CN115378492A - 基于cofdm的无人机信号中继基站系统及传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统及传输方法，包括采用双频通信的无人机信号中继站，一种频率信号与其它无人机通信，另一种频率信号与地面控制站通信；无人机信号中继站包括多个中继节点，每个中继节点作为信号发射端与信号接收端的信号传输通道，通过中继节点的自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点；无人机信号中继站还包括巡检作业无人机和信号中继传输装置，巡检作业无人机采用COFDM技术将无人机的图像信号传输至地面，信号中继传输装置采用MQTT协议传输信号至巡检作业无人机。本发明使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点，降低中继节点的算法复杂度，提高传输速率。

Description

基于COFDM的无人机信号中继基站系统及传输方法
技术领域
本发明涉及一种无人机巡检作业信号传输方法，具体为一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统及信号传输方法，属于无人机通信技术领域。
背景技术
目前无人机在输电线路中的应用已全面铺开，作业人员以多旋翼无人机为主来开展输电线路无人机设备巡查任务，多旋翼无人机主要优点是轻便，到达现场可快速开展任务，但是架空输电线路地形复杂，多旋翼无人机信号经常受阻隔导致信号失联常有发生，严重影响了无人机设备安全和输电线路作业任务的执行。
近些年，市场中出现了多种地面中继站通信装置，用以增加无人机与控制站的通信距离，但地面中继站仍然受制于地形影响，只能在平原地区发挥较大作用，在山区丘陵地带无法提供较远的中继通信距离。
同时，当多架无人机与同一个中继站通信时，会存在信道之间的资源重叠问题，不能够充分利用宝贵的中继站信号传输资源。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统及传输方法，本发明的无人机携带信号中继装置将不再受制于地形地貌等障碍物，能极大扩展无人机的作业范围，并且使得信号发射端能够自主选择合适的传输通道，提高传输速率。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统，包括无人机信号中继站，所述无人机信号中继站采用双频通信，一种频率信号与其它无人机通信，另一种频率信号与地面控制站通信；
所述无人机信号中继站包括多个中继节点，每个所述中继节点作为信号发射端与信号接收端的信号传输通道，通过所述中继节点的自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点；
所述无人机信号中继站还包括巡检作业无人机和信号中继传输装置，其中，所述巡检作业无人机采用COFDM技术将无人机的图像信号传输至地面，所述信号中继传输装置采用MQTT协议传输信号至巡检作业无人机。
作为本发明再进一步的方案：所述地面控制站采用定向天线传输信号，且所述无人机信号中继站采用全向天线。
作为本发明再进一步的方案：所述无人机信号中继站在实时与巡检作业无人机和地面控制站同时通信时，采用双频信号，且中继站的信号传输频率在1.3G-5.8G之间自动切换。
作为本发明再进一步的方案：所述信号发射端自主选择合适的中继节点，且每个所述中继节点被选择的初始概率相等。
作为本发明再进一步的方案：所述中继节点自适应分配算法过程如下：
(4)每个中继节点代表一种状态，信号发射端可选中继节点的集合为：
α＝(1，...M)
α为中继节点的集合，M代表中继节点数量；
(5)
Figure BDA0003811384230000021
是信号发射端Sn在时刻t，获得的信道传输容量；
Figure BDA0003811384230000022
为信号发射端Sn在时刻t获得的信道传输容量集合，
Figure BDA0003811384230000023
代表第M个信道的传输容量；
(6)
Figure BDA0003811384230000024
表示在时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量；
Figure BDA0003811384230000025
为时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量集合，
Figure BDA0003811384230000026
为时刻t信号发射端选择第M个中继节点的概率；
S1：信号发射端在时刻t，根据当前时刻的概率得到信号发射端经过中继节点后的信道传输容量：
Figure BDA0003811384230000031
S2：根据S1，找到信号发射端最佳状态，也就是使信号发射端在时刻t获得最大信道容量的状态：
Figure BDA0003811384230000032
Figure BDA0003811384230000033
代表时刻t，信号发射端的最大信道容量传输状态；
S3：根据信号发射端最佳状态
Figure BDA0003811384230000034
得到最新的概率向量：
Figure BDA0003811384230000035
其中，
Figure BDA0003811384230000036
n为常数决定步长Δ的大小，
Figure BDA0003811384230000037
为t+1时刻下第m个状态下对应信号发射端Sn的概率,
Figure BDA0003811384230000038
代表时刻t，信号发射端Sn的最大信道容量传输状态；
S4：重复S1、S2、S3步骤，直到出现
Figure BDA0003811384230000039
则该频率所对应的中继节点便是该信号发射端的最佳信号中继节点。
一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统的信号传输方法，其信号传输方法包括以下步骤
步骤一、当执行飞行任务时，搭载信号中继传输装置的无人机，飞到高空，中继信号装置开始接收地面控制站的信号；
步骤二、信号中继站收到地面控制站控制后，携带信号中继传输装置的无人机将控制命令通过MQTT协议传输，以一对多的方式将控制命令发送到各台巡检作业无人机；
