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卫星移动系统中的效用容量和最优功率分配
卫星移动系统中的效用容量和最优功率分配
摘要:卫星通信网络在世界范围内的电信基础设施建设中扮演着不可或缺的角色,他提供了直接面向用户的卫星服务。在随着信道变化而改变的卫星功率分配方案中,我们应该考虑用户的服务质量需求。本文基于最优功率分配和效用容量,该方法使用了阴影莱丝模型模拟陆地移动卫星通信以及自适应调制方案,使得在服务质量受限的系统下效用容量达到最大。文章最后,对在功率分配和效用容量方面对仰角的影响进行研究。
关键字:效用容量,移动卫星网络,服务质量,功率分配,自适应调制
1 引言
移动卫星网络因为其在变化场景(边远区域,紧急情况运输[1],[2])下能够建立可靠网络的独特能力在下一代无线通信中扮演者重要的角色。尤其是在由于经济和技术原因而没有陆地无线通信基础设施的区域,卫星移动通信可以提供包括多媒体实时服务的全范围电信服务。要保证这些服务质量,我们需要延时保证大于一个下限,然而由于移动卫星衰落信道时变性的影响,往往不能够达到这个指标。本文基于移动卫星信道的服务质量(QoS),对系统的效用容量[3]进行研究。近些年来,效用容限概念经常用来优化陆地无线通信的资源分配问题。文章中我们在不同QoS限制和时变信道的前提下,用自适应调制方法解决移动卫星通信中下行链路的功率分配优化问题。而且,优化功率分配的同时我们也得到了效用函数的近似表达式。在数据结果部分,对在仰角和信噪比方面效用容量和功率分配的敏感度进行了研究。得到的结果可以直接应用于卫星通信工程中移动卫星通信最优跨层设计中。
2 效用容量-信道模型
为了描述在时变无线信道QoS中的数据传输率的统计值,我们使用效用容量的概念。效用容量在文献[3]中作为有效带宽的另一种概念。效用容量函数被定义为信道能够保证QoS要求所能承受的最大常数到达率,其中QoS需求由参数表示。效用容量在分组衰落信道中的表达式为:
其中是时间参数,代表离散时间随机服务过程,该过程我们假设是不变的,遍历性的。QoS参数是一个正常数,它代表了QoS干扰概率指标衰减率。特别的,当延时界限是利益的度量标准时,参数可以以下从关系式定义:
其中表示延时界限,是由到达率和服务服务过程共同决定的[3]。值越大表明系统对QoS要求越严格,相对的值越小表明QoS限制越灵活。在我们所考虑的卫星移动系统全部的频谱带宽为,上层数据包在数据链路层被分成持续时间为的帧。瞬时传输功率可以表达为,其中表示上限,表示关于衰落信噪比和QoS的参数的功率分配方法。若恒定功率等于,那么陆地卫星移动信道瞬时衰落信噪比可以定义为,其中和分别指卫星链路的信道功率增益和高斯白噪声功率谱密度。本研究中,我们使用一种礼貌陆地卫星信道模型[7],这个模型是服从Nakagami-m分布的莱丝信道模型。以下是陆地卫星移动信道中的概率密度函数:
其中,,是离散分量的平均功率,是是Nakagami参数,是LOS分量的平均功率,是超几何联合函数[8]。在数字结果章节,我们再考虑代表仰角的几个参数,和的表达式[7]。此外,我们假设信道可以很好由卫星终端的导航信号估计出来,并通过无噪反馈信道使得卫星应答器了解到信道情况。本文提出的效用容量资源分配方法可以作为一个前瞻性的衰落减缓技术应用在交通运输中的卫星终端上。对非理想信道的影响状态信息不再本文的讨论范围之内。
3 最优功率分配
在本小节,我们将详细计算并得出功率分配最优方案以及一个卫星移动信道效用容量的最终表达式。为了进行功率分配的必要假设是卫星移动网络可以提供在星座大小上没有限制的自适应MPSK调制或者MQAM调制[1][2]。文中使用MPSK和MQAM误码率的一种通用近似形式。因此,采用连续MPSK或者MQAM方案的卫星移动信道传输服务速率是一个正函数,形式如下:
其中是根据调制类型和近似方法取的常值[9]。综合上述分析并考虑平均功率的上线为最优模型可以定义为:
由于自然对数函数的单调性,上述的最大值问题等效于下面目标函数的最小值问题:
最优功率分配是在功率分配和服务率是正函数的前提下,利用朗格朗日函数解决等价问题。
从上式可以推得最优功率分配的近似表达式。
其中,,是用来定义掉话率的信噪比最小值,掉话率是,它可以从满足平均功率限制公式中得到。从(3)(4)(8)式中我们利用超几何函数的特性,我们就可以得到一个简单的效用容量的有限积分:
其中是伽马函数,而代表高斯超几何函数。此外用汇聚超几何函数的特性[10],我们可以得到卫星移动 信道效用容量的一个近似公式:
其中可以再[8]中P225页找到,代表阶乘幂,是不完全伽马函数。式(9)和式(10)与MPSK和MQAM星座图的效用容量的值相一致[10]。
4 数据结果及讨论
本节将给出卫星移动系统的最优功率分配和效
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