基于FPGA的无人机非平稳信道动态模拟研究

针对无人机高速移动导致的信道状态快速时变以及多普勒频率起伏大的特点,本文基于现场可编程门阵列平台设计了无人机非平稳信道模拟方案。该方案采用调频谐波叠加方法产生非平稳信道衰落,并提出了一种信道参数实时产生算法,提高了信道模拟的实时性,保证了信道状态的实时更新。同时,针对多普勒频率起伏大导致的功率随机波动问题,本文设计了一种自适应功率均衡模块,使得输出功率最大波动仅为1.13%,保证了衰落功率的稳定性。最后,硬件消耗资源结果表明,相较于复播方案以及预存式方案,本文方案对存储资源的消耗分别降低了52.44%和9.31%,更适合长时间无人机非平稳信道衰落的模拟。同时,实测分析结果表明,相较于未均衡的模拟方案,本文硬件模拟方案输出的信道特性如路径损耗和多普勒功率谱密度与理论结果更加吻合,可用于无人机通信系统的设计、优化等领域。

面向无人机通信网络的信道全域特性空间聚类和识别

为提高无人机通信网络的稳定性和可靠性,提出了一种基于信道全域特性的信道子空间聚类与识别方法。首先,利用距离域、时延域、空间域和多普勒域特性对信道进行完备表征,并提出了一种信道子空间聚类方法,将全域特性相似的信道组成信道子空间,作为无人机通信场景分类的依据。然后,提出了一种基于反向传播神经网络的信道子空间识别方法,判断新的信道数据是否属于原有信道子空间的结构,并利用信道全域特性作为特征张量以提高识别精度。同时,通过计算信道与信道子空间中心的距离,消除训练数据异常值的影响,从而提高识别的鲁棒性。最后,通过入射及反弹射线法/镜像法对176个典型数字城市场景进行仿真,获得176000个信道的全域特性和对应信道状态信息,用于验证本文提出的聚类和识别方法的准确性。仿真结果表明,本文提出的场景识别方法可以将传统场景分类方法的176个识别目标减少至20个,且信道子空间中信道状态特性的吻合度达到99%,识别方法的准确度也达到98.7%。因此,本文提出的方法可以精确识别无人机通信工作中所处的信道子空间,为无人机通信性能优化提供依据。

基于无人机的空地信道特性测量系统

随着各种飞行器和通信一体化的发展,对空地信道特性的研究变得愈发重要且迫切。针对空地通信场景,本文研制了一套由无人机发射单元和地面接收单元组成的无人机空地信道测量系统。该系统选取具有平坦功率谱特性和大动态范围的ZC序列作为测量序列,利用硬件实现实时提取信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR),并通过采样偏差恢复、系统响应校正等方式,提高信道测量系统的准确性。实测验证结果表明,本文研制的信道测量系统与信道模拟器模拟结果和射线跟踪(Ray Tracing,RT)仿真结果基本一致。最后,开展了校园场景空地实测活动,分析了该场景路径损耗(Path Loss,PL)、莱斯K因子、均方根时延扩展(Root Mean Square-Delay Spread,RMS-DS)等信道特性。

无人机毫米波信道建模进展和挑战

无人机毫米波通信技术结合无人机和毫米波的优势,提供高速数据传输和广域网络覆盖能力,在军用通信系统中拥有广阔的应用前景。精确的信道模型是无人机毫米波系统设计和性能评估的重要理论基础。不同于传统移动通信场景,无人机通信信道具有明显的三维传播特征,构建模型需要考虑包括三维散射空间、三维飞行轨迹及姿态、三维阵列天线和三维窄波束等多种因素。本文首先总结了无人机毫米波信道建模的新需求和挑战,并详细阐述了无线信道建模方法以及现有信道模型的研究进展,最后给出了信道建模的发展方向及关键技术,旨在为无人机毫米波信道模型的科学构建和标准化等研究提供参考。

高机动无人机通信信道模拟器研制

针对高机动无人机通信具有信道状态快速时变和直射路径强的特点,建立了一个包含直射径、反射径和多支路散射径的无人机信道模型,并据此设计实现了一种基于有限支路线性调频信号叠加的信道衰落模拟方法,该方法可用于实时产生连续相位的多径及阴影衰落。在此基础上,构建了一个基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的信道模拟器硬件实现方案,该方案结合DSP浮点运算和FPGA并行处理的优势,可有效模拟无人机通信信号的传播损耗、多径时延及复合衰落影响。实测结果表明,该模拟器输出的时变信道衰落幅值分布和动态多径时延均与理论结果吻合,可用于辅助无人机通信系统的方案设计、算法优化和性能测试。

