CN108900239B - 一种低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法，其发送端根据预设的空时块编码矩阵对输入的基带符号序列进行空时块编码，编码后的结果通过若干条射频链路输出至若干根天线。本发明中，一方面通过将飞行器表面不相邻天线共用相同的射频链路的方式，达到不明显影响全向通信质量的情况下，降低设备硬件复杂度的效果；另一方面设计了一种支持多种射频链路数量配置的统一空时块编码的发送编码和接收检测方案，该方案能够满足任意两个空间飞行器间全向通信的需求并且允许发送端和接收端独立选择各自的天线数量及射频链路数量，从而解决不同天线数量和射频链路数量配置下的飞行器间全向通信的兼容问题。

Description

一种低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法，属于数据链系统技术领域，应用于飞行器间通信。

背景技术

在许多协同空间飞行器系统中，飞行器间通信常常使用全向通信方式。这主要是因为全向通信在组网上具有很好的灵活性。对于此类场景，天线方向图(或合成天线方向图)的全向性是一个重要的参数指标。通常，在空间任意不同方向上的天线增益(或合成增益)的差异越小，系统全向通信的性能越好。

然而实际中，空间飞行器间通信所使用的单根天线几乎都不是全向天线。为了获得近似全向的性能，常用的解决方式是在飞行器表面的不同位置(或象限)上布设天线，每一根天线指向不同的方向上而所有天线的主波束合起来能够覆盖空间任意方向。在传统的大多数空间飞行器全向通信中，发送端调制后的符号被功分器送往所有的天线上向外辐射。由于从不同位置辐射的电磁波在空间中存在干涉现象，在等效的合成天线方向图上会存在一处或多处深凹陷，从而影响全向通信的性能。

近几年出现了通过空时编码来消除多根天线合成方向图中的深凹陷的较有效的方式。在空时编码家族中，空时块编码是一种只需要在接收端进行线性处理即可实现最有检测的编码方案。空间飞行器在实现复杂度和功率方面通常都受限。因此，相比其他空时编码，空时块编码更加适合用于空间飞行器上。

对于当前航空和航天飞行器上所使用的空时块编码，大多数方案主要集中在针对两天线的空时块编码(即Alamoti编码)上。然而，两天线下使用空时块编码所得到的合成天线方向图的平坦度较差。有必要使用更多天线和适用于更多天线下的空时块编码方案。然而，一方面更多的天线势必提升硬件上的复杂度；而尽可能的降低硬件复杂度，将有利于飞行器设备的小型化设计；另一方面，当多个安装有不同数量天线的空间飞行器进行全向协同组网时，由于不同数量天线下所对应的具体发送编码和接收检测实现不同，需要一种相互兼容的发送编码和接收检测方案以提升实际使用中的灵活性。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服不同天线数量配置和不同射频链路数量配置下的传统空时块编码方案相互间兼容性差的问题，提供一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法，解决了具有不同天线数量配置和不同射频链路数量配置的飞行器间利用空时块编码通信的兼容性问题，降低使用较多天线引起的通信硬件设备的复杂度。

本发明解决的技术方案为：一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，包括：N个飞行器，N大于等于2；其中一个飞行器作为发送端，其它N-1个飞行器作为接收端；

发送端的飞行器上设有N_T根天线和M_T条发送射频链路，N_T大于等于M_T且M_T大于等于1；根据空时块编码矩阵完成对输入的基带调制符号序列的空时块编码，产生M_T流空时块编码后的基带信号，每流分别对应M_T条发送射频链路的一条，所得空时块编码后的基带信号再经过对应的发送射频链路进行上变频得到射频信号，根据发送射频链路与天线的对应关系，将射频信号送至N_T根天线；在发送端，飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，并发送至空间；

