具有最优布局的节能型多HAPS辅助混合RF/FSO卫星通信系统设计

《IEEE Transactions on Green Communications and Networking》：Design of Energy Efficient Multi-HAPS Assisted Hybrid RF/FSO Satellite Communication Systems With Optimal Placement

提出基于多高空气平台（HAPS）辅助的光学卫星通信架构，应用于铁路、跨洋高速公路及海洋通信，提升吞吐量和可靠性。通过分析 outage probability、ergodic capacity、吞吐量及能效，并考虑信道状态信息过时和估计误差的影响，确定最优 HAPS 距离和数量，验证该架构可增强系统性能及能效。

　　

摘要：

随着第六代（6G）无线网络的最新进展，卫星和高空平台站（HAPS）系统有望成为非地面网络的关键组成部分。本文受到学术界和工业界对HAPS系统日益增长的兴趣的启发，提出了一种多HAPS辅助的光学卫星通信架构，该架构结合了射频（RF）/自由空间光通信（FSO）技术，以提高吞吐量和可靠性。该架构可用于铁路、跨洲高速公路或海上通信，以提供更好的覆盖范围、吞吐量和可靠性。为了量化所提出方案的整体性能，我们计算并验证了中断概率、遍历容量、吞吐量和能效。此外，我们还考虑了过时的信道状态信息和信道估计误差的影响，这些因素会严重降低系统性能，导致信噪比下降和中断概率增加。进一步研究得出了HAPS系统的最佳部署距离，并确定了实现可靠通信所需的HAPS系统数量。结果表明，在最佳距离上依次部署HAPS系统可以提升系统性能和能效。

引言

随着第五代（5G）无线系统的普及，学术界和工业界已将关注点转向了超越5G或第六代（6G）无线系统的解决方案，以满足通信和信息社会的需求[1]。6G移动网络预计将提供高数据传输速率和低延迟，同时确保可靠性、可用性和全球覆盖范围，覆盖地面、水下、空中和太空[2]。为了实现上述所有特性，第三代合作伙伴项目（3GPP）正在推动三层垂直异构网络（VHetNet）的发展[3]。VHetNet架构包括卫星网络、空中网络和地面网络[4].1 ¹

由于VHetNet的多层架构，层间和层内通信面临多种挑战，主要是由于卫星位置非固定、大气条件变化以及易受攻击等因素造成的。因此，路由、链路可靠性与管理、延迟和安全成为VHetNet架构中的主要问题。为了解决这些问题，现有文献[4]、[5]、[6]、[7]中提出了多种相关协议。同时，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）、电气和电子工程师协会（IEEE）、3GPP、互联网工程任务组（IETF）和国际电信联盟（ITU）也在积极推进相关标准化工作。