可扩展多输入多输出信道高效模拟器研制

针对现有信道模拟器通道规模受限、扩展性差等缺陷,设计实现了一种可扩展的多输入多输出(multiply-input multiply-output, MIMO)信道高效模拟器。该模拟器采用改进的坐标旋转数字计算(coordinate rotation digital computer, CORDIC)算法,只需较少硬件资源便可实现大规模多支路的随机信道衰落精确模拟。基于MIMO信道离散化模型提出了一种可扩展的硬件模拟架构,并结合现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)的并行处理优势,进行硬件实现及实测验证。针对3GPP标准扩展车载A信道模型(extended vehicular A model, EVA)静态场景和时变场景的实测结果表明,所研制的MIMO信道模拟器输出时延功率谱和多普勒功率谱等统计特性均与理论值吻合,可用于无线通信设备的方案验证、算法优化和性能分析。

基于几何统计的无人机信道模型及硬件模拟

针对无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)通信信号三维空间传播特点,提出了基于多圆柱体的非平稳几何统计模型(geometry-based stochastic channel model, GSCM),该模型通过引入天线位置变换矩阵,可支持UAV和地面移动端(mobile terminal,MT)任意三维移动轨迹。在此基础上,构建了适合硬件模拟实现的离散化模型,并设计实现了模拟时变信道特性的随机簇生灭算法,以及基于线性调频叠加原理的非平稳衰落模拟方法。硬件实测结果表明,本文信道模拟器输出的衰落幅值分布、时延功率谱和多普勒功率谱等统计特性与理论结果比较吻合,有效复现了信道时变衰落、多径时延、多径功率和多普勒频率随着UAV的位置和速度变化而变化的过程。

无人机毫米波信道测量与建模研究综述

无人机毫米波通信具有灵活性高、传输速率快、频谱资源丰富等优点,在军用和民用通信领域拥有广阔的应用前景。信道实际测量和精确构建符合真实场景的信道模型是无线通信技术的理论基础,也是无人机毫米波通信系统的优化设计和性能评估的关键。首先总结了无人机毫米波信道测量与建模面临的新需求和挑战,并对当前国内外最新研究进展进行分类阐述和分析比较,最后讨论了无人机信道模型未来发展的趋势和潜在的应用场景。

基于Kronecker法的MIMO信道模拟及硬件实现

针对多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)无线通信系统,在基于Kronecker的MIMO信道模型中综合考虑了路径损耗、阴影衰落和多径衰落等因素,实现了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的MIMO信道模拟器,并分析了硬件设计方案以及MIMO信道模拟的实现方法。实测结果表明,设计的MIMO信道模拟器可以模拟瑞利衰落、莱斯衰落以及阴影衰落等常见的信道衰落类型,能够应用于3GPP、COST-207等标准信道模型的复现。该模拟器可作为无线通信系统研究的测试设备,辅助通信系统研究的算法验证、方案优化以及性能分析。

传播模型驱动的三维频谱地图测绘研究

频谱地图是频谱资源管理、安全治理和频谱作战等应用的基础。针对传统频谱测绘局限于二维空间的问题,给出了一种面向空天地一体化需求的三维频谱数据采集和测绘系统架构,提出了一种传播模型驱动的频谱地图重构方案,能够实现稀疏采样条件下高精度的三维频谱地图绘制。该方法在单辐射源和多辐射源情况重构的频谱地图与基于射线跟踪方法获得理论结果吻合度较高。此外,针对典型场景的实测结果也进一步验证了本文方法的可行性。

盐田港一期工程码头结构选型

介绍盐田港一期工程码头结构方案的比选与确定，并指出格形钢板桩结构在使用中存在的问题及改进意见。

快速时变场景下非平稳衰落信道建模仿真

针对高速列车、无人机、车联网等快速时变通信场景下信道呈现非平稳性的问题,提出一种改进的信道建模仿真方法。通过引入积分项和随机偏移,该方法良好再现时变散射环境下的非平稳信道,同时保证各散射支路的独立性。数值仿真结果表明,改进方法模拟的信道统计特性(如概率密度函数、自相关函数和多普勒功率谱密度)与理论值吻合良好。因此,该方法在未来高速移动场景的无线信道建模仿真和通信系统性能评估中具有潜在价值。

初探建筑工程混凝土裂缝问题

混凝土结构工程的裂缝，是一个带着有普通性被工程界很为关注的问题。有些裂缝的继续扩展可能危及结构安全，因为结构的最终破坏往往是从裂缝开始的，成为结构的破坏的先兆，这主要是指荷载产生的裂缝；有些裂缝的出现造成工程渗漏，影响正常使用，是钢筋锈蚀，保护层剥落，降低混凝土强度，严重损害工程耐久性，缩短工程使用寿命，这主要是指变形产生的裂缝；还有耦合作用下的裂缝和碱骨料反应膨胀应力引起的裂缝及冻融引起的裂缝。同时较大的结构裂缝，也为人的观瞻难以接受，造成恐惧心理压力，影响建筑美观，为装修造成困难。

