CN109041253B - 无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法及系统，该方法在发送端使用相同的前导序列作为训练序列，信令部分承载接入节点的信令信息；在接收端通过训练序列对各节点在超帧时隙内的随机接入时隙进行同步检测，然后根据检测结果通过迭代处理获得所有可分辨节点的接入信息；该方法实现了无人机集群接入冲突场景下的信号检测，可实现准时间同步入网、高精度同步估计与低信噪比信令传输，提升系统容量，降低丢包率与传输时延。

Description

无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法及系统

技术领域

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法及系统。

背景技术

无人机集群实现自组织网络通信是无人机协同作战的前提，无人机集群必须具有自组网通信能力、信息感知能力和链路抗毁能力。该网络应该满足随时有节点加入和离开，拓扑结构随时变化且空间动态性很强的场景需求。无人机自组网由无人机充当网络节点，每个无人机是一个终端系统同时也是其他无人机节点的路由。Ad Hoc网络中数据传输采用竞争的方式接入无线信道提高信息传输的成功率。按照信道获取方式的不同，可用于无人机自组网的无线网络MAC协议主要有：固定分配MAC协议、随机竞争MAC协议和预约MAC协议。随机竞争MAC协议可以划分为ALOHA协议、CSMA协议和CSMA/CA协议等。

(一)CSMA/CA协议。文献“朱晓浪.远距离载波检测无线网络分布式接入协议设计与建模优化.南京：南京航空航天大学，2014.”基于经典DCF协议框架，设计远距离条件下基于CSMA/CA机制的信道接入协议。文献“徐亚楠.无人机自组网窄波束定向同步协议设计与建模分析.南京：南京航空航天大学,2017.“设计了无人机自组织网络窄波束定向主从同步协议与精同步效率分析方法。然而这些基于CSMA/CA思想的协议并不能完全适应无线通信组网真实拥塞状态的变化，尤其是复杂的战场环境各种外界干扰、节点自扰的存在，局部区域网络拥塞状态不会在短时间内快速好转，而是可能在一定时间范围内持续拥塞，因此竞争当前空闲时隙的接入方式采用退避机制，可能要等待相当长的空闲时间以解决碰撞问题，从而浪费了可用时隙，使得组网效率低下，以CSMA为代表的竞争类接入方法并不适用于存在多种外界电磁干扰及节点密度较高的网络环境。

(二)ALOHA协议。在TDMA机制里，ALOHA协议不受传输延时影响，但是冲突概率较高；时隙ALOHA把易受破坏区间从2个分组传输时间缩小成1个分组的传输时间，从而减少了分组碰撞的概率，使系统最大吞吐率比ALOHA方式增加了1倍；冲突解决分集时隙ALOHA(CRDSA)可降低冲突概率但复杂度相对较高。无线传输CSMA/CA冲突避免方式在信道空闲时退避后再竞争，应用在IEEE 802.11标准分布式协调功能(DCF)，也存在隐终端问题。近距离通信系统中，这类协议在分组包传输所需时间大于传播时延时有较好的信道利用率、稳定性以及低延时特性。时隙ALOHA协议广泛应用于手机移动网、WiFi、船舶自动识别系统(AIS)以及卫星甚高频数据交换系统(VDES)等系统中。DSA机制是时隙ALOHA协议的一种变型。用户每次发送分组时首先将待发送的分组复制k份，将这些分组在不同时隙发送，接收端则同一个用户的分组加以区分。

文献“郭晓,张更新,牛大伟等.基于定时模型的VSAT时隙ALOHA系统性能研究[J].计算机科学,2012,39(11):62-64.”研究了卫星通信中准同步时隙ALOHA方式的定时模型、系统性能及最佳保护时隙。文献“常瑞君.适用于卫星通信系统的多址接入技术研究.北京：北京邮电大学,2017.”中利用DAMA接入方式高吞吐量和RA接入方式低时延的优点，设计结合按需分配CFDAMA和随机接入ALOHA两种接入机制的信道分配方案。文献“蒋东霖.测控网络多用户接入技术研究.西安：西安电子科技大学,2017.”设计了基于冲突解决和业务预测的CFDAMA协议，应用了针对自相似业务的混沌指数预测方法来降低平均时延，并采取了基于冲突解决的随机接入策略来高效地解决冲突问题。

