基于动态频谱共享的星地协同认知无线通信技术研究

Satellite communication is becoming more and more important in modern communication industry. It can provide the users with the flexibility, real-time, and global communication coverage, which are difficult to be achieved by other communication mediums. With the constantly emerging of mobile communication satellite services and business, the contradiction between spectrum supply and demand has become increasingly prominent, and the electromagnetic environment has become more complex and changeful. The importance of monitoring and management of satellite spectrum resources has already risen to the national security and strategic level. Thus, improving the spectrum resource utilization has become an important way to overcome the existing spectrum resources shortages. The problem is to investigate and to set up the satellite-to-ground collaborative dynamic spectrum sharing technique models and methods to improve the utilization ability of the satellite to ground collaborative communication spectrum. This technique can break through the efficient detection and recognition technology of the satellite-to-ground collaborative spectrum in the dynamic spectrum environment and provide the signal sparse representation and data mining technology based on local dynamic template. Multi-parameters optimization control is utilized to give satellite-to-ground collaborative spectrum dynamic reconfiguration method, and the satellite-to-ground dynamic spectrum sharing system architecture is designed in an optimal sense. Then, simulation experiments on the ground and of specific content testing of stars in orbit are implemented to verify the correctness and rationality of the theory and methods. This project provides an effective solution to the timely and efficient establishment of satellite to ground communication network, and provides technical support for the healthy, steady, sustainable development of our national spatial information network.

卫星通信在现代通信行业中地位越来越重要，它为用户提供的灵活性、实时性、全球通信覆盖能力是其他通信媒介难以实现的。随着移动通信卫星业务的不断涌现，频谱供需矛盾日益突出，电磁环境更加复杂多变，卫星频谱资源的监测和管理早已上升到国家安全和战略高度，提高频谱资源利用率已成为解决现存的频谱资源短缺问题的重要途径。本课题研究和构建星地协同动态频谱共享技术模型与方法，提高“星地一体”协同通信频谱的利用能力。突破动态频谱环境下星地协同频谱高效检测识别技术、基于本地动态模板的信号稀疏表示及数据挖掘技术、面向多参数优化控制的星地协同频谱动态重配置方法，以及星地协同动态频谱共享系统架构的优化设计，通过地面仿真实验及选取针对性内容进行星上在轨测试，验证理论及方法的正确性和合理性。为我国及时高效的建立“星地一体”通信组网找到一种有效的解决途径，为我国空间信息网络的健康、稳步、可持续发展提供技术支持和储备。

从国际电信联盟给出的频谱划分可见，空间通信频谱已经非常拥挤，而实际在移动通信卫星系统的频段使用中，实测使用率大部分不足一半，有些部分甚至不到5%。这些问题都为认知无线电技术应用于移动卫星通信系统提供了可能。然而，移动通信卫星系统所处的频谱环境是一种典型的动态频谱环境，卫星移动速度极快，波束覆盖范围较大，在一个回归周期内覆盖地球表面大部分地域，其频谱环境的复杂性远甚地面设备。由于动态频谱环境的影响，通信链路的质量、卫星覆盖区域的噪声干扰情况以及频谱使用状况会随着卫星的移动发生变化，导致经典的地面认知无线算法大部分失效，星地协同频谱共享认知通信理论已发生本质变化。.鉴于上述背景，本课题在深入研究认知无线技术和移动通信卫星系统最新发展成果和趋势的基础上，探索基于动态频谱共享的星地协同认知无线通信技术，主要研究包括：.（1）动态频谱环境下的星地协同频谱高效检测、识别技术研究.（2）基于本地动态模板的信号稀疏表示及数据挖掘技术研究.（3）面向多参数优化控制的星地协同频谱动态重配置方法研究.（4）星地协同动态频谱共享系统架构优化设计.本课题提出基于高相干性光频梳和I/Q解调的射频信道化接收技术，自主开发设计样机，实现高载波(0-40GHz)、超宽带(3.5GHz)任意多频点信号的测量，精度提高到100kHz以内。“该成果与美国DAPAR在‘AOSP计划’中MHz水平相比，精度提高1-2个量级，处于国际领先水平”，提出卫星多认知节点协作融合机制，解决了卫星下行链路中终端的分布较远，合作判决性能不佳的难题。提出一种新的检测信息表征和存储体系，对动态复杂的航天器频谱态势进行高效、完备和简洁的表述、存储和挖掘，处于国内领先水平，综合体系框架和信息生命周期的分析过程，形成星地协同认知无线通信系统架构，有力推动了本领域的跨越式进展，将有助于航天器的编队飞行、星间快速组网，以及用户动态接入组网应用，支撑未来空间对抗和在轨服务技术的发展，促进航天技术、科学探索和国民经济的发展。