CN104954095A - 一种无人机组网通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无人机组网通信的方法。本发明旨在进一步提高异步条件下无人机组网通信的性能，本发明提供了一种无人机组网通信的方法。本发明包括多址接入阶段的卷积信道编码和调制，中继节点处的信号叠加，叠加信号在BP算法基础上的联合信道译码网络编码以及接收广播信号并还原对方信息。本发明不仅保持了通信系统的鲁棒性，还获得信道上的编码增益，相比于维特比译码方式，至少获得2.4dB的编码增益；改善了系统的误码率性能，与非信道编码的物理层网络编码方式相比，在误码率为10^-5时，性能提高大约2dB；提高了无人机组网通信系统的可靠性，具有较大的推广应用前景。

Description

一种无人机组网通信的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无人机组网通信的方法。

背景技术

在同步条件下将物理层网络编码应用在双向中继系统传输模型中，可以使网络吞吐量比直接网络编码传输模式和传统信息传输模式分别提高50%和100%，信息传输速率也分别提高50%和100%，这些都显现出物理层网络编码的优越性。但是无人机作为中继平台在实际工作环境中，由于各种异步因素的影响（例如，信道的距离不同、类型不同，以及设置在不同节点之间的振荡器、晶振等设备影响），难以做到两个源节点的完全同步，使得中继节点接收到的两个源节点的信号之间存在载波相位偏移、载波频率偏移以及符号偏移，导致物理层网络编码的性能受到损失。

将现有技术中常见的BPSK（Binary Phase Shift Keying二进制移相键控，简称BPSK）调制和QPSK（Quadrature Phase Shift Keying正交相移键控，简称QPSK）调制直接与物理层网络编码结合，会造成物理层网络编码较高的误码率。对于BPSK调制，由于载波相位偏移和符号偏移，导致物理层网络编码的误码率在最坏情况下会下降3dB；对于QPSK调制，在载波相位偏移为π/4的情况下，物理层网络编码的误码率在最坏情况下会下降6dB。

为改善载波相位偏移以及符号偏移对通信系统造成的性能衰减，针对异步条件下的物理层网络编码提出了BP算法，从多样性传播以及确定性传播两个方面分析各种异步因素对通信系统的影响，却忽略了不同调制方式对通信系统的影响。对于双向中继系统传输模型中在中继节点处叠加后的信号，经BP算法处理可以改善其因各种异步因素导致的物理层网络编码的性能衰减，但是与理想条件下的物理层网络编码性能相比仍存在一定的差距。

卷积码是较为常见的纠错编码之一。物理层网络编码与卷积码的有效结合可充分利用信道编码的纠错特性，使信号的传输更加可靠。然而，若将物理层网络编码与卷积码联合设计，需要在中继节点处探索一种可靠的译码方式，使得系统性能进一步得到提升。

发明内容

本发明旨在进一步提高异步条件下无人机组网通信的性能，本发明提供了一种无人机组网通信的方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种无人机组网通信的方法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤一：源节点A和源节点B在第一个时隙分别生成信号S ^A 和信号S ^B ，信号S ^A 和信号S ^B 分别经卷积信道编码后得到信号D ^A 和信号D ^B ，信号D ^A 和信号D ^B 分别经OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用，简称OFDM）调制得到信号X ^A 和信号X ^B ，将信号X ^A 和信号X ^B 发射出去；

步骤二：信号X ^A 和信号X ^B 经信道传播至中继节点并叠加，得到信号Y ^R ；

步骤三：信号Y ^R 依次经BP算法（Belief Propagation置信传播算法，简称BP算法，又称基于迭代思想的和积译码算法）译码和网络编码，得到信号U ^R ，将信号U ^R 在第二个时隙发射出去；

步骤四：源节点A和源节点B分别接收信号U ^R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的信号S ^A 和信号S ^B 还原信号U ^R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。

具体的，步骤一中源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同，步骤一卷积信道编码中卷积码采用咬尾卷积码。

具体的，提高无人机组网通信的方法用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。

本发明的有益效果：本发明的通信方法在双向中继系统传输模型的第一个时隙（即多址接入阶段）采用了卷积信道编码技术处理原始信号并且调制后发送至中继节点，中继节点在BP算法的基础上，使用信道译码网络编码的方式对叠加信号进行物理层网络编码映射。本发明不仅保持了通信系统的鲁棒性，还获得信道上的编码增益，相比于维特比译码方式，至少获得2.4dB的编码增益；改善了系统的误码率性能，与非信道编码的物理层网络编码方式相比，在误码率为10^-5时，性能提高大约2dB；提高了无人机组网通信系统的可靠性，具有较大的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的通信模型示意图。

