CN114759966B - 一种基于无人机中继平台的通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机中继平台的通信系统，包括无人机中继平台、源地面通信终端和目标地面通信终端，上行链路包括上行业务信道和上行控制信道，下行链路包括下行业务信道、下行控制信道和下行广播信道，无人机中继平台中的无人机通过下行广播信道告知源地面通信终端和目标地面通信终端当前中继配置，源地面通信终端根据下行广播信道的广播信息通过上行业务信道发送业务数据，目标地面通信终端根据接收的广播信息通过下行业务信道接收业务数据，采用FDMA频分多址的通信方式，可以按实时中继传输需要灵活分配占用的频域资源，因此可以实现较高的信道资源利用率以及信道资源分配灵活度，达到同时服务大数量的源/目标地面通信终端的目的。

Description

一种基于无人机中继平台的通信系统及通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于无人机中继平台的通信系统。同时，本发明还涉及一种基于无人机中继平台的通信方法。

背景技术

地震、火灾、雪灾等突发性地质灾害在我国偶有发生。当这些灾害发生时，传统的基站等通信设备可能遭到损毁，导致正常的通信手段失效或中断，灾害现场的一些重要信息无法及时地回传到外界。因此需要启动紧急的应对措施保证灾害点附近的应急通信畅通。其中方法之一是通过紧急升空搭载了中继通信平台的无人机，以在其覆盖范围内提供应急通信服务。通过搭载在无人机上的中继通信平台，可以实现不同地面通信终端之间的数据转发传输。

当前基于无人机中继平台的通信系统，一般由无人机中继平台至多个地面终端的下行通信链路为单点对多点的通信方式，而由多个地面终端至无人机中继平台的上行通信链路为多点对单点的通信方式。上下行通信链路均采用基于TDMA时分多址的接入方式。

采用传统的TDMA通信方式时，时隙的分配方式是固定的，灵活度不够。当地面通信终端需要传输的数据量较少时，会浪费一部分信道资源；当地面通信终端需要传输的数据量较大时，又会由于分配到的信道资源不够导致传输失败。且这种通信方式可同时接入的通信终端数量一般较少。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，采用FDMA频分多址的通信方式，可以按实时中继传输需要灵活分配占用的频域资源，因此可以实现较高的信道资源利用率以及信道资源分配灵活度，达到同时服务大数量的源/目标地面通信终端的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无人机中继平台的通信系统，包括无人机中继平台、源地面通信终端和目标地面通信终端，所述无人机中继平台分别通过通信链路与所述源地面通信终端、目标地面通信终端通迅连接，所述源地面通信终端的接入方式为直接接入方式与目标地面通信终端通信连接；

所述通信链路包括上行链路和下行链路，所述上行链路包括上行业务信道和上行控制信道，所述上行业务信道用于传输具体的业务数据，所述上行控制信道用于源地面通信终端发送接入请求和连接释放请求，所述下行链路包括下行业务信道、下行控制信道和下行广播信道，所述下行业务信道用于传输具体的业务数据，所述下行控制信道用于无人机中继平台响应源地面通信终端的接入请求和连接释放请求，所述下行广播信道用于广播中继配置；

所述无人机中继平台中的无人机通过下行广播信道告知源地面通信终端和目标地面通信终端当前中继配置，所述源地面通信终端根据下行广播信道的广播信息通过上行业务信道发送业务数据，所述目标地面通信终端根据接收的广播信息通过下行业务信道接收业务数据，所述下行链路广播信道持续广播当前已接入的源地面通信终端的ID号、对应的中继目标地面通信终端的ID号以及占用的业务信道频域的资源索引。

进一步地，所述频域资源分配指示字段包括频域资源的起始索引和频域资源的长度。

本发明提供了一种基于无人机中继平台的通信方法，包括直接接入通信方式，通信方式如下步骤：

步骤1：待接入的地面通信终端A准备通过无人机中继平台发送数据给地面通信终端B，其中所述地面通信终端A为源终端A，所述地面通信终端B为目标终端B，所述源终端A根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，以及待发送的数据量，选择当前空闲的合适大小的上行链路频域资源并直接进行数据发送；

步骤2：所述无人机中继平台根据接收到的上行数据，确定当前接入的源终端A的ID号，目标终端B的ID号以及占用的上行链路频域资源，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；