接收端的飞行器上设有N_R根天线，M_R条接收射频链路，N_R大于等于M_R且M_R大于等于1；接收端的飞行器上的天线接收空间中的射频信号，根据接收天线与接收射频链路的对应关系，送至接收端的飞行器上的射频链路进行下变频得到基带信号，接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路，再对基带信号进行接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列送至外部解调器。

空时块编码矩阵的具体确定方法如下：

对输入的基带调制符号序列的空时块编码时，先设置最大支持使用的发送射频链路数量为M_max，得到一个支持M_max根发送端天线的空时块编码的编码矩阵作为编码参考矩阵，记作C_ref，该编码参考矩阵具有Q行M_max列，发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个Q行M_T列的矩阵记作C_T，矩阵C_T作为发送端进行空时块编码所使用的空时块编码矩阵。编码输出的M_T流基带信号，在每一流信号前增加正交的前导码，M_T小于等于M_max。

接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列的方案如下：

首先根据接收端的基带信号的前导码和信道检测技术，得到发送端第k条(k＝1，……，M_max，接收端不知道发送端的发射射频链路的数量M_T，M_T小于等于M_max)射频链路与接收端第l条射频链路间的基带信道系数，记作h_k,l；l＝1,…，M_R；对每一个基带信道系数h_k,l进行过滤，得到修正的信道系数

过滤公式如下：

其中σ是可设置的门限值，|·|²表示取模平方，

表示求不同k值下|h_k,l|²的最大值；

之后，利用修正后的信道系数

根据C_ref所对应的空时块编码接收检测算法，完成接收检测，从而恢复端发送端的基带调制符号序列即待解调的基带调制符号序列。

发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个M_T列的矩阵作为C_T，具体要求如下：

从C_ref中选择的M_T列向量是任意不重复的，该M_T列向量在矩阵C_T中排列的先后顺序是任意的。

接收检测过程中，首先根据接收端的基带信号的前导码和信道检测技术，得到发送端第k条射频链路与接收端第l条射频链路间的基带信道系数，具体如下：

假设发送端共有M_max根发送射频链路，使用预设的M_max个接收端本地前导码分别从接收到的基带信号中检测出对应的信道系数，即h_k,l，k取值为1、2……M_max，l取值为1、2……M_R。

发送端的飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，具体如下：

若发射端的两根天线的法向矢量夹角超过A°，则判定为两根天线不相邻，否则判定两根天线相邻；不相邻天线可接收来自同一条发送射频链路所输出的射频信号，相邻的天线不允许接收来自同一条射频链路的信号；每一根天线只允许接收一路发送射频链路的信号。

接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路，具体如下：

若接收端的两根天线的法向矢量夹角超过A°，则判定为两根天线不相邻，否则判定为二者相邻；不相邻天线的输出可相叠加送往同一条接收射频链路，相邻的天线不允许将输出送往同一条接收射频链路；每一根天线只允许将其输出送往一路接收射频链路。

当只需满足二维平面内全向通信需求时，设置M_max＝3，N_T≤4，N_R≤4；当需满足三维平面内全向通信需求时，设置M_max＝4，N_T≤6，N_R≤6。

一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发方法，步骤如下：

(1)发送端的飞行器上设有N_T根天线和M_T条发送射频链路，N_T大于等于M_T且M_T大于等于1；

(2)根据空时块编码矩阵完成对输入的基带调制符号序列的空时块编码，产生M_T流空时块编码后的基带信号，每流分别对应M_T条发送射频链路的一条；

(3)空时块编码后的基带信号再经过对应的发送射频链路进行上变频得到射频信号，根据发送射频链路与天线的对应关系，将射频信号送至N_T根天线；在发送端，飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，并发送至空间；

(4)接收端的飞行器上设有N_R根天线，M_R条接收射频链路，N_R大于等于M_R且M_R大于等于1；接收端的飞行器上的天线接收空间中的射频信号；

(5)根据接收天线与接收射频链路的对应关系，送至接收端的飞行器上的射频链路进行下变频得到基带信号，接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路；