上述文献从协议仿真或者卫星通信接入与分配角度研究随机接入协议。文献“郭淑霞,袁春娟,刘瑞兵等.一种基于动态分组帧时隙ALOHA协议的无人机编队通信方法.第五届中国无人机大会论文集,2014:555-559.”在动态帧时隙算法的基拙上提出了一种动态分组的帧时隙算法。文献“袁春娟,郭淑霞.一种应用于无人机编队通信的防碰撞方法[J].国外电子测量技术2014,33(2):69-73.”设计改进的时隙ALOHA协议，在节点数不多的情况下，将信道分成N个时隙段，每个节点在自己所在的时隙上发送数据。文献“王亚君.无人机编队通信与定位系统的研究.沈阳：沈阳航空航天大学2011.”将固定分配协议和动态分配协议两种协议相结合，设计了一种CD-ALOHA模型TDMA时隙分配方法。最近，专利“倪祖耀,梁煜,吴胜,等.一种基于干扰消除的时隙ALOHA系统发送与接收方法.中国，专利申请号：201710438634.9，2017.”中提供了卫星通信技术领域基于干扰消除的时隙ALOHA系统信号发送与接收方法，在发送过程中每个消息在一帧内随机选择多个时隙重复发送，不同消息随机选择不同训练序列用于接收端同步，在接收端通过相关运算估计各个消息的到达时延；最后，利用接收模型进行干扰消除，从而实现在消息发生碰撞的情况下恢复各用户消息。该文献从物理层与链路层系统帧角度设计了随机接入方法，但是其不同训练序列难以实现，且接入时隙帧设计未考虑与业务时隙综合设计，不够实用。

上述文献都未能根据具体实际工程中可能用到的时频资源划分特点进行动态接入组网设计，而且多是针对卫星通信或航天测控通信研究，无法满足实际应用需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，该方法实现了无人机集群接入冲突场景下的信号检测，可实现准时间同步入网、高精度同步估计与低信噪比信令传输，提升系统容量，降低丢包率与传输时延。

本发明的另一个目的在于提供无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，包括如下步骤：

步骤一、无人机集群空间节点在入网前，接收无人机集群自组网主节点的广播信号，从所述广播信号中获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；

步骤二、对每个接入时隙进行至少1次复制，得到每个接入时隙的至少1个复制包，所述复制包内包含与所述接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，所述复制包内的信令段还包含所述接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，所述复制包内的信令段还包含所述接入时隙的位置信息和其他复制包的位置信息；将每个接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网主节点；

步骤三、无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，对所述接入时隙及接入时隙的复制包进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取各无人机空间节点的接入时隙。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述步骤一中无人机集群空间节点从所述广播信号中获得的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划具体包括：

设某载波频点上的一段时间T_sf内的数据传输段为超帧，所述超帧由N_f个时长为T_f的帧组成，满足：T_sf＝N_f×T_f；

所述每个帧由J个频点上N_s个时长为T_s的时隙组成，满足：T_f＝N_s×T_s；

所述相邻频点之间设有频带保护间隔G_j；

所述相邻时隙之间设有时间保护间隔T_g。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述每个帧时长相等，帧的时长T_f不大于无人机测控周期T_UAV，即满足：T_f≤T_UAV；所述每个时隙的长度相等，满足：J×N_f≥70。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述J个频点不等宽，设其中第j个频点的带宽为F_j，0≤j≤J，则无人机集群测控系统的总带宽B为：

B＝∑_J(F_j+G_j)。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，设每一帧内第j个频点包含的时隙总数为M，M≥1，则无人机集群测控系统的业务容量K满足：

K≤N_s-M。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划还包括设定初始入网载波，所述初始入网载波为所述超帧内的第i个帧内第j＝0频点及其对应的带宽F₀，0≤i≤N_f；将第i个帧内的第1个时隙T_0,i作为初始入网节点随机竞争接入的时隙，将所述超帧内除第j＝0频点外的其他频点的首时隙T_j,i作为组网时随机控制信令时隙。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述接入时隙的时长T_s包含前保护段时长、后保护段时长、前导段时长和信令段时长，具体为：

