CN105846915A - 高动态信道通信验证系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高动态信道通信验证系统，包括：发射端，用于发射通信信号；信道产生模块，采用马尔科夫模型产生信道动态变化的信道响应数据；信道模拟模块，用于加载所述信道响应数据在所述发射端和接收端之间进行信道模拟；接收端，用于接收经过所述信道模拟模块的通信信号。本发明具有如下优点：利用层次化约束的马尔科夫模型和物理过程动态性映射的方法，建立并仿真出所需信道。信道的大尺度、小尺度随机特性可控，信道的特性与物理过程相对应。

Description

高动态信道通信验证系统

技术领域

本发明涉及无线通信测试领域，具体涉及一种高动态信道通信验证系统。

背景技术

高超声速飞行器在临近空间飞行时，由于和大气剧烈摩擦，飞行器表面形成激波，高温使得气体电离，同时隔热层烧蚀剥落，构成了等离子体鞘套。等离子体鞘套反射并吸收电磁波能量，严重时造成测控通信链路中断，称为通信黑障。通信黑障至今仍是制约高超声速飞行器发展亟待解决的重大课题。等离子体鞘套信道特性非常复杂，飞行器的姿态变化、湍流、压力脉动、烧蚀剥落等众多复杂随机过程的紧密耦合导致等离子体流场的三维空间分布是一个复杂随机过程。这种特殊复杂的等离子鞘套信道将呈现三种特性：等离子鞘套的时变特性引起的信道时间选择；等离子鞘套色散引起的频率选择性；动态等离子鞘套天线方向畸变引起的空间选择性。等离子鞘套电磁传播存在的高动态特性，传统信道模型难以适用于等离子鞘套介质。

由于实际飞行通信试验成本高，地面环境也难以复现真实通信环境，基于理论建模并仿真等离子信道以测试通信系统成为现实需求。目前高超声速飞行器通信正朝着Ka波段发展，然而现有信道模拟设备对这种高频段的信道模拟仍缺乏支持，难以模拟等离子鞘套高动态信道环境。另外，适应高动态等离子鞘套信道的信息传输技术必然对系统验证平台有更高的要求，现有的通信测试设备在软硬件上还难以满足实验要求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种高动态信道通信验证系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种高动态信道通信验证系统，包括：发射端，用于发射通信信号；信道产生模块，采用马尔科夫模型产生信道动态变化的信道响应数据；信道模拟模块，用于加载所述信道响应数据在所述发射端和接收端之间进行信道模拟；以及接收端，用于接收经过所述信道模拟模块的通信信号；其中，所述信道产生模块进一步用于设定等离子鞘的物理特性，并根据所述等离子鞘的物理特性形成通信信道特性的多参数变化过程然后通过电磁场数值计算方法将所述物理状态与电磁信号间的传播关系进行映射，以在信号域得到具有高动态特性的信道模型；所述信道产生模块根据所述信道模型产生所述信道响应数据。

根据本发明实施例的高动态信道通信验证系统，利用层次化约束的马尔科夫模型和物理过程动态性映射的方法，建立并仿真出所需信道。信道的大尺度、小尺度随机特性可控，信道的特性与物理过程相对应。

另外，根据本发明上述实施例的高动态信道通信验证系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，基于物理变化过程的时变信道描述为：

其中，f2(t)为信道响应，为信道响应的幅度变化过程，为信道响应的相位变化过程；通信系统模型结构可得出信道模型的公式为：

其中，R(t)为信道模型，A_n(t)、A_s(t)分别为信道响应和通信信号幅度函数，分别为信道响应和通信信号的相位函数，ω为通信信号载波频率。

进一步地，所述信道模拟模块通过时间等效方法加载所述信道响应数据，所述时间等效方法为将真是物理时间与验证采用的模拟时间进行等效变换。

进一步地，通过以下公式将基带信号和信道带宽降低进行时间等效：

T＝αt

其中，T为仿真时间，α为等效时间系数且α>1，t为真实物理时间。

进一步地，在信道仿真的过程中，每次加载由固定数量的相关仿真点构成的信道。

进一步地，根据所述信道模型分段加载信道数据，其中，分段加载的过程包括：将已编译好的整条信道响应划分成多个时间片段；连续加载所述多个时间片段,加载间隔与信道速率匹配；遍历所述通信模型中所有时间片段。

