毫米波通信中混合波束赋形技术探讨

毫米波通信为5G移动通信的关键技术之一,对进一步提高移动通信质量具有巨大的推动作用;但是,其路径损耗大、穿透性能低,实际应用中必须与大规模多输入多输出技术相结合,利用波束赋形技术增强通信质量,降低路径损耗和信号衰减。为降低实际成本,混合波束赋形技术对毫米波通信的实现具有非常重要的意义,笔者主要对其进行了探讨。     

基于波束赋形的MIMO系统混合自动重传技术

在无线通信系统优化问题的研究中,多输入多输出(MIMO)系统的混合自动重传技术能够提高无线通信传输的可靠性.根据空时编码的重传技术多次重传样本进行联合解码,能够提高解码功能;减少信道传输差错.为了进一步减小重传次数,提高重传效率,提出了一种基于波束赋形的MIMO系统混合自动重传技术.在空时编码重传的基础上,引入自适应波束赋形,使MIMO发射的空间波束更加集中地对准用户,从而提高发射功率利用率,减小干扰,进而增加了混合自动重传合并增益,提高了重传效率.计算机数值仿真验证上述方法提高了系统的增益和可靠性.     

一种浮标通信天线的波束赋形设计

海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施,它具有全天候、全天时稳定可靠地采集海洋环境资料的能力,并利用通信卫星把数据发送到陆地上的数据处理中心.卫星通信一般采用地球同步轨道上的静止卫星来实现,本文重点研究地球同步通信卫星作为浮标通信卫星时的天线赋形波束设计.     

毫米波无线通信系统混合波束成形综述

毫米波频段拥有大量未充分使用的频谱资源,能有效缓解低频段频谱拥塞,并且由于毫米波波长较短,能极大地减小大规模天线系统的物理尺寸,使得毫米波通信成为5 G无线通信系统潜在的关键技术之一。考虑到毫米波传播路径损耗严重,毫米波系统需采用波束成形技术改善传输质量。在毫米波大规模多输入多输出(Multiple-input multiple-out, MIMO)系统中,由于数字波束成形高功耗、高成本问题,混合数模波束成形成为重要的替代方案。本文首先阐述了毫米波混合波束成形的研究现状,而后给出了系统模型,最后介绍了信道估计、码本设计和低复杂度设计等混合波束成形的关键技术。     

混合ACA-SA算法的无人机巡检电塔路径优化方法

无人机巡检成本低、效率高,正逐渐取代传统人工巡检方式,成为目前输电线路智能巡检的主要手段。然而输电铁塔结构复杂、巡检部位多,且单一的启发式算法规划的飞行路径收敛速度慢、易陷入局部最优。针对以上问题,提出一种基于混合蚁群-模拟退火(ACA-SA)算法的输电铁塔巡检三维路径优化方法,该方法以110 kV耐张塔的三维模型为算例,根据电力行业标准建立电塔安全巡检面和动态标定26个巡检点,并在ACA计算进入停滞状态时,利用SA算法前期高温时的突跳特性避免陷入局部最优,通过改变信息素分布,指导蚁群寻找最短路径。将混合ACA-SA算法与ACA、SA算法进行对比,实验显示混合ACA-SA算法在收敛速度和最短距离上分别提高了14.43%和9.64%,与传统遗传算法相比在收敛速度和最短距离上分别提高了47.13%和1.13%,从而提高无人机巡检效率。     

一种基于异构随机矢量的波束赋形方法

为克服迭代波束赋形方法在低信噪比下性能差的问题,针对毫米波MIMO系统提出一种基于异构随机矢量的波束赋形方法。通过在发射机和接收机之间来回发送异构随机矢量,所提出方法能在低复杂度下获得信道自相关矩阵的估计。进而基带处理器可通过奇异值分解的经典幂方法来快速获得近似最优的发送波束赋形矢量。而接收机可通过相同的过程获得对应的接收波束赋形矢量。所提出的方法采用高斯随机变量和正负随机变量所构成的异构随机矢量,能在理论上消除加性高斯白噪声的影响从而获得近似最优等效信道增益。仿真结果表明,所提出的方法有渐进最优的信道增益,在低信噪比下显著优于迭代方法。因此在保密通信等高功率波束训练不允许的场景下具有实用意义。     

