CN113629401B - 一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置，全连接结构毫米波均匀线性阵内包含子阵选通网络，通过子阵选通网络，能够将毫米波均匀线性阵划分为多个子阵；从无人机波束指向收集模块负责在入网阶段获取各个无人机的波束指向；从无人机链路预算收集模块负责在入网阶段获取各个无人机的天线增益需求；线性阵列管理模块负责完成天线子阵划分管理，划分后的子阵根据波束指向角要求形成单波束，完成实现对从无人机的波束覆盖。本发明通过将线性相控阵天线管理建模为几何规划问题，实现天线子阵划分，形成多波束，在满足波束间干扰管理、链路预算要求前提下，最大化波束主瓣覆盖范围，降低波束维护开销，实现无人机一对多通信组网。

Description

一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置
技术领域
本发明涉及无人机通信技术领域，特别是无人机通信组网中的线性相控阵天线管理装置，该装置通过管理加装在无人机上的线性相控阵天线，支持无人机之间基于多波束的通信组网。
背景技术
缩略语和关键术语定义
ULA Uniform Linear Array 均匀线性阵列
无人机目前广泛应用在农业、巡检、安防、救援等多个领域，其主要形式是单架无人机执行任务作业。由于单无人机覆盖范围有限，在任务执行时需要频繁往返，导致作业效率降低；并且当任务区域较远时，受通信距离限制，单架无人机可能无法飞抵目标区域。针对这一问题，可以在毫米波频段实现多架无人机组网，一方面利用毫米波频段的高带宽，提高数据传输速率；另一方面，通过无人机间组网，提高任务执行时覆盖范围和距离。
然而，在毫米波频段构建无人机网络需要解决毫米波频段严重的传输损耗问题，方法之一是采用相控阵体制阵列天线，通过获得天线波束赋形增益，对抗毫米波频段信号传输损耗。由于毫米波频段波长短，可以以较小间距布阵，能够降低阵列天线尺寸，易于在无人机安装；并且，相控阵天线由于需要较少的射频通道和数模/模数转换器，能够降低硬件成本；再者，通过合理管理相控阵天线，能够形成多波束，支持无人机间一对多并发通信，提高无人机网络吞吐量。
然而，在采用阵列天线实现无人机通信组网时，由于波束赋形后天线主瓣宽度变窄，考虑到无人机机动性，需要频繁进行波束维护，从而使得网络开销很大。因此，需要在满足链路预算前提下尽量提高天线主瓣宽度，以降低网络维护开销。在此基础上，还需要满足波束间干扰管理需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置，通过在无人机上加装毫米波均匀线性阵列，设计线性阵列管理装置，形成多波束，在满足波束间干扰管理、链路预算要求前提下，最大化波束主瓣覆盖范围，实现无人机一对多通信组网。
本发明的目的是这样实现的：一种用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置，全连接结构毫米波均匀线性阵：阵列采用全连接结构，通过子阵选通网络划分为S个子阵，每个划分后的子阵根据方位角要求形成单波束，子阵阵元数量由线性阵列管理模块决定，天线子阵划分完成后，各个子阵依据天线阵元分配ni，天线波束指向θi配置形成波束；
从无人机波束指向收集模块：负责在入网阶段获取各个从无人机相对于主无人机的波束指向θi，并根据波束指向θi计算任意两个从无人机间波束指向角度差δij；
从无人机链路预算收集模块：负责在入网阶段获取各个从无人机的天线增益需求hi；
天线配置收集模块：负责获取均匀线性阵配置，包括天线布阵间距和波长比值u、天线总阵元数N、天线通道数S；
线性阵列管理模块：负责根据从无人机之间波束指向角度差δij、从无人机天线增益需求hi、天线布阵间距和波长比值u、天线总阵元数N、天线通道数S(即同时传输波束数量)，建模为式(1)几何规划问题，并通过凸优化方法求解，获得天线阵元分配即天线阵元数ni：
Figure BDA0003195401630000021
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的线性相控阵天线管理装置，能够管理多个波束，满足无人机组网中的一对多通信组网传输需求；
(2)通过本发明提出的线性相控阵天线管理装置配置多波束，能够控制主瓣宽度、主瓣增益，消除多波束主瓣间干扰，满足链路预算需求；
(3)通过本发明提出的线性相控阵天线管理装置配置多波束，能够在满足链路预算需求前提下，增加主瓣宽度，降低由于无人机移动造成的波束维护开销。
附图说明
图1是无人机通信组网多波束通信示意图。
图2是线性相控阵天线管理装置系统框图。
图3是无人机通信组网中的线性相控阵天线管理流程图。
图4是7架无人机组网场景图(1架主无人机、6架从无人机的星型拓扑)
图5是无人机通信组网中的线性相控阵天线管理实施例图。
具体实施方式
图1中，主无人机1，从无人机1a、1b、1c，毫米波均匀线性阵安装在无人机上，其中波束指向角为波束指向3与毫米波均匀线性天线阵面指向2二者之间的夹角。
图2中，从无人机波束指向收集模块，从无人机链路预算收集模块以及天线配置收集模块的控制信号分别输出至线性阵列管理模块，线性阵列管理模块的控制信号输出至子阵选通网络，通信物理层处理模块经射频通道和AD/DA与子阵选通网络之间形成双向通信通路。
线性陈列管理模块负责完成天线子阵划分管理，具体为根据从无人机间波束指向角度差、从无人机天线增益需求、天线布阵间距和波长比值、天线阵元数、天线通道数，将线性相控阵天线管理需求建模为几何规划问题，并通过凸优化方法快速求解，从而获得子阵划分方法。
考虑7架无人机组网场景，形成1架主无人机、6架从无人机的星型拓扑(见图4)，主无人机形成6个波束向从无人机发送数据。
1、天线配置收集模块收集的天线配置如下：
1)ULA阵元数量：512
2)射频通道数量：6
3)频率：25GHz
4)布阵间距：1/3波长
2、从无人机波束指向收集模块收集的波束指向角：θi＝[-60，-30，15，30，40，60]度
3、从无人机链路预算收集模块收集的天线增益需求：[10，12，10，16，12，18]dBi
4、线性阵列管理模块获得天线子阵划分结果ni＝[46，27，33，102，74，91]。配置后的波束见图5。