(6)对基带信号进行接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列送至外部解调器。

步骤(2)中空时块编码矩阵的具体确定方法如下：

对输入的基带调制符号序列的空时块编码时，先设置最大支持使用的发送射频链路数量为M_max，得到一个支持M_max根发送端天线的空时块编码的编码矩阵作为编码参考矩阵，记作C_ref，该编码参考矩阵具有Q行M_max列，发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个Q行M_T列的矩阵记作C_T，矩阵C_T作为发送端进行空时块编码所使用的空时块编码矩阵；编码输出的M_T流基带信号，在每一流信号前增加正交的前导码，M_T小于等于M_max。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明支持飞行器使用更多的天线并利用空时块编码技术达到更好的全向通信效果，扩展了现有的空时块编码技术在航天航空中的应用方案。

(2)本发明通过在发送端让不相邻的天线接收同一条发送射频链路的输出，在接收端让不相邻的天线将信号输出给同一条接收射频链路的方式，降低了发送和接收设备射频硬件实现的复杂度，也降低了对最大编码矩阵维度的要求进而减小编码与接收检测运算的复杂度。

(3)本发明中发送端的天线和射频链路配置与接收端的天线和射频链路配置相独立，所提出的发送编码和接收检测方案兼容不同的天线和射频链路配置，提高了实际使用空时块编码技术进行飞行器间全向组网的灵活性。

(4)本发明在接收检测中，等效的剔除了信道质量相对较弱的信道，降低了对应信道上噪声对接收检测的影响，有利于获得更好的检测结果。

(5)本发明所提出的方案即可用于二维平面上的全向组网，也可用于三维空间中的全向组网，降低了对单个天线主瓣波束角的要求，所适合使用的天线类型更多。

附图说明

图1为本发明系统组成框图；

图2为本发明多输入多输出系统示意图；

图3的(a)为本发明第一种二维场景下的天线布局图；图3的(b)为本发明第一种二维场景下的天线布局图；图3的(c)为本发明第一种二维场景下的天线布局图

图4为本发明三维场景下的五天线布局图；

图5为本发明三维场景下的六天线布局图；

图6为本发明发送数据帧格式；

图7为本发明接收信噪比的累积分布函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统及方法，其发送端根据预设的空时块编码矩阵对输入的基带符号序列进行空时块编码，编码后的结果通过若干条射频链路输出至若干根天线。本发明中，一方面通过将飞行器表面不相邻天线共用相同的射频链路的方式，达到不明显影响全向通信质量的情况下，降低设备硬件复杂度的效果；另一方面设计了一种支持多种射频链路数量配置的统一空时块编码的发送编码和接收检测方案，该方案能够满足任意两个空间飞行器间全向通信的需求并且允许发送端和接收端独立选择各自的天线数量及射频链路数量，从而解决不同天线数量和射频链路数量配置下的飞行器间全向通信的兼容问题。

本发明的系统和方法适用于空间飞行器间全向组网场景中任意一对收发节点发送处理和接收处理。本发明一方面可降低因需要安装多根天线而带来的射频硬件复杂度和处理算法复杂度；另一方面，解决不同天线数和射频链路数配置的飞行器间利用空时块编码进行通信的兼容问题。

本发明的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，包括：N个飞行器，N大于等于2；其中一个飞行器作为发送端(即发送方)，其它飞行器(N-1个)作为接收端(即接收方)。发送端的飞行器上设有N_T根天线和M_T条发送射频链路，根据M_T的值从参考编码矩阵中选择一个子矩阵作为空时块编码的编码矩阵，利用该矩阵进行空时块编码，产生M_T流基带信号，再对M_T流基带信号分别进行上变频后，送至N_T根天线；发送端的飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，并发送至空间；N_T大于等于M_T且M_T大于等于1。接收端的飞行器上设有N_R根天线，M_R条接收射频链路，接收端的飞行器上的天线接收空间中的射频信号，送至接收端的飞行器上的射频链路进行下变频，接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路，再根据统一接收检测方案进行解码，得到待解调的基带调制符号序列送至外部解调器，N_R大于等于M_R且M_R大于等于1。系统框图如附图1所示。

