大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法，其中大规模无人机中继网络信道模拟装置包括网络节点动态拓扑参数输入单元、网络信道参数估计单元、网络信道建模及产生单元、网络信道组合叠加单元、网络节点发射信号输入单元和网络节点接收信号输出单元。本发明专利技术仿真系统灵活通用，支持网络规模及拓扑结构动态调整；各中继链路的信号、干扰和噪声均采用等效方法进行建模，大大简化了系统仿真的复杂度；针对不同通信场景，支持不同节点采用不同的信道模型并实时更新，考虑网络节点之间的相互干扰。

Large-scale unmanned aerial vehicle relay network channel simulation device and GPU real time simulation method

The invention discloses a large scale simulation device and GPU real-time simulation method of man-machine relay network channel, including large-scale UAV relay network channel simulation device comprises a network node dynamic topology parameter input unit, network channel estimation unit, network channel modeling and generating unit, network channel combination unit, network node and network transmitting signal input unit the node receives the signal output unit. The simulation system is flexible, support network size and topology structure of dynamic adjustment; the relay link signal, interference and noise are modeled by equivalent method, greatly simplify the complexity of system simulation; for different communication scenarios, different nodes adopt different channel models and real-time updates, in consideration of the mutual interference between network nodes the.

【技术实现步骤摘要】
大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法
：本专利技术涉及一种大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法，属于无线信息传输领域，特别针对未来大规模无人机中继网络系统，各通信节点和中继节点之间的无线信道模拟装置，以及利用GPU平台的实时仿真方法。。
技术介绍
：无线信道作为电磁波传输媒介，直接影响了无线通信系统的传输质量和性能。无线信道的建模和产生是指建立一个与实际传播环境相符合的信道模型，并通过计算机软件仿真或硬件模拟准确有效地还原其信道特性，它对于优化设计、评估和验证无线通信系统至关重要，同时也可以有效缩短系统研发周期。无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)诞生于二十世纪二十年代，受早期科技水平的限制，二十世纪七十年代之前无人机发展相对缓慢。此后，随着通信、微电子、新材料以及航空发动机等科学技术的快速发展，现在已经成为各国在军用乃至民用上的研究热点。军事应用范围不仅仅局限于空中侦察和战情评估等传统领域，还被广泛用于空中格斗、攻击、拦截以及缉私、反恐等军事和警用任务；在民用方面，无人机可以执行航拍、航测、遥感、环保、灾害预警和评估等任务，近年来，部分快递公司也在进行无人机快递实验。