步骤3：所述无人机中继平台将接收到的源终端A发送的上行数据在相应的下行链路进行转发发送。所述源终端A发送使用的上行频域资源索引与无人机中继平台转发使用的下行频域资源索引可以有固定的映射关系；

步骤4：所述目标终端B根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，确定通过无人机中继平台转发的目标终端ID号为B，源终端ID号为A所使用的下行链路频域资源，并进行数据接收；

步骤5：当所述源终端A通信结束后可直接停止数据发送；

步骤6：所述无人机中继平台根据统计的频域资源无数据发送的持续时间超过设定时间阈值后，判断对应源终端A的频域资源已释放并重新进入空闲状态，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；至此整个通信过程结束。

进一步地，所述源地面通信终端的接入方式为请求-分配接入方式与目标地面通信终端通信连接。

另外，本发明还提供了一种基于无人机中继平台的通信方法，包括请求-分配接入通信方式，通信方式如下步骤：

步骤1：待接入的地面通信终端A准备通过无人机中继平台发送数据给地面通信终端B，其中所述地面通信终端A为源终端A，所述地面通信终端B为目标终端B，所述源终端A根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，以及待发送的数据量，在上行链路的控制信道发送接入请求，接入请求信息中可包含源终端A的ID号，所述目标终端B的ID号以及期望分配的频域资源数量，或者期望分配的具体的频域资源索引；

步骤2：所述无人机中继平台根据解析得到的接入请求信息，以及当前系统使用的资源分配策略，为待接入的源终端A分配合适大小的上行链路频域资源，并在下行链路的控制信道发送接入请求确认，接入请求确认信息中包含为待接入的源终端A分配的上行链路频域资源信息；

步骤3：所述源终端A根据解析得到的接入请求确认信息，在对应的上行链路频域资源开始进行数据发送；

步骤4：所述无人机中继平台将接收到的源终端A发送的上行数据在相应的下行链路进行转发发送，所述源终端A发送使用的上行频域资源索引与无人机中继平台转发使用的下行频域资源索引可以有固定的映射关系；

步骤5：所述目标终端B根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，确定通过无人机中继平台转发的目标终端ID号为B，源终端ID号为A所使用的下行链路频域资源，并进行数据接收；

步骤6：当所述源终端A通信结束后，在上行链路的控制信道发送连接释放请求；

步骤7：所述无人机中继平台根据解析得到的连接释放请求信息，判断对应终端A的频域资源已释放并重新进入空闲状态，在下行链路的控制信道发送连接释放请求确认，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；

步骤8：所述源终端A根据解析得到的连接释放请求确认信息，确认连接已断开，资源已释放，至此整个通信过程结束。

本发明的技术效果和优点：

1.本发明提出基于无人机中继平台的通信系统及通信方法，采用FDMA频分多址的通信方式，可以按实时中继传输需要灵活分配占用的频域资源，因此可以实现较高的信道资源利用率以及信道资源分配灵活度，达到同时服务大数量的源/目标地面通信终端的目的。当需要同时接入大量的通信终端时，可以通过仅为每个终端分配维持基本通信的极少量信道资源的方式，使得每个待接入的通信终端均可以分配到必要的信道资源，完成必要的应急通信数据传输，避免由于信道资源不够导致接入失败的问题；

2.本发明提出基于无人机中继平台的通信系统及通信方法，通过待接入的地面通信终端有2种接入方式：

第1种方式为直接接入方式，方式1的优势是简单，不需要进行交互，可以减少传输时延，提高传输效率；

第2种方式为请求-分配接入方式，方式2需要进行交互，但优势是可以根据场景需要执行特定的资源分配策略，并且可以避免不同通信终端同时接入时选择同一资源发送，从而由于资源碰撞导致传输失败的情况发生。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的资源索引系统框图；

图3为本发明的地面通信终端通过无人机中继平台转发通信数据框架示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于无人机中继平台的通信系统，包括无人机中继平台、源地面通信终端和目标地面通信终端，无人机中继平台分别通过通信链路与源地面通信终端、目标地面通信终端通迅连接，源地面通信终端的接入方式为直接接入方式与目标地面通信终端通信连接；