步骤三、巡检作业无人机采用COFDM技术将图像信号传送至中继站，由中继站转发至地面。
本发明的有益效果是：无人机信号中继站是一个包括多个子载波传输通道的全双工基站，每一个子载波传输通道都是一个中继节点，用于转发输电线路巡检作业无人机与地面控制站的图传和控制信号，每个中继节点都能作为信号发射端与信号接收端的信号传输通道，本方法提供的中继节点自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点，降低中继节点的算法复杂度，提高传输速率。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明中继信号传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例一
如图1至图2所示，一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统，包括无人机信号中继站，所述无人机信号中继站采用双频通信，一种频率信号与其它无人机通信，另一种频率信号与地面控制站通信；
所述无人机信号中继站包括多个中继节点，每个所述中继节点作为信号发射端与信号接收端的信号传输通道，通过所述中继节点的自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点；
所述无人机信号中继站还包括巡检作业无人机和信号中继传输装置，其中，所述巡检作业无人机采用COFDM技术将无人机的图像信号传输至地面，所述信号中继传输装置采用MQTT协议传输信号至巡检作业无人机。
在本发明实施例中，所述地面控制站采用定向天线传输信号，且所述无人机信号中继站采用全向天线。
在本发明实施例中，所述无人机信号中继站在实时与巡检作业无人机和地面控制站同时通信时，采用双频信号，且中继站的信号传输频率在1.3G-5.8G之间自动切换。
在本发明实施例中，所述信号发射端自主选择合适的中继节点，且每个所述中继节点被选择的初始概率相等。
在本发明实施例中，所述中继节点自适应分配算法过程如下：
(7)每个中继节点代表一种状态，信号发射端可选中继节点的集合为：
α＝(1，…M)
α为中继节点的集合，M代表中继节点数量；
(8)
Figure BDA0003811384230000051
是信号发射端Sn在时刻t，获得的信道传输容量；
Figure BDA0003811384230000052
为信号发射端Sn在时刻t获得的信道传输容量集合，
Figure BDA0003811384230000053
代表第M个信道的传输容量；
(9)
Figure BDA0003811384230000054
表示在时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量；
Figure BDA0003811384230000055
为时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量集合，
Figure BDA0003811384230000056
为时刻t信号发射端选择第M个中继节点的概率；
S1：信号发射端在时刻t，根据当前时刻的概率得到信号发射端经过中继节点后的信道传输容量：
Figure BDA0003811384230000061
S2：根据S1，找到信号发射端最佳状态，也就是使信号发射端在时刻t获得最大信道容量的状态：
Figure BDA0003811384230000062
Figure BDA0003811384230000063
代表时刻t，信号发射端的最大信道容量传输状态；
S3：根据信号发射端最佳状态
Figure BDA0003811384230000064
得到最新的概率向量：
Figure BDA0003811384230000065
其中，
Figure BDA0003811384230000066
n为常数决定步长Δ的大小，
Figure BDA0003811384230000067
为t+1时刻下第m个状态下对应信号发射端Sn的概率,
Figure BDA0003811384230000068
代表时刻t，信号发射端Sn的最大信道容量传输状态；
S4：重复S1、S2、S3步骤，直到出现
Figure BDA0003811384230000069
则该频率所对应的中继节点便是该信号发射端的最佳信号中继节点。
实施例二
如图1至图2所示，一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统及信号传输方法，其信号传输方法包括以下步骤
步骤一、当执行飞行任务时，搭载信号中继传输装置的无人机，飞到高空，中继信号装置开始接收地面控制站的信号；
步骤二、信号中继站收到地面控制站控制后，携带信号中继传输装置的无人机将控制命令通过MQTT协议传输，以一对多的方式将控制命令发送到各台巡检作业无人机；
步骤三、巡检作业无人机采用COFDM技术将图像信号传送至中继站，由中继站转发至地面。
实施例三
一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统的信号传输方法，包括
1.当执行飞行任务时，搭载信号中继传输装置的无人机，飞到高空，中继信号装置开始接收地面控制站的信号；
2.确定信号发射端的最佳中继节点，中继站与信号发射端的工作模式如下：
(10)每个中继节点代表一种状态，信号发射端可选中继节点的集合为：
α＝(1，…M)
α为中继节点的集合，M代表中继节点数量；
(11)
Figure BDA0003811384230000071
是信号发射端Sn在时刻t，获得的信道传输容量；
Figure BDA0003811384230000072
为信号发射端Sn在时刻t获得的信道传输容量集合，
Figure BDA0003811384230000073
代表第M个信道的传输容量；
(12)
Figure BDA0003811384230000074
表示在时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量；
Figure BDA0003811384230000075
为时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量集合，
Figure BDA0003811384230000076
