CN115473545A - 用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法和系统 - Google Patents

用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法和系统 Download PDF

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CN115473545A CN202211126268.0A CN202211126268A CN115473545A CN 115473545 A CN115473545 A CN 115473545A CN 202211126268 A CN202211126268 A CN 202211126268A CN 115473545 A CN115473545 A CN 115473545A
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韩志君
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Abstract

本发明提供一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法，涉及无线通信领域，所述方法包括：获取发送方和接收方直接进行通信时受到干扰的干扰方位置及干扰功率；基于发送方位置、接收方位置以及获得的干扰方位置和干扰功率，确定发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信的最佳中继节点位置，其中，最佳中继节点位置是发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信时获得最大吞吐量的中继节点位置；基于确定的最佳中继节点位置，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，以使所述发送方和所述接收方基于其进行中继通信。本发明充分利用无人机的特性并且有效规避干扰信号，保证了通信质量。

Description

用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法和系统
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体来说，涉及抗干扰的无线通信领域，更具体地说，涉及一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法和系统。
背景技术
随着信息技术的不断发展，无线通信在民用和军事通信领域发挥着越来越重要的作用。然而，无线通信中使用的无线信号具有开放特性，极易受到干扰，也使得使用无线通信的通信系统可靠性面临着严重威胁。尤其是在军事通信场景中，无线通信是各个军种协同互通的桥梁，一旦受到恶意干扰，将会导致任务的失败。由此，研究抗干扰无线通信技术具有重要意义。
现有技术中，常采用跳频通信来解决无线通信技术中的抗干扰问题。如文献[1]记载的通信技术，使用了跳频通信快速有规律的改变通信系统中心频率的方式实现无线通信中的抗干扰。然而，随着干扰方不断增强的跟踪能力，利用跳频通信获得的抗干扰效果逐渐降低。例如，干扰方采用引导跟踪干扰方式(通过先检测、后干扰的方式对跳频信号进行瞄准式干扰)是一种针对跳频信号的有效干扰方案，极大地降低了运用跳频通信进行抗扰的技术效果。另外，随着物联网设备的涌现，有限的频谱资源需要提供给越来越多的无线设备，使得频率资源日益紧张。这样的万物互联的场景使得跳频通信(需要利用额外的频谱资源支持信号在调频后的不同频段上通信)的适用性会逐渐降低。
为了提高跳频通信的适用性，以及适应未来空天地海一体化的通信场景(其中，无线设备复杂多样、空间资源丰富)的能力，现有技术采用了网络波束跳变的技术来更好地解决无线通信的抗干扰。网络波束跳变是指收发合法通信的双方在直接通信链路受到干扰后，利用网络中的空闲节点，以及结合多天线技术形成的空间波束指向性，在新的链路上实现通信完成信息传输。如文献[2]记载的一种基于网络空间协同的抗干扰方法，其综合利用网络中的空闲中继节点以及多天线的空间指向性来实现抗干扰。为了提高通信系统在干扰环境下的生存能力，现有技术也采用无人机作为中继节点进行抗干扰通信。如文献[3]记载的一种基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法，其利用无人机作为中继节点，完成低轨卫星与受干扰无人机之间的通信。然而无人机是典型的功率受限平台，与陆地物联网通信系统相比，利用无人机进行物联网通信过程中需要额外消耗推进能量以维持飞行姿态和空中移动。如文献[4]记载的一种基于无人机的物联网无线通信的潜力与方法，在实际情况中，无人机的推进功率消耗一般远高于通信相关能量。由此将无人机作为中继节点时，需要尽可能减少推进损耗。如文献[3]记载的抗干扰攻击方法中减少无人机的推进损耗是以位置固定的一组无人机群作为中继节点，在受到干扰后通过遍历的方法选取某一位置固定的无人机作为最优中继节点，但由于无人机数量受限，该抗干扰攻击方法中的最优中继节点并不能基于网络覆盖的所有位置进行确定得到，即抗干扰通信方法达到的抗干扰效果受到预选取无人机位置的限制，并没有充分利用无人机可移动的特性，使得抗干扰能力存在着一定局限性。因此，如何充分利用无人机可移动的特性以提高抗干扰能力，是用无人机设备作为中继需要解决的首要问题。
参考文献如下：
[1]征惠玲.国外无线通信抗干扰技术研究进展[J].电讯技术,2014,54(4):524-528.
