【无人机通信】基于 OTFS 的无人机协作中继 LEO 卫星通信中断概率分析附MATLAB代码
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🔥 内容介绍
低地球轨道（LEO）卫星通信存在路径损耗大、多普勒效应严重等问题，基于正交时间频率空间（OTFS）调制并结合无人机协作中继可有效改善通信性能，降低中断概率。以下是相关分析：
OTFS 调制原理及优势
OTFS 摒弃了 OFDM 传统的时频域信号映射与处理方式，将调制符号直接映射到延迟 - 多普勒二维域。其信号传输遵循 “延迟 - 多普勒域→时频域→时域” 的发射变换路径，以及 “时域→时频域→延迟 - 多普勒域” 的接收还原路径。
OTFS 具有全分集增益特性，可提升链路对抗多径衰落的能力；能天然抗多普勒扩展，避免因多普勒频偏导致的性能损耗；还可基于高动态下信道呈现的准静态、稀疏特征，实现高效的信道估计与均衡，降低信号处理复杂度。
无人机协作中继作用
无人机中继通常工作在解码转发（DF）模式下，为通信提供额外传输路径。当卫星信号因路径损耗等在直接传输中受影响时，无人机可接收并解码卫星信号，重新编码后转发给地面接收端，能绕过障碍物，确保信号准确传输到接收端，提高通信可靠性。
中断概率分析相关因素
- 信道模型
：LEO 卫星与地面间的信道可能符合阴影莱斯衰落模型等，无人机与地面或卫星间信道可采用如 Nakagami - m 模型等。不同信道模型的参数，如衰落因子、路径损耗指数等，对中断概率有直接影响。
- 无人机位置与发射功率
：无人机与卫星和地面接收端之间的距离会影响信号传输质量和路径损耗。其发射功率需在合适范围，功率过低无法有效补偿路径损耗，过高则可能产生干扰，这些因素都与中断概率相关。
- 卫星轨道参数
：卫星的轨道高度、运行速度等参数决定了多普勒频移的程度和信道的时变特性。例如，轨道高度约 550km 的 LEO 卫星，其运行产生的实际多普勒频移可高达 ±100kHz（Ku/Ka 频段），若处理不当，会使 OFDM 子载波间干扰加剧，导致中断概率上升，而 OTFS 可较好应对这种情况。
中断概率计算思路
通常需先建立系统模型，确定发送信号、信道传输模型以及接收端处理方式等。然后将中断概率问题转化为计算等效信道下的相关概率，如可根据接收信号信噪比（SNR）是否低于某一阈值来定义中断事件。通过推导接收 SNR 的概率密度函数，结合阈值条件，得出中断概率的闭式表达式。理论上可通过数学推导得出，实际中也常结合蒙特卡罗方法等进行仿真验证，分析不同参数，如 OTFS 阶数、发射天线数量等对中断概率的影响。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
% STEPS:
% 1. SR stats: mu_s, var_s via Eq.(13)(14) using hypergeom
% 2. chi_sd -> Gamma(alpha_sd, beta_sd) moment matching
% 3. Zsd ~ IG -> moments mu_Zsd, var_Zsd via Eq.(16)
% 4. 1/Zsd ~ Gamma -> E[1/Zsd], Var[1/Zsd] via IG property
% 5. Zrd ~ IG -> moments via Eq.(18) -> E[1/Zrd], Var[1/Zrd]
% 6. W = Lsd/Zsd + xi*Lrd/Zrd -> Gamma(alpha_W, beta_W) moment match
% 7. P_out = gammainc(eta*beta_W, alpha_W) eta=sigma2*(2^{2Rb}-1)/Ps
% =========================================================================
clc; clear; close all;
%% PARAMETERS
N=4; M=4; NM=N*M; Ns=10;
b_sd=0.251; m_sd=0.251; Omega_sd=0.279; Omega_rd=1;
sigma2=1; Rb=1;
Ps_dB=0:0.5:25; Ps_lin=10.^(Ps_dB/10);
L_sd=1; L_rd=1; % normalized path loss
%% STEP 1: SR stats Eq.(13)(14)
beta_sr = 1/(2*b_sd);
delta_sd = beta_sr*Omega_sd/(2*b_sd*m_sd+Omega_sd);
a_sd = sqrt(Omega_sd/(2*b_sd*m_sd+Omega_sd));
z = delta_sd/beta_sr;
🔗 参考文献
[1]元金海.基于中继协作的无人机无线光通信系统性能分析研究[D].广东工业大学[2026-06-22].