CN114513275A - 一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，该方法基于时分复用通信系统，引入了混沌扩频体制，将原有单位时隙内可传输的用户信息数量从1增加到了N，全系统周期内有效用户数量从M增长为N*M，有效解决了时分多址通信系统传输速率低、通信周期长的问题。混沌序列拥有近似理想的自相关和互相关特性，可有效解决蜂群无人机系统中用户间干扰大的问题。

Description

一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法
技术领域
本发明属于无线数字通信领域，具体涉及一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法。
背景技术
现代和未来的无人机战争不再是单纯的武力对抗，也不是单纯的单系统作战，而是以蜂群无人机系统为作战主力的蜂群作战。蜂群作战主要是以一定规模的无人机根据作战任务进行自治、自主的编组，形成攻击蜂群，通过各成员之间联系协同对敌发动攻击的作战方式。无人机蜂群作战体系对作为无人机信息交互核心的通信系统提出了更高的要求，主要完成蜂群无人机内部用户间的编队协同控制信息、协同侦察信息、协同定位信息的传输功能。
蜂群通信系统需要解决多用户通信系统的速率低周期长、用户数量少与多址干扰等问题，以实现蜂群无人机多用户间数据准确无误的实时共享。目前无人机蜂群通信系统通常采用时分复用体制实现多用户信息传输，时分复用体制可有效解决多址干扰的问题，只要分配足够数量的时隙，则可传输对应数量的用户信息，但随着用户数量的增加，全系统通信周期长、单用户传输速率低等问题就暴露出来了。
发明内容
针对现有技术中存在的蜂群无人机传输速率低、通信周期长的技术问题，本发明提供了一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，在传统时分复用系统中有效引入基于混沌序列的扩频通信体制，增加了单位时隙内传输的数据信息，提高了传输速率，有效降低通信周期。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，包括如下步骤：
S1、设定时分复用无人机蜂群通信系统的时隙数量为M，单位时隙内进行混沌序列扩频通信的目标数为N；
S2、选定混沌序列类型与其映射方程，并且确定映射方程的迭代次数j，确定N组映射方程的初值，通过j次对映射方程的迭代，产生N组长度为j的混沌序列；
S3、时隙1内的N个用户的信息经信道编码后与步骤S2中已生成的单组混沌序列进行扩频运算得到基带混沌扩频信号，基带混沌扩频后信息经过调制、数模转换操作后，生成高频混沌扩频信号，按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据；
S4、重复步骤S3中的操作，M个时隙内的N个用户均完成混沌扩频处理；
S5、无人机蜂群通信地面站按照预先设定的时隙，通过无线链路依次接收M组混合的高频混沌扩频信号，进行模数转换、解调和滤波操作后，得到M组不同时隙下的数字基带混沌扩频信号；
S6、将步骤S5得到的时隙1的数字基带混沌扩频信号进行解扩运算，将N组基带信号进行判决与信道译码，得到时隙1中N个蜂群单用户的有效数据信息；
S7、重复步骤S6的操作，获得M个时隙中，各个时隙的N个蜂群用户的有效数据信息。
进一步的，所述步骤S3中，扩频公式为h＝PN(+)k，h为输出的基带混沌扩频信号，PN是长度为j的混沌序列，k为有效数据信息；
所述步骤S6中，解扩公式为a＝(PN)H(+)g，(PN)H是步骤S2中生成的混沌序列的转置，g为步骤S5得到的数字基带混沌扩频信号，a为输出的N组基带信号。
进一步的，所述步骤S1中，时隙数量M取值范围为10～40，目标数N取值为2n，n取值范围为3～8，总目标数为M*N不超过2048。
进一步的，所述步骤S2中，迭代次数j取值为2k，k取值范围为8～10。
进一步的，所述混沌序列类型为Chebyshev，信道编码采用RS(2,1,7)编码的方式，调制方式采用BPSK调制。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明提供了一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，该方法基于时分复用通信系统，引入了混沌扩频体制。一方面将原有单位时隙内可传输的用户信息数量从1增加到了N，全系统周期内有效用户数量从M增长为N*M，有效解决了时分多址通信系统传输速率低、通信周期长的问题；另一方面混沌序列具有非周期性、极高的复杂度和伪噪声性，且混沌序列具有非周期性和良好的宽带伪噪声特性，其良好的平衡特性和游程特性以及较理想的线性复杂度，保证了其拥有近似理想的自相关和互相关特性，可有效解决蜂群无人机系统中用户间干扰大的问题。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统时分复用无人机蜂群通信系统中的时隙分配图；
