無人蜂群分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)

徐 平，趙浦媛，馬天乙，劉 飛，閆飛宇，吳道龍

無人蜂群分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)

徐 平，趙浦媛，馬天乙，劉 飛，閆飛宇，吳道龍

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

為了解決無人（UAV）蜂群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)受機載端發(fā)射功率及天線口徑限制，空地通信距離受限的問題，提出了一種分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)的設(shè)計方法。基于信道反饋的校正補償信息，蜂群節(jié)點可同時發(fā)送通信信號，在地面節(jié)點處實現(xiàn)相干協(xié)作信號增強。在實驗室內(nèi)搭建原型測試系統(tǒng)，通過理論分析和實測對比，驗證了多節(jié)點相干協(xié)作傳輸?shù)耐ㄐ拍芰Α?節(jié)點協(xié)作時，相干協(xié)作能力實測可增加10.58 dB。該方法使得在保持無人蜂群數(shù)據(jù)鏈端機及全向天線不變基礎(chǔ)上，實現(xiàn)通信距離擴展、抗干擾能力提升變得可行。

無人機；無人蜂群；數(shù)據(jù)鏈；分布式相干協(xié)作通信

0 引言

近年來，局部地區(qū)沖突中無人裝備頻繁投入實戰(zhàn)，在戰(zhàn)場中的偵察監(jiān)視、目標指示、精確打擊等方面發(fā)揮了顯著效果。現(xiàn)代戰(zhàn)爭正逐步向遠程化、無人化和智能化發(fā)展。廣泛利用全域戰(zhàn)場空間的各類作戰(zhàn)平臺，增加可供構(gòu)成殺傷鏈的節(jié)點數(shù)量并增進其功能和性能，依托無人蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)，構(gòu)建全域戰(zhàn)場互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，形成群體智能支撐下的“馬賽克戰(zhàn)”體系，即時聚集非對稱性作戰(zhàn)效能[1-5]。

無人蜂群系統(tǒng)地面控制站的發(fā)射能力可遠大于空中機載端；而受限于平臺供電、載重、尺寸等要求，機載端機發(fā)射功率有限且多采用全向天線，無法通過增大天線物理孔徑來提高增益并實現(xiàn)空地通信距離擴展。在前突復(fù)雜電磁環(huán)境下，可靠的抗干擾通信也是亟待解決的關(guān)鍵問題。這就需要利用無人蜂群的群體規(guī)模優(yōu)勢，將能力在無人蜂群平臺之間再分配，通過信號處理實現(xiàn)對目標區(qū)域的高增益定向增強。

目前國內(nèi)在無人集群方向分布式相干協(xié)作通信的研究較為薄弱，多處于理論研究[6-7]及仿真分析階段[8-11]，缺少相應(yīng)的實測試驗數(shù)據(jù)支撐。本文針對無人蜂群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景，提出了一種分布式相干協(xié)作通信方法，并在實驗室有線環(huán)境下進行了實際測試，驗證了擴展通信距離、提升抗干擾能力的有效性。

1 基本系統(tǒng)模型

無人蜂群分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)模型如圖1所示，包含1個目的節(jié)點Node D和個分布式的協(xié)作節(jié)點Node 0～Node，來模擬1個地面控制站節(jié)點和個空中無人機蜂群節(jié)點；其中，地面控制站節(jié)點的發(fā)射能力遠大于空中無人機蜂群節(jié)點，即地對空通信距離要優(yōu)于空對地。在不改變?nèi)魏卧O(shè)備及天線的狀態(tài)下，利用空中節(jié)點建立分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)，實現(xiàn)雙方通信能力的對等。

所有節(jié)點均滿足時分工作，協(xié)作節(jié)點以主—從模式工作，Node 0被選舉為主節(jié)點（Master），Node 1～Node為從節(jié)點（Slave）。目的節(jié)點首先將參考信號發(fā)送給所有協(xié)作節(jié)點，協(xié)作節(jié)點以選定的主節(jié)點Node 0的時鐘信號為時間基準參考，將目的節(jié)點至所有協(xié)作節(jié)點（Node 0～Node）的路徑相位進行累積和反轉(zhuǎn)，以保證個協(xié)同節(jié)點產(chǎn)生的載波信號產(chǎn)生相干現(xiàn)象。所有協(xié)作節(jié)點將相干載波信號同時發(fā)送給目的節(jié)點，到達目的節(jié)點時即可進行有效疊加，實現(xiàn)信號功率增強，完成一次遠距離的協(xié)作通信傳輸。