对于多个飞行器间组网通信都是建立在两点间通信的基础上。只要任意两点间通信能够满足兼容性需求，则整体就能满足兼容性需求。因此，在具体实施方式中考虑一个由两个飞行器组成的通信场景。一个飞行器作为发送端，另一个作为接收端。

假设发送端(简称发端)由N_T个天线，接收端(简称收端)有N_R根天线。可以得到如附图2所示的多输入多输出通信系统模型。其中，h′_k,l表示发端第k根天线(k＝1，……，N_T)到收端第l根天线(l＝1，……，N_R)的等效基带信道系数。

为了实现近似全向的通信，传统的传输方式如下。发端调制后的基带符号序列{s_i}(序列长度为W由实际数据长度、调制编码方式决定，i＝1，……，W)在同一个时隙上被一条相同的发送射频链路送往发端的所有天线上。如果假设传输信道系数在一个传输块内不变，那么收端在第l根天线上收到的信号可由(1)表示，其中n_l,i表示第l根天线上在符号s_i对应的时刻产生的功率为δ²的高斯白噪声。

由上式可得，接收符号的平均信噪比为

由于发端天线分布在飞行器外表面的不同位置，所以信道系数h′_k,l通常具有不同的相位。这就导致合成信道

有时是由多个信道系数的同相相加得到而有时却由多个信道系数异相相加得到，即存在干涉现象。于是，在不同的传输方向上，合成信道幅值会存在很大的变化，从而影响全向通信的性能。

解决上述问题的一种有效方法是在发端采用空时块编码、在收端使用相应的线性检测。当前在航空遥测标准中，主要采用了Alamoti编码。该编码适用于发端只有两天线或两条射频通道的情况。当发端天线数或者射频通道数超过2个时，就需要使用其它的空时块编码方案。对于某个特定的N_T，往往都可对应至少一种空时块编码，使得接收检测后得到的基带符号序列的平均信噪比为

可以看出检测后的符号的信噪比与信道系数相位的不一致性无关。因此，避免了多根发天线间信号在空间的干涉，从而增强了全向通信的能力。

在实际的空间飞行器协同组网中，可能会存在如下场景。不同飞行器上安装的天线数量不同，于是各自对应的空时块编码的编码矩阵和接收检测方式不同。在该场景下，为了使用空时块编码实现任意两个飞行器间的全向通信，需要一种能够兼容多种数量天线的统一的编码和检测协议。

在空间通信场景中，通信信道多径效应较弱，通信主要建立在视距径上。如果为每一根天线都设计一条独立的射频通道(射频通道完成信号从基带到射频的变换)，那么当天线数较多时，随之而来的发射机和接收机的硬件复杂度上升会给空间飞行器带来过重的负担。

优选在空间飞行器通信中使用无源天线。当允许单个无源天线的增益波动在约3dB以内时，对应的覆盖角优选为90°～120°。根据此角度范围，对于二维平面上的近似全向通信，三到四根无源天线即足够，如图3所示。在图3(a)中#1和#2分别表示安装在飞行器表面(圆形轮廓，半径为r)上两根指向相反的天线。在图3(b)中飞行器外表面上均布了三根天线，分别用#1、#2和#3表示。在图4中飞行器外表面上均布了四根天线，分别用#1、#2、#3和#4表示。

图3为二维场景下的天线布局,a)N_T＝N_R＝2,b)N_T＝N_R＝3,c)N_T＝N_R＝4；图4为三维场景下的五天线布局,N_T＝N_R＝5；图5为三维场景下的六天线布局,N_T＝N_R＝6；