基于PSO方法的智能天线广播波束赋形设计

研究智能天线性能优化问题,为了快速、准确的对智能天线广播波束设计,提出了一种矩量法和粒子群优化相结合的混合方法.采用基于RWG基函数的矩量法对TD-SCDMA板状振子型智能天线阵进行了全波分析,并使用粒子群优化方法设计了智能天线的波束形状.采用MOM全波分析方法作为优化过程的计算核,既考虑了阵列单元间的相互耦合,又考虑了天线的实际形状,综合出了TD-SCDMA智能天线阵列单元的激励幅度和相位.结果表明,混合方法结合天线单元间互耦能够快速、准确的计算出所需要的理想波束,新方法具有实用性,为波束赋形的工程设计提供了依据.     

基于深度学习的多用户毫米波中继网络混合波束赋形

针对传统多用户毫米波中继系统波束赋形方案计算复杂度高的问题,提出一种基于深度学习（DL）的奇异值分解（SVD）方法来设计混合波束赋形,以优化发送端、中继端和接收端波束赋形器。首先,利用DL方法设计发送端、中继端的波束赋形矩阵最大化可实现的频谱效率;然后,设计中继端、接收端的频带波束赋形矩阵以最大化等效信道增益;最后,在接收端设计最小均方误差（MMSE）滤波器消除用户间干扰。理论分析和仿真结果表明,基于DL的混合波束赋形方法相较于交替最大化（AltMax）与传统SVD方法：在高维信道矩阵和较多的用户情况下,计算复杂度分别降低了12.5%和23.44%;在已知信道状态信息（CSI）的情况下,频谱效率分别提高了2.277%和21.335%,在非完美CSI情况下,频谱效率分别提高了11.452%和43.375%。     

基于赋形多波束的CDMA系统容量分析

分析是基于赋形多波束天线波束增益模型,相对传统的二阶锥形口径增益模型,这一模型能够较好地补偿路径损耗差异,保证了覆盖区域的"等通量"覆盖。本文分别分析了星地通信系统前向链路和反向链路的系统容量,在反向链路容量分析中综合考虑了阴影衰落、功率控制误差等因素的影响,并提出了提高系统容量、改善系统性能应采取的措施方法。本文中的容量分析方法可以进一步推广到低轨通信星座系统,对低轨通信星座系统的规划和设计具有重要意义。     

基于天线分组的高铁大规模多输入多输出自适应波束赋形方案

针对高铁大规模多输入多输出（MIMO）系统的吞吐量未被充分提升的问题,提出一种基于天线分组的自适应波束传输方案。首先利用基站（BS）预知的列车位置信息,并将波束赋形技术引入高速场景,建立高铁大规模MIMO的三维模型;其次验证BS天线分组情况下,子波束的吞吐量与其对应的发射天线数满足非线性关系,且子波束天线数变化并未对其他波束的吞吐量产生影响。基于此,以天线分组的自适应波束赋形方案对列车运行至不同位置的波束数和子波束所需的发射天线数进行调整,保证不同位置的最优系统吞吐量。计算机仿真表明,该方案与传统的单波束、双波束、八波束相比,在列车距基站125 m范围内分别实现了系统吞吐量87.9%、62.3%、50.6%的提升,在125 m之外与单波束赋形的系统吞吐量相近。实验结果表明,所提方案无论列车距BS较近或较远时,系统吞吐量均处于最佳水平,更好地适应高速铁路环境。     

