基于行星际互联网的深空通信理论与技术

深空通信具有信号传播时延大、接收信噪比低、链路间断可通、上下行信道非对称、网络稀疏且拓扑动态变化等特点，随着深空探测范围的扩大、探测器数量的增加和传输速率的提高，传统的深空通信理论和技术面临严峻的挑战。建立一个面向未来深空探测任务的行星际互联网是一种有效的解决方案。为此，本课题提出基于行星际互联网背景研究极低信噪比通信、高效组网传输和自主无线电等理论与技术。.首先，研究点对点链路中的非相干信息论、高效编码调制构造及迭代接收算法等通信基础理论，提出适合极低信噪比接收的新方法；其次，研究基于拉格朗日点的行星际互联网体系架构，从提高网络编码效率的角度设计最优的网络拓扑，研究适合深空通信应用环境的网络编码理论与实现方案，提出相应的编码路由算法；然后，研究行星网中的自主无线电技术，通过信号的自主检测和信号制式的自动识别为探测器提供高效、可靠的通信；最后，研制仿真验证平台检验所取得的主要创新成果。

随着深空探测任务的增加，行星际互联网(IPN)成为深空通信的发展趋势。深空通信网络具有大时延、分组易丢失、连接间断性、拓扑变化等特性，而且深空信道的上下行信道不对称甚至没有反向信道，因此传统的数据传输方式效率和可靠性极低，当传输时延大于连接时间时数据传输甚至变得不可能。本课题针对以上问题，首先利用拉格朗日点设置IPN骨干网的中继节点，提出了分层分簇的方法实现骨干网拓扑的构建和优化；研究了地火不间断通信拓扑构造与优化，提出了火星同步轨道(MSO)和火星太阳同步轨道星座(MSSO)中继接入方案，并给出了基于分层剪枝算法的行星网拓扑构造与优化策略；针对IPN组成复杂、动态异构等特点，提出了基于分簇的组网方法，以达到子网之间解耦合和全网可控。本课题在点对点通信领域进行了研究，提出了改进型FQPSK调制方式——CEEFQPSK，其误码率性能提高了0.5-2dB；提出了一种新的自适应归一化最小和LDPC码高效编码构造及译码算法和乘性重复多域LDPC码，在提高译码性能的同时降低了复杂度；针对干扰环境给出了一种极低码率完整式的Turbo-Hadamard信道编译码系统；在极低信噪比接收机设计方面，提出了基于层进频偏补偿的迭代载波恢复算法和利用外信息的低复杂度迭代接收机，设计实现了可变码率/可变码长LDPC高效编译码器。本课题还对IPN网络传输机制进行了研究。提出了RaptorQ码的快速译码算法和基于分布式LT码的中继接入方法；提出了深空稀疏信号的合作检测和跟踪监测算法，以及基于压缩感知的信号感知算法，建立了相对完善的信号调制识别体系，能识别目前深空通信中常用的调制方式；针对双向中继首次解决了异步条件下的物理层网络编码与信道编码的结合机制问题，并在多点中继转发系统中提出了基于校验分裂原则设计码率兼容非规则重复累积(IRA)码，提高了编码增益；提出了基于网络编码的IPN行星网协同点对点信息交换策略(NCPIE)，明显提升了信息交换的有效性和可靠性；提出了基于网络编码的广播重传策略(INCBR和WONCR)，其重传效率高，实现复杂度低，可有效保证行星网中广播数据的快速、可靠发布。课题组还搭建了点对点深空通信仿真验证平台，能够模拟高增益信道编译码、低信噪比调制解调等内容；研制了自主无线电原理样机，能够自主发现较宽频率范围内的信号，自动识别信号的中心频率、带宽、信噪比和调制方式等。