[2]张渭乐.一种基于多点协作的网络空域抗干扰方法[P].中国专利:公开号CN105634518A.
[3]于季弘，巩玥.基于中继和波束赋形的空天地网络无人机抗干扰攻击方法[P].中国专利:112311434,2021.02.02.
[4]宋庆恒,郑福春.基于无人机的物联网无线通信的潜力与方法[J].物联网学报,2019,3(1):82-89.
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法和系统。
根据本发明的第一方面，提供一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法，无线通信的双方包括合法通信的发送方和接收方，所述发送方和所述接收方可直接进行通信，所述发送方与所述接收方之间有多个可用于中继通信的无人机，所述方法包括：
S1、获取发送方和接收方直接进行通信时受到干扰的干扰方位置及干扰功率；
S2、基于发送方位置、接收方位置以及步骤S1中获得的干扰方位置和干扰功率，确定发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信的最佳中继节点位置，其中，最佳中继节点位置是发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信时获得最大吞吐量的中继节点位置；
S3、基于步骤S2确定的最佳中继节点位置，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，以使所述发送方和所述接收方基于其进行中继通信。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2包括：
S21、根据步骤S1获得的干扰方位置和干扰功率，计算以发送方和接收方之间的多个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量；
S22、将步骤S21中计算得到的所有吞吐量中的最大值所对应的中继节点位置作为所述最佳中继节点位置。
优选的，发送方和接收方之间的多个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量是以无人机在该中继节点位置时得到的发送方到无人机的吞吐量和无人机到接收方的吞吐量中的较小者。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式确定发送方到每个中继节点位置的无人机的吞吐量：
Figure BDA0003848397620000031
其中，R1是发送方到无人机的吞吐量，SINRthr是信干噪比阈值，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的信干噪比。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式计算所述发送方与无人机进行通信时无人机在每个中继节点位置接收到的信干噪比：
Figure BDA0003848397620000032
其中，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的的信干噪比，f1是发送方的发送波束赋形向量，
Figure BDA0003848397620000041
是发送方到无人机的信道矩阵,t1和r1分别代表发送方与无人机进行通信时的发送方和无人机，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d1是基于发送方与无人机的位置得到的发送方与无人机之间的欧式距离，α是路径损耗指数，
Figure BDA0003848397620000042
是发送方的发送天线数，
Figure BDA0003848397620000043
是无人机的接收天线数，
Figure BDA0003848397620000044
是
Figure BDA0003848397620000045
维的复数空间，w1是无人机的接收向量，w1 H是w1的共轭转置，x1(t)是发送方的发送信号，x1 *(t)为x1(t)的共轭，E(x1(t)x1 *(t))是发送方发送信号的平均功率，δ1 2是无人机接收到的平均噪声功率，
Figure BDA0003848397620000046
是干扰方到无人机的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J（t)J*(t))是干扰信号的干扰功率。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定在每个中继节点位置的无人机到接收方的吞吐量：
Figure BDA0003848397620000047
其中，R2是无人机到接收方的吞吐量；SINRthr是信干噪比阈值，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的信干噪比。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式计算无人机与所述接收方进行中继通信时对于无人机的每个中继节点位置，所述接收方接收到的信干噪比：
Figure BDA0003848397620000048