通信链路包括上行链路和下行链路，上行链路包括上行业务信道和上行控制信道，上行业务信道用于传输具体的业务数据，上行控制信道用于源地面通信终端发送接入请求和连接释放请求，下行链路包括下行业务信道、下行控制信道和下行广播信道，下行业务信道用于传输具体的业务数据，下行控制信道用于无人机中继平台响应源地面通信终端的接入请求和连接释放请求，下行广播信道用于广播中继配置；

无人机中继平台中的无人机通过下行广播信道告知源地面通信终端和目标地面通信终端当前中继配置，源地面通信终端根据下行广播信道的广播信息通过上行业务信道发送业务数据，目标地面通信终端根据接收的广播信息通过下行业务信道接收业务数据，下行链路广播信道持续广播当前已接入的源地面通信终端的ID号、对应的中继目标地面通信终端的ID号以及占用的业务信道频域的资源索引，广播消息中包括源终端ID号指示字段、目标终端ID号指示字段和频域资源分配指示字段，源地面通信终端用于接收，频域资源分配指示字段包括频域资源的起始索引字段和频域资源的长度字段。

如图2所示，例如源终端ID号指示字段用8bit表示，目标终端ID号指示字段用8bit表示，频域资源分配指示字段分为2部分，第1部分为16bit，指示对应终端占用的频域资源的起始索引；第2部分为16bit，指示对应终端占用的频域资源的长度。由于无人机中继平台可能同时接入多组地面通信终端，因此广播信道中可能同时存在多组指示字段指示上行链路频域资源占用情况。

如图3所示，一种实现基于无人机中继平台的通信方法，包括直接接入通信方式，地面通信终端A准备通过无人机中继平台转发语音数据至地面通信终端B，其中地面通信终端A的ID号为5，地面通信终端B的ID号为8，通信方式如下步骤：

步骤1：源终端A解析广播信道，得到上行链路频域资源占用情况，由于只需要发送数据量较少的语音数据，因此源终端A选择空闲的索引值为1024-1043的上行子载波直接进行数据发送。

步骤2：无人机中继平台根据接收到的上行数据，确定ID号为5的源终端占用了索引值为1024-1043的空闲子载波资源发送数据给ID号为8的目标终端。因此无人机中继平台更新广播字段，增加一组字段指示源终端A的ID号，相应的目标终端B的ID号和其占用的上行链路频域资源，其中源终端ID号指示字段为00000101，表示ID号为5的源终端A；目标终端ID号指示字段为00001000，表示ID号为8的目标终端B；频域资源分配指示字段第1部分为0000010000000000，表示起始子载波索引值为1024，频域资源分配指示字段第2部分为0000000000010100，表示占用的连续子载波个数为20。

步骤3：无人机中继平台将接收到的源终端A在索引值为1024-1043的上行子载波发送的上行数据，选择索引值为1024-1043的下行子载波进行转发发送(采用一一对应的上下行子载波映射关系)。

步骤4：目标终端B解析广播信道，得到上行链路频域资源占用情况，并根据上下行子载波映射关系，确定ID号为5的源终端发送的数据，由无人机中继平台在索引值为1024-1043的下行子载波进行转发发送给ID号为8的目标终端，即目标终端B，因此目标终端B接收相应的下行链路的子载波信号，最终解调出源终端A发送的语音数据。

步骤5：源终端A发送语音数据完毕后直接停止数据发送。

步骤6：无人机中继平台统计索引值为1024-1043的上行子载波无数据发送的时间超过20秒阈值，判断源终端A的通信连接已断开，因此无人机中继平台释放源终端A原先占用的资源，并更新广播字段，删除广播字段中指示源终端A的ID号，相应的目标终端B的ID号和其占用的上行链路频域资源的字段。

实施例2

如图1所示，本发明提供了一种基于无人机中继平台的通信系统，包括无人机中继平台、源地面通信终端和目标地面通信终端，无人机中继平台分别通过通信链路与源地面通信终端、目标地面通信终端通迅连接，源地面通信终端的接入方式为请求-分配接入方式与目标地面通信终端通信连接；

通信链路包括上行链路和下行链路，上行链路包括上行业务信道和上行控制信道，上行业务信道用于传输具体的业务数据，上行控制信道用于源地面通信终端发送接入请求和连接释放请求，下行链路包括下行业务信道、下行控制信道和下行广播信道，下行业务信道用于传输具体的业务数据，下行控制信道用于无人机中继平台响应源地面通信终端的接入请求和连接释放请求，下行广播信道用于广播中继配置；

