大规模车辆监控通信服务器的设计与实现

为了解决大规模车队同时利用短消息业务和通用分组无线业务与多个监控中心进行通信的问题,研究了基于上述两种通道的车辆监控通信模型,详细设计了其中的通信服务器的功能和结构,使其能够支持各监控中心自由选择监控车辆、信息广播、特殊信息优先等服务.为了提高服务器的运行效率,在数据结构中充分采用了以空间换时间的方法,自行设计了监控接口协议,实现时采用了多线程、消息通信和组件技术.系统完成后大量的现场实验结果表明了服务器的高效性和稳定性.      

基于投影寻踪的高光谱图像异常检测并行算法

投影寻踪方法能有效提取数据中的非高斯结构凸显异常信息,但在求解最优投影方向时存在计算量大、运行时间长的问题,为提高处理效率,提出一种机群环境下的并行算法.选用偏度和峰度组合作为投影指标,将所有像素光谱作为特定投影方向集依次搜索,求解最优投影方向.在并行计算各候选方向投影指标时,分割图像数据分布存储于各机群结点,数据子块朝候选方向并行投影后,将指标计算式变形分解,使各结点在指标计算过程中所需数据均为本地数据,解决数据局部性问题,并采用一种"轮流作主"的机制提高算法负载均衡程度.利用实用型模块化高光谱仪数据在机群系统上进行测试,达到了较好的加速效果,表明该并行算法具有良好的并行性能.     

基于发布订阅的进程间通信设计与实现

航天器的每一种行为都需要多种信息的综合，这使得有效传递传感器数据成为关键问题.机器人操作系统(ROS)将基于主题的发布订阅作为内部的一种通信机制，解决消息的传递问题.由于ROS使用C++编写，无法直接应用在嵌入式平台中.本文利用C语言实现了ROS中基于发布订阅的通信机制，将信息的传递过程虚拟化成很多节点，每个节点可以选择自己感兴趣的话题成为发布端或者订阅端.发布端/订阅端并不需要知道其他节点的信息，实现功能解耦.目前，该方法在Windows平台上进行了单机和多机间的测试，通信效果良好，完成了进程间数据的传递.     

用于可重构机床控制系统的电力线通信技术

介绍了可重构机床对通信系统的要求,提出了一种基于宽带电力线通信(PLC,Power Line Communication)技术的新型通信系统.通过对机床电力线的信道特性和噪声频谱的分析与测量,选定了通信系统的载波频率和带宽等参数.为了对抗电力线信道的多径效应,提高频谱利用率,实现可靠高效的数据传输,采用正交频分复用技术(OFDM,OrthogonalFrequency Division Multiplex)作为调制解调方式.开发了PLC调制解调器,定义了物理层帧结构.最后以机床主轴伺服系统为例对该通信系统进行了实验验证.实验结果表明,该系统实现了有效数据传输率10 Mbit/s,误比特率(BER,Bit Error Rate)小于10-8的高效数据传输.     

改进的SSDA并行算法及其在TEM中的应用

介绍了一种把图像匹配中的序贯相似性检测算法(SSDA,Sequential Similarity Detection Algorithm)应用到地形匹配中的方法,把地形匹配系统中的数字高程模型、高程数据和实时剖面数据分别视为SSDA算法中的搜索图、灰度值和模板,同时提出了动态门限序列和分组选取随机点的方法,最后将改进的SSDA算法进行并行化并用消息传递接口(MPI, Message Passing Interface)实现.实验结果表明,改进的SSDA算法能有效地提高地形匹配的速度和计算精度,而相应的并行程序也能取得较好的加速比,从而一定程度上解决了传统的地形匹配算法时间复杂度高、实时性差的问题.     

应用于DSMC方法的二维Voronoi网格技术

研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法的统计特点.在剔除过于靠近边界的特征点以及必要情况下边界细化的基础上,通过区分由边界节点表征的非完整Voronoi网格单元以及由计算区域内镶嵌点表征的完整Voronoi网格单元,解决了Voronoi网格的二维边界匹配问题.Voronoi网格技术支持自适应DSMC计算.映射效率对比表明,Voronoi网格的DSMC计算效率高于三角形网格,低于多级直角网格.通过MEMS微喷管流动数值模拟,验证了Voronoi网格技术在DSMC方法中的有效性.      

