基于波分多址脉冲超宽带的空间编队飞行器高速通信新体制研究

Space formation aircraft communication is a frontier subject in aerospace science. Previous researches showed that DS-UWB based formation communication had some advantages. However, in multi-user case, the communication rate and utilization of spectrum of DS-UWB is ot satisfactory, which cannot meet the demand of high-speed communication. To solve these problems of DS-UWB formation communication, in this project, a novel high-speed UWB formation communication structure based on waveform division multiple access (WDMA) is proposed and its core mechanism and key technology will be studied. The design mechanism of orthogonal UWB impulse series with good correlation characteristic using orthogonal wavelets and orthogonal polynomials will be explored in this project. The orthogonal UWB impulses will be assigned to different formation users as information carrier.At the same time, the orthogonal pulses will be used to distinguish multiple users and construct WDMA communication system. The DDFF-AWG method will be employed to explore the generation mechanism of actual WDMA impulse, and the performance of the communication system using the generated impulses will be studied. The forming mechanism of the multiple access interference of WDMA system will be studied, and the multiple access interference suppression method which can meet the real-time demand of high speed communication while the BER performance approximates the OMD method will be explored.The communication rate and spectrum utilization of UWB formation system will be significantly improved, the system equipments will be simplified, and the payload will be reduced by the achievements of this research. It can also promote the new structures and new methods of space formation communication, and lay the foundation for practical application.

空间编队飞行器通信是宇航科学的前沿课题，前期研究发现，DS-UWB体制编队通信具有一定优势，但在多用户通信时，该体制存在通信速率较低、频谱利用率低等问题，无法满足高速通信的需求。针对DS-UWB编队通信存在的上述问题，本项目提出一种新颖的波分多址超宽带编队高速通信体制并对其核心机理和关键机制展开深入研究。探索利用正交小波和多项式族生成具有良好相关特性的正交UWB脉冲的机制，将不同正交脉冲分配给不同编队用户作信息载体并区分多用户信息，进而构建波分多址编队通信系统。应用DDFS-AWG方法探索实际波分多址脉冲生成方法并研究该通信系统的性能，探索该体制多址干扰的产生机理和能满足高速通信实时性需求且误码率性能逼近最优MUD的多址干扰抑制机制。本研究将显著提高编队通信速率和频谱利用率，简化系统设备，降低有效载荷，促进空间编队通信的新体制新方法研究，为实际应用奠定基础。

空间编队飞行器通信是空间通信领域的一个前沿性的热门课题，探索空间编队飞行器多用户高速通信的新体制、新方法具有十分重要的意义。传统DS-UWB体制的实际通信速率和频谱利用率较低，不适应高速通信的需求。为了解决DS-UWB多址方式通信效率低下的问题，本项目探索了一种基于波分多址超宽带（WDMA-UWB）空间编队飞行器高速通信的新体制。课题探索并论证了应用WDMA-UWB体制构建空间编队飞行器高速通信链路的可行性，重点对正交脉冲波形的设计方法和多址干扰抑制机理进行了深入探索。项目首先推导并仿真建立了空间编队飞行器WDMA-UWB信号传播模型和通信链路；其次为有效抑制多址干扰和远近效应对通信性能的影响，项目探索了空间编队飞行器WDMA-UWB通信多址干扰抑制方法：在发射端研究正交脉冲波形设计，利用波形的正交性进行多址接入。针对用户数量较少情况，项目基于正交多项式和遗传算法的脉冲波形设计方法，实验证明，该算法复杂度较低，在用户数较少的情况下可以获得互相关特性较好的正交波形；针对用户数量较多情况，项目提出了基于正交小波和互相关对齐算法的脉冲波形设计方法，该方法利用干扰对齐的思想，通过迭代运算得到正交组合波形，该方法设计的波形能够极大的提高系统多址容量。在接收端研究多用户检测算法，实现多址干扰的进一步抑制。针对用户数较少的低速通信情况，项目提出了基于检测重构和相似度比较的多址干扰抑制算法，该算法复杂度较低，在用户数较少时能够逼近OMD算法的性能；针对用户数较多的低速通信情况，项目提出了基于改进混合人工鱼群算法的多址干扰抑制算法，能够适用于系统用户数较多的情况，该算法需要一定的迭代运算即可逼近OMD算法的误码率性能；针对实时高速通信情况，项目提出了基于高斯混合模型聚类的多址干扰抑制算法，该算法利用高斯混合模型和最大期望算法计算得到误码判别阈值，计算复杂度逼近匹配滤波算法，同时能够获得较好的性能，便于WDMA-UWB体制空间编队飞行器实时高速通信的实现。最后，项目还探索了空间编队飞行器WDMA-UWB多用户通信的FPGA平台实验验证，构建了FPGA多址干扰抑制平台和仿真系统，实验证明，基于高斯混合模型聚类的多址干扰抑制算法适于FPGA硬件实现，通信性能与理论仿真一致，具有较强的可实现性。项目的研究取得丰富的理论成果，在空间编队飞行器领域中具有重要的理论和实际意义。