CN109547973A - 一种飞行器协同信息网络多址接入方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器协同信息网络多址接入方法，包括时频空域联合的信号传输体制、传输目标空域确定方法以及特定接入流程；时频空域联合的信号传输体制确定了适应节点间高动态环境的传输帧结构，并通过离散脉冲的方式实现了传输帧的时频空域联合传输。传输目标空域确定方法在特定传输过程中，发送节点用以确定接收节点所处的天线覆盖区，进而支撑发送节点确定传输该特定信息时天线使用方案。节点接入流程用以确定协同信息网络建立、运行过程中，特定节点信息传输、网络维护等过程中接入流程。该多址接入方法可以满足空中/空间高速运动的台间协同工作节点数不断增多、任务模式日趋复杂的协同信息网络建立需求，有效降低多节点同时接入时延。

Description

一种飞行器协同信息网络多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器协同信息网络多址接入方法，属于无线自组织网络技术领域，特别是一种外空、空中高速运动物体间无线自组织网络多址接入方法。

背景技术

多址接入技术是构建无线自组织网络的关键技术，用来解决无线自组织网络中各节点高效、协调利用传输资源的问题。实现传输信息来源标示的、传输资源冲突规避功能。

传统接入方式大致可分为频分、时分、码分等接入方式，频分多址接入方式较为固定，灵活配置实现难度较大，进而资源利用率较低；时分多址接入方式存在固定时延、时间同步难度较大等问题；码分多址接入方式在传输距离差距较大的多节点应用环境中存在远近效应等问题。此外，上述不同多址接入方式各种组合方案也未能有效规避上述各项问题。

西安电子科技大学硕士学位论文《TNNT数据链的多址接入协议研究》公开了美国的TTNT数据链路的多址接入的协议，该网络调制方式采用的是OFDM、跳频、跳时，双工方式为全双工，网络拓扑结构采用了Ad-hoc技术方案。实现了时频域混合的多址接入能力，实现了传输信息低时延传输效果。但该方法主要存在以下问题：

(1)该接入方法未提出与天线相关的空域资源使用方案，仅为时域、频域相结合的多用户接入方式，系统使用多天线进行不同空域覆盖时，未对不同用户进行空域资源分配，导致传输信息时，均需要在不同天线中依次传输或广播传输，浪费了信息传输资源，延长了特定信息传输时延。

(2)该方法未涉及传输目标空域预测功能，多平台的不同天线同时工作时，信号传输碰撞几率增加，限制了系统容量。

(3)通过时频域复合的图案实现不同用户接入流程尚未明确，信息传输时信息处理方法未提及。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种飞行器协同信息网络多址接入方法。该多址接入方法可以综合利用时域、频域、空域通信资源，用于解决高速运动的多节点间高效、可靠、隐蔽的信息传输问题。

本发明的技术方案是：一种飞行器协同信息网络多址接入方法，步骤如下：

1)依据传输帧时延要求、平台转动角速度与天线半波束角度，同时确保传输效率最大，确定传输帧长度；

2)依据传输链路计算情况计算得到空口传输速率，进而得到传输信号带宽；

3)依据可用带宽、传输信号间最小间隔与步骤2)中获得的传输信道带宽确定跳频点数；

4)依据步骤1中获得的传输帧长度比上步骤3)中获得的跳频点数，再比上频点使用效率，得到脉冲传输信息数量、传输帧含脉冲数量，将传输帧中信息平均分到所使用的各个脉冲中，得到脉冲传输信息；

5)将步骤4中获得的脉冲传输信息前后补充等长相同的训练序列形成系统传输脉冲，脉冲长度为脉冲传输信息长度与前后两段训练序列长度之和，脉冲传输效率为脉冲传输信息长度与脉冲长度的比值；

6)依据系统有效信息传输速率、信道编码效率、脉冲长度以及脉冲传输信息，确定系统脉冲传输占空比；

7)依据脉冲传输速率、脉冲长度、脉冲传输占空比获得系统跳频速率；

8)依据步骤7中获得的跳频速率、步骤3中获得的跳频点数组成系统频率资源；

9)频率持续时间为单脉冲传输完成时刻到下一个脉冲开始时刻间的时间间隔，依据步骤7.2中获得的频率平均持续时间与频率持续时间档位确定频率持续时间集合，作为系统时间资源；