移动Ad hoc网络中的多信道预约MAC协议

移动Ad hoc网络中为有效利用无线信道资源,提出一种多信道预约媒质接入(MRMA, Multichannel Reservation Multiple Access)协议.该协议在公共信道上发送Request-to-Send/Clear-to-Send(RTS/CTS)分组预约信道,采用基于ID的信道选择方案选择无冲突的业务信道传输数据分组,目的节点成功接收完数据分组后在另一个公共信道上回复Acknowledgment(ACK)分组,有效避免了暴露终端问题,使得相邻通信节点对可以同时使用相同的业务信道传输数据分组,空分复用大大提高了无线资源的利用率.采用多信道分别进行不同通信对的业务分组传输解决了在单信道上传输所带来的隐藏终端问题.仿真结果表明,在总信道利用率和平均分组延迟性能上,MRMA协议明显优于IEEE 802.11 RTS/CTS协议.     

地月空间信息网络链路分配算法研究

在设计拓扑时,如何分配每颗卫星上有限的通信终端建立通信链路,构建一个性能良好的网络拓扑,成为了一个重要的研究问题。以平均月球中继卫星到地面站路径距离最小为优化目标,以卫星携带的通信终端数目、月球中继卫星与地面站的连通性为约束条件,提出了基于竞争决策思想的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Competitive Decision, LAA-CD)和基于模拟退火法的链路分配算法(Link Assignment Algorithm based on Simulated Annealing,LAA-SA),并与贪婪算法进行对比。仿真结果表明,LAA-CD和LAA-SA算法下所得拓扑的平均月球中继卫星到地面站距离均小于贪婪算法,且LAA-CD算法能够有效降低算法的时间复杂度。进一步对比了两种星座,发现相比拉格朗日轨道卫星星座,在月球极轨道卫星星座下所得拓扑具有更小的平均距离,为空间信息网络分配提供技术支撑。     

机载PLC信道传递函数建模与概率保证分析

采用电源线通信(PLC)技术替代部分机载电子设备之间的数据电缆可以简化布线并实现减重。根据机载电源线环境及航空电子通信要求,需要解决信道衰落及噪声干扰条件下PLC实时性能评价问题。针对机载电源线的布线拓扑结构,采用“自底向上”构造电压比方程的形式给出了PLC信道传递函数的建模方法;推导得出信道传递函数、信道增益和瞬时信道容量之间的关系;在有效容量理论框架下,通过论证积压队列的非空概率与服务质量(QoS)指数的关系,使得能够从瞬时信道容量简便地求得延迟违规概率,用以评价实时性能的概率保证。通过仿真验证了延迟违规概率算法的准确性,并得到不同信道传递函数条件下延迟界限与违规概率的关系,说明了信道衰落显著地影响延迟约束下机载PLC系统的概率保证实时通信速率。     

基于CPU/GPU的日冕偏振亮度并行计算模型

三维磁流体力学(MHD)数值模拟是用来研究日冕和太阳风最常用的方法之一, 其中将计算得到的日冕电子数密度转化为日冕偏振亮度(Polarization Brightness, PB)是与观测对比的重要方法. 由于待转换电子数据网格密度、PB数据网格密度和计算模型的复杂度, 使得日冕偏振亮度的计算比较耗时, 利用单CPU计算无法达到近实时转换日冕偏振亮度的要求, 从而影响了数值模拟的验证效率. 本文在CPU/GPU环境下, 利用CUDA编程技术, 提出了一个日冕偏振亮度并行计算模型. 实验结果表明, 该模型比CPU上的串行模型计算速度提高了31.86倍, 达到了近实时模拟与观测数据比对的计算要求.      

Online scheduling of distributed Earth observation satellite system under rigid communication constraints

This paper focused on online scheduling of distributed Earth observation satellite system in a dynamic environment. The objective was to maximize the total profit of the overall system by efficiently coordinating the different satellites with stochastic arrival of urgent tasks, subject to rigid communication and observation time window constraints. We formulated this problem as a single-task, single-robot, time-extended assignment problem with intra-schedule dependency using the multi-robot task assignment taxonomy and formulated the sub-problem after releasing urgent tasks in a mixed-integer linear programming model. We first described the online scheduling algorithm for a single satellite, then we proposed the modified consensus-based bundle algorithm (m-CBBA) and modified asynchronous consensus-based bundle algorithm (m-ACBBA) with synchronous and asynchronous communication, respectively. Compared with initial versions of CBBA and ACBBA, the modified versions added the communication loop prediction phases to efficiently utilize scarce communication opportunities and reduce the communication requirements. Additionally, we introduce two contract net protocol (CNP)-based algorithms for comparison, respectively SingleItem-CNP-based (SI-CNP) algorithm and Batch-CNP-based (BA-CNP) algorithm. Computational experiments indicated that both the total profit and percentage of scheduled urgent tasks achieved by the m-ACBBA and m-CBBA algorithms were much higher than those achieved by both SI-CNP and BA-CNP. Additionally, the number of communications needed by either m-ACBBA or m-CBBA algorithm was lower than that by SI-CNP. When the communication cost in the system is high, the m-CBBA algorithm is preferred because it balances the profit and the required number of communications. When the communication cost is low, the m-ACBBA algorithm is preferred because it achieves high total profit and high percentage of scheduled urgent tasks.     

