CN112187441B - 一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法 - Google Patents

一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，具体方法为：发射源端采用无信号间干扰的相关延迟‑差分混沌移位调制技术对将发送的信号进行调制；发射源端采用一种正交混沌信号发生器，生成两路正交的混沌序列，其以不同的频率发送以形成两个信道；与源端混沌系统同步，每个无人机节点均与发端交互以选择干扰最小的信道，并对所有无人机接收信息进行最大比合并归一化处理，接收端以接收信号为驱动，采用无信号间干扰的CD‑DCSK系统解调，将目标信号恢复出来，以实现较高保密容量的信息传输。本发明解决了传统通信方案的通信距离受限、保密容量低、制造成本高和网络复杂度高等问题。

Description

一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法
技术领域
本发明涉及混沌调制技术和无人机通信技术领域，具体的说是一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法。
背景技术
作为扩大网络覆盖范围的重要技术，协作通信因能提高能量和频谱的使用效率而受到广泛研究。但随着人们的需求不断增加，传统的固定协作通信技术已无法满足未来大规模移动通信场景的覆盖需求。无人机具有较强的机动性和灵活的移动性能够解决上述问题，且移动场景的迫切需求和中继设备的微型化趋势，促使无人机搭载中继的协作通信应用场景具有巨大的潜能。
无人机协同通信是利用无人机作为空中接入点或中继来增加网络覆盖，提高链路性能。无人机通信具有很多优势，例如其方便的部署和更低的成本使得低空无人机系统比地面通信系统和高空平台更加灵活，此外，低空无人机通信可以减少建筑物、山脉等障碍物的遮挡，可获得更高的直达径传输效果。经典的无人机结构包括飞行管理系统，推进系统，能量存储模块，网络通信模块，特殊功能模块和自主控制模块等。而按照用途分类，可以分为军用无人机和民用无人机。按照技术特征来分类，可以分为固定翼无人机，螺旋翼无人机。目前，无人机作已广泛应用于商业和民用领域，包括交通控制，区域监视，空中检查和搜救等。
但在无线通信系统的实际信息传输中，天线空间资源对信道保密性能的影响较大。当通信系统中的窃听用户距离合法接受者足够近，或者位于合法接收机信号的无线电波路径上时，就会出现主信道与窃听信道相关的场景。故在物理层安全的研究中如何提高系统的保密容量已成了一个不可忽视的话题。将混沌信号引入到调制器中作为调制载波，不仅能够提高系统的抗干扰能力，还能够优化系统的结构，降低硬件成本。但远距离的传输将会进一步增加系统的中断概率，降低系统保密容量。
因此，提出一种无人机中继协同的信息传输方法，尤其结合混沌调制技术和多天线技术，有望实现无人机中继协同系统的更高保密容量且低中断概率。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，解决了在混沌调制条件中网络覆盖范围小、频谱效率低、制造成本高和保密容量低的问题，可较好解决网络覆盖范围，有效提高整个系统的保密容量并降低网络复杂度。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，是利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制技术对无人机通信系统中各节点进行设计，以提高整体系统的通信范围和保密容量，所述通信系统包括单天线的发射源端节点、多个无人机中继节点、多个窃听者节点以及单天线\多天线的用户节点，其具体方法为：
步骤一、发射源端利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制对发送的信号进行调制，发射源端采用一种正交混沌信号发生器，生成两路正交的混沌序列，消除两路混沌信号间的相关干扰以改善其误码性能，即第一段混沌信号作为参考序列，而第二段混沌信号作为原始信息的承载序列；
步骤二、正交的混沌序列以不同的频率进行发送形成两个不同的信道；
步骤三、与发射源端混沌系统同步，每个无人机中继节点均与发射源端交互并以干扰为判断标准对形成的两个信道进行判决，选择干扰最小的信道；
步骤四、对选择频率后的所有无人机中继节点接收的信号进行最大比合并(MRC)归一化处理，使得合并后的信噪比可以达到理论上的最大值，无人机中继节点的信噪比为：
Figure BDA0002707104670000031
其中：Ps为源端的发送功率，hn为无人机中继节点选择后的信道，n为无人机中继节点的天线数，取值范围为1,2,3，...N，
Figure BDA0002707104670000032
为无人机节点处加性高斯白噪声(AWGN)的方差；
步骤五、接收端以接收信号为驱动，采用混沌同步目标信号加密算法的逆运算，将目标信号恢复出来，由此得到基于无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制的无人机协同信息通信系统的保密容量CS为：
CS＝CD-CE
Figure BDA0002707104670000041
Figure BDA0002707104670000042
SNRE＝SNR1+SNR2+SNR3+···+SNRi