其中，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的的信干噪比，f2是无人机的发送波束赋形向量，
Figure BDA0003848397620000049
是无人机到接收方的信道矩阵,t2和r2分别代表无人机与所述接收方进行通信时的无人机和接收方，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d2是基于无人机与接收方的位置得到的无人机与接收方之间的欧式距离，
Figure BDA00038483976200000410
是无人机的发送天线数，
Figure BDA00038483976200000411
是接收方的接收天线数，
Figure BDA00038483976200000412
是
Figure BDA00038483976200000413
Figure BDA00038483976200000414
维的复数空间，w2是接收方的接收向量，w2 H是w2的共轭转置，x2(t)是无人机的发送信号，x2 *(t)是x2(t)的共轭，E(x2(t)x2 *(t))是无人机发送信号的平均功率，δ2 2是接收方接收到的平均噪声功率，
Figure BDA0003848397620000051
是干扰方到接收方的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J(t)J*(t))是干扰信号的干扰功率。
根据本发明的第二方面，提供一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信系统，所述系统包括：多个无人机、多个合法通信的发送方和接收方，其中，每对发送方和接收方可直接进行通信，所述每对发送方和接收方被配置为根据本发明第一方面所述方法进行通信。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过发送方位置、接收方位置以及干扰方位置和干扰功率来确定发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信的最佳中继节点位置，使得最佳中继节点位置不以无人机的固定位置为参考位置，而是基于网络覆盖的所有位置进行确定，然后控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，以使发送方和接收方基于其进行中继通信。这样使得最佳中继节点位置的确定过程中降低了系统的成本、复杂度，且尽可能降低了无人机能量的无用损耗来有效规避干扰信号，保证了通信质量。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例提供的一种通信场景示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种通信系统的波束跳变工作过程状态转移图；
图3为根据本发明实施例提供干扰方位置的一种计算示意图；
图4为根据本发明实施例提供的一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法的流程图；
图5为根据本发明实施例提供最佳中继节点位置的一种计算示意图；
图6为根据本发明实施例提供的通信高度为300米的平面上的各个中继节点对应吞吐量的仿真图。
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，以下通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如在背景技术部分提到的现有技术中，由于无人机数量受限，抗干扰通信方法中的最优中继节点并不能基于网络覆盖的所有位置进行确定得到，即该抗干扰通信方法达到的抗干扰效果受到预选取无人机位置的限制，并没有充分利用无人机可移动的特性，使得其抗干扰能力存在着一定局限性。如何充分利用无人机可移动的特性以提高抗干扰能力，是用无人机设备作为中继需要解决的首要问题。
为了更好地理解本发明，首先介绍一下通信双方的通信场景。如图1所示，通信双方为合法发送方A和合法发送方B，合法发送方A和合法发送方B之间有多个可用于中继通信的中继无人机C。以下再结合通信系统的波束跳变工作过程状态进行通信场景的讲解，如图2所示，初始时合法发送方A、合法接收节方B与中继无人机C均处于空闲状态，干扰方D处于监听状态。合法发送方A和合法发送方B可通过波速对准操作直接进行通信，合法发送方A利用其内设置的数据发送模块将波束对准合法发送方B，通过链路一向合法发送方B发送需传输的数据，合法发送方B接收合法发送方A的数据。当合法发送方A和合法发送方B直接进行通信中存在一个发送信号与干扰方D的入射方向接近时，干扰方D截获到了发送信号，即判断链路一上存在通信情况，监听到了通信，随即对合法发送方A和合法发送方B之间的直接通信实施全向干扰。由于合法发送方A和合法发送方B之间的直接通信受到干扰信号影响，合法接收方B的信号接收误块率持续保持在较高水平(如合法接收方B计算的误块率持续保持的时间达到预设时间,例如5秒钟)时，合法接收方B感知到其受到干扰，并将受到干扰这一信息反馈给合法发送方A。合法发送方A收到该信息反馈，停止通过链路一发送合法信息，并与合法接收方B联合感知干扰的详细信息(例如干扰方位置及干扰功率)。