对于三维立体空间上的近似全向通信，五到六根天线即可满足需求，如图4和图5所示。图4中共有5根天线安装在飞行器外表面，其中天线#1和#5安装在飞行器的两端的端面上，天线#2、#3和#4安装在飞行器的侧壁上，天线#2、#3和#4间任意两根天线的法线夹角约60°。图5中共有6根天线安装在飞行器外表面，其中天线#1和#6安装在飞行器的两端的端面上，天线#2、#3、#4和#5安装在飞行器的侧壁上，天线#2与天线#3、天线#5的法线夹角均约90°。天线#2与天线#4的法线夹角约180°。

提出让两个安装位置不相邻的天线共用同一条射频链路(即对于发送端，两根不相邻的天线可接收同一条发送射频链路输出的射频信号，对于接收端可以将两根不相邻的天线输出的射频信号叠加送至同一条接收射频链路)来降低设备硬件的复杂度。降低射频链路数的还有一个好处是减少了空时块编码通信所需要的前导码数量。这里的安装位置不相邻的天线指的是天线指向差异非常大(比如指向相反方向)，二者发出的信号在对方的主瓣方向上衰减的非常小。例如在图3(c)中天线#1和#3是不相邻天线，而天线#1和#2是相邻天线。

不论是发送端还是接收端，对于安装在飞行器外表的两根无源天线，确定其是否共用一路射频链路的依据如下：若两根天线的法向矢量夹角超过A°，则可将二者共用一路射频链路。否则二者使用不同的射频链路。其中A的取值优选在80°～130°之间，由实际情况确定。针对图3(c)、图4和图5中的天线布局，分别提出如下共用射频链路的方案。

a)使用4天线满足二维平面内近似全向效果的共用方式

天线按照如图3(c)所示。天线#1和天线#3的法线夹角约180°，天线#2和天线#4的法线夹角约180°。天线#1和天线#2的法线夹角约90°。天线#1和天线#3的法线夹角约90°。

天线#1和天线#3共用一条射频链路。天线#2和天线#4共用一条射频链路。

b)使用5天线满足三维平面内近似全向效果的共用方式

天线按照如图4所示。天线#1与天线#2、天线#3和天线#4的法线夹角均约90°。天线#2、天线#3和天线#4的法线夹角均约120°。天线#5与天线#2、天线#3和天线#4的法线夹角均约90°。天线#1和天线#5的法线夹角约180°。

此时，天线#1和天线#5共用一条射频链路。天线#2、天线#3和天线#4使用不同的射频链路。

c)使用6天线满足三维平面内近似全向效果的共用方式

天线按照如图6所示。天线#1与天线#2、天线#3、天线#4、天线#5的法线夹角均约90°。天线#2与天线#3、天线#5的法线夹角均约90°。天线#2与天线#4的法线夹角约180°。天线#6与天线#2、天线#3、天线#4、天线#5的法线夹角均约90°。天线#1和天线#6的法线夹角约180°。

此时，天线#1和天线#6共用一条射频链路。天线#2与天线#4共用一条射频链路。天线#3和天线#5共用一条射频链路。

如表1所示给出了当允许两根天线共用一条射频链路时，图3至图5中的五种天线布局下每一种布局所需最少的射频链路数。

表1需要的最小射频链路数

由表1可知，最多需要4条射频链路即可满足实际三维空间中近似全向通信的需求。射频链路数越多，硬件的复杂度越高。因此，在本具体实施中设定各飞行器最大支持使用的发送射频链路数量M_max＝4。根据已公开方案选择如下支持4根发天线的空时块编码的编码矩阵作为编码参考矩阵C_ref：

