天基信息网络低轨非对称路由协议研究

天基信息网络中的低轨道(LEO)卫星因拓扑变化快、轨道周期短,存在较多的信息网络相关节点间的非对称链路。文章从路由表优化和特殊链路处理方案等方面进行研究,提出了一种基于分时的低轨卫星网络路由算法。以星间链路传输时延作为计算代价度量来判断路由选择的优劣,从链路检测、路由计算和数据转发等三部分对路由协议进行描述,并制定了低轨链路处理方案,可以有效地发现网络中的非对称链路,及时进行相应处理。最后,仿真对比分析结果表明,文章所提出的协议方案在非对称链路存在的情况下性能更为优越。     

提高DCPR接收系统信噪比和抗干扰能力的方案

文章介绍了风云二号卫星地面应用系统工程高速数据收集平台报告信号（ DCPR）接收系统在北京气象站系统预交付联试中表现的天线频繁跟踪以及经过接收变频后的90.9MHz中频信号信噪比测试结果较差问题排查过程和有效的解决方案。问题排查过程主要针对DCPR接收系统射频接收机多个关键检测点进行测试,从测试结果和系统链路组成分析问题原因,并制定了四个具有针对性解决方案,主要是：DCPR接收系统射频接收机自带5MHz锁相晶体振荡器、加强手机信号干扰抑制、降低变频前链路增益、增加变频后链路增益以满足系统使用要求。最终将以上解决方案应用到风云二号卫星地面应用系统工程高速数据收集平台报告信号（ DCPR）接收系统中,问题得到了很好解决。     

链路状态感知的低轨卫星网络路由机制

低轨卫星的空间组网能够突破地形限制,实现全天候、高带宽、低时延、广覆盖的数据通信,弥补地面通信系统的不足,使通信服务全球化成为可能。但是,卫星节点的快速移动和能量受限使得空间链路面临高动态、不可靠、间歇性等问题。同时接入用户的分布不均容易导致卫星网络出现重载节点和局部拥塞的情况,这对空间组网和数据传输提出了新的挑战。传统的静态卫星组网模式可靠性差,可伸缩性低,难以适应空间动态组网的需求。针对低轨卫星网络拓扑变化快的特点,提出链路状态感知的路由机制,在降低卫星能耗的同时减轻网络的局部拥塞,使用树莓派搭建半实物仿真平台,并在该平台上进行实验,验证了该机制的有效性。     

一种基于卫星天线指向的地面站高度修正方法

为了解决非合作地面目标的精确高度确定和星间通信链路故障分析问题，文章通过结合地球扁率特性和目标可见性分析结果，提出了一种根据星载天线指向转角计算地面测站大地坐标系位置的方法。在考虑地球系统岁差章动的影响下，该方法将数据反向推算到地球固连坐标系内，并通过矢量模选择策略和高度迭代算法，不断提高所求测站的经纬高精度。在解决了天线转角缺少指向矢量绝对长度信息的情况下，指向矢量存在共轭模的选择问题，并能够准确地确定地面站高度。该方法为星地数传通信链路分析提供了更独立准确的指导信息，同时也为非合作地面目标的在轨信息获取提供了解决方案。该方法需要卫星提供准确的指向角度信息和卫星姿态，并需要对轨位信息进行格式转换，这给适用范围带来了一定的局限性。     

基于负载均衡的导航时分网络建链优化技术研究

导航卫星可基于相控阵星间链路构成覆盖全球的时分捷变网络,文章针对卫星之间建链拓扑的优化问题进行研究。首先,建立导航卫星星座动态时分建链的拓扑模型,确定了在特定路由策略下,信息路径及网络节点负荷由网络拓扑唯一确定的原则,并分析了导航卫星网络业务流量不对称的特征。然后,基于导航星座模型提出基于目标评价函数进行负载均衡的网络拓扑优化方法,形成建链优化方法的计算步骤。最后,以网络时延和接入能力为指标验证时分网络建链规划方法对负载进行均衡的性能。仿真结果证明了基于负载均衡的时分网络建链优化方法的可行性,对全球卫星导航系统的星间链路管理与运行具有参考价值。     

基于射频传感网络与GPRS的监测系统设计

文章针对目前多数射频监测技术只适合短距离的缺点，提出一种射频网络与GPRS相结合的远距离无线监测系统设计方案，重点介绍系统软硬件的设计，以ARM7芯片S3C44BOX为核心构建基站，以51系列STC89C52RC单片机为核心构建射频传感网络采集节点，各节点与基站的通信由NRF905射频收发模块来实现。文章还对射频传感网络的拓扑结构和通信协议进行了设计，成功解决了射频传感网络中的冲突检测、隐藏节点等问题，保证了系统的可靠性。最后进行了通信测试实验，证明了方案的可行性。     