T_s＝T_g+T_p+T_c；

其中：T_g为前保护段时长与后保护段时长的总和；T_p为前导段时长；T_c为信令段时长；

所述信令段在CRC校验位后采用Turbo或卷积码编码，设前导段长度T_p≥2T_c。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述步骤二中无人机集群空间节点的所有接入时隙进行的复制个数为N_i，满足：1≤N_i≤4。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述步骤三中，无人机集群自组网中的主节点获取各无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取所述空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据所述位置信息消除所述其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与所述消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找所述其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取所述未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述步骤三中无人机集群自组网中的主节点通过迭代处理检测出其中一个无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

(10.1)、在超帧内所有帧的首时隙T_j,i采样接收后存储在“采样存储器1”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行时频同步后，将时频同步后的信号存储在“符号存储器2”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行同步估计后，将同步估计后的时频信息存储在“同步存储器3”，利用前导段内的训练序列S_p对采样接收信号进行相关帧同步，找出相关峰信息，所述相关峰信息包括相关峰位置、相关峰个数、峰值位置、峰值大小；

(10.2)、根据所述相关峰信息进行检测分析，具体为：

(10.2.1)如果在首时隙T_j,i内有N_k个峰值，则认为该时隙信号由不超过N_k个空间入网节点的不同信号叠加；

(10.2.2)如果在首时隙T_j,i内无相关峰或仅有一个相关峰，则该时隙有不超过一个空间节点入网，不进行迭代检测，对其解调与译码后分析信令段信令，若信令指示存在复制包，获得复制包时隙T_j,i′的位置i′值，具体为：

(10.2.2.1)若位置i′处的时隙T_j,i′只有1个峰值，则对其接收解调与译码，不进行迭代检测；

(10.2.2.2)若位置i′处的时隙T_j,i′存在2个或2个以上峰值，则需对时隙T_j,i′迭代检测；

(10.2.3)利用已经解调并CRC校验完成的时隙T_j,i数据，对存在多个相关峰值的时隙进行第1次迭代检测：

对时隙T_j,i数据编码映射后存储在“符号帧存储器4”；

根据复制包位置i′值对从“符号存储器2”、“符号帧存储器4”读出时隙T_j,i符号数据与复制包时隙T_j,i′的符号数据，交叉相关后获得复制包时隙信号幅度、相位信息；

根据复制包位置i′值读取“同步存储器3”的同步估计时频信息，从而得到时频幅相信息；

根据复制包位置i′值读取“符号存储器2”数据后与时频幅相信息同步相关获得采样数据估计值；

读取“采样存储器1”采样数据减去采样数据估计值得到迭代剩余数据，对该数据进入第2次迭代，直至预设的第N_it次迭代终止。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法中，所述迭代次数N_it取值为：1≤N_it≤7。

无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统，包括无人机集群空间节点、接入时隙分集发送模块和无人机集群自组网主节点，其中：

无人机集群空间节点：在入网前接收无人机集群自组网主节点的广播信号，从所述广播信号中获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，发送给接入时隙分集发送模块；所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；

接入时隙分集发送模块：接收无人机集群空间节点发送的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，对所述无人机集群空间节点的每个接入时隙进行至少1次复制，得到接入时隙的至少1个复制包，所述复制包内包含与接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息和其他复制包的位置信息；将每个接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网主节点；

无人机集群自组网主节点：接收接入时隙分集发送模块发送的所述无人机集群空间节点的每个接入时隙及接入时隙的复制包，对所述接入时隙及接入时隙的复制包进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙，获取各无人机空间节点的接入时隙。

在上述无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统中，所述无人机集群自组网主节点获取各无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取所述空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据所述位置信息消除所述其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与所述消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找所述其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取所述未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明提供一种采用FDMA/TDMA体制的无人机集群组网系统中基于迭代检测的分集接入方法，该方法在发送端使用相同的前导序列作为训练序列，信令部分承载接入节点的信令信息；在接收端通过训练序列对各节点在超帧时隙内的随机接入时隙进行同步检测，然后根据检测结果通过迭代处理获得所有可分辨节点的接入信息，从而提升系统容量，降低丢包率与传输时延；