10)以伪随机的方式在步骤8)中获得的频率资源与步骤9)中获取各节点寻址传输模式的时频图案；

11)依据信息传输需求选取步骤10中获取的对应的时频图案，依据传输信宿位置、信源位置以及信源天线布局情况计算得到信息传输天线；

12)利用步骤11)获得的信息传输天线按照步骤10)确定的时频图案进行传输帧发送。

所述步骤1)确定传输帧长度的具体过程为：所述传输帧中包括帧头、有效数据以及校验，有效数据长度与传输帧长度的比值定义为有效传输效率，传输帧长度满足以下条件：

1.1传输帧长度与有效传输速率的比值不大于系统传输业务数据时延；

1.2两倍的天线半波束角度与平台转动角速度的比值不大于系统传输帧时延。

所述步骤4)中使用效率为0.6～0.8。

所述步骤5)中训练序列位数为8的整数倍。

所述步骤6)中确定系统脉冲传输占空比的具体过程为：

6.1传输帧速率为有效传输速率与步骤1.2获得的传输效率的比值；

6.2脉冲传输速率为步骤6.1中获得的传输帧速率比上编码效率，再比上脉冲传输效率；

6.3脉冲传输占空比为步骤6.2中获得脉冲传输速率与步骤2)中空口传输速率的比值。

所述步骤7)的具体过程为：

7.1计算获得单脉冲传输时间，具体为步骤6.2中获得的脉冲传输速率与通过步骤5中获得的脉冲长度的比值；

7.2计算获得频率平均持续时间，具体为7.1中获得的脉冲传输时间与通过6.3中获得的脉冲传输占空比的比值，再与通过7.1中获得的脉冲传输时间做差，得到频率平均持续时间；

7.3系统跳频速率为步骤7.2中获得的频率平均持续时间的倒数。

所述步骤9)中频率持续时间档位为5或10档。

所述步骤9)中确定系统时间资源的原则为：

9.1频率持续时间集合中相邻档位频率持续时间的间隔一致；

9.2各档位频率持续时间的均值等于频率平均持续时间。

所述步骤10)的具体过程为：

10.1以伪随机的方式在步骤8)中获得的频率资源中选取与步骤4)中获取的传输帧含脉冲数量一致的频率点，将获取的频率点与传输帧所分成的各个脉冲一一对应，作为脉冲传输的时频图案频率维；

10.2以伪随机的方式在步骤9)中获得的时间资源中选取与步骤4)中获取的传输帧含脉冲数量一致的频率持续时间，将获取的频率持续时间与传输帧所分成的各个脉冲一一对应，作为脉冲传输的时频图案时间维；

10.3将10.1中获得的频率维、10.2中获得的时间维一一对应，形成传输帧的时频图案。

所述步骤11)计算得到信息传输天线的具体过程为：

11.1通过信源、信宿的位置参数确定信息传输方向；

11.2通过信源多天线朝向与步骤11.1中获得的信息传输方向计算等到其间夹角；

11.3通过传输帧长度与有效传输速率获得信息传输时间，通过信源姿态变化速率、天线朝向与步骤11.1中获得的信息传输方向计算得到信息传输完成后信息传输方向与多天线波束间的夹角；

11.4比较步骤11.2、11.3中获得的角度，选取其中最小的角度所对应的天线作为信息传输天线。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用了时频空域复合的多址接入方法，构建了高速运动的多平台间无线自组织网络，实现了高传输资源利用率、低时延信息传输能力。

(2)本发明采用了基于目标预测的天线选择工作方法，简化了安装有多天线飞行器信息广播过程，在高效使用空域传输资源的同时提升了信号定向传输的能力，有效减小信号碰撞的可能，支撑飞行器协同信息网络扩容；

(3)本发明采用了一种离散化的信息传输处理流程，将传统信息传输帧离散化形成脉冲串，实现了脉冲的发送时机、工作频率伪随机处理，同时各传输帧进行定向传输，确保了信息按需、可靠、高效传输。

附图说明

图1是本发明一种飞行器协同信息网络多址接入方法处理流程图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出了一种飞行器协同信息网络多址接入方法。该接入方法将传统信息传输帧离散化，通过不同频点、不同时刻定向传输的方式实现飞行器协同信息网络内各节点协同工作，通过时频空域技术相结合的方式实现多用户高效、可靠、隐蔽的接入。