空时接收并行干扰消除器的性能分析及优化

提出一种新的用于DS-CDMA系统上行链路阵列接收加部分并行干扰消除的联合处理方案。在接收端多径信号的阵列处理方面,将传统的RAKE接收改为LS-DRMTA算法,能大大降低基站处理的运算量。在波束形成器之后引入干扰对消器,对传统的并行干扰消除器“硬判决”的缺陷进行优化,改为部分并行干扰消除器,可以更好地检测出期望用户信号,而且避免了消除串行干扰中存在延时问题,仿真结果表明,该联合处理方案简单有效,适合工程应用。     

具有星间链路的导航星座重构研究

针对具有星间链路的导航星座在卫星节点或链路失效情况下的重构优化设计问题,提出了一种基于遗传算法的设计方法。首先,根据导航星座的功能需求与设计约束,建立了星座综合重构优化设计模型。其次,提出了基于遗传算法的综合优化设计方法,并根据问题特性对遗传算法的具体操作进行了修改。最后,应用该方法对Walker 24/3/2构型星座及网状星间网络在节点和链路混合故障模式下的重构进行了优化设计。结果表明,基于该方法重构后的星座与网络拓扑性能能够得到一定程度的改善,证明了方法的可行性。     

空基激光终端动态组网研究

空间激光链路的特点是捕获跟踪困难,只适合点对点通信,因此组网应用多采用环状拓扑,导致网络的终端消耗大、链路时延长.为解决该问题采取了星形拓扑,优化网络节点增加辅助捕获设备,并改进链路接入为两阶段捕跟,从而实现高性能的动态复用激光链路.该方案特点是采用角反射阵列进行预先捕获,从而大大减少实时通信准备时间,并设计激光终端备用池动态复用,从而大大降低组网成本并提高网络性能.     

低轨卫星Link16数据链关键技术研究

将Link16战术数据链搭载到低轨卫星上进行网络中继能够扩大数据链的通信距离,扩展战术信息的保障范围,增加数据链的态势感知距离.低轨卫星相对于地面数据链终端具有通信距离远,运动速度快等特点,如何将Link16数据链的技术体制进行适应性修改使得在不改造地面终端的情况下实现卫星Link16数据链是文章的主要研究内容,针对星地通信距离远造成的长时延对数据封装格式和RTT同步消息格式不适用的问题,提出星地传输时延补偿算法,设计了卫星节点的时隙结构,并推导出RTT精同步计算公式,针对多普勒频移,提出了接收机的时频同步方案,为未来低轨卫星Link16数据链的实现提供了可行性支撑.     

面向深空时变信道的数据传输策略

将呈现随机“好”、“坏”状态跳变的深空Ka频段链路噪声温度建模为两状态Gilbert-Elliot信道,考虑深空下行发送端只能获得延迟的信道状态信息（CSI）的限制,结合部分观测马尔科夫决策理论设计了基于延迟CSI预测信道状态的自适应最大化吞吐量传输策略。理论推导了在深空通信环境下最优传输策略的关键阈值,并给出了简化的闭合解计算式。通过地球-火星通信参数仿真,校验了该方案能有效提高吞吐量,提高文件传输效率。     

一种基于认知无线电的卫星网络信道接入策略

针对可用无线信道资源紧张与固定信道分配方式导致卫星网络信道利用率低下的问题,提出一种基于认知无线电的卫星网络信道接入策略。卫星用户以分时多址（TDMA）方式接入卫星信道,认知用户通过频谱感知发现卫星网络闲置信道资源,并以S-ALOHA方式接入信道。通过建立基于频谱感知与具有捕获效应的认知用户信道接入模型,分析认知用户最佳频谱感知时间,推导干扰信号在相干叠加与非相干叠加条件下的卫星网络吞吐率性能,并对影响网络吞吐率的因素进行仿真分析。结果表明,该信道接入策略能够在不明显降低高负载时卫星网络吞吐率的前提下有效提高低负载条件下的卫星网络吞吐率,且干扰信号相干叠加比非相干叠加对网络吞吐率性能的提升更为显著。     

Bi-directional multimedia satellite communication system using ultrasmall user terminals

NTT started development of a multimedia satellite communication system to provide a medium for Internet access in 1995. This system, which entered commercial service in 1998, uses a hybrid network consisting of a high-speed satellite forward link and terrestrial access links. To meet the increasing demand for low-cost and ubiquitous access links, a second-generation system equipped with satellite transmitting functions is now being developed. The user terminal design calls for a DTH-sized receiver antenna and a transmission power of less than 0.1 W, which will make it suitable for use in homes and small offices. The access link signals from the user terminals are superimposed onto the high-speed TDM forward link signal for efficient use of the frequency band. The transmission power from the user terminal is significantly low compared to that of the forward link signal, a novel interference cancellation technique is introduced. A channel assignment scheme called “channel reservation with rapid release” is introduced for both efficient use of the channels and higher transmission throughput. The forward link signal is completely compatible with the first-generation system, and the data rate is about 30 Mb/s.The paper describes the system's configuration, the central earth station's configuration, and the key technologies of the radio system and access control system.     

