密闭舱体内高可靠性TR无线通信关键技术与方法研究

作     者：郭洪龙 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵德双

授予年度：2017年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：航天器 时间反演 信道预探测 OFDM MIMO 

摘      要：近年来,随着人类探索宇宙的步伐,空间技术正在迅速发展,航天舱内信息传输需求也日益增长,传统的通过有线电缆传输信息的方式受到航天舱的体积、重量等条件的限制,逐渐成为航天器发展受限的重要因素之一。因此,实现舱内无线通信非常必要。然而,与传统地面应用环境不同,航天器是封闭舱体,舱内各点之间的无线信道环境异常复杂,电磁波密集多径传输效应显著,引起符号间干扰严重,传统的无线通信方案效果不佳,无线信息传输的可靠性受到严重挑战。时间反演(Time Reversal,TR)技术具备独特的“空-时同步聚焦、“超分辨率聚焦等特性。一方面“时间聚焦特性能显著提高SNR(Signal to Noise Ratio,SNR)、有效抑制信道时延拓展、降低ISI(Inter-Symbol Interference,ISI);另一方面“空间聚焦特性具有天然的SDMA(Space Division Multiple Access,SDMA)通信能力,能够降低无线通信设备间电磁干扰;而且TR的“超分辨率聚焦特性使得天线单元间距能够突破分辨率极限λ2/,不仅能缩小无线通信设备体积,而且显著提升通信容量。TR这些特性在航天器内无线通信应用方面,拥有无可比拟的技术优势。基于此,本文针对航天舱内TR无线通信开展研究,主要工作包括:第一章,介绍了航天器内传统的通信体制,对国内外针对航天器内无线通信的研究现状进行了分析,明晰了无线通信技术在航天器内应用的前景及挑战。第二章,介绍了OFDM技术的基本原理,针对多径衰落信道对OFDM信号造成的相位弥散问题,探索利用TR“空-时同步聚焦特性消除多径信道引起的相位旋转。第三章,研究了TDD-TR系统上行链路信道预探测技术,仿真分析了模拟航天舱内环境中LS-DFT与MMSE信道估计算法的性能。研究表明LS-DFT信道估计算法不仅具有较低的运算复杂度,而且具有优异的估计精度。这为TDD-TR-OFDM无线通信系统航天舱内应用奠定了坚实的基础。第四章,在传统MISO-OFDM系统方案基础上,提出了TDD-TR-MISO-OFDM系统方案,建立了TDD-TR-MISO-OFDM系统数学分析模型,并仿真分析了模拟航天舱内环境中上述系统的通信性能。仿真结果表明,TDD-TR-MISO-OFDM系统通信性能远远优于传统的MISO-OFDM系统。第五章,针对航天舱内WSN(Wireless-Sensor-Network,WSN)节点分布密集,通信性能下降问题,基于TR电磁波自适应聚焦特性,提出了TR-MIMO聚焦无线通信系统方案,并仿真分析了上述系统误码率性能。仿真结果表明,随着SNR提升,系统误码率逐渐逼近于0。上述结论充分验证了TR技术太空舱内无线通信应用的潜在优势。第六章,对本文的相关工作内容进行了总结与展望。