天波通信同频复用组网理论与关键技术研究

天波通信是远距离和应急通信的主要手段，对自然灾害多发的我国具有极其重要的政治和经济意义。然而，传统天波信号的传输距离远、覆盖范围广，导致不同通信链路间的同频干扰很大，严重限制了天波通信系统的容量。本课题提出一种基于窄波束成形和频率复用技术的天波组网概念，利用近年来迅速发展起来的窄波束成形技术，将电磁波约束在一个很小的空间立体波束内。窄波束经电离层反射后仅覆盖地面上的一个"小区"，同一频率可以在不同波束覆盖的"小区"内无干扰地重复使用。这种新的组网方式可以使天波系统容量随频率的空间复用次数线性增长，对显著提高我国天波通信系统容量，增强灾后应急通信能力有重大的实际意义。针对这种新型天波网络，我们的研究内容包括:窄波束信号的传播机理和覆盖模型，同频小区间干扰原理，可动态配置的网络架构，波束成形和频率分集策略，以及适应不同网络拓扑的频率分配和路由选择技术，并对系统参数和算法进行跨层优化设计。

本课题研究窄波束同频复用天波组网系统及其关键技术。我们从系统模型、关键技术、性能分析等方面入手对窄波束天波系统开展了深入的研究，获得了丰富的研究成果。下面对照研究计划中的五项研究内容逐项介绍我们所取得的成果：.（1）天波信号的传播和覆盖模型研究.我们针对不同发射天线数目的情况研究了天波信道的传输性能，讨论了窄波束条件对接收链路性能的影响，分析了波束宽度与覆盖范围的关系，并根据典型参数对信道相干带宽和波束覆盖范围进行了计算。.（2）天波系统网络结构及容量研究.本课题所提出的天波通信系统中，相邻覆盖区域间存在同频干扰。我们对窄波束同频组网系统进行建模，并分析了系统容量。该成果发表在IET Communications。.（3）天波通信系统窄带传输关键技术研究.针对窄波束天波通信系统的特点和问题，我们提出了三项增强系统性能的关键技术。第一项是窄波束成型算法，我们提出一种适合于窄波束同频复用系统的波束设计准则，并根据该准则设计了一种能量集中于主瓣内而旁瓣辐射极小的波束成型算法。第二项是基于干扰分布的译码修正方法，解决了采用OFDM调制的天波同频组网系统中相邻覆盖区域的干扰问题。该成果发表于IEEE Communications Letters。第三项为空间调制技术，该方法可以提高通信系统的频谱效率。该成果发表于IEEE Wireless Communications Letters。.（4）动态频率分配和路由选择研究.为了提高频率在空间重复使用的效率，我们将中继技术引入天波通信系统，研究并提出了一种中继路由选择策略，并分析了其性能。该成果发表于IEEE Transactions on Wireless Communications。.（5）基于QoS保证的跨层优化设计研究.针对天波通信系统中用户的移动速度、QoS等级要求提出了一种导频信号设计及对应的用户调度方案。该方法为不同移动速度的用户提供满足QoS等级要求的信道估计，并且相比传统方法减少了导频信道的开销。该研究成果发表了2篇国际会议论文。.本课题按时完成了研究计划中的各项任务。课题研究成果发表论文6篇，其中4篇为国际期刊，2篇为国际会议。培养研究生5人。通过本课题的实施，我们获得了天波同频组网系统的理论知识，掌握了解决该系统中问题的关键技术，了解了系统的综合性能；并培养了人才，积累了经验，提高了无线通信领域的科研水平。