基于网络效用的OFDM卫星移动通信系统呼叫接纳控制

在天地一体化网络中,OFDM卫星移动通信系统更有利于与地面无线网络融合。呼叫接纳控制是无线资源管理中的关键问题,本文针对OFDM卫星移动通信系统提出了一种基于网络效用和动态系统资源的星上呼叫接纳控制方法,采用集中式接纳控制,对卫星系统资源的集中管理可有效降低呼叫等待时延。所提出的接纳控制方法基于不同业务的网络效用函数,采用跨层设计思想,根据物理层卫星信道状态变化更新OFDM子载波传输能力,在呼叫接纳控制过程中动态调整分配业务带宽,实现整个网络效用最大化,同时保证业务的QoS要求。仿真结果表明,在系统业务负载饱和的情况下,该方法系统资源利用效率显著优于基于用户端最小阻塞概率的接纳控制方法和基于用户端业务QoS的接纳控制方法,非常适合于资源受限的卫星系统。     

基于多天线中继的卫星-地面混合无线通信系统上行链路性能分析

研究了Rayleigh Rician非对称衰落信道下,以基站作为固定增益放大转发(AF)中继的卫星-地面混合无线通信系统上行链路性能。首先利用信道状态信息(CSI)得到中继配置多天线时系统的最大输出等效信噪比(SNR)。基于特殊函数推导出系统中断概率(OP)和概率密度函数(PDF)的解析表达式,并进一步得到各种调制方式下系统平均误符号率(ASER)的理论计算公式。最后通过无穷级数展开推导出高信噪比时平均误符号率的渐近闭合表达式,分析系统能获得的分集增益和阵列增益。计算机仿真表明所提出的性能分析方法的正确性,分析了天线数量和信道参数对卫星-地面混合无线通信系统性能的影响,为实际系统设计提供了参考和依据。     

基于直方图修改的卫星遥感图像无损隐藏传输

针对星上低速率数据的传输问题,提出了一种基于直方图修改技术的卫星遥感图像无损隐藏传输方法。该方法通过对星上高速率遥感图像相邻像素差的直方图进行修改,将低速率数据嵌入到原始高速率遥感载体图像中,并利用卫星高速数传系统进行下传。地面接收端可以从载体图像中正确提取低速率数据,并无损恢复原始高速率遥感图像数据。该方法在不增加卫星数传系统复杂度和信息传输速率的前提下,提高了卫星数传系统的利用率,增强了数据传输的隐蔽性。实验结果表明,本文算法在保证良好的不可见性的情况下,获得了较高的纯载荷嵌入容量。与其它无损嵌入方法相比,在峰值信噪比和纯载荷嵌入容量方面都有很大的优势。     

一种话音和数据联合帧中的自适应动态容量分配算法

文章采用压缩的思想,提出了一种在自适应调制的基础上,通过压缩话音符号周期的方法进行话音和数据比特联合传输的方案。在给定的系统模型中,根据信道估计器给出的信道状态信息,发送端自适应选择调制方式,并在此基础上对话音符号周期进行压缩,以提高数据传输的吞吐率。仿真计算表明：该方案能有效提高一帧中数据比特所占的百分比,从而提高数据的吞吐率。     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

High performance satellite networks

The high performance satellite communications networks of the future will have to be interoperable with terrestrial fiber cables. These satellite networks will evolve from narrowband analogue formats to broadband digital transmission schemes, with protocols, algorithms and transmission architectures that will segment the data into uniform cells and frames, and then transmit these data via larger and more efficient synchronous optional (SONET) and asynchronous transfer mode (ATM) networks that are being developed for the information “superhighway”. These high performance satellite communications and information networks are required for modern applications, such as electronic commerce, digital libraries, medical imaging, distance learning, and the distribution of science data.

In order for satellites to participate in these information superhighway networks, it is essential that they demonstrate their ability to: (1) operate seamlessly with heterogeneous architectures and applications, (2) carry data at SONET rates with the same quality of service as optical fibers, (3) qualify transmission delay as a parameter not a problem, and (4) show that satellites have several performance and economic advantages over fiber cable networks.