为时刻t信号发射端选择第M个中继节点的概率；
S1：信号发射端在时刻t，根据当前时刻的概率得到信号发射端经过中继节点后的信道传输容量：
Figure BDA0003811384230000077
S2：根据S1，找到信号发射端最佳状态，也就是使信号发射端在时刻t获得最大信道容量的状态：
Figure BDA0003811384230000081
Figure BDA0003811384230000082
代表时刻t，信号发射端的最大信道容量传输状态。
S3：根据信号发射端最佳状态
Figure BDA0003811384230000083
得到最新的概率向量：
Figure BDA0003811384230000084
其中，
Figure BDA0003811384230000085
n为常数决定步长Δ的大小，
Figure BDA0003811384230000086
为t+1时刻下第m个状态下对应信号发射端Sn的概率,
Figure BDA0003811384230000087
代表时刻t，信号发射端Sn的最大信道容量传输状态。
S4：重复S1、S2、S3步骤，直到出现
Figure BDA0003811384230000088
则该频率所对应的中继节点便是该信号发射端的最佳信号中继节点。
3.信号中继节点收到地面控制站控制后，携带信号中继传输装置的无人机将控制命令通过MQTT协议传输，以一对多的方式将控制命令发送到各台巡检作业无人机，巡检作业无人机采用COFDM技术将图像信号传送至中继节点，由中继节点转发至地面。
工作原理：将无人机和中继系统结合起来，通过无人机挂载信号中继装置将信号进行桥接使距离传输更远质量更好，使飞机的作业范围更大；为了克服中继站不同中继节点对应信号发射端的信号传输速率不同所带来信号传输速率降低的问题，通过中继节点自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点，降低中继节点的算法复杂度，提高传输速率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统，其特征在于：包括无人机信号中继站，所述无人机信号中继站采用双频通信，一种频率信号与其它无人机通信，另一种频率信号与地面控制站通信；
所述无人机信号中继站包括多个中继节点，每个所述中继节点作为信号发射端与信号接收端的信号传输通道，通过所述中继节点的自适应分配算法，使得信号发射端能够自主选择合适的中继节点；
所述无人机信号中继站还包括巡检作业无人机和信号中继传输装置，其中，所述巡检作业无人机采用COFDM技术将无人机的图像信号传输至地面，所述信号中继传输装置采用MQTT协议传输信号至巡检作业无人机。
2.根据权利要求1所述的基于COFDM的无人机信号中继基站系统，其特征在于：所述地面控制站采用定向天线传输信号，且所述无人机信号中继站采用全向天线。
3.根据权利要求1所述的基于COFDM的无人机信号中继基站系统，其特征在于：所述无人机信号中继站在实时与巡检作业无人机和地面控制站同时通信时，采用双频信号，且中继站的信号传输频率在1.3G-5.8G之间自动切换。
4.根据权利要求1所述的基于COFDM的无人机信号中继基站系统，其特征在于：所述信号发射端自主选择合适的中继节点，且每个所述中继节点被选择的初始概率相等。
5.根据权利要求1所述的基于COFDM的无人机信号中继基站系统，其特征在于：所述中继节点自适应分配算法过程如下：
(1)每个中继节点代表一种状态，信号发射端可选中继节点的集合为：
α＝(1，…M)
α为中继节点的集合，M代表中继节点数量；
(2)
Figure FDA0003811384220000011
是信号发射端Sn在时刻t，获得的信道传输容量；
Figure FDA0003811384220000021
为信号发射端Sn在时刻t获得的信道传输容量集合，
Figure FDA0003811384220000022
代表第M个信道的传输容量；
(3)
Figure FDA0003811384220000023
表示在时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量；
Figure FDA0003811384220000024
为时刻t信号发射端选择中继节点的概率向量集合，
Figure FDA0003811384220000025
为时刻t信号发射端选择第M个中继节点的概率；
S1：信号发射端在时刻t，根据当前时刻的概率得到信号发射端经过中继节点后的信道传输容量：
Figure FDA0003811384220000026
S2：根据S1，找到信号发射端最佳状态，也就是使信号发射端在时刻t获得最大信道容量的状态：
Figure FDA0003811384220000027
Figure FDA0003811384220000028
代表时刻t，信号发射端的最大信道容量传输状态；
S3：根据信号发射端最佳状态
Figure FDA0003811384220000029
得到最新的概率向量：
Figure FDA00038113842200000210
其中，
Figure FDA00038113842200000211
n为常数决定步长Δ的大小，
Figure FDA00038113842200000212
为t+1时刻下第m个状态下对应信号发射端Sn的概率,
Figure FDA00038113842200000213
代表时刻t，信号发射端Sn的最大信道容量传输状态；
S4：重复S1、S2、S3步骤，直到出现
Figure FDA0003811384220000031
则该频率所对应的中继节点便是该信号发射端的最佳信号中继节点。
6.一种基于COFDM的无人机信号中继基站系统的信号传输方法，其特征在于：其信号传输方法包括以下步骤
步骤一、当执行飞行任务时，搭载信号中继传输装置的无人机，飞到高空，中继信号装置开始接收地面控制站的信号；
步骤二、信号中继站收到地面控制站控制后，携带信号中继传输装置的无人机将控制命令通过MQTT协议传输，以一对多的方式将控制命令发送到各台巡检作业无人机；
步骤三、巡检作业无人机采用COFDM技术将图像信号传送至中继站，由中继站转发至地面。
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