此外，基于无人机中继的无线移动自组织网络(WirelessMobileAd-HocNetworks，MANET)可以不依赖于任何固定基础设施，具有组网快速灵活、覆盖面广、可靠性高和抗毁性强等优点，图1给出了基于无人机中继的MANET典型应用场景。在阿富汗战争和伊拉克战争中，无人机作为空中中继通信站，承担了部分信息网络节点的作用，它们不仅可以把敌地面目标的信息传送给己方的地面作战部队和空中战机，还可以通过自身的机载设备，实现地面部队、空中战机和总部之间的相互通信。然而，无人机通信环境复杂，无线信号会受到地形、地物以及大气降雨等因素影响，加上自身飞行姿态变换，导致接收信号的快速随机衰落，从而造成整个通信网络传输性能下降。为了保证无人机在飞行过程中可以与通信双方、控制中心或其他飞行器之间能够进行高质量的命令或数据信息传输，就必须对无人机中继网络的信道传输特性进行深入的研究和分析。同时，无人机中继网络信道的实测难度大，而且通常需要批量生产大量无人机用于部署中继网络，导致通信设备测试的成本高，周期长，效率低。因此，如何在地面实验室环境下对无人机中继网络信道传播特性进行模拟，进而完成无人机通信系统的仿真测试就显得尤为重要。在移动通信领域，目前国外已有商用化的信道模拟器，如伊莱比特公司的PropsimC8，它可以支持几何模型(SCM)、SCM扩展模型(SCME)等3GPP推荐的信道模型，最高可支持12500km/h的多普勒扩展，最大时延扩展为6.4ms，可满足大部分场景下移动通信信道的模拟测试需求；AEROFLEX公司的宽带通道模拟器CS8007，可仿真多普勒频率和多普勒加速度，能够模拟通带幅度、相位畸变及各种衰落，同时还能叠加精确的白高斯噪声和相位噪声；思博伦公司的SR5500可针对具有多样性波束形成和MIMO的先进接收机，准确的仿真复杂的宽带无线信道特征，其模块化架构可以提供多种组合方式，能够实现复杂的MIMO信道测试。商用化的信道仿真器可实现常用的信道衰落模型，如瑞利衰落、莱斯衰落、Nakagami衰落、对数正态衰落以及Suzuki衰落模型，然而，该类模拟器一般只针对蜂窝移动通信场合，且往往只考虑单一的统计模型实现，无法满足大规模网络节点通信信道模拟的要求。大规模网络节点通信信道的实时模拟运算量很大且实时性要求高，若硬件实现，所耗硬件资源极大，导致难以实现；若采用传统基于PC机的软件实现，运算速度较慢，无法满足实时性要求。近年来，图像处理器(GraphicProcessingUnit，GPU)以超过摩尔定律的速度在发展，由于存在更多的处理单元其计算能力远远超过CPU，存储器带宽能力相比CPU也有着明显的优势。GPU早期主要用于图像渲染，随着计算能力的大幅度增长，越来越多的被应用于通用计算中，比如石油勘探、生物医学、气象预报、流体力学、海洋环境模拟、地球科学、金融分析、大数据处理和人工智能等领域，近年来也被用于通信算法的应用研究。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法，适用于大规模无人机中继及网络节点设备的实时测试和验证领域。本专利技术还采用如下技术方案：一种大规模无人机中继网络信道模拟装置，包括网络节点动态拓扑参数输入单元、网络信道参数估计单元、网络信道建模及产生单元、网络信道组合叠加单元、网络节点发射信号输入单元和网络节点接收信号输出单元；所述网络节点动态拓扑参数输入单元与网络信道参数估计单元相连，用于用户输入网络各节点通信场景参数；所述网络信道参数估计单元用于把网络节点动态拓扑参数输入单元中的各节点通信场景参数转化为无人机中继网络各节点信道的模型参数，然后将计算所得按照离散时间的先后进行组帧，并根据网络信道状态更新间隔依次传输到基于GPU并行计算的网络信道建模及产生单元；所述网络信道建模及产生单元包括地面发射节点信号模型、无人机中继转发节点接收信号模型、无人机中继接收节点接收信号模型、地面接收节点信号模型、地面节点干扰信号模型、地面节点噪声模型，根据网络信道参数估计单元计算得到的每帧的网络各子信道模型参数通过以上模型依次产生无人机中继网络信道，并将输出数据通过PCIE总线依次传输到FPGA中的网络信道组合叠加单元；所述网络信道组合叠加单元将网络信道建模及产生单元产生无人机中继网络信道衰落叠加到FPGA中的网络节点发射信号输入单元输入的基带信号，并发送到FPGA中的网络节点接收信号输出单元；所述网络节点发射信号输入单元将输入的中频IF或射频RF信号通过下变频转化为复基带信号，并传输到网络信道组合叠加单元；所述网络节点接收信号输出单元将网络信道组合叠加单元输入的经过无人机中继网络信道后的复基带信号通过上变频转化为中频或射频信号输出。