一种新的基于Jackson排队模型多中继跨层协作通信策略

文中提出了一种新的多中继协作通信策略,该策略基于Jackson排队模型同时对物理层(physicallayer,PHY)与媒体接入控制层(MAC)的跨层设计进行了分析.在物理层,重点探讨多中继节点情形下信噪比(SNR)门限与中断概率之间的关系.在MAC层,系统采用Jackson排队网络进行建模,单协作节点数据包排队准则为GI/M/1模型,多节点之间进行相互机会协作,进而分析了所提策略的系统吞吐量与时延性能.跨层设计仿真结果表明,在不同中继策略下,协作节点数的增加将影响物理层高频谱有效性区域的系统中断性能.此外,相对于传统两协作节点模型,所提策略可以达到显著的MAC层数据包吞吐量与时延性能.     

无线传感器网络最小中继节点布置问题的近似算法

为了消除传感器节点路由负载的不平衡,可在无线传感器网络中布置少量功能较强的中继节点作为路由节点,最小化中继节点数是其主要优化目标.文中证明了有界平面区域上的中继节点布置问题是P问题,但一般情况下的计算复杂度相当巨大.从中继节点布置问题的几何覆盖特征出发,提出了一种O(n~2 log n)时间的贪心近似算法,其中n为传感器节点数目.在该算法迭代过程的每一阶段,先从未被覆盖的传感器节点中选出一个关键节点,为了阻止孤立节点的产生,再按照"优先覆盖与关键节点距离较近的传感器节点"的原则来确定中继节点的位置.实验结果表明该算法可在很短的时间内生成一个接近最优的可行中继节点布置,且在中继节点布置的尺寸以及执行时间方面都要优于现有算法.     

基于动态规划的多无人机通信连通性保持研究

随着无人机技术的逐渐成熟,制造成本不断降低,无人机在多个领域得到广泛应用,如农业、工业、安全、军事等.而无人机在执行任务时,往往需要与地面基站保持通信的连通性.但在距离较远或有遮挡情况下,信道质量将严重下降,这对通信连通性的保持提出挑战.针对该问题,本文考虑部署多架无人机作为通信中继,以串联方式构建任务无人机与地面基站稳定的通信链路.本文以长期信道容量作为优化指标,基于动态规划理论提出了两种中继无人机的规划方法:CMMP-AT和CMMP-OBO. CMMP-AT方法强调在任务执行初期就部署全部中继无人机,该方法部署较为简便,但计算复杂度较高. CMMP-OBO方法提出按照任务需求逐架部署中继无人机,该方法较为灵活,且计算复杂度低,扩展性好,可节约中继无人机的运动能耗.实验结果表明, CMMP-AT方法针对一个两中继无人机场景,需要40.03 h规划结果,而CMMP-OBO方法只需57.66 s即可规划出结果,并且可节约3.87%的运动能耗.此外,为了精确控制中继无人机遵循规划出的轨迹行进,本文基于模型预测控制方法实现对规划轨迹的追踪,并在V-REP环境中实现了多中继无人机场景的仿真.仿真结果表明,相比PID控制方法,模型预测控制方法能够更精确地追踪规划轨迹.在两种仿真场景下,模型预测控制方法的追踪误差仅为PID控制方法的43.97%和41.42%.     

全双工通信关键技术研究

传统的半双工(half-duplex,HD)无线系统利用正交的时隙进行信号的发送和接收,造成无线频谱资源的极大浪费.而全双工(full-duplex,FD)通信技术以其链路容量倍增及其潜在的频谱资源利用率提升能力得到学术界和工业界的广泛关注.本文首先将全双工与半双工的模式性能进行比较,详细列举了现有全双工技术的优缺点.作为全双工系统的核心难题,自干扰(self-interference,SI)消除技术可以采用两类主要技术加以实现:被动自干扰抑制和主动自干扰消除.本文对相应技术的优缺点进行了比较.此外,针对复杂时变的无线频谱环境以及动态变化的无线网络结构,本文讨论了全双工媒体接入控制层(medium access control,MAC)协议的设计.本文还进一步论述了实际系统环境下的全双工算法设计与实现,包括中继网络编码、中继选择以及动态资源分配等.最后,本文对全双工通信未来研究方向进行了探讨,并总结全文.     