(2)、本发明分集接入方法对所有接入时隙进行至少1次复制，得到每个接入时隙的至少1个复制包，复制包内包含接入时隙和其他复制包的位置信息，在接收端自组网中的主节点根据某空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据位置信息消除该其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与之干扰的其余空间节点的接入时隙，通过迭代处理获取各无人机空间节点的接入时隙，实现了无人机集群接入冲突场景下的信号检测；

(3)、本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，针对FDMA/TDMA进行时频资源规划，在超帧范围内设计随机接入时隙与控制时隙，适用于无人机集群随机接入与突发短报文传输；

(4)、本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，随机接入时隙包含保护间隔、伪随机的统一前导段、信道编码的信令段，可实现准时间同步入网、高精度同步估计与低信噪比信令传输；

(5)、本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，设计了分集时隙ALOHA组网的迭代接收机结构，基于帧同步相关峰检测与复制包时隙迭代检测实现了无人机集群接入冲突场景下的信号检测。

附图说明

图1为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法时频规划示意图；

图2为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法接收端迭代解调框图；

图3为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法随机接入时隙接收信号构成分解图；

图4为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法迭代检测与系统吞吐量关系性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，具体包括如下步骤：

步骤(一)在无人机集群空间节点发送端，节点入网前接收无人机集群自组网主节点前向广播缺省信道的广播信号，无人机集群空间节点获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，根据时频资源规划获得主节点的时间同步信息与超帧内子帧与时隙规划。

无人机集群空间节点从所述广播信号中获得的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划具体包括：

设某载波频点上的一段时间T_sf内的数据传输段为超帧，无人机集群自组网系统的超帧时长为T_sf，超帧由N_f个时长为T_f的帧组成，满足：T_sf＝N_f×T_f，每个帧时长相等，帧时长T_f不大于无人机测控周期T_UAV，满足：

T_f≤T_UAV；

无人机集群自组网系统的帧由J个频点上N_s个时长为T_s的时隙组成，满足T_f＝N_s×T_s，每个时隙长度相等，满足：

J×N_f≥60；

保护间隔：超帧内与帧内的所有J个频点之间频带保护间隔为G_j，J个频点不等宽，设其中第j个频点的带宽为F_j，0≤j≤J，提供不同传输速率，无人机集群测控系统的总带宽B为：

B＝∑_J(F_j+G_j)；

超帧内与帧内的所有相邻时隙之间的保护间隔为T_g；设一帧内第j频点包含的信令时隙总数为M，M≥1，则对于控制信令周期强约束的无人机集群，系统业务容量为：

K≤N_s-M。

随机入网：超帧内的第i个帧内第j＝0频点及其带宽F₀为缺省初始入网载波，对应帧i的首时隙T_0,i为缺省时隙，0≤i≤N_f，T_0,i时隙作为初始入网节点随机竞争接入的时隙；

超帧内所有其他频点的首时隙T_j,i时隙作为组网时随机控制信令时隙，不用于随机接入的入网过程，除随机接入、随机控制时隙与其他信令时隙，剩余时隙为业务时隙，主节点分配给各集群节点。

步骤(二)反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；对所有接入时隙进行至少1次复制，得到每个接入时隙的至少1个复制包，该复制包内包含与接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息和其他复制包(除自身外)的位置信息；将所有接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网中的主节点；

即在自组网随机接入时隙内，无人机集群入网节点使用相同的前导序列作为训练序列，信令部分承载本节点信令信息，其中信令部分包含是否有复制包、复制包在超帧内其他时隙的位置。

其中前导序列、信令部分及其时隙复制包在随机接入时可描述为：

第j个频点、第i个帧的首时隙时长为T_s包含保护间隔时长为T_g、前导段S_p时长为T_p、信令段时长为T_c，具体为：

T_s＝T_g+T_p+T_c；

其中：T_g为前保护段时长与后保护段时长的总和；前导段为独特字，所有首时隙前导段相同，系统接收端已知。

当无人机在T_j,i时隙随机接入，T_j,i时隙的信令段包含T_j,i复制包T_j,i′时隙在超帧中的位置i′值、T_j,i复制包T_j,i′的信令段包含T_j,i时隙在超帧中的位置i值。信令段在CRC校验位后采用Turbo或卷积码编码，本发明实施例中设前导长度T_p≥2T_c保证接收端在用信令段解调时具有较好同步性能、较高接收灵敏度。