圖1 多節(jié)點分布式協(xié)作相干通信系統(tǒng)模型

2 相干協(xié)作通信

針對無人蜂群的典型應(yīng)用場景，分布式相干協(xié)作通信系統(tǒng)的工作流程主要劃分為廣播參考、主從同步和相干協(xié)作三個階段。在廣播參考階段，目的節(jié)點發(fā)送參考信號，完成目的節(jié)點和所有協(xié)作節(jié)點間的時間、頻率及相位統(tǒng)一。在主從同步階段，主節(jié)點分別和從節(jié)點進行發(fā)射同步，完成協(xié)作節(jié)點間的頻率、相位統(tǒng)一。在相干協(xié)作階段，所有協(xié)作節(jié)點發(fā)送同一消息至目的節(jié)點，實現(xiàn)協(xié)作信號增強。

分布式相干協(xié)作的通信流程周期劃分如圖2所示。在每次的鏈路信號接收和信道參數(shù)估計的過程中，都會引入誤差；為保證目的節(jié)點與協(xié)作節(jié)點之間的持續(xù)協(xié)作通信，需要周期性地重復(fù)進行同步校正，來滿足一定的協(xié)作通信能力。

圖2 分布式相干協(xié)作通信周期劃分

2.1 廣播參考信號

在廣播參考信號階段，如圖3所示，目的節(jié)點向所有協(xié)作節(jié)點廣播參考信號，所有協(xié)作節(jié)點接收到參考信號后，追蹤該信號的頻率及相位信息，使得本地信號振蕩源與之同步。

圖3 廣播參考信號

2.2 主從節(jié)點同步

在主從節(jié)點同步階段，協(xié)作節(jié)點中的從節(jié)點Node 1向主節(jié)點Node 0發(fā)送從節(jié)點校正信號，主節(jié)點參考該校正信號信息校正補償本地信號振蕩源；然后發(fā)送此刻的主節(jié)點校正信號至從節(jié)點Node 1，從節(jié)點Node 1追蹤該校正信號的頻率及相位信息，使得從節(jié)點Node 1的本地信號振蕩源與之同步。其他的從節(jié)點再逐次重復(fù)該過程，直至主節(jié)點Node 0與所有從節(jié)點（Node 1～Node）完成 同步。

基于此主從同步過程，減少了協(xié)同節(jié)點間的頻率、相位誤差，所有協(xié)作節(jié)點的發(fā)射頻率和相位同步到了一定精度，基于此再進行協(xié)作相干通信。整個主從同步過程示意圖如圖4所示。

圖4 主從節(jié)點同步

2.3 分布式相干協(xié)作

在相干協(xié)作通信階段，基于前期的校正補償調(diào)整，所有協(xié)作節(jié)點同時發(fā)送同一消息信號至目的節(jié)點Node D，在目的節(jié)點Node D的接收端處有效疊加，進而達到信號增強，實現(xiàn)相干協(xié)作通信，其過程示意圖如圖5所示。

圖5 相干協(xié)作通信

3 試驗及性能評估

則此時，目的節(jié)點接收信號的信噪比為

在實驗室有線環(huán)境下搭建1個目的節(jié)點和4個協(xié)作節(jié)點的分布式相干協(xié)同通信原型系統(tǒng)。如圖6所示，所有節(jié)點通過有線環(huán)境實現(xiàn)射頻互聯(lián)，同時在目的節(jié)點處引出一路測試信號進入信號分析儀中觀察通信信號的合成狀態(tài)。搭建的無人蜂群分布式相干協(xié)作實物聯(lián)試環(huán)境如圖7所示。

圖6 多節(jié)點分布式相干協(xié)作通信測試框圖

圖7 多節(jié)點分布式相干協(xié)作實物聯(lián)試環(huán)境

為考核系統(tǒng)的多節(jié)點相干協(xié)作能力，測試時設(shè)置不同數(shù)量的協(xié)作節(jié)點參與相干協(xié)作。2節(jié)點、3節(jié)點及4節(jié)點協(xié)作時的相干協(xié)作信號接收情況分別如圖8～圖10所示，可看出多節(jié)點協(xié)作后通信信號功率值均高于單節(jié)點工作的通信信號功率值。