嫦娥四号中继星伞状可展开天线关键技术研究

嫦娥四号中继星伞状可展开天线采用发射时收拢、入轨后展开的可展开结构方案,有效地解决了中继星应用中的多项技术难题.天线在轨成功展开、在轨性能稳定和承受极低温环境性能不发生破坏是保证中继通信任务成功的前提,对应了天线展开技术、在轨性能稳定性控制技术和极低温环境适应技术等三项关键技术.本文首先对天线展开技术开展研究,设计采用了缓释弹簧分布式驱动展开技术,对展开技术方案进行了介绍,开展高低温环境下天线展开可靠性验证,为天线在轨展开环境选择提供了指导;其次,开展在轨性能稳定性控制技术研究,从材料选择、结构设计和提高反射面平衡态稳定性等方面采用控制措施,进行天线在轨热分析和热变形测试及预示,结果表明在天线最大在轨热变形情况下,天线型面精度仍满足指标要求,确保了天线在轨性能满足任务要求,并验证了天线在轨热变形控制措施的有效性;第三,针对天线在轨经历极低温环境,设计了部件级试验验证结合整机仿真分析的试验验证方法,很好地解决了极低温环境的验证问题,天线经历极低温存储后,结构无损坏,性能无下降,满足天线在轨环境适应性的要求,有效地支撑了嫦娥四号中继星中继通信任务的顺利执行.     

非对称双向中继X网络中基于最大化和速率的干扰对齐与中继处理算法

双向中继X网络相对于传统无线通信网络可以实现更高的自由度.然而,基于迫零算法的中继处理算法仅考虑了消除干扰成分,忽略了对期望信号的影响,从而使得网络的和速率有待提高.特别地,当用户发送功率越低,其和速率劣势越明显.针对上述问题研究其干扰对齐方案,并给出了优化的联合考虑期望信号和干扰信号的中继处理算法.首先,通过利用用户矢量信号之间的空间关系,给出网络和速率的数学模型;其次,通过矩阵分析及数值分析理论将最大化网络和速率的中继预编码设计问题转化为线性搜索最优值问题,并用极限值方法近似网络目标函数;再次,进一步将双向网络的目标函数近似为单向网络用户参数的线性组合,大大降低算法复杂度;最后,基于优化的线性搜索最优值问题,得到最大化网络和速率的中继预编码矩阵.仿真结果表明:相较于现有的中继处理方案,本文方案明显改善了网络和速率,同时还简化了最大化网络和速率带来的算法复杂度.     

基于信道统计特性的中继选择与功率分配算法

针对放大前传多源协同通信网络,在保证系统满足一定中断概率的前提下,以最小化系统总发射功率为目标,提出一种基于信道统计特性的中继选择与功率分配算法.由目的节点根据源节点的优先级因子,依次确定是需要直传还是选择中继进行协同前传,以及相应的源节点和中继节点的最优发射功率.该算法运算复杂度低,且无需在传输中实时更新,能节省系统开销.仿真结果表明,与直接传输和AF策略相比,该算法能有效节省传输所需要的总发射功率,且性能优于凸松弛算法,与最优穷举搜索算法相近.     

协同多点传输中迫零预编码和天线选择技术

MIMO无线传输技术极大地提高了系统的容量,在实际通信系统中,整个网络是一个干扰受限的系统,小区间干扰对MIMO系统传输的影响是显著的,每个相邻小区的基站天线都可以看成一个干扰源．由于基站端数据处理能力的提升和回程容量的增加,多个小区协同多点传输技术引起了人们的广泛关注．目前的大部分工作都是集中于研究系统的容量（吞吐量）,而在实际系统中,每个用户的接收等效信噪比（即公平性）对系统的性能如误帧率等有重要的影响．对于每个用户为单天线的情形,研究了总功率受限和每天线功率受限下采用迫零预编码的系统容量和公平性．对两种功率约束条件下的公平性进行了分析,得到了公平性算法的闭式表达式．当每个用户为多天线的情形,为了降低计算的复杂度,引入了信道范数最大的接收天线选择算法,把每个用户为多天线的情形转化成等效的每个用户单天线情形,推导的每用户为单天线的公平性算法仍然适用．仿真结果显示,采用迫零预编码的多小区协作可以使系统性能显著提升．在相同的迫零预编码下,不同的功率分配策略对系统的容量和公平性有显著的影响．和用户为单天线相比,采用天线选择算法可以提升系统的容量和公平性．考虑了用户公平性时的吞吐量和最大系统吞吐量之间的折中关系,并给出了仿真结果．     

基于有限反馈的协作多小区分布式预编码

多小区协作需要基站间交换大量的信息.为了降低无线回传开销和反馈开销,采用基于信漏噪比最大化的分布式预编码方法,该方法仅需共享干扰信道的信道状态信息,不需要共享数据,与特征值波束成形和小区间干扰清零两种极端的方法相比取得了性能提高.其次,为了更加有效利用反馈资源,推导了速率损耗公式,利用穷尽搜索得到使其最小化的最优解,得出比特自适应分配规律.仿真表明,根据期望信号和干扰信号强度自适应的分配反馈比特能进一步提高系统速率.     