进一步地，还包括：载波频谱搬移模块，用于载波进行频谱搬移，将高频段信号通过另一预设尺度的时间等效，以使输入与信道仿真器的输入频率范围相匹配。

进一步地，还包括：自动化控制系统，用于自动分段采集在所述发送方和所述接收方进行通信时的接收信号，并将每一段的接收信号及接收信息数据缓存至所述终端，然后按顺序对采集信号进行解调。

进一步地，所述自动化控制系统还用于在记录所述接收信号时，采集另一路信号用于复现当前时刻信道状态。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的高动态信道通信验证系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的层次化马尔可夫模型；

图3是本发明一个实施例的自动化准实时验证通信链路连接图；

图4是本发明一个实施例的自动化实现过程示意图；

图5是本发明一个实施例的构建高动态非平稳信道模型示意图；

图6是本发明一个实施例的高动态非平稳信道模拟信道实现流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的高动态信道通信验证系统。

请参考图1，一种高动态信道通信验证系统，包括发射端、信道产生模块、信道模拟模块和接收端。

其中，发射端用于发射通信信号。

信道产生模块采用马尔科夫模型产生信道动态变化的信道响应数据。信道产生模块通过设定等离子鞘的物理特性，并根据所述等离子鞘的物理特性形成通信信道特性的多参数变化过程然后通过电磁场数值计算方法将所述物理状态与电磁信号间的传播关系进行映射，以在信号域得到具有高动态特性的信道模型；所述信道产生模块根据所述信道模型产生所述信道响应数据。

具体地，为了使信道模型随机可控，将信道的状态分成多个层次：大尺度状态、小尺度状态、短时随机波动状态。在高层次状态中，信道呈现出小层次的随机特性，小层次信道波动推动大层次状态转移。信道的高层次的状态转移由状态转移矩阵确定，小状态的随机特性由随机种子确定。在信道建模时，根据信道的大尺度和小尺度变化特征,对信道状态建立层次化结构表征。

请参考图2，大尺度状态用S₁,S₂,…,S_K表示，在每个大尺度状态中，信道的随机特性由小尺度状态决定，如状态S₁可分成S₁₁,S₁₂,…,S_1n等小尺度状态，在小尺度状态S_ij中，信道又存在超短时随机特性。这种高度可控的层次化信道模型满足等离子鞘套的高动态特性，另外这种信道模型便于复现，可对通信系统进行反复测试。

模拟出信号的动态性，根据等离子鞘的电子密度、碰撞频率等物理特性，归纳出影响通信信道特性的多参数变化过程利用FDTD等电磁场数值计算方法，将所得到的物理状态与电磁信号间的传播关系进行映射；从而在信号域得到具有高动态特性的信道模型。

在本发明的一个实施例中，基于物理变化过程的时变信道描述为：

具体地，由于信道物理特性的引入，信道响应的幅度A(t)相位的变化受控于所以在信道响应的信号域上更好地刻画幅度与相位的相关关系。根据电磁场传输特性，物理特性公式同时影响至信道响应的振幅和相位，对于通信信号的传输作用机理刻画的更接近实际物理过程，信道特征的描述更为准确。

信道模拟模块用于加载信道响应数据在发射端和接收端之间进行信道模拟。

接收端用于接收经过信道模拟模块的通信信号。

在本发明的一个实施例中，通信系统模型结构可得出信道模型的公式为：

其中，在信号接收R(t)中A_n(t)、A_s(t)分别为信道响应和通信信号幅度函数；分别为信道响应和通信信号的相位函数；为由信道物理特性构建的时域描述模型；ω为通信信号载波频率，各参数共同影响信号接收质量。

在本发明的一个实施例中，通过以下公式将基带信号和信道带宽降低进行时间等效：

T＝αt

其中，T为仿真时间，α为等效时间系数且α>1，t为真实物理时间。

具体地，根据时域抽样定理：频谱带宽范围占据(-ω_m～+ω_m)的频谱受限的信号f(t)，如果可以用等间隔的抽样值进行唯一表示。则抽样频率须至少大于等于两倍抽样频率，即抽样间隔须小于等于π/ω_m(其中ω_m＝2πf_m)。

