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统一体制建模及其通信复用算法研究

张天虹  
【摘要】:空间信息测控通信系统中,统一信号、信道、信息体制是重要发展趋势。当前一体化研究在体制、体系架构层面正在阶段性发展完善中,算法研究也正在逐步深入。然而,随着测控通信需求的进一步增加和发展,统一体制研究仍然在体制、体系和算法层面有巨大的探索空间:统一体制信息/信号/信道发展有待进一步完善;在具体的系统建模过程中,现今主要依靠分立系统实现各类功能需求,这就导致了在后续的发展中系统综合建模不兼容的问题;而在高速测控通信信号处理、信道实时建模、信息复用等算法支撑层面,还需要进一步的研究。因此,针对上述问题,需要从以下三个方面进行进一步的探索和研究:研究融合遥测、遥控、通信信号功能的统一体制,为功能融合到体制融合的转变提供改进措施;为了统一遥测、遥控、通信信道描述,提出新的实时信道建模算法来预测测控通信信道参数;为构建能承载遥测、遥控、通信信息内容的统一体系架构,在传统多址模式基础上提出新的资源复用解决方案。基于以上分析,本文从信号、信道、信息三个层面分别探究了统一体制建模及其通信复用算法。在信号层面,本文提出基于统一硬件格式的测控通信架构模型、基于双路多相滤波器组的高速信号处理算法。针对多种信号格式,后端接入统一的信号处理单元,用统一的硬件系统处理遥测、遥控、通信信号。在信道层面,本文提出基于统一信道描述的神经网络信道模型。针对时间变化、场景变化的信道环境,都能用统一体制的信道建模方式描述信道参数信息。研究统一的信道衰落、丢包率预测模型,并实时更新预测结果,便于后续频段及信道的优化选择。在信息层面,本文提出基于统一信息融合的多维复用算法、基于多维复用-正交频分复用联合算法。针对多组信息同时传输的需求,研究扩展复用方法,在一个信号内承载遥测、遥控、通信信息,实现有限频谱资源条件下的多维信息传输的性能。论文的主要工作和创新点如下:提出了基于非平衡四相相移键控的统一体制测控通信架构。针对有限时空资源与多任务矛盾下的测控通信统一信号描述的问题,采用相似的模块化架构设计了统一体制测控通信上下行链路。在此基础上,设计了的基于非平衡四相相移键控(UQPSK,Unbalanced Quadrature phase-shift keying)的测控通信信号算法模型,利用测控通信信号幅度、相位等自身信号特征统一描述了不同的功能数据。仿真表明,基于UQPSK的测控通信架构模型满足了多种功能信号融合、传输、数据获取的需求,为实现通信、导航、测控和信息支持等综合任务处理提供了先决条件。提出了基于双路多相滤波器组的高速信号处理算法。针对多相滤波器组高次抽取邻信道不完全重叠存在的盲区问题,利用双路重叠结构的交叠覆盖实现无盲区处理,从而利用多个阶数较低的滤波器组实现无盲区的较高阶数滤波,为高速信号处理提供先决条件。仿真和实验验证表明,基于双路多相滤波器组的高速信号处理算法不会产生信号落入盲区而造成的畸变或者丢失情形,可以在不改变精度的前提下有效支撑高速实时频谱分析。提出了基于神经网络的路径损耗统一信道预测模型。针对场景变化、时间变化条件下路径损耗不确定的问题,均采用统一体制信道描述方法建立预测信道路径损耗状态的模型。通过神经网络模型的自学习能力捕获实际信道的隐藏特征,在时变的环境中不断更新数据集、训练神经网络、更新神经元权值,从而实时反映当前的信道环境状态。实验验证表明,相较于现有的几种经验模型,基于神经网络的实时路径损耗预测模型更能够实现路径损耗的广域趋势预测和局域细节预测。提出了基于神经网络的丢包率统一信道预测模型。针对时变信道环境下丢包率不确定的问题,均采用统一体制信道描述方法建立能够预测信道丢包率的模型。利用当前时隙段的丢包分布实时预测未来时隙段的丢包率。并选取特定长度的时间滑动窗,保障其实时预测能力。通过神经网络模型的自学习能力捕获实际信道参数的隐藏特征,在时变的环境中不断更新数据集、训练神经网络、更新神经元权值,从而实时反映当前的信道环境状态。实验验证表明,相较于现有的统计模型,基于神经网络的丢包率预测模型这种统一的信道模型,可以更为有效地实时预测未来时间段内的丢包率。更进一步,基于神经网络的丢包率模型的预测结果可以为后续不可靠条件下的无线通信信道处理提供先验信息。提出了基于多维统一信息融合算法的维度复用算法和复用体系架构。针对信道容量逼近问题,通过欧拉空间拓展,完成统一体制测控通信中遥测、遥控、通信信息多维融合和解融合。根据逻辑递归的特性,基于提出的多维统一信息融合算法(MDUS,Multi-Dimension Unified Signal fusion algorithm)的维度复用算法通过将信号的一维虚域扩展到二维、三维或更高维虚空间。即将多个一维信息融合到一个多维信号中。仿真表明,基于MDUS的融合算法实现了统一体制测控通信中无干扰的、相互独立正交的多信息传输的目的;提出的基于多维复用-正交频分复用联合算法结构动态地转换子频带的数量和维度,为有限频谱资源下多类信息传输提供更灵活的解决方案。


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