其中s_i，s_i+1和s_i+2是发送端的基带调制符号序列中在一个传输块内的三个调制符号，序列长度为W由实际数据长度、调制编码方式决定，i最小取1、最大取W-2，*表示共轭。编码参考矩阵中的行和列分别代表4个发送时隙和4条发送射频链路。使用上述参考编码矩阵下每个发送时隙上，s_i，s_i+1、s_i+2及0共四个符号以不同的形式和排列在M_max＝4条射频链路上被分别上变频为射频信号，然后通过天线发送出去，共占用4各时隙完成对三个调制符号s_i，s_i+1和s_i+2的发送。

实际发送端的发送射频链路数可能会少于4条。发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择任意不相同的M_T列组成一个M_T列的矩阵作为C_T，矩阵C_T作为发送端进行空时块编码过程中所使用的编码矩阵。在具体实施中，对于M_T＝1，2,3,4可分别选择(3)-(6)式中所表示的编码矩阵，其中(3)式中选择编码参考矩阵C_ref的第1列，(4)式中选择编码参考矩阵C_ref的前两列，(5)式中选择编码参考矩阵C_ref的前三列。

为了在接收端区分不同的发送射频链路的信号，发送端需要周期性的在送往每条发送射频链路的基带信号前添加前导码序列，帧格式见附图6。每条发送射频链路对应一个前导码序列。不同发射射频链路对应的前导码序列彼此正交。前导码序列的作用是为了在接收端实现符号、载波、时隙等同步以及进行信道检测获得当前信道系数。因此，所有可能使用的前导码序列都需要在发送端和接收端之间事先约定好。

对于接收端的第l条接收射频链路(l＝1，……，M_R)，假设在(2)式中所对应的4个时隙上，接收到得基带信号依次为y_l,i，y_l,i+1，y_l,i+2和y_l,i+3。接收端假设发送端使用了M_max＝4条射频链路。通过使用预设的4个前导码和信道检测技术，接收端可获得所假设的4条发送射频链路到接收端的第l条接收射频链路间的等效信道系数，记作h_k,l，其中

表示复数域。

对每一个信道系数h_k,l进行如下过滤操作，相应得到修正的信道系数

其中σ＝0.1是可设置的门限值，|·|²表示取模平方，

表示求不同k值下|h_k,l|²的最大值。之后，利用修正后的信道系数

按照下式恢复出发送的三个调制符号s_i，s_i+1、s_i+2：

其中

检测到的符号

分别对应发送的s_i，s_i+1、s_i+2符号。不同接收射频链路得到的检测到的符号可通过等比合并或最大比例合并等方法融合，不在此详细讨论。至此，完成了调制符号的发送和接收。

优选方案为：

发送端:

a)根据图3、图4和图5选择一种天线布局；

b)对于不相邻天线进行射频链路共用；

c)根据射频链路数从式(3)-(6)中选择一个编码矩阵，然后完成相应的空时块编码；

d)对送往每一条发送射频链路的基带信号中周期性的添加一个前导码。

接收端:

a)根据图3、图4和图5选择一种天线布局；

b)对于不相邻天线进行射频链路共用；

c)检测信道系数并根据(7)修正信道系数；

d)利用(8)对每条接收射频链路输出的信号进行空时块编码的接收检测。

该方案可以兼容具有不同数量发天线的飞行器的近似全向组网通信需求。由于选择的编码矩阵具有维数较低和构造简单，同时接收端使用线性处理完成接收检测，因此所提方案在协议设计上和硬件实现上具有较低的复杂度。

通过计算机仿真对所提方案进行验证。仿真场景为二维平面上两个飞行器组成的通信系统，其中一个为发送端，另一个为接收端。飞行器上天线的分布如图3所示。任意一对收、发天线形成的通信链路的信道模型为AWGN信道，无线信道衰减由自由空间路径损耗决定。在实际系统中，每条通信链路的信道系数的相位值由无线传输距离、射频电缆长度及其它特性决定。因此，不失一般性，假设每一条通信链路的信道系数相位为在[0,2π)上的均匀随机分布。