异构计算系统中独立任务调度的混合遗传算法

有效的任务调度是异构计算系统获取高性能的关键因素之一,由于任务调度问题是NP-困难的,为了获取尽可能好的解,文献中存在许多启发式调度算法.针对异构计算系统的独立任务调度问题,基于遗传算法和最小完成时间算法MCT(Minimum Completion Time),提出一种新的混合遗传算法,它采用遗传算法来进化任务调度的优先队列,然后再使用MCT算法把优先队列解码为一个有效的调度,与文献中其它算法进行比较表明,它不但能产生更好的调度结果,而且有很好的收敛速度.      

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。     

基于改进HHT的非高斯噪声中瞬态通信信号检测

根据瞬态通信信号和非高斯噪声的特点,建立了相应的信号模型,并利用希尔伯特-黄变换（HHT）处理非线性非平稳信号的优势,提出了基于改进HHT的非高斯噪声中瞬态通信信号的检测算法。该检测算法分为集合经验模式分解（EEMD）和固有模态函数（IMF）分量筛选两部分,首先经过加入随机白噪声多次试验取均值得到待检测信号的IMF分量,再结合各个分量与原信号的能量差异和相关性剔除虚假IMF分量,从而实现对混叠在非高斯噪声中的瞬态通信信号的有效检测。仿真在不同的条件下对比了本文算法与其他算法对信号的检测效果,结果证明本文算法能够有效克服HHT中存在的缺陷,实现对瞬态信号更为准确的分析和检测。     

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

航空高动态网络负载感知路由算法

针对航空高动态网络(HDAN,Highly Dynamic Airborne Networks)节点高速运动、拓扑结构变化频繁、飞行器轨迹时变等特性,及其所带来的数据到达率低、信息拥塞度高、稳定性差等问题,提出一种具有负载感知特性的路由算法.算法提出了新的动态路由因子度量来适应拓扑结构的变化,引入节点相对速度修正高动态环境下单纯地理位置信息所带来的误差,并通过交互邻居节点队列信息表征网络局部负载程度,降低拥塞概率.仿真实验结果表明,本算法有效减少了网络丢包率和通信时延,增强了信息传输的可靠性.     

LEO/MEO双层卫星网的分层动态路由算法

由低轨LEO(Low Earth Orbit)和中轨MEO(Medium Earth Orbit)卫星构成的双层卫星网络具有较好的组网通信性能.利用MEO和LEO卫星在长、短距通信中的优势,提出一种分层、分布式的双层卫星网动态路由算法.通过控制链路状态信息的洪泛,LEO卫星只需掌握局部拓扑即可完成短距业务通信,长距通信业务则由MEO卫星承载.将星间链路的剩余生存时间因素引入路径权重中,路由计算的路径是综合考虑了时延与持续时间双重因素的最优路径.仿真结果表明该算法在时延、路由开销、网络业务流分布等方面都具有较好的性能,并且易于系统实现.      

大气闪烁对近似无衍射激光通信系统的影响

在近似无衍射激光通信系统中,大气湍流的作用导致接收端光强起伏不定,这将对通信系统的误码率产生影响.以光强起伏的概率分布为基础,忽略系统中的其他噪声,推导出折射率结构常数、通信距离和激光波长等影响因素与误码率的关系式.通过计算机模拟,研究了误码率随折射率结构常数的变化规律,讨论了一定湍流强度下通信距离和激光波长对误码率的影响,并以10-9为误码率标准,确定了通信距离的允许范围.结果表明,合理地选择天气和日照条件、减小通信距离以及选择长波长的激光器可以减弱大气湍流对误码率的影响.      

卫星接收系统抗干扰的卷积盲分离算法

提出一种新的卷积混合盲分离算法,并把该算法应用到卫星通信抗干扰中,将通信信号和干扰信号分离开,以实现抗干扰的目的。该算法使用基于初等反射矩阵的高阶累积量联合对角化法来分离卷积混合的卫星通信信号和干扰信号。计算机仿真表明,在噪声环境下,信噪比大于10dB时该算法有较好的分离效果,信噪比小于10dB时分离性能有所下降,但基本也能实现分离,且与其他文献中方法相比具有计算复杂度低、分离性能好的特点,因此更适宜用于卫星通信抗干扰。