其中：CD为接收端的信道容量，CE是窃听者的信道容量，SNRD是接收端从无人机中继节点处接收到的信噪比，SNRE为所有窃听者的信噪比总和，SNR1，SNR2，SNR3...SNRi分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信噪比。
进一步的，各节点均为有源供电，信道均为采用瑞利衰落信道。
进一步的，接收端和窃听者从无人机中继节点处接收到的信噪比分别为：
Figure BDA0002707104670000043
Figure BDA0002707104670000044
Figure BDA0002707104670000045
Figure BDA0002707104670000046
Figure BDA0002707104670000047
其中，Pr为每个无人机中继节点的发送功率，g为无人机中继节点与接收端的信道，
Figure BDA0002707104670000048
为接收端处AWGN的方差；g1，g2，g3...gi分别为无人机中继节点与窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信道；
Figure BDA0002707104670000051
分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i处AWGN的方差。
本发明的有益效果在于：
本发明适用于具有高保密容量的无人机辅助传输系统，尤其适用于广覆盖、低功耗、低运行成本传输等应用，本发明在实现未来无人机辅助系统远距离和有效传输的前提下，利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制以实现无人机辅助系统的安全传输。与传统方法相比，本发明实现了广阔的网络覆盖范围和高保密性，有效降低整个系统的网络复杂度。
附图说明
图1是本发明基于混沌调制的无人机辅助通信场景示意图；
图2是本发明无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制系统原理示意图；
图3是本发明的流程图；
具体实施方式
下面根据附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如附图所示，一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，是利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制技术(Correlation Delay-DifferentialChaos Shift Keying，CD-DCSK)对无人机通信系统中各节点进行设计，以提高整体系统的通信范围和保密容量，所述通信系统包括有源供电的单天线的发射源端节点、多个无人机中继节点、多个窃听者节点以及单天线\多天线的用户节点，其具体方法为：
步骤一、首先单天线的发射源端利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制对发送的信号进行调制；发射源端采用一种正交混沌信号发生器，生成两路正交的混沌序列，消除两路混沌信号间的相关干扰以改善其误码性能，即第一段混沌信号作为参考序列，而第二段混沌信号作为原始信息的承载序列；
步骤二、正交的混沌序列以不同的频率进行发送形成两个不同的信道；
步骤三、与发射源端混沌系统同步，每个无人机中继节点均与发射源端交互并以干扰为判断标准对形成的两个信道进行判决，选择干扰最小的信道；
其中每个无人机中继节点与发射端交互并以干扰为判断标准对形成的两个信道进行判决的主要方法为：
(1)、第一个无人机中继节点R1收到两个频率的序列，形成的信道分别为信道h1和h2，以干扰为判断标准对h1和h2进行判决，选择干扰最小的信道，如信道h2的干扰比较小，则第一个无人机接收信道h2中传输的信息；
(2)、第二个无人机中继节点R2做下一个选择，对形成的信道h3和h4进行选择，选择干扰最小的信道，如第二个中继节点选择干扰较小的信道h3，则在信道h3上完成信息传输；
(3)、第三个无人机R3，第四个无人机R4，...第N个无人机中继节点RN均进行信道选择，选择干扰较小的信道，分别为信道h6，h7，...h2n-1；
步骤四、并对选择频率后的所有无人机中继节点接收的信号进行最大比合并(Maximal Rotio Combining，MRC)归一化处理，使得合并后的信噪比可以达到理论上的最大值，无人机中继节点的信噪比SNRR为：
Figure BDA0002707104670000071
其中：Ps为源端的发送功率，hn为无人机中继节点选择后的信道，n为无人机中继节点的天线数，取值范围为1,2,3，...N，
Figure BDA0002707104670000072
为无人机节点处加性高斯白噪声(AWGN)的方差；
得到接收端和窃听者从无人机中继节点处接收到的信噪比分别为：
Figure BDA0002707104670000073
Figure BDA0002707104670000074
Figure BDA0002707104670000075
Figure BDA0002707104670000076
Figure BDA0002707104670000077
其中，Pr为每个无人机中继节点的发送功率，g为无人机中继节点与接收端的信道，