无人机中继平台中的无人机通过下行广播信道告知源地面通信终端和目标地面通信终端当前中继配置，源地面通信终端根据下行广播信道的广播信息通过上行业务信道发送业务数据，目标地面通信终端根据接收的广播信息通过下行业务信道接收业务数据，下行链路广播信道持续广播当前已接入的源地面通信终端的ID号、对应的中继目标地面通信终端的ID号以及占用的业务信道频域的资源索引，广播消息中包括源终端ID号指示字段、目标终端ID号指示字段和频域资源分配指示字段，频域资源分配指示字段包括频域资源的起始索引字段和频域资源的长度字段。

如图2所示，例如源终端ID号指示字段用8bit表示，目标终端ID号指示字段用8bit表示，频域资源分配指示字段分为2部分，第1部分为16bit，指示对应终端占用的频域资源的起始索引；第2部分为16bit，指示对应终端占用的频域资源的长度，由于无人机中继平台可能同时接入多组地面通信终端，因此广播信道中可能同时存在多组指示字段指示上行链路频域资源占用情况。

与实施例1有所不同的是一种实现基于无人机中继平台的通信方法，还包括请求-分配接入通信方式，地面通信终端A准备通过无人机中继平台转发图像数据至地面通信终端B，其中地面通信终端A的ID号为11，地面通信终端B的ID号为13，通信方式如下步骤：

步骤1：源终端A解析广播信道，得到上行链路频域资源占用情况，由于需要发送数据量较大的图像数据，因此源终端A在上行链路的控制信道发送接入请求。接入请求信息中包含源终端A的ID号，相应的目标终端B的ID号和期望分配的频域资源索引，其中期望分配索引值为2048-2447的空闲的上行子载波。

步骤2：无人机中继平台根据解析得到的接入请求信息，以及当前系统使用的资源分配策略，为待接入的ID号为5的源终端分配索引值为2048-2447的空闲上行子载波资源发送数据给ID号为13的目标终端。更新广播字段，增加一组字段指示源终端A的ID号，目标终端B的ID号和其占用的上行链路频域资源，其中源终端ID号指示字段为00001011，表示ID号为11的源终端A；目标终端ID号指示字段为00001101，表示ID号为13的目标终端B；频域资源分配指示字段第1部分为0000100000000000，表示起始子载波索引值为2048，频域资源分配指示字段第2部分为0000000110010000，表示占用的连续子载波个数为400。并在下行链路的控制信道发送接入请求确认。

步骤3：源终端A在解析得到的接入请求确认信息后，开始在索引值为2048-2447的空闲的上行子载波进行数据发送。

步骤4：无人机中继平台将接收到的源终端A在索引值为2048-2447的上行子载波发送的上行数据，选择索引值为2048-2447的下行子载波进行转发发送(采用一一对应的上下行子载波映射关系)。

步骤5：目标终端B解析广播信道，得到上行链路频域资源占用情况，并根据上下行子载波映射关系，确定ID号为11的源终端发送的数据，由无人机中继平台在索引值为2048-2447的下行子载波进行转发发送给ID号为13的目标终端，即目标终端B，因此目标终端B接收相应的下行链路的子载波信号，最终解调出源终端A发送的图像数据。

步骤6：源终端A发送图像数据完毕后，在上行链路的控制信道发送连接释放请求。

步骤7：无人机中继平台解析得到的连接释放请求信息，确定对应源终端A占用的频域资源已释放并重新进入空闲状态，更新广播字段，删除广播字段中指示源终端A的ID号，相应的目标终端B的ID号和其占用的上行链路频域资源的字段。并在下行链路的控制信道发送连接释放请求确认。

步骤8：源终端A根据解析得到的连接释放请求确认信息，确认连接已断开，资源已释放。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。

Claims (5)

1.一种基于无人机中继平台的通信系统，其特征在于，包括无人机中继平台、源地面通信终端和目标地面通信终端，所述无人机中继平台分别通过通信链路与所述源地面通信终端、目标地面通信终端通迅连接，所述源地面通信终端的接入方式为直接接入方式与目标地面通信终端通信连接；

