遥测信道非相干大规模SIMO处理方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于航天测控通信技术领域，公开了一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法、系统及应用，高超声速飞行器等离子体鞘套信道的建模：建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型；并计算等离子体鞘套透射系数；构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成；优化的功率调制：依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减和下行信道的渐进特性设计优化；非相干检测：采用简化的可变逆跳蒙特卡洛算法估计概率密度函数，基于最大似然准则(ML)的非相干检测。本发明专利技术针对高超声速飞行器下行SIMO信道，使得在等离子体鞘套信道下实现高可靠性和高效率的信号检测，提升通信质量，有效缓解黑障。

【技术实现步骤摘要】
遥测信道非相干大规模SIMO处理方法、系统及应用
本专利技术属于航天测控通信
，尤其涉及一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法、系统及应用。
技术介绍
目前：高速飞行器以高超声速飞行或再入地球大气层时，包覆于飞行器表面的等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波导致信号显著衰减，甚至导致飞行器测控通信中断(黑障)。现有的缓解黑障技术方案中自适应性通信方法引起了广泛关注。缓解黑障的通信方法主要有增加发射功率、提高通信频率和自适应通信策略/方法等，自适应通信方法主要依据等离子体鞘套信道的状态自适应调整通信策略，进而缓解黑障，如利用信道估计和预测信道状况自适应调整码率、编码参数等方法。然而，已有的通信方法只是针对等离子体鞘套信道的通信。高超声速飞行器下行遥测信道(这里指等离子体鞘套信道和莱斯信道的综合信道)，是更符合实际遥测场景的信道，而设计适用于高超声速飞行器下行遥测信道的调制方法以及相应的检测接收技术方面尚缺乏突破。等离子体鞘套信道因其具有高动态、非平稳和快时变特性，在接收端很难得到信道的实时状态，所以等离子体鞘套信道信息是未知的，且等离子体鞘套信道会引起PSK信号的星座旋转(寄生调制效应)，造成解调失败。因此，调制方法应该避开相位调制，且接收机应采用非相干解调。针对信道信息未知和星座旋转问题，如果能够引入多天线技术，设计相应的新型调制方案和信号检测方法，则可以适应等离子体鞘套信道而提升通信质量。多天线技术可以有效提升深衰落信道的信道容量和通信性能。本专利针对级联等离子体鞘套信道与莱斯信道的下行SIMO信道(简称高超声速飞行器下行SIMO信道)，利用下行SIMO信道的渐进相关性，设计功率调制方案以及相应的信号检测方法，这具有很大的挑战性。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：高超声速飞行器等离子体鞘套信道呈现高动态、深衰落特性，对于接收端，信道信息未知。常见的基于已知信道信息的通信方案也不再适用，迫切需要设计适应高超声速飞行器下行SIMO信道的调制方案以及相应的自适应非相干信号检测方法。解决以上问题及缺陷的难度和意义为：现有技术没有充分利用空域资源，而多天线接收技术可以有效提升深衰落信道的信道容量，设计了一种遥测信道非相干大规模SIMO系统。下行SIMO系统发送端采用功率调制方法，可避开相位调制克服星座旋转问题，为获得最大化的系统性能，该系统发送端依据信道的状态变化设计自适应的功率调制；SIMO系统接收端依据信道的渐进相关特性计算接收向量的平均功率，设计相应的自适应非相干ML信号检测方法正确解调信息，可解决等离子体鞘套信道高动态深衰落信道先验信息未知和信道估计难题。本专利针对高超声速飞行器下行SIMO系统设计自适应功率调制方案以及相应的非相干信号检测方案，可在等离子体鞘套信道下实现高可靠性和高效率的无线通信，有效缓解黑障。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法、系统及应用。本专利技术是这样实现的，一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，所述遥测信道非相干大规模SIMO处理方法包括：高超声速飞行器等离子体鞘套信道的建模：建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型；并计算等离子体鞘套透射系数；构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成；优化的功率调制：依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减和下行信道的渐进特性设计优化；非相干检测：采用简化的可变逆跳蒙特卡洛算法估计概率密度函数，基于ML的快速非相干检测。