Figure BDA0002707104670000081
为接收端处AWGN的方差；g1，g2，g3...gi分别为无人机中继节点与窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信道；
Figure BDA0002707104670000082
分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i处AWGN的方差；
步骤五、接收端以接收信号为驱动，采用混沌同步目标信号加密算法的逆运算，将目标信号恢复出来，由此得到基于无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制的无人机协同信息通信系统的保密容量CS为：
CS＝CD-CE
Figure BDA0002707104670000083
Figure BDA0002707104670000084
SNRE＝SNR1+SNR2+SNR3+···+SNRi
其中：CD为接收端的信道容量，CE是窃听者的信道容量，SNRD是接收端从无人机中继节点处接收到的信噪比，SNRE为所有窃听者的信噪比总和，SNR1，SNR2，SNR3...SNRi分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信噪比。
进一步的，各节点均为有源供电，信道均为采用瑞利衰落信道。
综上所述，本发明适用于具有高保密容量的无人机辅助传输系统，尤其适用于广覆盖、低功耗、低运行成本传输等应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，其特征在于：是利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制技术对无人机通信系统中各节点进行设计，以提高整体系统的通信范围和保密容量，所述通信系统包括单天线的发射源端节点、多个无人机中继节点、多个窃听者节点以及单天线\多天线的用户节点，其具体方法为：
步骤一、发射源端利用无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制对发送的信号进行调制，发射源端采用一种正交混沌信号发生器，生成两路正交的混沌序列，消除两路混沌信号间的相关干扰以改善其误码性能，即第一段混沌信号作为参考序列，而第二段混沌信号作为原始信息的承载序列；
步骤二、正交的混沌序列以不同的频率进行发送形成两个不同的信道；
步骤三、与发射源端混沌系统同步，每个无人机中继节点均与发射源端交互并以干扰为判断标准对形成的两个信道进行判决，选择干扰最小的信道；
步骤四、对选择频率后的所有无人机中继节点接收的信号进行最大比合并(MRC)归一化处理，使得合并后的信噪比可以达到理论上的最大值，无人机中继节点的信噪比为：
Figure FDA0003772905470000011
其中：Ps为源端的发送功率，hn为无人机中继节点选择后的信道，n为无人机中继节点的天线数，取值范围为1,2,3，...N，N为大于1的非负整数集，
Figure FDA0003772905470000021
为无人机节点处加性高斯白噪声AWGN的方差；
步骤五、用户节点以接收信号为驱动，采用混沌同步目标信号加密算法的逆运算，将目标信号恢复出来，由此得到基于无信号间干扰的相关延迟-差分混沌移位键控调制的无人机协同信息通信系统的保密容量CS为：
CS＝CD-CE
Figure FDA0003772905470000022
Figure FDA0003772905470000023
SNRE＝SNR1+SNR2+SNR3+···+SNRi
其中：CD为用户节点的信道容量，CE是窃听者的信道容量，SNRD是用户节点从无人机中继节点处接收到的信噪比，SNRE为所有窃听者的信噪比总和，SNR1，SNR2，SNR3...SNRi分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信噪比。
2.根据权利要求1所述的一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，其特征在于：各节点均为有源供电，信道均为采用瑞利衰落信道。
3.根据权利要求1所述的一种基于混沌调制的无人机中继协同信息传输方法，其特征在于：用户节点和窃听者从无人机中继节点处接收到的信噪比分别为：
Figure FDA0003772905470000031
Figure FDA0003772905470000032
Figure FDA0003772905470000033
Figure FDA0003772905470000034
...
Figure FDA0003772905470000035
其中，Pr为每个无人机中继节点的发送功率，g为无人机中继节点与用户节点的信道，
Figure FDA0003772905470000036
为用户节点处AWGN的方差；g1，g2，g3...gi分别为无人机中继节点与窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i的信道；
Figure FDA0003772905470000037
分别为窃听者1，窃听者2，窃听者3...窃听者i处AWGN的方差。
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