其中，干扰方D的全向干扰信号在空间的辐射情况可以假设为半球形，即干扰方D的干扰功率在辐射各个方向传播相同距离的功率情况相同。其中，感知干扰方D的干扰方位置的确定是通过合法发送方A和合法接收方B通过调整天线阵列，在全空间对干扰信号进行波束扫描，将合法发送方A或合法接收方B接收到干扰信号功率最大的波束指向确定为干扰方D在合法发送方A或合法接收方B的朝向，然后根据合法发送方A、合法接收方B所在的位置，计算出干扰方位置。根据本发明的一个示例，如图3所示，将合法发送方A、合法接收方B所在的位置与干扰方D位置设为一个三角形，将扰方D在合法发送方A和合法接收方B的朝向对应转换为三角形的一个夹角θTX→jammer和另一个夹角θjammer→RX，然后通过三角形的计算公式得到干扰方D位置。需要说明的是，此处如何感知干扰方D的位置是本领域技术员公知的，此处不再赘述。其中，对于干扰功率Pj的计算，可以通过以下公式得到：
Figure BDA0003848397620000071
其中，N为噪声功率，SINRpure和SINRjammed分别为在合法发送方A的信号功率S相同情况下，合法接收方B的在干扰前和干扰后的收到的信干噪比。
在得到干扰方位置及干扰功率的条件下，本发明提供一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法，通过计算合法发送方与合法接收方之间的能获得最大吞吐量的中继节点位置，并利用无人机的可移动性将无人机移动到该位置以使发送方和接收方基于无人机进行中继通信。概括来说，如图4所示，本发明方法包括：S1、获取发送方和接收方直接进行通信时受到干扰的干扰方位置及干扰功率；S2、基于发送方位置、接收方位置以及步骤S1中获得的干扰方位置和干扰功率，确定发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信的最佳中继节点位置，其中，最佳中继节点位置是发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信时获得最大吞吐量的中继节点位置；S3、基于步骤S2确定的最佳中继节点位置，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，以使所述发送方和所述接收方基于其进行中继通信。本发明提供的用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法与传统跳频通信等抗干扰方案相比，可以从发送方和接收方之间所有中继通信位置中确定出最佳中继节点位置，充分利用无人机可移动特性，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，有效降低无人机部署成本，极大减少其能量的无用损耗(即延长了其持续工作时间)，并且有效规避干扰信号，保证了通信质量。
由于步骤S1中的干扰方位置及干扰功率的获取是本领域技术人员公知的，本发明不再赘述，为了更好的理解本发明的实现过程，下面详细说明一下步骤S2中涉及到的最佳中继节点位置的计算和步骤S3中涉及到的中继通信的建立。
一、最佳中继节点位置的计算(即图2中指示的计算找出最佳中继节点)
对于本发明的工作场景可以用三维坐标系(x,y，z)表示，其中(x,y)坐标代表水平面位置，z轴表示垂直高度。
根据本发明的一个实施例，本发明通过如下方式计算最佳中继节点位置：S21、根据步骤S1获得的干扰方位置和干扰功率，计算以发送方和接收方之间的每个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量；优选的，将中继节点的x、y、z坐标设为变量，计算各个位置作为中继节点时系统可以达到的吞吐量。根据计算结果，找出吞吐量最大的中继节点对应的x、y、z坐标，该坐标即为最优中继节点位置；S22、将步骤S21中计算得到的所有吞吐量中的最大值所对应的中继节点位置作为所述最佳中继节点位置。根据本发明的一个实施例，发送方和接收方之间的每个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量是以无人机在该中继节点位置时得到的发送方到无人机的吞吐量和无人机到接收方的吞吐量中的较小者。
根据本发明的一个实施例，最优中继节点选择公式如下：
Figure BDA0003848397620000081
其中RTx→relay(xrelayLink,yrelayLink,ZrelayLink)和Rrelay→Rx(xrelayLink,yrelayLLink,ZrelayLink)分别代表发送方到无人机的吞吐量与无人机到接收方的吞吐量，(xrelayLink,yrelayLink,ZrelayLink)是中继节点位置，maxRjrelayLink(xrelayLink,yrelayLink,ZrelayLink)表示选择所有吞吐量最大者，RjrelayLink是发送方和接收方之间的每个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式确定发送方到每个中继节点位置的无人机的吞吐量：
Figure BDA0003848397620000082