图2为中继节点处的信道译码网络编码框架图。

图3为不同卷积编码率下误码率随信噪比的变化曲线。

图4为载波相位偏移下误码率随信噪比的变化曲线。

图5为符号偏移下误码率随信噪比的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，实施例的通信模型用以说明卷积信道编码与物理层网络编码联合设计的原理，推导联合信道译码与网络编码的映射关系，研究不同编码方式下各种因素对通信系统误码率的影响规律（见图3~图5）。实施例的通信方法的具体步骤如下：

步骤一：源节点A和源节点B分别生成二进制序列S ^A 和S ^B ，二进制序列S ^A 和S ^B 分别经咬尾卷积信道编码得到信号D ^A 和信号D ^B ，信号D ^A 和信号D ^B 分别经OFDM调制得到信号X ^A 和信号X ^B ，将信号X ^A 和信号X ^B 发射出去。

步骤二：信号X ^A 和信号X ^B 经信道传播至中继节点并叠加，得到信号Y ^R 。

步骤三：参照图2，信号Y ^R 依次经BP算法译码和网络编码后得到信号U ^R ，将信号U ^R 在第二个时隙（即双向中继系统传输模型的广播阶段）发射出去。图2一共分为三层，从底部到顶部依次是样本层、BP算法层以及网络编码层。由于多址接入阶段对信号进行了卷积信道编码，需要对中继节点处叠加得到的信号Y ^R 进行卷积码译码。首先，使用双倍采样技术获取证据节点Y ^R ；其次，使用标准的BP和积准则消除信号Y ^R 中载波相位偏移和符号偏移对通信系统的影响；再次，对信号Y ^R 进行网络编码，得到信号U ^R 。中继节点对接收的信号Y ^R 经过一系列处理最终在物理层得到两个源信号（信号S ^A 和信号S ^B ）的网络编码信息U ^R 。

步骤四：源节点A和源节点B分别接收信号U ^R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的信号S ^A 和信号S ^B 通过异或操作还原信号U ^R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。源节点A和源节点B的信息交换方式相同，以源节点A获取源节点B的信息为例，源节点A接收信号U ^R ，源节点A利用其缓存中的信号S ^A 还原信号U ^R 并获得源节点B发送的信息。

本实施例的通信方法适用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。

本实施例中，步骤一源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同。卷积码分为零截尾卷积码和咬尾卷积码，其中零截尾卷积码的编码结果是在移位寄存器的初始状态都为0的条件下得到的；咬尾卷积码是把编码前数据的后K-1个数据作为编码器移位寄存器的初始输入，咬尾卷积码编码器移位寄存器的初始状态和结束状态值都一样，本实施例采用咬尾卷积码。本实施例中，二进制序列S ^A 和S ^B 均为两个源节点向中继节点随机发送200000个0、1代码；信道均为加性高斯白噪声信道，即噪声方差为                                                ，双边功率谱密度为的信道。

经仿真实验，同步条件在不同卷积编码率R下，误码率BER随信噪比SNR的变化曲线如图3所示。图3中，横坐标表示信噪比SNR，其范围为[0,8]dB；纵坐标表示误码率BER，其范围为[10^-6,10⁰]。图3中的两条曲线分别表示卷积编码率R为1/2和1/3条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。通过比较可以得知，随着卷积编码率R的降低，通信系统的误码率BER逐渐降低，即较低的卷积编码率R能提高编码增益。但是随着卷积编码率R的降低，通信信息的传输速率会逐渐降低，因此需要根据无人机的实际通信需求选取合适的卷积编码率R。