每根无源天线的方向图采用如下模型

其中φ_3dB＝2π/3是半功率波束宽度。主要的仿真设置如表3所示。

表3主要的仿真参数

所提方案在不同数量天线下的性能如附图7所示，其中的“所提方案”即为本发明中方案，“传统方案”即为不使用空时块编码的传统飞行器全向通信方案。图中给出了不同设置下接收符号平均信噪比的累积分布曲线。四种天线数量的设置分别为：N_T＝N_R＝2,N_T＝N_R＝3和N_T＝N_R＝4(收发端分别使用2条射频链路)。

从图中可以看出，所提方案下的接收信噪比曲线比传统方案下更陡且总体上更大。这说明所提方案下在不同方向上的通信链路质量更加相近，实现了更好的近似全向通信能力。结果还表明使用更多的天线能够增强系统全向通信的性能。

本发明支持飞行器使用更多的天线并利用空时块编码技术达到更好的全向通信效果，扩展了现有的空时块编码技术在航天航空中的应用方案。

本发明通过在发送端让不相邻的天线接收同一条发送射频链路的输出，在接收端让不相邻的天线将信号输出给同一条接收射频链路的方式，降低了发送和接收设备射频硬件实现的复杂度，也降低了对最大编码矩阵维度的要求进而减小编码与接收检测运算的复杂度。发送端的天线和射频链路配置与接收端的天线和射频链路配置相独立，所提出的发送编码和接收检测方案兼容不同的天线和射频链路配置，提高了实际使用空时块编码技术进行飞行器间全向组网的灵活性。

本发明在接收检测中，等效的剔除了信道质量相对较弱的信道，降低了对应信道上噪声对接收检测的影响，有利于获得更好的检测结果。本发明所提出的方案即可用于二维平面上的全向组网，也可用于三维空间中的全向组网，降低了对单个天线主瓣波束角的要求，所适合使用的天线类型更多。

Claims (8)

1.一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于包括：N个飞行器，N大于等于2；其中一个飞行器作为发送端，其它N-1个飞行器作为接收端；

发送端的飞行器上设有N_T根天线和M_T条发送射频链路，N_T大于等于M_T且M_T大于等于1；根据空时块编码矩阵完成对输入的基带调制符号序列的空时块编码，产生M_T流空时块编码后的基带信号，每流分别对应M_T条发送射频链路的一条，所得空时块编码后的基带信号再经过对应的发送射频链路进行上变频得到射频信号，根据发送射频链路与天线的对应关系，将射频信号送至N_T根天线；在发送端，飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，并发送至空间；

接收端的飞行器上设有N_R根天线，M_R条接收射频链路，N_R大于等于M_R且M_R大于等于1；接收端的飞行器上的天线接收空间中的射频信号，根据接收天线与接收射频链路的对应关系，送至接收端的飞行器上的射频链路进行下变频得到基带信号，接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路，再对基带信号进行接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列送至外部解调器；

空时块编码矩阵的具体确定方法如下：

对输入的基带调制符号序列的空时块编码时，先设置最大支持使用的发送射频链路数量为M_max，得到一个支持M_max根发送端天线的空时块编码的编码矩阵作为编码参考矩阵，记作C_ref，该编码参考矩阵具有Q行M_max列，发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个Q行M_T列的矩阵记作C_T，矩阵C_T作为发送端进行空时块编码所使用的空时块编码矩阵；编码输出的M_T流基带信号，在每一流信号前增加正交的前导码，M_T小于等于M_max。

2.根据权利要求1所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列的方案如下：

首先根据接收端的基带信号的前导码和信道检测技术，得到发送端第k条射频链路与接收端第l条射频链路间的基带信道系数，记作h_k,l；l＝1,…，M_R；k＝1，……，M_max，发送端的发射射频链路的数量M_T小于等于M_max；对每一个基带信道系数h_k,l进行过滤，得到修正的信道系数