如图1所示，本发明提出的一种飞行器协同信息网络多址接入方法处理流程，具体处理步骤如下：

1)系统传输帧结构如图1中所示，传输帧长度需满足如下条件：

其中，λ为编帧效率λ＝S/L，S为所需传输信息长度，L为编帧后帧长，ω为平台转动角速度，θ为平台使用的天线半波束角度，t为单帧信息传输时间t＝L/V_b，T_i为不同类别系统传输帧时延，V_b为有效传输速率。

2)通过链路计算、硬件限制条件确定空口传输速率V_c，具体方法详见链路计算相关标准，依据空口传输速率V_c确定传输信号带宽B；

3)跳频点数n_FH≤B₀/B，n_FH为整数，其中B₀为可用带宽，系统跳频点数确定时需要考虑每个跳频频带间留有传输信号间最小间隔，以确保传输频带混叠的出现。

4)传输帧分为n′_FH＝η₁·n_FH个脉冲完成信息传输，其中频点使用效率η₁＝0.6～0.8，每个脉冲传输信息长度为L′＝L/n′_FH，L′为8的整倍数。

5)在脉冲传输信息前后增加等长相同的训练序列，单侧训练序列的长度L″满足如下条件：L″取满足条件的最大的8整倍数，其中V₀为平台运动速率，f_c为协同信息网络中节点工作最大频率。脉冲长度为L′+2·L″，脉冲传输效率η₂＝L′/(L′+2L″)。

6)系统传输帧速率V_b′＝V_b/λ，经编码后，脉冲传输速率V_b″＝V_b′/r·η₂，其中r为信道编码效率，脉冲传输占空比

7)单个脉冲传输时间频率持续时间t″为单脉冲传输完成时刻到下一个脉冲开始时刻间的时间间隔，平均频率持续时间系统跳频速率为

8)系统频率资源组成如下：工作频点f平均分可用带宽B₀，每个频点工作带宽为B，跳频速率为V_FH。

9)系统时间资源组成如下：频率持续时间t″＝{t₁″,t₂″,...,t_n″}中选择，其中n通常为5或10，频率持续时间间差值Δt_i″＝t_i+1″-t_i″,i＝1,2,...,(n-1)，满足Δt_i″＝Δt_i+1″,i＝1,2,...,(n-1)且

10)时频图案是指传输帧中各个脉冲所使用的频率、频率持续时间的组合，在步骤8中获得的工作频点以伪随机的方式抽取n_FH个频率，在步骤9中获得的频率持续时间中t″＝{t₁″,t₂″,...,t_n″}以伪随机的方式抽取n_FH个频率持续时间，且频率与频率持续时间一一对应，将上述n_FH个一一对应的频率、频率持续时间对应于n_FH个传输脉冲，作为传输帧的时频图案。

11)依据传输信息所需要的传输类型选取目标所对应的时频图案作为信息传输时脉冲串传输使用的时间、频率等参数，并依据如下过程进行空域选择即传输天线确定：

通过发送端、接收端位置以及发送端姿态变化情况得到信息开始传输时信息传输方向与发送端各天线中心波束夹角{σ₁,σ₂,…,σ_m}以及发送完成时信息传输方向与发送端各天线中心波束夹角{σ_m+1,σ_m+2,…,σ_2m}，发送天线选择原则如下：

当天线i满足上述条件时，选择天线i进行信息传输。

12)利用步骤11中确定天线i以步骤10中确定的时频图案发送步骤5中生成的脉冲串，实现传输帧发送。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于步骤如下：

1)依据传输帧时延要求、平台转动角速度与天线半波束角度，同时确保传输效率最大，确定传输帧长度；

2)依据传输链路计算情况计算得到空口传输速率，进而得到传输信号带宽；

3)依据可用带宽、传输信号间最小间隔与步骤2)中获得的传输信道带宽确定跳频点数；

4)依据步骤1中获得的传输帧长度比上步骤3)中获得的跳频点数，再比上频点使用效率，得到脉冲传输信息数量、传输帧含脉冲数量，将传输帧中信息平均分到所使用的各个脉冲中，得到脉冲传输信息；