其中，R1是发送方到无人机的吞吐量，SINRthr是信干噪比阈，需要说明的是，SINRthr是受通信系统的硬件与其所在的通信环境限制的，当SINR1大于等于SINRthr时，SINR1取恒定值SINRthr，SINRthr优选为20dB，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的信干噪比。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式计算所述发送方与无人机进行通信时无人机在每个中继节点位置接收到的信干噪比：
Figure BDA0003848397620000091
其中，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的的信干噪比，f1是发送方的发送波束赋形向量，
Figure BDA0003848397620000092
是发送方到无人机的信道矩阵,t1和r1分别代表发送方与无人机进行通信时的发送方和无人机，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d1是基于发送方与无人机的位置得到的发送方与无人机之间的欧式距离，α是路径损耗指数，
Figure BDA0003848397620000093
是发送方的发送天线数，
Figure BDA0003848397620000094
是无人机的接收天线数，
Figure BDA0003848397620000095
是
Figure BDA0003848397620000096
维的复数空间，w1是无人机的接收向量，w1 H是w1的共轭转置，x1(t)是发送方的发送信号，x1 *(t)为x1(t)的共轭，E(x1(t)x1 *(t))是发送方发送信号的平均功率，δ1 2是无人机接收到的平均噪声功率，
Figure BDA0003848397620000097
是干扰方到无人机的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J(t)J*(t))是干扰信号的干扰功率。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定在每个中继节点位置的无人机到接收方的吞吐量：
Figure BDA0003848397620000098
其中，R2是无人机到接收方的吞吐量；SINRthr是信干噪比阈值，需要说明的是，SINRthr是受通信系统的硬件与其所在的通信环境限制的，当SINR2大于等于SINRthr时，SINR1取恒定值SINRthr，SINRthr优选为20dB，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的信干噪比。
根据本发明的一个实施例，通过以下方式计算无人机与所述接收方进行中继通信时对于无人机的每个中继节点位置，所述接收方接收到的信干噪比：
Figure BDA0003848397620000099
其中，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的的信干噪比，f2是无人机的发送波束赋形向量，
Figure BDA0003848397620000101
是无人机到接收方的信道矩阵,t2和r2分别代表无人机与所述接收方进行通信时的无人机和接收方，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d2是基于无人机与接收方的位置得到的无人机与接收方之间的欧式距离，
Figure BDA0003848397620000102
是无人机的发送天线数，
Figure BDA0003848397620000103
是接收方的接收天线数，
Figure BDA0003848397620000104
是
Figure BDA0003848397620000105
Figure BDA0003848397620000106
维的复数空间，w2是接收方的接收向量，w2 H是w2的共轭转置，x2(t)是无人机的发送信号，x2 *(t)是x2(t)的共轭，E(x2(t)x2 *(t))是无人机发送信号的平均功率，δ2 2是接收方接收到的平均噪声功率，
Figure BDA0003848397620000107
是干扰方到接收方的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J（t）J*(t))是干扰信号的干扰功率。
通过上述步骤，计算合法通信双方之间的中继通信空间中多个中继节点位置对应的吞吐量，将其中的最大值所对应的中继节点位置作为最优中继节点位置。根据本发明的一个实施例，合法通信双方之间的中继通信空间为一个预设通信空间，在预设通信空间按照预设间距设置多个中继节点位置，然后分别计算得到预设通信空间中每个中继节点对应的吞吐量，需要说明的是，预设间距的大小可以根据计算能力确定，即根据计算所有中继节点对应的吞吐量所需的总时间进行预设间距的设置，例如，假定该总时间大于2秒时，则将预设间距上调至20厘米。预设间距越大，需要计算的位置越少，计算所需要的时间也越少。反之，预设间距越小，需要计算的位置越多，计算所需要的时间也越多。预设间距可以根据实验进行确定，是本领域技术人员公知的，此处不再进行赘述。这样得到的最优中继节点位置是整个预设通信空间(合法通信双方之间的中继通信空间)中的最佳，不受无人机固定位置的约束，降低了通信系统的成本和复杂度。