无人机载荷航拍控制系统设计

针对无人机(UAV)遥感航拍过程中相机载荷参数自动化控制与飞行航迹实时跟踪的问题,提出一种能自动完成相机载荷控制与航拍控制的设计方案.首先,系统根据实验要求实时获取所在地理位置信息及环境预判信息,再根据相机控制参数表进行参数编码;然后,通过通信口发送自定义协议指令集给硬件控制电路,完成相机载荷参数设置并进行拍摄,同时航迹规划软件实时记录飞行轨迹地理坐标信息.系统设计使硬件控制平台和软件数据处理相结合,实现软硬协同控制.经无人机飞行验证,与单一参数航拍控制模式相比,该系统能根据不同的拍摄环境和拍摄场景进行相机参数的自动化控制与飞行轨迹实施跟踪.     

低小慢无人机降落野外场景识别方法

针对低小慢无人机野外飞行场景复杂自主降落场景识别问题,提出了一种融合局部金字塔特征和卷积神经网络学习特征的野外场景识别算法。首先,将场景分为4×4和8×8块的小场景,使用方向梯度直方图（HOG）算法提取所有块的场景特征,所有特征首尾连接得到具有空间金字塔特性的特征向量。其次,设计一个针对场景分类的深度卷积神经网络,采用调优训练方法得到卷积神经网络模型,并提取深度网络学习特征。最后,连接两个特征得到最终场景特征,并使用支持向量机（SVM）分类器进行分类。所提算法在Sports-8、Scene-15、Indoor-67以及自建数据集上较传统手工特征方法的识别准确率提高了4个百分点以上。实验结果表明,所提算法能有效提升降落场景识别准确率。     

无人机序列影像快速无缝拼接方法研究

以一种快速无缝的方式对测区影像进行拼接是保障无人机充分发挥机动灵活优势的关键。在无其他控制点的情况下,仅通过利用无人机序列影像和自身记录GPS信息对整个任务区影像进行快速无缝拼接。根据GPS记录的坐标信息对测区影像进行分块。使用GPU-SIFT算法对分块后影像进行匹配与误匹配剔除。提出一种具有较小时间开销的拼接缝消除算法。实验结果表明,该拼接方法在保证一定拼接精度的前提下,大大提高了拼接效率,可为突然自燃灾害等紧急情况下提供应急数据源。     

基于MAVLink协议的无人机系统安全通信方案

MAVLink是一种应用于无人机（UAV）与地面站（GCS）之间的轻量级通信协议,它定义了一组包括UAV状态和GCS控制命令的UAV与GCS交互的双向消息。针对MAVLink协议缺乏足够的安全机制,存在可能导致严重威胁和隐患的安全漏洞的问题,提出了一种基于MAVLink协议的UAV系统安全通信方案。首先,UAV持续交替广播连接请求。然后,GCS向UAV发送公钥,双方利用DH算法进行密钥协商计算出共享密钥,并使用AES算法对MAVLink消息包进行加密通信,完成身份认证;若UAV在规定时间内未收到GCS发送的公钥或对MAVLink消息包解密错误则主动断开连接,更新公钥后重新广播连接请求。另外,针对UAV系统存在被恶意篡改的安全问题,在启动引导时对UAV系统固件进行了自校验。最后,基于形式化验证工具UPPAAL证明了所提方案具有活性、可连接性以及连接唯一性,并对UAV PX4 1.6.0与GCSQgroundControl3.5.0的通信过程进行抓包测试。结果表明,所提的UAV系统安全通信方案能够防止在UAV与GCS通信过程中存在的恶意窃听、篡改消息、中间人攻击等恶意攻击,并且对UAV性能影响较小,较好地解决了MAVLink协议存在的安全漏洞。     

无人机协同控制研究综述

无人机(UAV)协同控制是指一组UAV以机间通信为基础、群体智能为核心,合作分工完成某一共同任务的控制方式.UAV集群是拥有一定自主能力的大量UAV基于局部规则执行各项任务的多智能体系统,与单架UAV相比,UAV集群有着高效率、高灵活性和高可靠性等优点.针对近几年UAV协同控制技术的最新发展动态,首先,从民用和军事两个...     