本发明的实施例采用混合时间等效的方法将基带信号和信道带宽降低，采用T＝αt对基带信号和信道进行等效，其中，T是仿真时间，α是等效时间系数，t是真实物理时间。通常α大于1，作用是将时间变慢。在本发明的一个实时例中，α＝10,则仿真时间10s等效真实时间1s,可减缓变化的速度。本发明通过信道高动态进行等效，是因为信道响应的功率谱带宽过大，需要的真实更新率过高，通过时间等效变慢，改变了物理特性的变化率，减缓信道的幅度、相位变化过程，从而等效改变了信道的动态性；同时可以通过等效改变基带信号的幅度和相位，对应地压缩了基带带宽，使基带信号能与等效时变信道相匹配。信道模拟器冲击响应的最大更新频率为F_u，通过T＝αt时间等效，可以支持真实时间上到αF_u的更新率。

在本发明的一个实施例中，在信道仿真的过程中，每次加载由固定数量的相关仿真点构成的信道。

具体地，由于等离子鞘套等时变信道具有非平稳特性，仿真的信道过程时间越长对信道波形的刻画越精确。综上可知需要采样大量长时间的信道采样数据，这会导致信道仿真器存储深度不足。本发明的实施例使用流水线的方法解决了存储深度不足的问题，在信道仿真的过程中一次只能加载由固定个相关仿真点构成的信道。

在本发明的一个实施例中，根据所述信道模型分段加载信道数据，其中，分段加载的过程包括：将已编译好的整条信道响应划分成多个时间片段；连续加载所述多个时间片段,加载间隔与信道速率匹配；遍历通信模型中所有时间片段。

具体地，为复现真实信道特性，所需加载信道模型数据过于庞大，无法利用设备自身存储深度直接加载完整信道。在实验过程中采用分段加载的方式，将已编译好的整条信道响应划分成几十个时间片段，从而只需在一定间隔时间内加载一个片段，就可以在实验过程中遍历模型中的所有状态。进而，可以通过控制终端自动加载，使信道的加载循环更新，做到处理信道数据的无缝对接。同时改变相应的可调参数，解决了存储深度不足的问题，扩大了验证系统一次实验采集的数据量。

在本发明的一个实施例中，高动态信道通信验证系统还包括载波频谱搬移模块。载波频谱搬移模块用于载波进行频谱搬移，将高频段信号通过另一预设尺度的时间等效，以使输入与信道仿真器的输入频率范围相匹配。

具体地，通信信号的载波频率涉及X、Ka等频段，而常规信道仿真器存在的最高输入信号频率的上限，往往难以达到所需的Ka频段通信信号的要求。可以先将载波进行频谱搬移，将Ka等高频段信号通过另一尺度的时间等效，在相同的信道响应变化特性下，将输入的通信信号搬移至较低频段，使输入与信道仿真器的输入频率范围相匹配，解决载波频率过高的问题。

在本发明的一个示例中，通信链路如图3所示。由任意波形发生器(例如型号为M8190A)发射基带调制信号和参照信号；由矢量信号发生器(例如型号为E4438C)发射变频信号，对两路信号进行上变频；输出的两路信号进入F8信道仿真器模拟；由信道仿真器输出的信号与矢量信号发生器发射的变频信号在混频器中下变频得到中频信号；将得到的中频信号使用带通滤波器滤波，将频率变换产生的镜像和杂波过滤掉；最终两路信号由DSA91304A示波器进行初步采样并将采样数据传输数据存储终端，以进行快速同步解调、数据分析和存储回收。

在本发明的一个实施例中，高动态信道通信验证系统还包括自动化控制系统。自动化控制系统用于自动分段采集在所述发送方和所述接收方进行通信时的接收信号，并将每一段的接收信号及接收信息数据缓存至所述终端，然后按顺序对采集信号进行解调，以测试链路。

