面向空临地的毫米波高速传输系统

The space information network is the global scientific front and commanding height today. The near space to ground mmWave communication system is the foundation of space information network. However, there are many challenges in building a long-distance and high rate near space to ground mmWave communication system, such as heavy signal path loss, lack of reliable channel model, non-ideal hardware and difficulty in improving spectrum efficiency. This project plans to analysis channel characteristics and to build the near space to ground channel model of E band based on measurements firstly to support performance evaluation and system design. Secondly, theorem and technological breakthroughs will be made in photon-assisted mmWave signal processing and silicon-based digital-control multifunctional chip to overcome the drawbacks on performance and volume of traditional circuit mmWave hardware. Then further improvement on transmission distance and rate will be achieved by communication system design and signal processing technology based on research results above and practical hardware limitation. Finally, the experimental prototype, which can achieve the target on both transmission rate and distance and be used for technology verification, will be integrated based on architecture design optimization. The research achievements will lay the foundation for wide and efficient utilization of near space to ground high rate transmission system.

空间信息网络是当今世界重要的国际科学前沿和战略制高点，临近空间对地面毫米波高速传输系统是构架空间立体化信息网络的基础，但临近空间对地面远距离毫米波通信面临信号传输损耗大、缺乏可靠信道模型、硬件非理想、频谱效率提升困难等挑战。本项目拟首先通过测量E波段毫米波信号临近空间对地面远距离传播特性，分析信道特征并建立信道模型，基于模型评估传输性能和进行系统设计；然后从光子辅助毫米波信号处理和硅基数控多功能芯片两个方向进行研究取得理论和技术突破，弥补现有传统电路毫米波传输系统硬件性能和体积等方面的短板；并基于上述研究成果和实际硬件指标，研究通信系统设计和信号处理方法，进一步提升传输距离和传输速率；最后，通过优化硬件实现架构设计完成试验样机集成，对整体及单项技术方案进行验证，达到传输速率和距离目标，为临近空间对地面高速传输系统的广泛高效的应用奠定坚实基础。

本项目针对空临地毫米波高速传输所面临的挑战，通过测量E波段信号空临地传播特性，分析信道特征并建立了信道模型，基于模型评估传输性能和进行了系统设计；从硬件非理想补偿和光子辅助毫米波信号处理两个方向进行研究取得了理论和技术突破，弥补了现有传统毫米波传输系统硬件性能和体积等方面的短板；基于上述成果和实际硬件指标，研究通信系统设计和信号处理技术，进一步提升了传输距离和传输速率，并完成了样机研制，各项指标达到设计要求。.毫米波模拟器件非理想特性通常会导致收发信机都有I/Q不平衡的问题，严重影响空临地毫米波高速传输系统高阶调制传输的性能，本项目建立了I/Q不平衡参数和信道部分解耦的信号模型，在此模型的基础上采用EM架构对I/Q不平衡参数和信道同时分别进行估计，在E-Step采用基于稀疏贝叶斯学习原理的创新方法进行信道估计，在M-Step采用Newton方法估计I/Q不平衡参数，所提方法不需要在频域进行特殊导频序列设计，同时能够自适应的调整算法迭代复杂度提升性能，对于采用单载波频域均衡的毫米波远距离高速率传输实现具有重要意义。光生毫米波传输受到非线性噪声的限制，导致传输频谱利用率下降，为了提升系统的最大传输速率，减小器件带宽和传输中非线性噪声的影响，本项目提出了概率整形调制与具有I/Q MIMO均衡结构的二阶Voletrra非线性均衡器相结合的传输方法，有效的提升了传输性能。.本项目研制了E波段宽带传输样机。室内传输实验，双向传输峰值速率达到107.6Gbps；地面10km等效实验，2×2天线双极化传输，双向传输峰值速率达到15.175Gbps；空地环境20km实验采用1×1天线双极化传输，双向传输峰值速率达到7.5876Gbps。本项目研制的样机在青海大柴旦地区完成了国内首次平流层气球载荷到地面E波段信道测量和通信实验，在海拔4200米的测试点获得了20公里以上空临地E波段传输信道实际测量数据，并测试了高阶调制的通信性能，实验成果验证了E波段空临地高速传输的可行性，并为后续系统设计和研发提供了宝贵的科学数据和技术经验。