图2是本发明基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信系统中的时隙分配图；
图3是本发明基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法中的单时隙N用户信息流程图，其中(a)为数据发送处理流程，(b)为数据接收处理流程。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提出的一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，在传统时分复用系统中有效引入基于混沌序列的扩频通信体制，增加了单位时隙内传输的数据信息，提高了传输速率，有效降低通信周期；另一方面，混沌映射生成的混沌序列数目无限且具有非周期性和良好的宽带伪噪声特性，保证了其拥有近似理想的自相关和互相关特性，可有效解决蜂群无人机系统中用户间干扰大的问题。
如图1所示，传统时分复用无人机蜂群通信系统中，单个时隙对应着单个用户，M个时隙的时分复用无人机蜂群通信系统则对应着M个用户。如图2所示，本发明单个时隙对应着N个用户，由于引入了混沌扩频系统，在当前时隙中可同时传输N个用户的有效信息。M个时隙的时分复用无人机蜂群通信系统则对应着M*N个用户，有效的提高了系统的信息传输速率。
本发明一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，包括如下步骤：
步骤一、设定时分复用无人机蜂群通信系统的时隙数量为M，单位时隙内进行混沌序列扩频通信的目标数为N。本时分复用蜂群无人机通信系统的总目标数为M*N。
时隙数量M过多会导致整个系统周期过长，信息传输更新速度变慢；单位时隙内目标数N越多，单位时隙内系统信道带宽越宽，对系统容量的需求就越大。综合考虑系统容量与实际使用需求，保证系统在一定通信周期内实现最优信息传输速率，优选的，时隙数量M范围为10～40，单位时隙内目标数N取值为2n，n范围为3～8，总目标数为M*N不超过2048。
步骤二、选定混沌序列类型与其映射方程，并且确定映射方程的迭代次数j。确定N组映射方程的初值，N即为蜂群通信系统中单个时隙内用户个数。通过j次对映射方程的迭代，产生N组长度为j的混沌序列。
优选的，迭代次数j取值为2k，k范围为8～10。从理论分析来说，迭代次数j越多，混沌序列的自相关性和互相关性越强，但是j值大小直接影响系统容量的大小。通过仿真计算，迭代次数28～210范围的混沌序列已具有较好的自相关性和互相关性，既能有效降低用户间干扰，对系统容量也不会造成过大影响。
步骤三、无人机蜂群通信系统时隙1内的N个用户的通信数据链将自身需传输的信息经信道编码后与步骤二中已生成的单组混沌序列进行扩频运算得到基带混沌扩频信号。扩频公式为h＝PN(+)k，h为输出的基带混沌扩频信号，PN是长度为j的混沌序列，k为有效数据信息。将每一位有效数据分别与混沌序列进行模二加计算，扩频后的信号具备了混沌序列的高复杂性和伪随机性，提升了用户间的抗干扰性。基带混沌扩频信息经过调制、数模转换操作后，生成高频混沌扩频信号，按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据。
步骤四、重复步骤三中的操作，M个时隙内的N个用户均完成混沌扩频处理，并按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据。
步骤五、无人机蜂群通信地面站按照预先设定的时隙，通过无线链路依次接收M组混合的高频混沌扩频信号，进行模数转换、解调和滤波操作后，得到M组不同时隙下的数字基带混沌扩频信号。
步骤六、将步骤五得到的时隙1的数字基带混沌扩频信号进行解扩运算。解扩公式为a＝(PN)H(+)g，(PN)H是步骤二中生成的混沌序列的转置，g为步骤五得到的数字基带混沌扩频信号，a为输出的N组基带信号。将N组基带信号进行判决与信道译码，即可得到时隙1中N个蜂群单用户的有效数据信息。
步骤七、重复步骤六的操作，可获得M个时隙中，各个时隙的N个蜂群用户的有效数据信息。
对本发明的具体实施过程进行说明。采用的基于混沌扩频的蜂群无人机通信系统中，混沌序列类型为Chebyshev，信道编码采用RS(2,1,7)编码的方式，调制方式选用BPSK调制。