经仿真实验，当到达中继节点的两个源信号间存在载波相位偏移时，可以得到图4所示的载波相位偏移下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。图4中，以节点形状区分，正方形曲线表示未经信道编码的误码率BER随信噪比SNR的变化规律，五角星曲线表示经卷积信道编码处理的误码率BER随信噪比SNR的变化规律；以线型区分，虚线表示同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律，实线表示载波相位偏移=p/4条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。具体的，图4中正方形实线表示未经信道编码并在载波相位偏移=p/4条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图4中正方形虚线表示未经信道编码并在同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图4中五角星实线表示经卷积信道编码处理并在载波相位偏移=p/4条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图4中五角星虚线表示经卷积信道编码处理并在同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。由图4可知，（1）在同种编码方式下，分别比较同步条件下和载波相位偏移=p/4条件下误码率BER随信噪比SNR的变化曲线（正方形曲线中，正方形实线高于正方形虚线；五角星曲线中，五角星实线高于五角星虚线）可知，载波相位偏移增加了通信系统的误码率BER，导致了通信系统性能的衰减；（2）比较两条实曲线可以得知，在载波相位偏移=p/4条件下，非信道编码方式下通信系统的性能衰减比较严重，而卷积信道编码方式可以减小由载波相位偏移引起的性能损失；（3）比较五角星实曲线和正方形虚曲线可以得知，当信噪比大于5dB时，卷积信道编码方式在载波相位偏移=p/4条件下的误码率低于非信道编码方式在同步条件下的误码率BER，同样也可以表明卷积信道编码在载波相位偏移下进一步提高了编码增益。

经仿真实验，当到达中继节点的两个源信号间存在符号偏移时，可以得到图5所示的符号偏移下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。图5中，以节点形状区分，正方形曲线表示未经信道编码的误码率BER随信噪比SNR的变化规律，五角星曲线表示经卷积信道编码处理的误码率BER随信噪比SNR的变化规律；以线型区分，虚线表示同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律，实线表示符号偏移D=0.5条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。具体的，图5中正方形实线表示未经信道编码并在符号偏移D=0.5条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图5中正方形虚线表示未经信道编码并在同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图5中五角星实线表示经卷积信道编码处理并在符号偏移D=0.5条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律；图5中五角星虚线表示经卷积信道编码处理并在同步条件下误码率BER随信噪比SNR的变化规律。由图5可知，（1）在同种编码方式下，分别比较同步条件下和符号偏移D=0.5条件下误码率随信噪比的变化曲线（正方形曲线中，正方形实线高于正方形虚线；五角星曲线中，五角星实线高于五角星虚线）可知，符号偏移增加了通信系统的误码率BER，然而在两种编码方式下，误码率BER的增加并不是很大，在通信允许的范围内，可以认为符号偏移对通信系统没有影响；（2）比较两条实曲线可以得知，在符号偏移D=0.5条件下，卷积信道编码方式下通信系统的误码率BER低于非信道编码方式下通信系统的误码率BER，表明卷积信道编码可以提高通信系统对符号偏移的鲁棒性；（3）比较五角星实曲线和正方形虚曲线可以得知，卷积信道编码方式在符号偏移D=0.5时的误码率低于非信道编码方式在同步条件下的误码率，表明卷积信道编码在符号偏移条件下可以进一步提高编码增益。

本实施例在双向中继系统传输模型的多址接入阶段（即第一个时隙）对源信号S ^A 和源信号S ^B 进行卷积信道编码，经仿真实验证明多址接入阶段的卷积信道编码能够提高通信系统对各种异步因素（如载波相位偏移和符号偏移）的鲁棒性，提高编码增益。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人机组网通信的方法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤一：源节点A和源节点B在第一个时隙分别生成信号S ^A 和信号S ^B ，信号S ^A 和信号S ^B 分别经卷积信道编码后得到信号D ^A 和信号D ^B ，信号D ^A 和信号D ^B 分别经OFDM调制得到信号X ^A 和信号X ^B ，将信号X ^A 和信号X ^B 发射出去；

步骤二：所述信号X ^A 和信号X ^B 经信道传播至中继节点并叠加，得到信号Y ^R ；

步骤三：所述信号Y ^R 依次经BP算法译码和网络编码，得到信号U ^R ，将信号U ^R 在第二个时隙发射出去；

步骤四：源节点A和源节点B分别接收信号U ^R ，源节点A和源节点B分别利用各自缓存中的信号S ^A 和信号S ^B 还原信号U ^R 以获得对方节点发送的信息，完成一次信息交换。

2.根据权利要求1所述的一种无人机组网通信的方法，其特征在于步骤一中源节点A和源节点B均工作在半双工模式，源节点A和源节点B的信号发射功率相同，所述卷积信道编码中卷积码采用咬尾卷积码。

3.根据权利要求1或2所述的一种无人机组网通信的方法，其特征在于所述通信方法用于由无人机组网通信系统提取出来的双向中继系统传输模型。