大尺度、高动态的空天信息网络的传输理论与机制

The massive scale and the high dynamics of a deep-space communication system have posed prohibitive challenges to conventional communication technologies, causing tremendous issues in communication reliability, stability, and capacity. This project proposes to combat the many extreme conditions in a deep-space link including unusually high delay, intense atmospheric scintillation, and fast varying, by developing and new and better information technologies. Specific focus is set on such key technologies as joint channel coding and modulation, network coding (fountain coding), and delay/disruption tolerance network (DTN). Aiming at developing significant theoretical and algorithmic advances, we propose the following specific research activities: 1. To design and optimize highly efficient, highly adaptive, and highly reliable joint channel-coding and modulation (JCM) schemes, that can provide a wide range of rate compatibility and work well for a future hybrid wireless and free space optical communication (FSO) deep-space system; and to generate significant theoretical insights into the practice of JCM. 2. To make ground－breaking advances to the theory and methodology for fountain code design; to develop new and better fountain codes that can outperform the state-of-the-art raptor codes; to exploit and evaluate them in deep space communication systems with a long round trip time and frequent disruptions. 3. To exploit DTN technologies in combination with efficient fountain codes as well as adaptive channel coding and modulation strategies; to perform cross-layer optimization between PHY/data-link layer, network layer and transport layer, for an improved system throughput; and to evaluate various practicality issues involving system specifications and tradeoffs.

空天信息网络的大尺度、高动态时变性给传统通信理论带来巨大挑战，致使大时空跨度下实时传输机制的高可靠性、高稳定性、和高容量性成为突出难题，而传统方法难以解决。本项目针对深空链路的高时延、高衰落、高动态特点，对信道编码、网络编码等容延容断关键技术和理论展开深入研究，提出了方法论的创新突破 。项目解决的重点科学问题包括：1.设计和优化高容量、高可靠、高适应性、同时适用无线和自由空间光通信（FSO）系统的、全天候的联合信道编码和调制机制，并以此完善联合编码调制的理论和实践经验。2. 提出突破性的喷泉编码机理，为高阻延、高间断通信系统创建全新的、完全自主知识产权的喷泉码，探索有效的优化机制，使其性能赶超当今最优喷泉码 。3.探索容延容断网络技术在大尺度空间系统的应用，开展数据链路层、网络层、传输层中垂直一体化的匹配性研究和层间联合优化，促成各模块间和谐匹配地工作，有力支持空间信息服务能力的大幅提升。

中文摘要(对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述)：. 空间信息网络是以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。空间信息网络的发展，受频谱和轨道等资源的限制，难以通过增加空间节点数量和提高节点能力来扩大时空覆盖范围。为从根本上解决现有信息网络全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱的问题，亟需开展空间信息网络基础理论与关键技术研究，通过新理论、新方法探索，有力支持空间信息服务能力的大幅提升。具体地,主要完成了以下研究内容：.1. 下行多用户MIMO信道的干扰感知的多小区干扰预编码设计方案与理论。.2. 卫星地面频谱共享网络混合预编码物理层安全传输设计方案与理论。.3. 移动无线能量传输工作的分布式激光充电设计方案与理论。.4. 基于聚类的局部离群检测方设计方案与理论。.5. 新型的TDD LET系统频率选择测深设计方案与理论。.6. 具有最优解码器的无线广播和组播网络编码设计方案与理论。. 通过本项目的研究，项目组已经针对多用户信能同传系统探索出一些具有创新性的收发机设计方法与思路，研究结果可为将来实际应用提供技术支撑。项目组在申请时预期发表SCI学术论文6篇，EI论文6篇，申请专利2个，目前已经完成该目标。截至目前，课题组已经在国际通信及电子处理领域权威期刊（IEEE Transactions on Industrial Informatics, IEEE Transactions on Wireless Communication，IEEE Wireless Communications,IEEE Vehicular Technology Magazine）,美国计算机协会嵌入式计算系统领域权威期刊（ACM Transactions on Embedded Computing Systems)上发表论文，其中包括IEEE TII 1篇，IEEE TWC 1篇，IEEE VTM 1篇，IEEE WC 1篇，ACM TECS2篇，同时在国际通信与信号处理主流会议上发表EI论文6篇(其中一篇论文在IEEE BDSTA上获得最佳论文奖），论文被他引近300次，SCI他引近100次，此外专利申请14个（其中授权专利6个，国际PCT专利2个）。在本项目的资助下，共计培养16名研究生，其中4位硕士顺利毕业。