5)将步骤4中获得的脉冲传输信息前后补充等长相同的训练序列形成系统传输脉冲，脉冲长度为脉冲传输信息长度与前后两段训练序列长度之和，脉冲传输效率为脉冲传输信息长度与脉冲长度的比值；

6)依据系统有效信息传输速率、信道编码效率、脉冲长度以及脉冲传输信息，确定系统脉冲传输占空比；

7)依据脉冲传输速率、脉冲长度、脉冲传输占空比获得系统跳频速率；

8)依据步骤7中获得的跳频速率、步骤3中获得的跳频点数组成系统频率资源；

9)频率持续时间为单脉冲传输完成时刻到下一个脉冲开始时刻间的时间间隔，依据步骤7.2中获得的频率平均持续时间与频率持续时间档位确定频率持续时间集合，作为系统时间资源；

10)以伪随机的方式在步骤8)中获得的频率资源与步骤9)中获取各节点寻址传输模式的时频图案；

11)依据信息传输需求选取步骤10中获取的对应的时频图案，依据传输信宿位置、信源位置以及信源天线布局情况计算得到信息传输天线；

12)利用步骤11)获得的信息传输天线按照步骤10)确定的时频图案进行传输帧发送。

2.根据权利要求1所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤1)确定传输帧长度的具体过程为：所述传输帧中包括帧头、有效数据以及校验，有效数据长度与传输帧长度的比值定义为有效传输效率，传输帧长度满足以下条件：

1.1传输帧长度与有效传输速率的比值不大于系统传输业务数据时延；

1.2两倍的天线半波束角度与平台转动角速度的比值不大于系统传输帧时延。

3.根据权利要求1所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤4)中使用效率为0.6～0.8。

4.根据权利要求1所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤5)中训练序列位数为8的整数倍。

5.根据权利要求2所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤6)中确定系统脉冲传输占空比的具体过程为：

6.1传输帧速率为有效传输速率与步骤1.2获得的传输效率的比值；

6.2脉冲传输速率为步骤6.1中获得的传输帧速率比上编码效率，再比上脉冲传输效率；

6.3脉冲传输占空比为步骤6.2中获得脉冲传输速率与步骤2)中空口传输速率的比值。

6.根据权利要求5所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤7)的具体过程为：

7.1计算获得单脉冲传输时间，具体为步骤6.2中获得的脉冲传输速率与通过步骤5中获得的脉冲长度的比值；

7.2计算获得频率平均持续时间，具体为7.1中获得的脉冲传输时间与通过6.3中获得的脉冲传输占空比的比值，再与通过7.1中获得的脉冲传输时间做差，得到频率平均持续时间；

7.3系统跳频速率为步骤7.2中获得的频率平均持续时间的倒数。

7.根据权利要求1所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤9)中频率持续时间档位为5或10档。

8.根据权利要求7所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤9)中确定系统时间资源的原则为：

9.1频率持续时间集合中相邻档位频率持续时间的间隔一致；

9.2各档位频率持续时间的均值等于频率平均持续时间。

9.根据权利要求8所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤10)的具体过程为：

10.1以伪随机的方式在步骤8)中获得的频率资源中选取与步骤4)中获取的传输帧含脉冲数量一致的频率点，将获取的频率点与传输帧所分成的各个脉冲一一对应，作为脉冲传输的时频图案频率维；

10.2以伪随机的方式在步骤9)中获得的时间资源中选取与步骤4)中获取的传输帧含脉冲数量一致的频率持续时间，将获取的频率持续时间与传输帧所分成的各个脉冲一一对应，作为脉冲传输的时频图案时间维；

10.3将10.1中获得的频率维、10.2中获得的时间维一一对应，形成传输帧的时频图案。

10.根据权利要求9所述的一种飞行器协同信息网络多址接入方法，其特征在于：所述步骤11)计算得到信息传输天线的具体过程为：

11.1通过信源、信宿的位置参数确定信息传输方向；

11.2通过信源多天线朝向与步骤11.1中获得的信息传输方向计算等到其间夹角；

11.3通过传输帧长度与有效传输速率获得信息传输时间，通过信源姿态变化速率、天线朝向与步骤11.1中获得的信息传输方向计算得到信息传输完成后信息传输方向与多天线波束间的夹角；

11.4比较步骤11.2、11.3中获得的角度，选取其中最小的角度所对应的天线作为信息传输天线。