圖8 2節(jié)點協(xié)作時的信號合成圖

圖9 3節(jié)點協(xié)作時的信號合成圖

圖10 4節(jié)點協(xié)作時的信號合成圖

相干協(xié)作通信能力的實測結(jié)果如表1所示，可以看出隨著協(xié)同節(jié)點數(shù)量增加，協(xié)作通信能力逐漸增大，與理論分析基本相符。4節(jié)點協(xié)作時，協(xié)作能力可增加10.58 dB，可有效擴展空地通信距離至兩倍以上，驗證了分布式協(xié)作相干通信實現(xiàn)無人蜂群空地通信距離擴展、抗干擾能力提升的有效性。

表1 分布式相干協(xié)作通信能力實測結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種針對無人蜂群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的分布式相干協(xié)作通信方法，基于信道反饋信息的校正補償及調(diào)整，所有蜂群節(jié)點可同時發(fā)送通信信號，在地面節(jié)點處實現(xiàn)相干協(xié)作信號增強，從而擴展空地通信距離、提升系統(tǒng)抗干擾能力。實驗室內(nèi)的實測數(shù)據(jù)符合理論分析計算，也驗證了系統(tǒng)運行的可行性。

[1] G. J. Foschini. Layered space-time architecture for wireless communication in fading environments when using multi-element antennas[J]. Bell Labs Techn，1996，1（2）：41-59.

[2] A. Sendonaris，E. Erkip，B. Aazhang. User cooperation diversity Part II：Implementation aspects and performance analysis[J]. IEEE Trans. Commun，2003，51（11）：1927-1938.

[3] A. Sendonaris，E. Erkip，B. Aazhang. User cooperation diversity Part I：System description[J]. IEEE Trans. Commun，2003，51（11）：1927-1938.

[4] Y. Jing，H. Jafarkhani. Single and multiple relay selection schemes and their achievable diversity orders[J]. IEEE Trans. Wireless Commun，2009，8（3）：1414-1423.

[5] V. Havary-Nassab，S. Shahbazpanahi，A. Grami. Optimal distributed beam-forming for two-way relay networks[J]. IEEE Trans. Signal Process，2010，58（3）：1238-1250.

[6] 胡瑞東. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分布式發(fā)射波束形成技術(shù)的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[7] 朱師妲. 無線傳感網(wǎng)中基于波束成形的協(xié)同傳輸方法[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[8] 何金梅，王薪基. 基于分布式回復(fù)反射波束聚焦的無線能量傳輸[J]. 電子科技，2015，28（8）：1-4.

[9] 林孟涵，林則瑜，王文杰. 基于單比特反饋的分布式多點協(xié)作微波輸能方法[J]. 信號處理，2019，35（4）：720-726.

[10] 王文杰，殷勤業(yè)，王晨，等. 一種基于通道校正的分布式天線陣列波束形成方法[P]. CN101227242A. 2008.

[11] 穆鵬程，王文杰，殷勤業(yè)，等. 遠距離無線通信系統(tǒng)中的分布式相干協(xié)作方法[P]. CN102523619B. 2014.

Distributed Coordinated Coherent Communication System for UAV Swarm Application

XU Ping, ZHAO Puyuan, MA Tianyi, LIU Fei, YAN Feiyu, WU Daolong

In order to solve the problem of air-to-ground communication distance due to the limitation of transmitted power and antenna size in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarm data link system, a method of distributed coordinated coherent communication system is proposed. Based on the adjusting and compensation of channel feedback, the UAV swarm nodes can transmit the communication signal simultaneously, and then the coherent received signal can be obtained in the ground node. A prototype system is built in the laboratory. Comparison of the theoretical analysis and measured data, the capacity of multi-node coordinated coherent transmission is verified. Experimental results show that the power gain is increased 10.58 dB when 4 nodes are coordinated. The proposed method makes it possible to expand communication distance and improve anti-jamming ability while the UAV swarm data link terminal and omnidirectional antenna remain unchanged.

UAV; UAV Swarm; Data Link; Distributed Coordinated Coherent Communication

TN929

A

1674-7976-(2023)-06-442-04

2023-11-10。

徐平（1988.04—），山東聊城人，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為無人集群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。