无人机随机接入时隙有多个复制包时，复制包个数记为N_i，每个复制包的信令段都包含随机接入时隙和其他复制包在超帧中的位置信息，本发明实施例中满足：1≤N_i≤4。

步骤(三)在无人机集群自组网主节点的接收端，无人机集群自组网主节点接收所有接入时隙及接入时隙的复制包，通过训练序列同步估计对各节点在超帧时隙内的随机接入时隙进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙，获取各无人机空间节点的接入时隙。例如可以根据检测结果通过迭代处理获得各无人机可分辨节点的接入时隙，具体方法为：

无人机集群自组网中的主节点接收每个接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取该空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据该位置信息消除其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取该未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

例如，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙A(其复制包为A’，A”)，获取该空间节点接入时隙的复制包A’，A”的位置信息，根据该位置信息消除复制包A’，A”，得到与消除的接入时隙的复制包A’或A”相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找其余空间节点的接入时隙中消除复制包A’或A”后未被干扰的接入时隙，进一步获取该未被干扰的接入时隙的复制包的位置信息，消除该接入时隙的复制包，依次类推，得到各无人机空间节点的接入时隙。例如A’与另一空间节点的接入时隙B’干扰，A”与接入时隙B”、C’干扰，消除复制包A’、A”后，未被干扰的为接入时隙B’，从B’得到B’的复制包B”的位置信息，消除B”，获得接入时隙C’。

具体地，本发明实施例中无人机集群自组网中的主节点通过迭代处理检测出其中一个无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

(3.1)、在超帧内所有帧的首时隙T_j,i采样接收后存储在“采样存储器1”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行时频同步后，将时频同步后的信号存储在“符号存储器2”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行同步估计后，将同步估计后的时频信息存储在“同步存储器3”，利用前导段内的训练序列S_p对采样接收信号进行相关帧同步，找出相关峰信息，所述相关峰信息包括相关峰位置、相关峰个数、峰值位置、峰值大小；

(3.2)、根据所述相关峰信息进行检测分析，具体为：

(3.2.1)如果在首时隙T_j,i内有N_k个峰值，则认为该时隙信号由不超过N_k个空间入网节点的不同信号叠加；

(3.2.2)如果在首时隙T_j,i内无相关峰或仅有一个相关峰，则该时隙有不超过一个空间节点入网，不进行迭代检测，对其解调与译码后分析信令段信令，若信令指示存在复制包，获得复制包时隙T_j,i′的位置i′值，具体为：

(3.2.2.1)若位置i′处的时隙T_j,i′只有一个峰值，则对其接收解调与译码，不进行迭代检测；

(3.2.2.2)若位置i′处的时隙T_j,i′存在多个峰值，则需对时隙T_j,i′迭代检测；

(3.2.3)利用已经解调并CRC校验完成的时隙T_j,i数据，对存在多个相关峰值的时隙进行第1次迭代检测：

对时隙T_j,i数据编码映射后存储在“符号帧存储器4”；

根据复制包位置i′值对从“符号存储器2”、“符号帧存储器4”读出时隙T_j,i符号数据与复制包时隙T_j,i′的符号数据，交叉相关后获得复制包时隙信号幅度、相位信息；

根据复制包位置i′值读取“同步存储器3”的同步估计时频信息，从而得到时频幅相信息；

根据复制包位置i′值读取“符号存储器2”数据后与时频幅相信息同步相关获得采样数据估计值；

读取“采样存储器1”采样数据减去采样数据估计值得到迭代剩余数据，对该数据进入第2次迭代，直至预设的第N_it次迭代终止。

本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统，具体包括无人机集群空间节点、接入时隙分集发送模块和无人机集群自组网主节点，其中：

无人机集群空间节点：在入网前接收无人机集群自组网主节点的广播信号，从所述广播信号中获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，发送给接入时隙分集发送模块；所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；