具体地，高速时变信道具有很高的更新速率，同时由于信道的非平稳特性，需要很长的时间和容量来采集、存储大量数据，人工记录分析十分困难。本发明的实施例的自动化控制系统，是基于硬件交互设备和自行开发的控制软件进行仪器的自动化连接，实现平台硬件和软件处理的有机配合，为大量测试数据的分析筛选提供了途径。自动化控制系统解决了单次处理数据量小，通信质量验证不连续，信道无法一次遍历等问题。依靠不同设备的驱动使用交互设备，可通过LAN、USB、GPIB等不同的通信接口将仪器可控连接。参照各型设备的编程手册搭建自主开发的软件平台，例如Matlab中的tmtool模块等，将自动化测量平台模块化，实现实验步骤的自动化控制。可以快速完成并改进实验，同时解决了信号的大量数据发送和信号的快速采集难点。验证临近空间高速飞行器信息通信的可靠性，需要进行长时间的通信，准实时的解调可以确保通信链路畅通，因此人工手动实验是不能实现的。因此在长时间通信的过程中本系统会将信号自动分段采集，并将每一段的接收信号及接收信息数据缓存至数据接收终端，然后按顺序对采集信号进行解调，解调时设置触发信号，设置采集固定长度的数据。当触发信号触发时信号无法解调，证明通信链路当前时刻中断。

在本发明的一个实施例中，自动化控制系统还用于在记录接收信号时，采集另一路信号用于复现当前时刻信道状态。

具体地，自动化控制系统通过信道仿真器多路运行可以采集双路信号，一路记录接收信号，另一路信号用于复现当前时刻信道状态。此时系统会记录接收端信号、信道以及各项参数、时间等信息，达到了方便验证等离子鞘套信息传输理论的目的。

在本发明的一个示例中，自动化实现过程如图4所示。系统各部分均由控制测试系统控制终端7控制。调制信号发射端1由任意波形发生器M8190A通过控制终端定时发射不同编码，带有特定导频的信号，例如QPSK、MFSK等信号，实验过程中由系统定时向任意波形发生器中导入所需的波形。信号合路后信号上变频部分2使用E4438C矢量信号发生器和混频器实现，根据控制程序，在不同时段将合路后的信号变频至不同的频段。模拟高动态非平稳信道3使用设备为F8信道仿真器，系统开始运行时这部分由远程控制终端7加载经过时间等效后已编译好的分段模型，该模型根据等离子鞘套物理过程建模，然后映射至信号域，具有32GHz高动态信道特性。信号下变频部分4通过远程控制的E4438C矢量信号发生器发射与上变频部分3相同的信号至混频器，通过混频器将信号还原至中频信号。经过三级滤波后信号采样5先使用DSA91304A示波器对模拟信号进行采样并由测试系统控制终端7控制采样数据的各项参数、格式和采样时间等。然后由高动态非平稳信道的估计和相关算法进行数据的同步，同步模块6采样对数据进行二次采样，采样的各项参数在程序中已进行推演和设定。通过局域网建立数据传输通道将采样后的数据传输至测试系统数据接收终端8；进行数据的存储解调和实验故障信息的筛选保存，同时通过双路模拟得到问题数据的信道模型。

在本发明的一个示例中，物理过程构建信道模型如图5所示。信道建模的过程分两个大的步骤。第一部分通过物理过程的动态性形成与信号间的映射过程，进而在信号域得到具有动态性的信道模型。首先通过计算机流体力学得到鞘套流场并利用FDTD算法计算电磁波在流场中的传播特性，然后根据电磁波传播特性提取层次化的马尔科夫信道模型参数。第一部分计算流体力学2需要空气分解电离模型1的参数，还需考虑当地气象条件、航天器外形、飞行速度、攻角等因素。由此可以得到稳态解，再在整个模型的基础上再加上等离子扰动模型3的数据影响因素就可以时变解。将时变解和激励信号通过时域有限差分法4就可得到Ka频段信道对信号影响的参数，即幅度抖动和相位闪烁。信道建模的第二部分将幅度抖动和相位闪烁划分成若干高层次的状态，并计算状态转移概率，状态内的随机特性通过随机种子控制。建模第二部分利用多层次马尔科夫模型可迅速生成所需信道，然后利用信道模拟器F8加载信道模型.MAT文件，该文件由信道冲激响应更新频率、载波频率、抽头间隔、采样密度、信道冲激响应更新频率等几项参数构成，通过设定上述参数完成标准格式信道模型的建立。