过滤公式如下：

其中σ是可设置的门限值，|·|²表示取模平方，

表示求不同k值下|h_k,l|²的最大值；

然后，利用修正后的信道系数

根据C_ref所对应的空时块编码接收检测算法，完成接收检测，从而恢复发送端的基带调制符号序列即待解调的基带调制符号序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个M_T列的矩阵作为C_T，具体要求如下：

从C_ref中选择的M_T列向量是任意不重复的，该M_T列向量在矩阵C_T中排列的先后顺序是任意的。

4.根据权利要求2所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：接收检测过程中，首先根据接收端的基带信号的前导码和信道检测技术，得到发送端第k条射频链路与接收端第l条射频链路间的基带信道系数，具体如下：

假设发送端共有M_max根发送射频链路，使用预设的M_max个接收端本地前导码分别从接收到的基带信号中检测出对应的信道系数，即h_k,l，k取值为1、2……M_max，l取值为1、2……M_R。

5.根据权利要求1所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：发送端的飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，具体如下：

若发射端的两根天线的法向矢量夹角超过A°，则判定为两根天线不相邻，否则判定两根天线相邻；不相邻天线可接收来自同一条发送射频链路所输出的射频信号，相邻的天线不允许接收来自同一条射频链路的信号；每一根天线只允许接收一路发送射频链路的信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路，具体如下：

若接收端的两根天线的法向矢量夹角超过A°，则判定为两根天线不相邻，否则判定为二者相邻；不相邻天线的输出可相叠加送往同一条接收射频链路，相邻的天线不允许将输出送往同一条接收射频链路；每一根天线只允许将其输出送往一路接收射频链路。

7.根据权利要求1所述的一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发系统，其特征在于：当只需满足二维平面内全向通信需求时，设置M_max＝3，N_T≤4，N_R≤4；当需满足三维平面内全向通信需求时，设置M_max＝4，N_T≤6，N_R≤6。

8.一种基于空时块编码的低复杂度空间飞行器全向组网统一收发方法，其特征在于步骤如下：

(1)发送端的飞行器上设有N_T根天线和M_T条发送射频链路，N_T大于等于M_T且M_T大于等于1；

(2)根据空时块编码矩阵完成对输入的基带调制符号序列的空时块编码，产生M_T流空时块编码后的基带信号，每流分别对应M_T条发送射频链路的一条；

空时块编码矩阵的具体确定方法如下：

对输入的基带调制符号序列的空时块编码时，先设置最大支持使用的发送射频链路数量为M_max，得到一个支持M_max根发送端天线的空时块编码的编码矩阵作为编码参考矩阵，记作C_ref，该编码参考矩阵具有Q行M_max列，发送端根据所使用的发送射频链路数量M_T，从编码参考矩阵C_ref中选择M_T列组成一个Q行M_T列的矩阵记作C_T，矩阵C_T作为发送端进行空时块编码所使用的空时块编码矩阵；编码输出的M_T流基带信号，在每一流信号前增加正交的前导码，M_T小于等于M_max；

(3)空时块编码后的基带信号再经过对应的发送射频链路进行上变频得到射频信号，根据发送射频链路与天线的对应关系，将射频信号送至N_T根天线；在发送端，飞行器上两个不相邻的天线能够接收发送端的飞行器上同一条发送射频链路产生的射频信号，并发送至空间；

(4)接收端的飞行器上设有N_R根天线，M_R条接收射频链路，N_R大于等于M_R且M_R大于等于1；接收端的飞行器上的天线接收空间中的射频信号；

(5)根据接收天线与接收射频链路的对应关系，送至接收端的飞行器上的射频链路进行下变频得到基带信号，接收端的飞行器上两个不相邻的天线能够将接收的射频信号送至接收端的飞行器上同一条接收射频链路；

(6)对基带信号进行接收检测完成对下变频后得到的基带信号空时块编码的解码，得到待解调的基带调制符号序列送至外部解调器。

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