Claims (1)

1.一种适用于无人机通信组网的线性相控阵天线管理装置，其特征在于，全连接结构毫米波均匀线性阵：阵列采用全连接结构，通过子阵选通网络划分为S个子阵组成S个天线通道数，每个划分后的子阵根据方位角形成单波束，子阵阵元数量由线性阵列管理模块决定，天线子阵划分完成后，各个子阵依据天线阵元分配ni即天线阵元数，天线波束指向θi，形成波束；
从无人机波束指向收集模块：负责在入网阶段获取各个从无人机相对于主无人机天线的波束指向θi，并根据天线波束指向θi计算任意两个从无人机间波束指向角度差δij；
从无人机链路预算收集模块：负责在入网阶段获取各个从无人机的天线增益需求hi；
天线配置收集模块：负责获取均匀线性阵配置，包括天线布阵间距和波长比值u、天线总阵元数N、天线通道数S；
线性阵列管理模块：负责根据从无人机之间波束指向角度差δij、从无人机天线增益需求hi、天线布阵间距/波长比值u、天线总阵元数N、天线通道数S，建模为式(1)几何规划问题，并通过凸优化方法求解，获得天线阵元分配即天线阵元数ni：
Figure FDA0003914037260000011
所述无人机通信组网由1架主无人机和6架从无人机组成，1架主无人机形成6个波束分别向6架从无人机发送数据；
天线配置收集模块收集的天线配置如下：
1)ULA阵元数量：512
2)射频通道数量：6
3)频率：25GHz
4)布阵间距：1/3波长
所述从无人机波束指向收集模块收集的波束指向角：θi＝[-60，-30，15，30，40，60]度；
所述从无人机链路预算收集模块收集的天线增益需求：[10，12，10，16，12，18]dBi；
所述线性阵列管理模块获得天线子阵划分结果ni＝[46，27，33，102，74，91]。
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