进一步，所述建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型Nedyn(z,t)；并计算等离子体鞘套透射系数Tdyn(t,f0)。进一步，所述等离子体鞘套信道的建模方法具体包括：(1)建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型：输入高超声速飞行器天线窗口附近非均匀等离子体鞘套厚度Z、等离子体鞘套分层总数N与等离子体鞘套各分层厚度dm，m为等离子体鞘套分层序号m＝1，2，…，N，等离子体鞘套时变时间T，根据等离子体鞘套电子密度沿垂直飞行器天线窗口方向服从双高斯分布，第一高斯函数影响参数c1和第二高斯函数影响参数c2，峰值电子密度Nepeak，峰值电子密度在z轴坐标为zpeak。Nepeak沿时间方向服从正弦分布的分布规律，确定时变等离子体鞘套的电子密度分布函数，建立一个时变等离子体鞘套电子密度模型Nedyn(z,t)；(2)计算等离子体鞘套透射系数Tdyn(t,f0)：输入通信信号的载波频率f0，电子质量me，时变等离子体鞘套的电子碰撞频率ven，等离子体鞘套各层的本征波阻抗zm(m＝1，2，…，N)、真空的本征波阻抗z0，利用时变等离子体鞘套电子密度模型Nedyn(z,t)，通过等效传输线法计算得到等离子体鞘套的时变透射系数Tdyn(t,f0)；将计算透射系数的幅度，并将结果赋值给等离子体鞘套信道T。进一步，所述构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成，其中接收站配备n(n→∞)根天线，该系统在一个时隙内的接收站端等效基带信号接收模型为：y＝hx+v；其中y是M×1维接收信号向量，x为发送信号，具体设计将在下节给出，h是n×1信道矩阵，v是n×1接收端复高斯白噪声，v的每一个元素均服从CSCG分布，且均值为零，方差为σ2，即vi～CN(0，σ2)，i＝1，2，…，n；为高超声速飞行器下行链路等离子体鞘套-莱斯信道，其中T表示等离子体鞘套信道，由Tdyn(t,f0)得到；表示空间莱斯信道衰落，即的包络服从莱斯分布，i＝1，…，n。假定噪声方差σ2、T和为未知信息，且已知等离子体鞘套信道的平均功率衰减q2。进一步，所述优化的功率调制：发送符号其中第k个符号的功率，是编码本，L是的基数，pk(k＝1，2，···，L)等概率发送，且满足平均功率约束依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减q和下行信道的渐进特性设计优化的进一步，所述发送星座的自适应设计方法具体包括：(1)对于pk，令令pk的解调区间r(pk)+dr，k]，其中dl，k>0，dr，k>0，ak表示解调边界r(pk)+dr，k。令由0均值独立随机变量Uk实现，Uk的矩母函数为令对于优化星座Popt，有令(2)利用算法1和算法2搜索到满足功率约束的最高topt，和相应的最优星座Popt。算法1用于初始化和更新t值，算法1得出t值代入算法2；算法2搜索当前t值下的发送星座；算法1依据算法2所得星座是否满足功率约束条件，更新t值；循环算法1和2，直至t值满足设定精度10-3，得到输出满足功率约束的最高topt，和相应的最优星座Popt。算法1和2具体如下：算法1：初始化tl＝0，tu＝∞，t代入算法2；若算法2星座满足功率约束条件，令tl＝t；若算法2星座不满足功率约束条件，令tu＝t；得到的t值继续代入算法2，再次得到t值，循环算法1，直至t值满足设定精度10-3。算法2：令p本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述遥测信道非相干大规模SIMO处理方法包括：/n高超声速飞行器等离子体鞘套信道的建模：建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型；并计算等离子体鞘套透射系数；/n构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成；/n优化的功率调制：依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减和下行信道的渐进特性设计优化；/n非相干检测：采用简化的可变逆跳蒙特卡洛算法估计概率密度函数，进行基于ML的快速非相干检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述遥测信道非相干大规模SIMO处理方法包括：
高超声速飞行器等离子体鞘套信道的建模：建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型；并计算等离子体鞘套透射系数；
构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成；
优化的功率调制：依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减和下行信道的渐进特性设计优化；
非相干检测：采用简化的可变逆跳蒙特卡洛算法估计概率密度函数，进行基于ML的快速非相干检测。