接入时隙分集发送模块：接收无人机集群空间节点发送的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，对所述无人机集群空间节点的所有接入时隙进行至少1次复制，得到接入时隙的至少1个复制包，所述复制包内包含与接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息和其他复制包的位置信息；将所有接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网主节点；

无人机集群自组网主节点：接收接入时隙分集发送模块发送的所述无人机集群空间节点的所有接入时隙及接入时隙的复制包，对所述接入时隙及接入时隙的复制包进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙，获取各无人机空间节点的接入时隙。

具体地，本发明实施例中无人机集群自组网主节点获取各无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

无人机集群自组网主节点接收所述所有接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取所述空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据所述位置信息消除所述其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与所述消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找所述其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取所述未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

本发明无人机集群空间节点、接入时隙分集发送模块和无人机集群自组网主节点的具体处理方法见上述对接入方法的描述，在此不再赘述。

实施例1

将本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法进行分析。

如图1所示为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法时频规划示意图，例如可设计超帧含10个帧，频点共6个，超帧长200ms，帧长20ms，频点带宽1MHz，频带保护间隔0.2MHz，帧内含40个0.5ms长时隙，时隙内保护间隔0.1ms，前导段长度为208，信令段长度为192，信令段有效信息128比特，采用QPSK调制、1/3码效率Turbo码，随机接入与控制首时隙共60个，第1个频点对应10个首时隙用于随机入网。

如图2所示为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法接收端迭代解调框图，根据迭代次数选择信道接收信号还是迭代检测信号，包含采样存储器1、符号存储器2、符号存储器3和同步存储器4，同步估计结果得到时频幅相分别用于接收检测，译码后数据根据复制包位置信息进行编码映射与交叉相关获得幅相信息，结合同步估计的时频信息进行同步相关获得采样估计，与采样存储数据相减后进入下一次迭代。

如图3所示为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法随机接入时隙接收信号构成分解图，设在超帧10个入网时隙有8个节点随机入网，在时隙1-时隙10分别为终端U1+U2+U3、终端U3’+U4+U5+U6、终端U1’+U5’、终端U2’、终端U1”+U3”+U8、终端U4’+U5”+U7、终端U6’+U7’、终端U2”+U4”+U8’、终端U 6”、终端U7”+U8”。其中U1’、U1”为U1的复制包，U2’为U2的复制包，U3’、U3”为U3的复制包，U4’、U4”为U4的复制包，U5’、U5”为U5的复制包，U6’、U 6”为U6的复制包，U7’、U7”为U7的复制包。在迭代解调时，第1次迭代解出U2’和U6”、第2次迭代解出U7’、第3次迭代解出U8”、第4次迭代解出U4”、第5次迭代解出U5”、第6次迭代解出U3’和U1，所有8个用户完全解出。一般的，设置迭代次数最大为N_it＝7，在3复制包时系统吞吐性能最好。

如图4所示为本发明无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法迭代检测与系统吞吐量关系性能，结果显示，在不同迭代次数下，系统吞吐性能提升存在平台，在迭代次数为7次-8次时一般达到性能平台，在不同业务负载G＝0.3～1.0范围内，G＝0.6可达到系统最大吞吐量，比传统纯ALOHA算法与时隙ALOHA算法的最大0.18、0.36吞吐量得到大幅提升。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、无人机集群空间节点在入网前，接收无人机集群自组网主节点的广播信号，从所述广播信号中获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；

步骤二、对每个接入时隙进行至少1次复制，得到每个接入时隙的至少1个复制包，所述复制包内包含与所述接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，所述复制包内的信令段还包含所述接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，所述复制包内的信令段还包含所述接入时隙的位置信息和其他复制包的位置信息；将每个接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网主节点；

步骤三、无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，对所述接入时隙及接入时隙的复制包进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取各无人机空间节点的接入时隙；

所述步骤三中无人机集群自组网主节点通过迭代处理检测出其中一个无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

(10.1)、在超帧内所有帧的首时隙T_j,i采样接收后存储在“采样存储器1”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行时频同步后，将时频同步后的信号存储在“符号存储器2”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行同步估计后，将同步估计后的时频信息存储在“同步存储器3”，利用前导段内的训练序列S_p对采样接收信号进行相关帧同步，找出相关峰信息，所述相关峰信息包括相关峰位置、相关峰个数、峰值位置、峰值大小；