步骤一、设定时分复用无人机蜂群通信系统的时隙数量为10，单位时隙内进行混沌序列扩频通信的目标数为16。本时分复用蜂群无人机通信系统的总目标数为10*16＝160。
步骤二、选定Chebyshev混沌序列类型，其映射方程为xk+1＝f(xk)＝cos(2narccos(xk))，映射方程的迭代次数j为1023。映射方程的初值x1＝0.5，更改映射方程的初值，产生16组映射方程的初值X＝[x1,x2,x3...x16,]＝[0.01,0.02,0.03...0.15]，16即为蜂群通信系统中单个时隙内用户个数。通过1023次对映射方程的迭代，产生16组长度为1023的混沌序列。
步骤三、无人机蜂群通信系统时隙1内的16个用户的通信数据链(将自身需传输的信息经RS(2,1,7)编码后与步骤二中已生成的单组混沌序列进行扩频运算得到基带混沌扩频信号。扩频公式为h＝PN(+)k，h为输出的基带混沌扩频信号，PN是长度为1023的混沌序列，k为有效数据信息。将每一位有效数据分别与混沌序列进行模二加计算，扩频后的信号具备了混沌序列的高复杂性和伪随机性，提升了用户间的抗干扰性。扩频后信息经过调制、数模转换操作后，生成高频混沌扩频信号，按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据。
步骤四、重复步骤三中的操作，10个时隙内的16个用户均完成混沌扩频处理，并按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据。
步骤五、无人机蜂群通信地面站按照预先设定的时隙，通过无线链路依次接收10组混合的高频混沌扩频信号，进行模数转换、解调和滤波操作后，得到10组不同时隙下的数字基带混沌扩频信号。
步骤六、将步骤五得到的时隙1的数字基带混沌扩频信号进行解扩运算。解扩公式为a＝(PN)H(+)g，(PN)H是步骤二中生成的混沌序列组的转置，g为步骤五得到的基带混沌扩频信号，a为输出的16组基带信号。将16组基带信号进行判决与信道译码，即可得到时隙1中16个蜂群单用户的有效数据信息。
步骤七、重复步骤六的操作，可获得10个时隙中，各个时隙内的16个蜂群用户的有效数据信息。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、设定时分复用无人机蜂群通信系统的时隙数量为M，单位时隙内进行混沌序列扩频通信的目标数为N；
S2、选定混沌序列类型与其映射方程，并且确定映射方程的迭代次数j，确定N组映射方程的初值，通过j次对映射方程的迭代，产生N组长度为j的混沌序列；
S3、时隙1内的N个用户的信息经信道编码后与步骤S2中已生成的单组混沌序列进行扩频运算得到基带混沌扩频信号，基带混沌扩频后信息经过调制、数模转换操作后，生成高频混沌扩频信号，按照预先划分的时隙周期性的无线发送有效数据；
S4、重复步骤S3中的操作，M个时隙内的N个用户均完成混沌扩频处理；
S5、无人机蜂群通信地面站按照预先设定的时隙，通过无线链路依次接收M组混合的高频混沌扩频信号，进行模数转换、解调和滤波操作后，得到M组不同时隙下的数字基带混沌扩频信号；
S6、将步骤S5得到的时隙1的数字基带混沌扩频信号进行解扩运算，将N组基带信号进行判决与信道译码，得到时隙1中N个蜂群单用户的有效数据信息；
S7、重复步骤S6的操作，获得M个时隙中，各个时隙的N个蜂群用户的有效数据信息。
2.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，其特征在于，所述步骤S3中，扩频公式为h＝PN(+)k，h为输出的基带混沌扩频信号，PN是长度为j的混沌序列，k为有效数据信息；
所述步骤S6中，解扩公式为a＝(PN)H(+)g，(PN)H是步骤S2中生成的混沌序列组的转置，g为步骤S5得到的数字基带混沌扩频信号，a为输出的N组基带信号。
3.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，其特征在于，所述步骤S1中，时隙数量M取值范围为10～40，目标数N取值为2n，n取值范围为3～8，总目标数为M*N不超过2048。
4.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，其特征在于，所述步骤S2中，迭代次数j取值为2k，k取值范围为8～10。
5.根据权利要求1所述的基于混沌扩频的时分复用无人机蜂群通信方法，其特征在于，所述混沌序列类型为Chebyshev，信道编码采用RS(2,1,7)编码的方式，调制方式采用BPSK调制。
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