2.如权利要求1所述的遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型Nedyn(z,t)；并计算等离子体鞘套透射系数Tdyn(t,f0)。


3.如权利要求1所述的遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述等离子体鞘套信道的建模方法具体包括：
(1)建立时变等离子体鞘套的分层电子密度模型：输入高超声速飞行器天线窗口附近非均匀等离子体鞘套厚度Z、等离子体鞘套分层总数N与等离子体鞘套各分层厚度dm，m为等离子体鞘套分层序号m＝1，2，…，N，等离子体鞘套时变时间T，根据等离子体鞘套电子密度沿垂直飞行器天线窗口方向服从双高斯分布，第一高斯函数影响参数c1和第二高斯函数影响参数c2，峰值电子密度Nepeak，峰值电子密度在z轴坐标为zpeak，Nepeak沿时间方向服从正弦分布的分布规律，确定时变等离子体鞘套的电子密度分布函数，建立一个时变等离子体鞘套电子密度模型Nedyn(z,t)；
(2)计算等离子体鞘套透射系数Tdyn(t,f0)：输入通信信号的载波频率f0，电子质量me，时变等离子体鞘套的电子碰撞频率ven，等离子体鞘套各层的本征波阻抗zm(m＝1，2，…，N)、真空的本征波阻抗z0，利用时变等离子体鞘套电子密度模型Nedyn(z,t)，通过等效传输线法计算得到等离子体鞘套的时变透射系数Tdyn(t,f0)；将计算透射系数的幅度，并将结果赋值给等离子体鞘套信道T。


4.如权利要求1所述的遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述构建高超声速飞行器大规模下行SIMO系统模型：由高超声速飞行器端单天线和一个多天线接收站组成，其中接收站配备n(n→∞)根天线，该系统在一个时隙内的接收站端等效基带信号接收模型为：
y＝hx+v；
其中y是M×1维接收信号向量，x为发送信号，h是n×1维信道矩阵，h由矩阵元素hi构成，v是n×1接收端复高斯白噪声，v的每一个元素均服从循环对称复高斯CSCG分布，且均值为零，方差为σ2，即vi～CN(0，σ2)，i＝1，2，…，n；

为高超声速飞行器下行链路等离子体鞘套-莱斯信道，其中T表示等离子体鞘套信道，由Tdyn(t,f0)得到；表示空间莱斯信道衰落，即的包络服从莱斯分布，i＝1，…，n；噪声方差σ2、T和为未知信息，已知等离子体鞘套信道的平均功率衰减q。


5.如权利要求1所述的遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述优化的功率调制：发送符号其中为第k个符号的功率，是编码本，L是的基数，pk(k＝1，2，…，L)等概率发送，且满足平均功率约束依据等离子体鞘套信道的平均功率衰减q2和下行信道的渐进特性设计优化的


6.如权利要求5所述的遥测信道非相干大规模SIMO处理方法，其特征在于，所述发送星座的自适应设计方法具体包括：
(1)对于令pk的解调区间r(pk)+dr，k]，其中dl，k>0，dr，k>0，ak表示解调边界r(pk)+dr，k，令由0均值独立随机变量Uk实现，Uk的矩母函数为令对于优化星座Popt，有令
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，刘彦明，姚博，魏海亮，李小平，袁淑容，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61