二、中继通信的建立
根据本发明的一个实施例，发送方确定出最佳中继节点位置时，根据发送方存储的在合法通信双方之间布置的无人机的位置，确定出布置在离最佳中继节点位置最近的空闲无人机作为合法通信双方进行中继通信的无人机，并向该无人机发送控制命令信息，使其移动到最佳中继节点位置。然后合法通信双方通过波束方向调整与移动到最佳中继节点位置的无人机建立中继通信，完成波束跳变。需要说明的是，与无人机建立中继通信的过程是技术员均知的，此处不再赘述。
以下给出本发明的一个示例，如图5所示，设合法发送方和合法接收方之间的中心点作为该三维坐标系的原点(0，0，0)，合法发送方A位于坐标(-1000，0，0)的位置，合法接收方B位于(1000，0，0)的位置，二者均为8天线MIMO系统，发送总功率均为1W，工作带宽为50MHz。干扰及噪声参数：干扰方D位于(0，-500，0)的坐标位置，为单天线系统，干扰类型为全频带宽带压制式干扰，干扰功率为1W/MHz，总功率50W。信道噪声功率谱密度为10-18W/Hz。假定合法通信双方之间总共设置有5台无人机，无人机1至无人机5部署位置依次为(-500，1000，200)、(500，1000，200)、(0，0，300)、(-500，-1000，250)和(500，-1000，250)，计算5台无人机部署位置对应的吞吐量。以本发明中最佳中继节点位置的计算方法确定出最大吞吐量的中继节点位置坐标，记为最佳中继节点位置
Figure BDA0003848397620000111
需要说明的是，为了更直观的体现通信场景中的中继节点位置坐标与其对应吞吐量的关系，将通信场景中的中继节点位置坐标与其对应吞吐量进行仿真，为了方便展示，将多个同一高度的中继节点与其对应的吞吐量进行仿真，经过比较，高度均为300米对应的仿真图中包含最佳中继节点位置
Figure BDA0003848397620000112
如图6所示，中继节点(-600，1400，300)为最大吞吐量所对应的中继节点即最佳中继节点位置
Figure BDA0003848397620000113
其对应的吞吐量为3.06bits/s/Hz。最佳中继节点和5台无人机所在位置对应的吞吐量如表1所示。
表1
Figure BDA0003848397620000114
计算5台无人机所在位置与最优中继节点(-600，1400，300)的欧式距离，经过比较所有的欧式距离得知距离最优中继节点(-600，1400，300)最近的无人机为无人机1。优选合法发送方A控制无人机1(-500，1000，200)前往该最优中继节点位置(-600，1400，300)，然后合法通信双方通过波束方向调整与移动到最佳中继节点（-600，1400，300)的无人机1建立中继通信，完成波束跳变。完成波束跳变后，合法通信双方通过链路二以3.06bits/s/Hz的吞吐量进行中继通信进行中继通信，即，合法发送方A向移动至最佳中继节点位置(-600，1400，300)的无人机C(即无人机1)发送信息，无人机C(无人机1)接收A的信息并转发给合法发送方B。，由此，本发明建立的中继通信的吞吐量(3.06bits/s/Hz)大于以任何一台无人机所在位置的确定的吞吐量，保证了通信质量；将无人机1(-500，1000，200)派遣至最优中继节点(-600，1400，300)所需距离，比派遣其他4台中任一台移动至最优中继节点(-600，1400，300)所需距离都要小，极大减少无人机作为中继节点的无用能量损耗。
综上所述，本发明提供的一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法可以从发送方和接收方之间所有中继通信位置中确定出最佳中继节点位置，充分利用无人机可移动特性，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，有效降低无人机部署成本，极大减少其能量的无用损耗(即延长了其持续工作时间)，并且有效规避干扰信号，保证了通信质量。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信方法，无线通信的双方包括合法通信的发送方和接收方，所述发送方和所述接收方可直接进行通信，所述发送方与所述接收方之间有多个可用于中继通信的无人机，所述方法包括：
S1、获取发送方和接收方直接进行通信时受到干扰的干扰方位置及干扰功率；
S2、基于发送方位置、接收方位置以及步骤S1中获得的干扰方位置和干扰功率，确定发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信的最佳中继节点位置，其中，最佳中继节点位置是发送方与接收方以无人机为中继节点进行中继通信时获得最大吞吐量的中继节点位置；
S3、基于步骤S2确定的最佳中继节点位置，控制距离该最佳中继节点位置最近且处于空闲状态的无人机移动到该最佳中继节点位置，以使所述发送方和所述接收方基于其进行中继通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、根据步骤S1获得的干扰方位置和干扰功率，计算以发送方和接收方之间的多个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量；