无人机图像拼接算法综述

无人机图像拼接是一个日益受到关注的研究领域,已经成为了照相绘图学、计算机图形学等研究的热点。首先给出了无人机图像拼接的一般步骤,重点归纳了三种特色鲜明的配准算法,然后简单阐述了图像融合的步骤和算法,最后通过归纳分析选定了适合无人机图像拼接的算法,并且展望了该领域的前景。     

固定翼无人机在线航迹规划方法

在不确定环境下,针对固定翼无人机（UAV）航迹规划问题,提出了一种基于滚动时域控制的模糊粒子群优化算法与改进人工势场法相结合的在线航迹规划方法。首先,对凸多边形障碍物进行最小外接圆拟合;然后,根据静态威胁,将规划问题转化为一系列时域窗口内的在线子问题,利用模糊粒子群算法实时优化求解以实现静态避障;当环境中存在动态威胁时,使用改进人工势场法对航迹进行调整完成动态避障。为了满足固定翼无人机的动态约束,同时提出固定翼UAV的碰撞检测法,可提前判断障碍物是否为真正威胁源,以此减少转弯频率和幅度,降低飞行代价。仿真实验结果表明,所提方法在固定翼UAV航迹规划中能有效提升规划速度、稳定性与实时避障能力,且克服了传统人工势场容易陷入局部最优的缺点。     

基于加速度补偿的无人机吊挂飞行抗摆控制

为了抑制四旋翼无人机(UAV)吊挂飞行中的载荷摆动,研究了一种新的基于加速度补偿的抗摆控制方法.首先,基于拉格朗日法建立了四旋翼UAV吊挂系统的非线性动态特性方程,并构建了能量函数来设计飞行控制系统,使四旋翼UAV跟踪参考轨迹;然后,利用吊挂载荷运动轨迹广义误差设计抗摆控制器,对四旋翼UAV进行加速度补偿以修正UAV的...     

基于MapX的无人机生存力分析系统

生存力是无人机设计和使用中最优先考虑的技术指标之一,针对现代战场仿真对态势实时显示及分析结果直观表现的要求,应用MapX组件技术研制了无人机生存力分析系统。首先,简要介绍了MapX的主要框架和特点,讨论了无人机生存力分析系统的功能、组成,并给出了系统的模块划分和程序流程;然后,详细分析了在VC++环境中结合MapX技术实现战区地图显示、漫游、缩放以及作战想定、生存力数据显示处理的功能;最后,给出了生存力分析仿真算例。仿真实验表明,该系统能真实、直观、动态地表现无人机所处的战场地理环境,便于生存力影响因素的分析。     

基于改进教学算法的无人机航路规划

针对传统教-学优化（TLBO）算法进行航路规划时收敛速度慢、容易陷入局部最优的问题,提出一种自适应交叉教-学优化（AC-TLBO）算法。首先,该算法令传统教-学优化（TLBO）算法的教学因子随着迭代次数而发生变化,提高算法的学习速度;其次,当算法可能要陷入局部最优时,加入一定的扰动,使算法尽可能地跳出局部最优;最后,为了进一步提升算法的收敛效果,在算法中引入遗传算法的交叉环节。利用传统教-学优化（TLBO）算法、自适应交叉教-学优化（AC-TLBO）算法和量子粒子群优化（QPSO）算法进行无人机航路规划,仿真结果表明,在10次规划中,自适应交叉教-学优化（AC-TLBO）算法有8次找到了全局最优路径,而传统教-学优化（TLBO）算法和量子粒子群优化（QPSO）算法分别只找到了2次和1次;而且自适应交叉教-学优化（AC-TLBO）算法的收敛速度高于另外两种算法。