在本发明的一个示例中，自动控制信道模拟器实现信道过程如图6所示。所需模拟的大衰落、高动态的信道模型使用F8信道仿真器模拟，通过层次化的马尔可夫模型和物理等效的方法得到具有等离子鞘套性质的信道，为保证信号完整性，信号与信道的采样率必须相同，因此信道仿真器加载频率高于几十赫兹。实验开始前将编译好的由离散数据组成的信道提前存储至控制终端；信道自身所能适应的更新率为10kHz，实验开始时通过控制终端不停加载、运行两条相同的为适应生成快变信道的模型。使用LAN口连接组建局域网远程控制F8与整套控制系统相连，构建一套离线信号采集系统，两条信道分别用于接收信号和监控信道。整个操作流程是：首先在编辑窗口建立仿真所需的各端口和信道以及连接，将所用信道载入并匹配相关参数然如移动速度、输入增益、输出增益、功率谱密度等，然后保存信道并仿真编译，通过远端控制生成整条信道所需的所有分段信道。将已编译好的信道上传至信道加载序列，控制端自动控制运行窗口，使更新率匹配至所需值并持续运行设备。

另外，本发明实施例的高动态信道通信验证系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种高动态信道通信验证系统，其特征在于，包括：

发射端，用于发射通信信号；

信道产生模块，采用马尔科夫模型产生信道动态变化的信道响应数据；

信道模拟模块，用于加载所述信道响应数据在所述发射端和接收端之间进行信道模拟；以及

接收端，用于接收经过所述信道模拟模块的通信信号；

其中，所述信道产生模块进一步用于设定等离子鞘的物理特性，并根据所述等离子鞘的物理特性形成通信信道特性的多参数变化过程然后通过电磁场数值计算方法将所述物理状态与电磁信号间的传播关系进行映射，以在信号域得到具有高动态特性的信道模型；所述信道产生模块根据所述信道模型产生所述信道响应数据。

2.根据权利要求1所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，基于物理变化过程的时变信道描述为：

其中，f2(t)为信道响应，为信道响应的幅度变化过程，为信道响应的相位变化过程；

通信系统模型结构可得出信道模型的公式为：

其中，R(t)为信道模型，A_n(t)、A_s(t)分别为信道响应和通信信号幅度函数，分别为信道响应和通信信号的相位函数，ω为通信信号载波频率。

3.根据权利要求2所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，所述信道模拟模块通过时间等效方法加载所述信道响应数据，所述时间等效方法为将真是物理时间与验证采用的模拟时间进行等效变换。

4.根据权利要求3所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，通过以下公式将基带信号和信道带宽降低进行时间等效：

T＝αt

其中，T为仿真时间，α为等效时间系数且α>1，t为真实物理时间。

5.根据权利要求4所述的动态信道通信验证系统，其特征在于，在信道仿真的过程中，每次加载由固定数量的相关仿真点构成的信道。

6.根据权利要求5所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，根据所述信道模型分段加载信道数据，其中，分段加载的过程包括：

将已编译好的整条信道响应划分成多个时间片段；

连续加载所述多个时间片段,加载间隔与信道速率匹配；

遍历所述通信模型中所有时间片段。

7.根据权利要求6所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，还包括：

载波频谱搬移模块，用于载波进行频谱搬移，将高频段信号通过另一预设尺度的时间等效，以使输入与信道仿真器的输入频率范围相匹配。

8.根据权利要求1-7任一所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，还包括：

自动化控制系统，用于自动分段采集在所述发送方和所述接收方进行通信时的接收信号，并将每一段的接收信号及接收信息数据缓存至所述终端，然后按顺序对采集信号进行解调。

9.根据权利要求8所述的高动态信道通信验证系统，其特征在于，所述自动化控制系统还用于在记录所述接收信号时，采集另一路信号用于复现当前时刻信道状态。