(10.2)、根据所述相关峰信息进行检测分析，具体为：

(10.2.1)如果在首时隙T_j,i内有N_k个峰值，则认为该时隙信号由不超过N_k个空间入网节点的不同信号叠加；

(10.2.2)如果在首时隙T_j,i内无相关峰或仅有一个相关峰，则该时隙有不超过一个空间节点入网，不进行迭代检测，对其解调与译码后分析信令段信令，若信令指示存在复制包，获得复制包时隙T_j,i′的位置i′值，具体为：

(10.2.2.1)若位置i′处的时隙T_j,i′只有1个峰值，则对其接收解调与译码，不进行迭代检测；

(10.2.2.2)若位置i′处的时隙T_j,i′存在2个或2个以上峰值，则需对时隙T_j,i′迭代检测；

(10.2.3)利用已经解调并CRC校验完成的时隙T_j,i数据，对存在多个相关峰值的时隙进行第1次迭代检测：

对时隙T_j,i数据编码映射后存储在“符号帧存储器4”；

根据复制包位置i′值对从“符号存储器2”、“符号帧存储器4”读出时隙T_j,i符号数据与复制包时隙T_j,i′的符号数据，交叉相关后获得复制包时隙信号幅度、相位信息；

根据复制包位置i′值读取“同步存储器3”的同步估计时频信息，从而得到时频幅相信息；

根据复制包位置i′值读取“符号存储器2”数据后与时频幅相信息同步相关获得采样数据估计值；

读取“采样存储器1”采样数据减去采样数据估计值得到迭代剩余数据，对该数据进入第2次迭代，直至预设的第N_it次迭代终止。

2.根据权利要求1所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述步骤一中无人机集群空间节点从所述广播信号中获得的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划具体包括：

设某载波频点上的一段时间T_sf内的数据传输段为超帧，所述超帧由N_f个时长为T_f的帧组成，满足：T_sf＝N_f×T_f；

所述每个帧由J个频点上N_s个时长为T_s的时隙组成，满足：T_f＝N_s×T_s；

相邻频点之间设有频带保护间隔G_j；

相邻时隙之间设有时间保护间隔T_g。

3.根据权利要求2所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述每个帧时长相等，帧的时长T_f不大于无人机测控周期T_UAV，即满足：T_f≤T_UAV；所述每个时隙的长度相等，满足：J×N_f≥70。

4.根据权利要求2所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述J个频点不等宽，设其中第j个频点的带宽为F_j，0≤j≤J，则无人机集群测控系统的总带宽B为：

B＝∑_J(F_j+G_j)。

5.根据权利要求2所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：设每一帧内第j个频点包含的时隙总数为M，M≥1，则无人机集群测控系统的业务容量K满足：

K≤N_s-M。

6.根据权利要求2所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划还包括设定初始入网载波，所述初始入网载波为所述超帧内的第i个帧内第j＝0频点及其对应的带宽F₀，0≤i≤N_f；将第i个帧内的第1个时隙T_0,i作为初始入网节点随机竞争接入的时隙，将所述超帧内除第j＝0频点外的其他频点的首时隙T_j,i作为组网时随机控制信令时隙。

7.根据权利要求1～6之一所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述接入时隙的时长T_s包含前保护段时长、后保护段时长、前导段时长和信令段时长，具体为：

T_s＝T_g+T_p+T_c；

其中：T_g为前保护段时长与后保护段时长的总和；T_p为前导段时长；T_c为信令段时长；

所述信令段在CRC校验位后采用Turbo或卷积码编码，设前导段长度T_p≥2T_c。

8.根据权利要求1所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述步骤二中无人机集群空间节点的所有接入时隙进行的复制个数为N_i，满足：1≤N_i≤4。

9.根据权利要求1所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述步骤三中，无人机集群自组网中的主节点获取各无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取所述空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据所述位置信息消除所述其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与所述消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找所述其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取所述未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

10.根据权利要求1所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入方法，其特征在于：所述迭代次数N_it取值为：1≤N_it≤7。

