[发明专利]一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于周期下行时间标准信号的深空发送波束成形方法，属于深空通信领域。

背景技术

深空探测是指对月球和更远的天体和空间进行的探测。深空探测器与测控通信地球站之间的通信称为深空通信，其特点主要表现在巨大的信号传输时延和路径损耗。巨大的信号传输时延使实时的遥控、反馈差错控制及密钥同步等成为不可能，而路径损耗使信号电平微弱到几乎不可容忍的地步，甚至无法进行正常通信。

随着深空探测传输数据量不断增加，探测距离越来越远，深空通信技术所面临的挑战日益增大。由于深空探测器等效全向发射功率(EIRP)非常有限，为了弥补巨大的路径损耗，保证系统信噪比(SNR)的要求，地球站需要采用超大口径抛物面天线。然而天线口径的增加会使波束变窄，导致探测器下行信号的捕获困难；同时天线尺寸和重量的增加，会使驱动伺服和工艺实现变得极为困难。天线组阵则是解决该问题的一种有效途径，其基本原理是将一定地域范围内的多个天线组成阵列，通过接收同一信源的信号，消除各天线信号间的时间和相位差，使所有信号进行相位相干的叠加，从而提高接收信噪比。在各天线噪声不相关的条件下，理论上采用N个接收天线的天线组阵时其接收信号的SNR是仅采用单个接收天线的N倍。因此，可以采用体积小、重量轻、波束宽的中小口径天线组阵实现对信号良好的捕获跟踪。另外，在可靠性、灵活性、多目标通信和成本等方面，天线组阵比单个大天线的优势更加明显。

发送波束成形技术要求各天线发送包含相同信息的信号，并且通过调整各天线发送信号的相位，使飞行器接收到的合成信号是相位相干的，从而信号是幅度叠加的。假设单个发送天线的发送信号到达飞行器接收端的幅度为A，则增加为N个发送天线且采用发送波束成形技术后，飞行器接收到的相干合成信号幅度为NA，其合成信号功率为单个天线发送情况时的N²倍。

目前天线阵列的主要研究都集中于接收波束成形方面，而对发送波束成形的研究十分有限。发送波束成形需要完成所有目标地球站发送信息共享，发送符号时间同步，载波频率同步和载波相位同步。对于有线连接的天线组阵(一般采用光纤连接)，前三步比较容易实现，主要困难集中在载波相位同步。载波相位同步主要有闭环相位同步和开环相位同步这两种方式。[Y.Tu and G.Pottie，“Coherent cooperative transmission from multiple adjacent antennas to adistant stationary antenna through AWGN channels，”Proc.IEEE VTC，vol.1，pp.130-34，Birmingham，AL，Spring 2002]和[R.Mudumbai et al.，”Distributed transmit beamforming usingfeedback control，”IEEE Trans.Info.Theory，vol.56，no.1，pp.411-426，Jan.2010]两篇文献分别研究了全反馈和单比特反馈两种典型的闭环相位同步策略，其原理是目的节点通过测量各源节点信号的相位信息并反馈给源节点来控制源节点发送信号补偿的相位。而[R.Mudumbai，G.Barriac，and U.Madhow，“On the feasibility of distributed beamforming in wireless networks，”IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.6，no.5，pp.1754-1763，May 2007]和[D.R.Brown III and H.V.Poor，“Time-slotted round-trip carrier synchronization for distributed beamforming，”IEEE Trans.Signal Proc.，vol.56，pp.5630-43，Nov.2008]两篇文献则对开环相位同步的两种典型策略(即主从式开环同步和回环开环同步)进行了研究错误！未找到引用源。，其原理是各源节点通过目的节点广播的波束以及源节点之间的交流估计各自大概需要补偿的相位。

考虑到深空通信中天线组阵的通信条件以及相位同步中对数据量交换的约束，本发明考虑开环相位同步方式。针对天线组阵上行链路的发送波束成形，提出了基于周期性下行时间标准信号并加入预测修正的开环相位同步调整策略。

发明内容