全阴影卫星信道高效硬件数字孪生方法

卫星信道的硬件数字孪生技术是卫星通信场景中物理层或数据链路层通信性能评估的重要手段,本文提出了一种适用于全阴影卫星信道的硬件实时模拟架构。首先,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台,设计了一种基于迭代算法的复高斯序列产生方法。然后,基于坐标旋转数字计算(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)算法实现了幂指数与平方根函数的硬件计算,并结合时分复用思想研制了全阴影卫星信道衰落模拟器。与传统查找表(Look Up Table,LUT)方法和CORDIC算法相比,复高斯序列产生模块的资源消耗率分别降低了6.21%和5.23%。硬件测试结果表明,信道模拟器输出的衰落统计特性如概率密度函数与理论结果吻合,并且不同类型卫星信道多普勒形状也与理论结果符合,可用于全阴影卫星信道的硬件模拟。

“贮仓”压力计算分析

本文针对“贮仓”压力的计算,就设计工作中遇到以及目前规范中存在的一些问题,从基本力系分析出发,推导在各种边界条件下“贮仓”压力的分布公式并分析其适用条件,据此给出在各种情况下“贮仓”压力的计算方法。

超宽带频率非平稳信道硬件实时模拟研究

利用信道模拟器在实验室复现电波传播环境是超宽带通信设备测试的重要手段。本文针对超宽带信道的频率非平稳特性,提出了一种基于频域平稳区间叠加的超宽带信道模型,并据此设计了基于软件无线电平台的硬件实时模拟系统。该系统使用多路数据并行处理架构实现对高速率数据的实时处理,并引入迭代算法和时分复用结构,既保证信道衰落生成的实时性也降低了硬件资源消耗。实测结果表明,本文模拟器可支持模拟600 MHz的超宽带信道衰落,信道衰落谱型与理论仿真结果吻合,并且输出的信道冲激响应与实测结果基本一致。该系统可为超宽带通信系统的优化、验证和评估提供一种有效的手段。

深空星间链路信道建模及硬件模拟器研制

针对深空通信信道距离长、信噪比低、链路损耗巨大等特点,提出了太阳闪烁与多径效应影响下的深空星间链路信道理论模型。在此基础上,构建了一个基于硬件现场可编程门阵列和控制计算机的深空星间链路信道模拟器,有效模拟了深空星间通信的多径衰落、传播路径损耗和信道延迟,规避了投入高、风险高、耗时长的实地通信实验。实测结果表明,该深空星间链路模拟器输出的载噪比及误比特率波形与理论结果吻合,可用于实验室条件下对深空星间链路的实时模拟复现。

基于神经网络的毫米波跨场景路径损耗预测研究

毫米波通信因其可以提供更高的传输速率和系统容量受到了广泛关注。无人机空地通信技术是未来通信网络的重要组成部分,路径损耗预测对于无人机的节点布局、轨迹优化和功率分配具有重要意义。针对无人机通信多场景PL预测问题,结合参数化的几何场景和多输入反向传播神经网络,提出了一种具有跨场景能力的PL迁移预测模型。该模型利用有限场景下信道数据进行网络训练,可以预测未知新场景下的PL。最后,利用射线跟踪仿真数据进行模型有效性验证,仿真结果表明,所提模型的神经网络训练收敛效果较好,在新场景下预测PL结果与RT仿真结果基本吻合,验证了该模型的跨场景迁移预测能力。

室内毫米波信道路径功率测量建模研究

毫米波通信因其可以提供更高的传输速率和系统容量受到了广泛关注。针对毫米波信道的频域非平稳性,提出了具有连续频率响应的毫米波信道模型。利用射线跟踪和实测数据相结合的方法实现路径功率参数估计,采用频域信道测量方法对不同频率下的视距和非视距路径功率进行实测分析。实测和仿真结果表明,结合实测数据的路径功率模型与实测值基本吻合,验证了所提模型的有效性。

矢量信号发生器实时动态衰落模块设计与实现

重点讲述在通用矢量信号发生器中增加动态衰落模块,快速和低成本地构建实时动态衰落功能。首先讲述了衰落信道实时模拟的迫切性,说明了基于通用仪器解决微波毫米波通信信道的测试需求。然后通过最优化论证,提出了基带衰落模拟方案。最后在对标准信道模型、信道仿真原理进行阐述的基础上设计实现方案,基于谐波叠加法理论模型构建了衰落模块。该模块的FPGA架构方式突破了多路径信号衰落硬件实时模拟的技术难题,可满足不同的采样频率和信道带宽需求。该模块在某型号矢量信号发生器上应用并取得良好的效果。