11.无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统，其特征在于：包括无人机集群空间节点、接入时隙分集发送模块和无人机集群自组网主节点，其中：

无人机集群空间节点：在入网前接收无人机集群自组网主节点的广播信号，从所述广播信号中获得反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，发送给接入时隙分集发送模块；所述反向信道FDMA/TDMA时频资源规划的每个接入时隙包含前保护段、前导段、信令段和后保护段；

接入时隙分集发送模块：接收无人机集群空间节点发送的反向信道FDMA/TDMA时频资源规划，对所述无人机集群空间节点的每个接入时隙进行至少1次复制，得到接入时隙的至少1个复制包，所述复制包内包含与接入时隙相同的前保护段、前导段、信令段和后保护段，当复制包为1个时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息，当复制包为2个或2个以上时，所述复制包内的信令段还包含接入时隙的位置信息和其他复制包的位置信息；将每个接入时隙及接入时隙的复制包发送给无人机集群自组网主节点；

无人机集群自组网主节点：接收接入时隙分集发送模块发送的所述无人机集群空间节点的每个接入时隙及接入时隙的复制包，对所述接入时隙及接入时隙的复制包进行同步检测，消除相互干扰的接入时隙，获取各无人机空间节点的接入时隙；

所述无人机集群自组网主节点通过迭代处理检测出其中一个无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

(10.1)、在超帧内所有帧的首时隙T_j,i采样接收后存储在“采样存储器1”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行时频同步后，将时频同步后的信号存储在“符号存储器2”，将未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包进行同步估计后，将同步估计后的时频信息存储在“同步存储器3”，利用前导段内的训练序列S_p对采样接收信号进行相关帧同步，找出相关峰信息，所述相关峰信息包括相关峰位置、相关峰个数、峰值位置、峰值大小；

(10.2)、根据所述相关峰信息进行检测分析，具体为：

(10.2.1)如果在首时隙T_j,i内有N_k个峰值，则认为该时隙信号由不超过N_k个空间入网节点的不同信号叠加；

(10.2.2)如果在首时隙T_j,i内无相关峰或仅有一个相关峰，则该时隙有不超过一个空间节点入网，不进行迭代检测，对其解调与译码后分析信令段信令，若信令指示存在复制包，获得复制包时隙T_j,i′的位置i′值，具体为：

(10.2.2.1)若位置i′处的时隙T_j,i′只有1个峰值，则对其接收解调与译码，不进行迭代检测；

(10.2.2.2)若位置i′处的时隙T_j,i′存在2个或2个以上峰值，则需对时隙T_j,i′迭代检测；

(10.2.3)利用已经解调并CRC校验完成的时隙T_j,i数据，对存在多个相关峰值的时隙进行第1次迭代检测：

对时隙T_j,i数据编码映射后存储在“符号帧存储器4”；

根据复制包位置i′值对从“符号存储器2”、“符号帧存储器4”读出时隙T_j,i符号数据与复制包时隙T_j,i′的符号数据，交叉相关后获得复制包时隙信号幅度、相位信息；

根据复制包位置i′值读取“同步存储器3”的同步估计时频信息，从而得到时频幅相信息；

根据复制包位置i′值读取“符号存储器2”数据后与时频幅相信息同步相关获得采样数据估计值；

读取“采样存储器1”采样数据减去采样数据估计值得到迭代剩余数据，对该数据进入第2次迭代，直至预设的第N_it次迭代终止。

12.根据权利要求11所述的无人机集群测控中基于迭代检测的分集接入系统，其特征在于：所述无人机集群自组网主节点获取各无人机空间节点的接入时隙的具体方法如下：

无人机集群自组网主节点接收所述每个接入时隙及接入时隙的复制包，根据其中一个空间节点未被干扰的接入时隙或接入时隙的复制包，获取所述空间节点其余接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，根据所述位置信息消除所述其余接入时隙的复制包或接入时隙，得到与所述消除的接入时隙的复制包或接入时隙相互干扰的其余空间节点的接入时隙，寻找所述其余空间节点的接入时隙中未被干扰的接入时隙，进一步获取所述未被干扰的接入时隙的复制包或接入时隙的位置信息，依次类推，通过迭代处理检测出各无人机空间节点的接入时隙。

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