一种新的多用户协作频谱感知方案及其检测时间分析

提出一种新的多用户协作频谱感知方案,根据认知网络中所有候选用户的通信链路质量,选择最佳中继对主用户进行协作感知,从而可以获得明显的多用户分集增益,显著提高认知无线电系统的感知性能.在Rayleigh衰落环境下,对所提出的多用户协作方案和传统非协作方案的检测性能进行了理论分析,得到了系统检测时间的解析表达式.此外,针对非协作感知和多用户协作感知的系统检测时间,进行了相应的数值仿真实验.结果表明,与非协作方案相比,多用户协作感知方案所需的检测时间明显减少,且随着用户数目的增加,多用户协作方案能获得更多的分集增益.     

基于协作波束形成的中继阻塞混合无线物理层安全传输

针对双向无线协作通信系统的安全传输(信息论安全)问题,提出一种基于多节点协作波束形成的中继与阻塞混合机制来提高物理层信息传输的安全性.其基本思想是:在协作传输阶段,系统中的一部分协作节点进行分布式波束形成来帮助发送方发送信息给合法用户,同时另一部分协作节点发送干扰信号阻塞窃听者的侦听,从而显著改善系统在协作广播阶段的安全性能.基于这一机制,针对窃听者的瞬时信道状态信息已知与否,本文提出两种不同的协作波束形成方法和优化方案,这两种方案在数学上均归结为解决一个或一系列的二阶凸锥规划问题,从而可以通过内点法有效地求解.仿真结果和对比实验验证了在中继节点数目较多时本文提出的混合安全机制和波束形成方法相对于单纯的协作中继机制或单纯的协作阻塞机制而言显著地提高了系统的物理层安全性能.     

一种新型零相位因子LEO/MEO双层卫星光网络

相对于微波卫星通信,卫星光通信具有容量大、速率高、高保密性和抗干扰性等优点.利用星间激光链路连接高中低轨道卫星形成空间信息高速公路将在通信、导航、军事侦察、遥感遥测以及深空探测中发挥巨大作用.文中利用覆盖带法,设计了全球连续覆盖低轨道(LEO)/中轨道(MEO)双层卫星光网络结构.LEO层是一个零相位因子walker-δ星座,系统具有准静态的Mesh逻辑结构,MEO层由赤道和极地轨道两个轨道组成,可以有效地覆盖LEO层.覆盖性能结果表明,该网络上升轨道卫星对全球提供99.9%的平均覆盖,对我国提供100%的覆盖.系统可为我国提供单星可见21°的最小仰角,双星可见16°的最小仰角.链路空间位置性能仿真表明,零相位因子星座相邻节点星间链路性能在仰角、方位角和距离上优于非零相位因子星座,非常适合激光链路.激光链路通信性能仿真表明,当卫星光通信在几个GBit/s的较低通信速率时,短波长和长波长波段误码性能相差很小,随着高达100GBit/s通信速率的出现,1550nm波段是一个明智的选择.     

基于窗口的实时友好流媒体传输控制

随着互联网的发展、流媒体应用的日益丰富, 这些面向音视频的应用以其大数据量、实时性要求高等特性对网络的可用资源提出了巨大的挑战. 传统基于UDP的实时媒体传输服务不具有TCP友好性, 在瓶颈链路上很容易造成严重的资源不公平占用, 甚至出现严重的拥塞, 造成数据交付延迟、吞吐量下降、丢弃概率增加等等服务质量恶化的负面影响. 在TCP流占主要成分的Internet, 要实现实时流媒体传输必须保证其能同TCP流共同公平友好地分享链路资源, 才能保证网络的高效稳定的运行. 提出了一种基于窗口的传输控制方法, 它在改善了传统AIMD慢收敛性的基础上, 不仅具有很好的拥塞控制能力, 同时还具有良好的TCP友好性. 在采用RED拥塞控制链路上, 与多个TCP流竞争时它表现出了高效的网络资源利用率、平稳的传输速率以及低的突发性等诸多良好的性能.     

