回传链路转发给基站
'
。文献(证实了基于无人机的通信系统的可实现性,通过低空无人机证明了端
到端的长期演进技术的可行性。文献 )*利用基于移动回传的无人机为偏远
地区提供了网络连接。"#链路容易受大气湍流的影响,导致系统的性能降低 。
为了缓解湍流天气的影响,混合 "#% 传输网络被认为是有效的解决方案之
一
。因此,混合 "#%传输网络被广泛研究
%$
。文献推导了单用户场
景混合 "#%系统中断概率的闭合表达式。文献 研究了多用户情况的混
合 "#% 网络。文献采用多天线技术以使 链路实现更高的传输速率。
文献$在文献的基础上研究了在 "#%链路将无人机作为中继的多用户
系统。需要指出的是,文献%$中 链路的瞬时信道状态信息(
!!!,+",)是完全已知的。但是获取瞬时 +",不仅增加了无人机
的功耗,也会不可避免地产生估计、量化、反馈时延等误差
&%'
。针对上述情况,
本文研究了基于光电混合架构的无人机中继无线通信系统下行链路多用户传输
场景,提出了一种基于统计 +",的波束成形方案。该方案在 链路的统计
+",已知的条件下,通过对用户信道自相关矩阵进行特征值分解,采用低复杂
度的迫零(-.,/)波束成形方案,消除用户间的干扰,实现所有用
户同时通信;并进一步在 "#链路和 链路分别服从 分布
和 01.% 分布的条件下,分别推导中断概率的闭合表达式和高信噪比下
渐进中断概率表达式。最后,仿真验证了闭合表达式的正确性,并揭示了所提
的波束成形方案对系统性能的优越性。
本文向量和矩阵分别用黑体小写字母和大写字母表示,23
4
5和23
6
5分别表
示转置和共轭转置, 7 25表示指数函数,89表示期望,::和∥ ∥⋅ ;;3
分 别 表 示 标 量 的 绝 对 值 和 向 量 的 欧 几 里 得 范 数 , ,0 表 示 0<0 单 位 矩 阵 ,
=<0 表示 =<0 维空间, 2>*?5表示均值为 > 和方差为 ?
的复高斯分布,@295表示伽马函数, **93表示 =A% 函
数,2953表示阶乘幂。
1 系统模型
本文研究一个无人机中继的多用户无线通信系统,系统模型如图 所示。
其中, 作为中继()通过 "# 链路接收来自基站的信号,然后通过
链路将信号放大后发送给 B 个地面用户()。无人机配置 020CB5元的均匀
直线阵(,D)*所有用户配备单根天线。
图
图 1系统模型
本文假设无人机中继通信以半双工的模式完成,整个通信过程分为两个阶
段。
第一阶段,基站通过波分复用将多路光子载波整合到一路光载波,然后通
过透镜将信号发送给无人机。经过 "# 链路后,由无人机的透镜收集入射光信
号并将其转换为电信号
$
。无人机输出的 电信号 2!5B<3
表示为:
!""#$%&'()&'(*!+,
2!5EFG"#."#72!5H2!5 25
其中,F
表示基站发射功率, G 表示光电转换系数, %&'("#3表达式为
%&'(+,"-&'".%/!/!""#E2!HI!!"IDI=53,
单位为 J,
!
、
、!!
"
、!!
!
、D
和 =分别表示透镜发射增益、透镜接
收增益、自由空间损耗、大气衰减、透镜损耗和系统余量
$
。.
"#
表示 "# 链路
的 小 尺 度 衰 落 系 数 。 发 射 信 号 矢 量 *!*0*1
0*72!5E72!5*0*712!5*0*7B2!53, 其 中 , 7
1
2!5 表 示 用 户
1
3的 信 息 ,
,23,2!5∼2)*?,B5 是 加 性 高 斯 白 噪 声 ( ! K!
,L0)。
第 二 阶段 , 采用 放大 转发 协议 后 , 无人 机 接收 的 电信 号 乘 以 放 大增 益
!$%&'()&'(+,#EFG:"#."#:H?3后传输到用户终端。为了
提升系统频谱效率,无人机采用空分多址接入技术,对第 1 个用户信号的归一化
波 束 成 形 权 矢 量 为 41K10< 。 因 此 , 5116
07121M**0*BN53处的输出信号可以表示为:
1 1""#%1)8141 !""#$%&'()&'(*1+,
+12!5EF11.16K12FG"#."#712!5H2!55H
9::;1 :""#%1)814: !""#$%&'()&'(*:
+OE*P1BF1.16K2FG"#."#72!5H
,+1 2!55H12!5 25
其中,F
1
表示无人机到用户
1
的发射功率,自由路径损耗 %113可计算为
%13%)<1+3%)=+>?@1E2).1H).H(Q53,单 位 为 J , 其 中
1
是 到 3
1
之间的距离,为载波频率。链路的信道矢量 )1.1 可以表示为
(
:
)1A1BC1 D.1ER12S15 25
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