卫星通信系统中的协作传输策略与性能分析

\"卫星通信系统由于其覆盖范围广、不受地理条件限制等特点，近年来广受关注，它实现了全球通信，已经成为5G通信系统的重要组成部分。将卫星网络和地面网络结合起来形成星地融合网络已经成为卫星通信系统研究的一个热点问题。星地融合网络可以实现全球覆盖，可以实现卫星通信网络与地面通信网络之间的相互连通，可以实时获取、传输和处理星地信息。星地融合网络在保证通信质量的前提下，其带宽、功率损耗、频谱利用率以及提供综合业务上具有明显的优势，愈发地成为关注的重点。 本文的主要工作及创新点具体如下： （1）同频干扰下的双跳卫星中继传输策略与性能分析。针对同频干扰下的卫星中继网络，考虑卫星中继受到来自于地面的同频干扰，卫星用户受到来自于地面的同频干扰和系统硬件非理想所引起的损伤噪声，提出了非理想硬件和同频干扰下基于最大比合并和最大比接收策略的传输方法，推导了相应的中断概率和吞吐量的表达式。 （2）星地融合网络中的中继选择策略与性能分析。针对星地融合多中继网络，在考虑系统损伤噪声的基础上，首先提出了存在多个地面中继时基于门限的中继选择策略，并在此策略的基础上得到了系统中断概率和吞吐量的准确闭式表达式和渐近解表达式。进一步，得到了基于中继选择策略下的系统分集增益和阵列增益。 （3）基于双向中继机会调度的星地融合传输策略与性能分析。针对存在多个双向地面中继的星地融合网络，首先采用机会中继选择策略得到了放大转发和译码转发协议下的系统中断概率和吞吐量的准确闭式表达式和高信噪比下的渐进解表达式；进一步分析了系统分集增益和阵列增益。 （4）基于认知中继的星地融合网络协作传输策略与性能分析。针对认知条件下的星地融合网络，提出了一种多主用户星地融合认知协同传输模型，并考虑损伤噪声和非理想信道状态信息。首先在联合考虑地面次级用户最大发射功率以及主卫星网络干扰温度条件限制下，推导出了地面次级用户中断概率和吞吐量的准确闭式表达式和高信噪比下的渐进表达式。进一步分析了地面次级用户所能获得的分集增益和阵列增益。 （5）星地融合网络中的安全协作传输策略与性能分析。针对存在窃听者的星地融合网络，同时考虑多个中继、多个主用户和多个窃听者，首先提出了一种结合解码中继的联合中继和用户调度策略。在考虑窃听者协作窃听和非协作窃听两种场景的基础上，分别推导出系统安全性能的准确闭式表达式和高信噪比下的渐进表达式。\"

\"郭克锋，博士，航天工程大学硕士生导师。其在国际期刊和会议上撰写或合著了近70篇研究论文。其研究兴趣集中在协作中继网络、MIMO通信系统、多用户通信系统、卫星通信、硬件损伤系统、认知无线电、NOMA技术和物理层安全。其被评为2022年《IEEE Transactions on Communications》的最佳审稿人。其所著博士论文获得了2020年度陆军工程大学优秀博士学位论文，获得了2020年度指挥与控制学会优秀博士学位论文，获得了2020年度江苏省优秀博士学位论文。其还担任SCI期刊《EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking》期刊编辑。其是SCI期刊《Sensors》期刊主题为“Integration of Satellite-Aerial-Terrestrial Networks”专刊的客座编辑，同时担任SCI期刊《Electronics》期刊主题为“Recent Advances and Challenges of Satellite and Aerial Communication Networks”专刊的客座编辑。 其是IEEE许旗舰会议的TPC成员，如IEEE ICC、IEEE GLOBECOM和IEEE WCNC。\"

第1章 绪论 1.1 研究背景 1.2 国内外研究现状 1.2.1 卫星通信系统协作传输中的同频干扰研究 1.2.2 卫星通信系统协作传输中的认知技术研究 1.2.3 卫星通信系统协作传输中的非理想硬件研究 1.2.4 卫星通信系统协作传输中的物理层安全研究 1.3 本书的主要内容 1.4 本书的结构 第2章 同频干扰下的双跳卫星中继传输策略与分析 2.1 引言 2.2 系统模型 2.2.1 卫星信道模型 2.2.2 信号模型 2.2.3 问题建模 2.3 信道的统计特性 2.3.1 卫星信道统计特性 2.3.2 地面信道统计特性 2.4 性能分析 2.4.1 中断概率 2.4.2 吞吐量 2.5 高信噪比下的渐进性能分析 2.6 仿真验证 2.7 小结 2.8 附录 第3章 星地融合网络中的中继选择策略与分析 3.1 引言 3.2 系统模型 3.2.1 直传链路传输 3.2.2 中继链路传输 3.3 基于阈值的中继选择策略 3.4 性能分析 3.4.1 预备知识 3.4.2 中断概率 3.4.3 吞吐量 3.5 高信噪比下的渐进性能分析 3.6 复杂度分析 3.7 仿真验证 3.8 小结 3.9 附录 第4章 基于双向中继机会调度的星地融合网络传输策略与分析 4.1 引言 4.2 系统模型和问题建模 4.2.1 放大转发协议 4.2.2 译码转发协议 4.3 性能分析 4.3.1 端到端信损噪比 4.3.2 中断概率 4.3.3 高信噪比下的系统中断概率渐进分析 4.3.4 吞吐量