S22、将步骤S21中计算得到的所有吞吐量中的最大值所对应的中继节点位置作为所述最佳中继节点位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，发送方和接收方之间的多个位置为中继节点进行中继通信的吞吐量是以无人机在该中继节点位置时得到的发送方到无人机的吞吐量和无人机到接收方的吞吐量中的较小者。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定发送方到每个中继节点位置的无人机的吞吐量：
Figure FDA0003848397610000011
其中，R1是发送方到无人机的吞吐量，SINRthr是信干噪比阈值，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的信干噪比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下方式计算所述发送方与无人机进行通信时无人机在每个中继节点位置接收到的信干噪比：
Figure FDA0003848397610000021
其中，SINR1是所述发送方与无人机进行通信时无人机接收到的的信干噪比，f1是发送方的发送波束赋形向量，
Figure FDA0003848397610000022
是发送方到无人机的信道矩阵,t1和r1分别代表发送方与无人机进行通信时的发送方和无人机，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d1是基于发送方与无人机的位置得到的发送方与无人机之间的欧式距离，α是路径损耗指数，
Figure FDA0003848397610000023
是发送方的发送天线数，
Figure FDA0003848397610000024
是无人机的接收天线数，
Figure FDA0003848397610000025
是
Figure FDA0003848397610000026
维的复数空间，w1是无人机的接收向量，w1 H是w1的共轭转置，x1(t)是发送方的发送信号，x1 *(t)为x1(t)的共轭，E(x1(t)x1 *(t))是发送方发送信号的平均功率，δ1 2是无人机接收到的平均噪声功率，
Figure FDA0003848397610000027
是干扰方到无人机的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J(t)J*(t))是干扰信号的干扰功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定在每个中继节点位置的无人机到接收方的吞吐量：
Figure FDA0003848397610000028
其中，R2是无人机到接收方的吞吐量；SINRthr是信干噪比阈值，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的信干噪比。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下方式计算无人机与所述接收方进行中继通信时对于无人机的每个中继节点位置，所述接收方接收到的信干噪比：
Figure FDA0003848397610000029
其中，SINR2是无人机与所述接收方进行通信时接收方接收到的的信干噪比，f2是无人机的发送波束赋形向量，
Figure FDA00038483976100000210
是无人机到接收方的信道矩阵,t2和r2分别代表无人机与所述接收方进行通信时的无人机和接收方，Hsmall是小尺度衰落信道，ρ0是参考距离1m处的路径损耗，d2是基于无人机与接收方的位置得到的无人机与接收方之间的欧式距离，
Figure FDA0003848397610000031
是无人机的发送天线数，
Figure FDA0003848397610000032
是接收方的接收天线数，
Figure FDA0003848397610000033
是
Figure FDA0003848397610000034
Figure FDA0003848397610000035
维的复数空间，w2是接收方的接收向量，w2 H是w2的共轭转置，x2(t)是无人机的发送信号，x2 *(t)是x2(t)的共轭，E(x2(t)x2 *(t))是无人机发送信号的平均功率，δ2 2是接收方接收到的平均噪声功率，
Figure FDA0003848397610000036
是干扰方到接收方的信道向量，J(t)表示干扰方的干扰信号，J*(t)是J(t)的共轭，E(J(t)J*(t0)是干扰信号的干扰功率。
8.一种用于网络波束协同跳变的抗干扰无线通信系统，所述系统包括：多个无人机、多个合法通信的发送方和接收方，其中，每对发送方和接收方可直接进行通信，其特征在于，所述每对发送方和接收方被配置为根据权利要求1-7任一所述方法进行通信。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至7任一所述方法的步骤。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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