所述通信链路包括上行链路和下行链路，所述上行链路包括上行业务信道和上行控制信道，所述上行业务信道用于传输具体的业务数据，所述上行控制信道用于源地面通信终端发送接入请求和连接释放请求，所述下行链路包括下行业务信道、下行控制信道和下行广播信道，所述下行业务信道用于传输具体的业务数据，所述下行控制信道用于无人机中继平台响应源地面通信终端的接入请求和连接释放请求，所述下行广播信道用于广播中继配置；

所述无人机中继平台中的无人机通过下行广播信道告知源地面通信终端和目标地面通信终端当前中继配置，所述源地面通信终端根据下行广播信道的广播信息通过上行业务信道发送业务数据，所述目标地面通信终端根据接收的广播信息通过下行业务信道接收业务数据，所述下行链路广播信道持续广播当前已接入的源地面通信终端的ID号、对应的中继目标地面通信终端的ID号以及占用的业务信道频域的资源索引。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机中继平台的通信系统，其特征在于：所述频域资源分配指示字段包括频域资源的起始索引和频域资源的长度。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机中继平台的通信系统，其特征在于：所述源地面通信终端的接入方式为请求-分配接入方式与目标地面通信终端通信连接。

4.一种基于无人机中继平台的通信方法，其特征在于，包括直接接入通信方式，通信方式如下步骤：

步骤1：待接入的地面通信终端A准备通过无人机中继平台发送数据给地面通信终端B，其中所述地面通信终端A为源终端A，所述地面通信终端B为目标终端B，所述源终端A根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，以及待发送的数据量，选择当前空闲的合适大小的上行链路频域资源并直接进行数据发送；

步骤2：所述无人机中继平台根据接收到的上行数据，确定当前接入的源终端A的ID号，目标终端B的ID号以及占用的上行链路频域资源，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；

步骤3：所述无人机中继平台将接收到的源终端A发送的上行数据在相应的下行链路进行转发发送；所述源终端A发送使用的上行频域资源索引与无人机中继平台转发使用的下行频域资源索引可以有固定的映射关系；

步骤4：所述目标终端B根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，确定通过无人机中继平台转发的目标终端ID号为B，源终端ID号为A所使用的下行链路频域资源，并进行数据接收；

步骤5：当所述源终端A通信结束后可直接停止数据发送；

步骤6：所述无人机中继平台根据统计的频域资源无数据发送的持续时间超过设定时间阈值后，判断对应源终端A的频域资源已释放并重新进入空闲状态，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；至此整个通信过程结束。

5.一种基于无人机中继平台的通信方法，其特征在于，包括请求-分配接入通信方式，通信方式如下步骤：

步骤1：待接入的地面通信终端A准备通过无人机中继平台发送数据给地面通信终端B，其中所述地面通信终端A为源终端A，所述地面通信终端B为目标终端B，所述源终端A根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，以及待发送的数据量，在上行链路的控制信道发送接入请求，接入请求信息中可包含源终端A的ID号，所述目标终端B的ID号以及期望分配的频域资源数量，或者期望分配的具体的频域资源索引；

步骤2：所述无人机中继平台根据解析得到的接入请求信息，以及当前系统使用的资源分配策略，为待接入的源终端A分配合适大小的上行链路频域资源，并在下行链路的控制信道发送接入请求确认，接入请求确认信息中包含为待接入的源终端A分配的上行链路频域资源信息；

步骤3：所述源终端A根据解析得到的接入请求确认信息，在对应的上行链路频域资源开始进行数据发送；

步骤4：所述无人机中继平台将接收到的源终端A发送的上行数据在相应的下行链路进行转发发送，所述源终端A发送使用的上行频域资源索引与无人机中继平台转发使用的下行频域资源索引可以有固定的映射关系；

步骤5：所述目标终端B根据解析广播信道得到的上行链路频域资源占用情况，确定通过无人机中继平台转发的目标终端ID号为B，源终端ID号为A所使用的下行链路频域资源，并进行数据接收；

步骤6：当所述源终端A通信结束后，在上行链路的控制信道发送连接释放请求；

步骤7：所述无人机中继平台根据解析得到的连接释放请求信息，判断对应终端A的频域资源已释放并重新进入空闲状态，在下行链路的控制信道发送连接释放请求确认，并更新上行链路频域资源占用情况进行广播；

步骤8：所述源终端A根据解析得到的连接释放请求确认信息，确认连接已断开，资源已释放，至此整个通信过程结束。