嫦娥四号着陆器在轨实践总结与评估

嫦娥四号着陆器于2019年1月3日着陆月球背面,实现了人类首次月球背面软着陆.与着陆月球正面的任务相比,嫦娥四号着陆区选择在月球背面南极-艾特肯盆地内,地形崎岖,无法直接与地球通信,嫦娥四号着陆器飞行控制过程需对月球背面复杂地形环境和中继通信带来的约束进行针对性设计.实际在轨飞行结果表明,飞行和月面工作正常,实现了预期的精确变轨,在稳定的中继链路支持下完成了动力下降并开展月面工作,月夜温度采集器和有效载荷均在轨开机并持续获取探测数据.本文利用着陆前后的遥测数据,对接近月面过程中的发动机羽流与月面的相互作用效果、着陆缓冲情况进行了评估,并与嫦娥三号相关数据进行了对比.嫦娥四号着陆器的在轨数据挖掘与分析,可用于进一步完善地面仿真分析模型,优化设计,为月球背面环境的科学研究提供工程技术基础.     

基于 ZigBee的新型无线楼层呼叫系统设计

针对当前建筑工地所使用施工升降机的应用要求,利用新兴的 ZigBee无线技术设计了一种新型楼层呼叫系统.该系统使用 CC2430无线单片机,并对2.4GHz高频天线和 PCB制板进行了良好的设计,可应用于恶劣的工业环境中,同时减少了布线带来的困难.通过现场试验,得出该无线楼层呼叫系统能有效实现复杂网络组建和数据通信功能,具有安装方便等特点     

无线传感器网络分布式定位算法研究与仿真

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息.传感器多节点协调的自身定位是各种应用的基础,论文深入分析并比较了在无线传感器网络领域中有代表性的三种分布式定位算法(Bounding box、Euclidean和Robust position),并在OMNET++平台上做了性能的仿真检验;实际仿真结果上,对各定位算法的性能作了分析,并对各算法的应用环境给出了建议;对Robust position算法的改进提出了建议,并对无线传感器网络定位算法的未来研究做了展望.     

高速脉冲超宽带系统和芯片设计

脉冲超宽带无线通信系统功耗低、复杂度低,但传输速率一般不高.本文提出高速脉冲超宽带无线通信系统方案,方案采用高速采样、低阶量化和数字处理技术,在保持较低的系统功耗和复杂度的条件下,实现了超过100 Mbps的脉冲超宽带无线信息传输.论文给出了系统方案、核心算法、芯片设计中的关键技术以及仿真结果.作为核心算法,提出的联合同步和信道估计算法具有低的复杂度,并易于实时实现.论文介绍了芯片设计中的数字基带芯片结构、接收机的状态转移和联合同步和信道估计算法的实现等关键技术.基于提出的方案,研制了数字基带芯片,其内核功耗小于100mW.采用研制的芯片,开发了试验系统,能够进行实时无线高清视频传输.对试验系统进行了实际测试,实测结果验证了该高速脉冲超宽带方案的有效性.     

非线性宽频振动能量采集技术的研究进展

环境中的振动大都不是单一频率的振动,其频率成分分布在一个较宽的频带内.为了充分采集环境中的振动能量,实现无线传感器的自供电,要求振动能量采集器具有宽频振动采集性能.非线性振动法是目前研究最多的一种方法,利用非线性振动法可较容易地实现宽频振动能量采集,且能获得较好的能量采集性能.本文阐述了非线性宽频振动能量采集器的工作原理、机电耦合理论,根据不同的类型介绍了宽频振动能量采集器的最新研究进展,总结了不同类型的优缺点,并对非线性宽频振动能量采集器的发展趋势进行了展望.     

具有小世界特性的低能耗无线传感器网络簇级拓扑研究

本文提出了一种具有小世界特性的无线传感器网络簇级拓扑算法,引入Temple University吴杰教授提出的UCR(unequal cluster-based routing)机制,靠近基站簇尺寸变小,解决基站附近网络耗能过多的热点问题.通过OPNET对构造的簇级拓扑结构进行仿真,当超级节点数目增加到6～18时,平均路径长度降低,路径长度变化率降低,节能曲线变化率升高,能耗降低效果显著.仿真实验还表明,本文提出的具有小世界特性的无线传感器网络簇级拓扑结构对随机攻击具有很强的鲁棒性,具有很好的生存性能.复杂网络理论中的小世界网络具有较大的聚集系数和较小的平均路径长度,通过在原有网络中添加超级节点,形成能与sink节点直接通信的捷径,可以降低网络平均路径长度和能量消耗.目前小世界特性用于WSN的研究中,尚未考虑到sink节点附近的热点问题.     

TD-SCDMA系统多业务动态信道分配算法研究

本文在分析TD-SCDMA系统无线资源管理机制的基础上,对该系统的动态信道分配算法进行研究.为了适应多业务资源管理,本文在已有的DCA研究成果基础上,提出了一种改进的共享DCA方案,根据方案流程进行了计算机仿真验证,并与移动边界方案进行对比分析,在语音业务阻塞率、数据业务掉包率和系统吞吐量等方面进行了比较.