【摘 要】
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当前,空间信息网络因在覆盖面积、组网速度等方面具有较明显优势而成为研究热点。但其仍存在误码率较高、链路带宽和功率受限等问题。针对上述问题,本论文主要开展了中继协作优化及物理层网络编码协作研究。首先,简介了空间信息网络背景、研究意义和国内外研究现状。然后,分析了协作通信模型和中继协作,并引入了门限辅助判决的快速Z转发（DT-FZF）协作。之后,在现有物理层网络编码（PNC）基础上,提出了一种选择软消
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当前,空间信息网络因在覆盖面积、组网速度等方面具有较明显优势而成为研究热点。但其仍存在误码率较高、链路带宽和功率受限等问题。针对上述问题,本论文主要开展了中继协作优化及物理层网络编码协作研究。首先,简介了空间信息网络背景、研究意义和国内外研究现状。然后,分析了协作通信模型和中继协作,并引入了门限辅助判决的快速Z转发（DT-FZF）协作。之后,在现有物理层网络编码（PNC）基础上,提出了一种选择软消息转发（SSMF）协作的物理层网络编码。最后,针对SSMF协作下的物理层网络编码,提出了两种自适应功率分配算法。全文内容和贡献如下:1.针对拓扑及信道多变的空间信息网络误码率较高、可靠性较差等问题,在现有Z转发（ZF）协作基础上,提出了一种适用于多中继场景的DT-FZF协作。当中继节点接收信号对数似然比（LLR）绝对值小于门限时,中继节点不参与协作转发;否则,中继节点协作转发截断处理后的LLR。放大转发（AF）、译码转发（DF）、分段转发（PF）和ZF协作则可作为DT-FZF协作的特殊情况。然后,推导了DT-FZF协作下判决门限和中继未转发概率表达式。仿真表明:在误比特率（BER）为10-3、源与目的节点间存在三个中继节点时,所提DT-FZF协作较ZF协作,约有0.8d B性能增益;2.针对空间信息网络卫星链路频谱资源受限问题,在现有PNC基础上,提出了一种结合SSMF协作的PNC及其门限判决译码算法。根据迫零检测后噪声最小叠加信号可靠性最高原理,从中继节点接收信号集中选择可靠性最高的信号,映射为LLR形式,来提高BER性能,并降低复杂度。相比于软消息转发（SMF）协作,所提SSMF协作的复杂度从O（M4+M）降为O（M3+M2+1）。其中,M表示中继节点天线数目。仿真表明:相对现有PNC算法,所提采用SSMF协作的PNC性能更优。当BER为10-3时,相对选择译码转发（SDF）、SMF与DF协作,所提协作编码方案可分别获得约0.6、1及1.7 d B性能增益;3.针对空间信息网络卫星节点受体积、大小限制而导致的功率受限问题,在SSMF协作和PNC基础上,针对多址接入（MA）和广播（BC）阶段,分别提出了基于最大欧式距离（MED）和最大最小互信息（MMMI）准则的两种自适应功率分配算法。在MA阶段,两源节点通过信道估计,获得该时隙信道状态信息后,以最大化中继节点接收到网络编码符号的欧式距离为目标函数,计算该时隙所需发射功率。在BC阶段,中继节点以最大化两源节点在该时隙的最小互信息量为目标函数,利用缩围法（NRM）选择参与BC阶段工作的最优天线集,并平均分配功率给最优天线集。同时,为了进一步降低复杂度,还提出了一种天线集预选择算法。因采用NRM选择最优天线集时,初始天线集中天线数目越少越好。故根据互信息准则,对中继节点所有天线预选择。若除去该天线后,BC阶段两源节点互信息量均不会减少,则其可从初始天线集中删除。仿真表明:相对于等功率分配（EPA）算法,所提APA算法性能更优。当BER为10-3,中继节点存在两根天线时,相比于EPA算法,针对BC、MA及全局阶段的APA算法,可分别获得约1d B、2d B和3.5d B性能增益。本文通过对协作通信算法和物理层网络编码的优化改进,较好解决了多中继空间信息网络存在的误码率较高、频谱资源和功率受限等问题,并较好地改善了整个空间信息网络的综合性能,有助于应用于5G等新一代空间信息网络系统。
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