本专利技术还采用如下技术方案：一种大规模无人机中继网络信道模拟装置的GPU实时仿真方法，包括如下步骤：第一步，用户通过网络节点动态拓扑参数输入单元输入通信场景参数，通信场景参数被送到网络信道参数估计单元；第二步，网络信道参数估计单元根据用户输入参数计算无人机中继网络各节点信道的模型参数，然后将计算所得按照离散时间的先后进行组帧，并根据网络信道状态更新间隔依次传输到网络信道建模及产生单元；第三步，网络信道建模及产生单元根据网络信道参数估计单元输入的每帧网络各子信道模型参数，建立无人机中继转发节点接收信号模型、无人机中继接收节点接收信号模型、地面节点接收信号模型、地面节点干扰信号模型和地面节点噪声模型；第四步，利用上述模型，通过GPU模拟产生各条无人机中继网络传播信道的数据，并将数据通过PCIE总线依次传输到FPGA中的网络信道组合叠加单元，与此同时，中频或射频信号输入到FPGA中的网络节点发射信号输入单元，通过下变频转化为基带信号，并传输到网络信道组合叠加单元；第五步，网络信道组合叠加单元模拟无人机中继网络信道叠加过程，将网络信道建模及产生单元产生无人机中继网络信道叠加到网络节点发射信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模无人机中继网络信道模拟装置，其特征在于：包括网络节点动态拓扑参数输入单元(1‑1)、网络信道参数估计单元(1‑2)、网络信道建模及产生单元(1‑3)、网络信道组合叠加单元(1‑4)、网络节点发射信号输入单元(1‑5)和网络节点接收信号输出单元(1‑6)；所述网络节点动态拓扑参数输入单元(1‑1)与网络信道参数估计单元(1‑2)相连，用于用户输入网络各节点通信场景参数；所述网络信道参数估计单元(1‑2)用于把网络节点动态拓扑参数输入单元(1‑1)中的各节点通信场景参数转化为无人机中继网络各节点信道的模型参数，然后将计算所得按照离散时间的先后进行组帧，并根据网络信道状态更新间隔依次传输到基于GPU并行计算的网络信道建模及产生单元(1‑3)；所述网络信道建模及产生单元(1‑3)包括地面发射节点信号模型、无人机中继转发节点接收信号模型、无人机中继接收节点接收信号模型、地面接收节点信号模型、地面节点干扰信号模型、地面节点噪声模型，根据网络信道参数估计单元(1‑2)计算得到的每帧的网络各子信道模型参数通过以上模型依次产生无人机中继网络信道，并将输出数据通过PCIE总线依次传输到FPGA中的网络信道组合叠加单元(1‑4)；所述网络信道组合叠加单元(1‑4)将网络信道建模及产生单元(1‑3)产生无人机中继网络信道衰落叠加到FPGA中的网络节点发射信号输入单元(1‑5)输入的基带信号，并发送到FPGA中的网络节点接收信号输出单元(1‑6)；所述网络节点发射信号输入单元(1‑5)将输入的中频IF或射频RF信号通过下变频转化为复基带信号，并传输到网络信道组合叠加单元(1‑4)；所述网络节点接收信号输出单元(1‑6)将网络信道组合叠加单元(1‑4)输入的经过无人机中继网络信道后的复基带信号通过上变频转化为中频或射频信号输出。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模无人机中继网络信道模拟装置，其特征在于：包括网络节点动态拓扑参数输入单元(1-1)、网络信道参数估计单元(1-2)、网络信道建模及产生单元(1-3)、网络信道组合叠加单元(1-4)、网络节点发射信号输入单元(1-5)和网络节点接收信号输出单元(1-6)；所述网络节点动态拓扑参数输入单元(1-1)与网络信道参数估计单元(1-2)相连，用于用户输入网络各节点通信场景参数；所述网络信道参数估计单元(1-2)用于把网络节点动态拓扑参数输入单元(1-1)中的各节点通信场景参数转化为无人机中继网络各节点信道的模型参数，然后将计算所得按照离散时间的先后进行组帧，并根据网络信道状态更新间隔依次传输到基于GPU并行计算的网络信道建模及产生单元(1-3)；所述网络信道建模及产生单元(1-3)包括地面发射节点信号模型、无人机中继转发节点接收信号模型、无人机中继接收节点接收信号模型、地面接收节点信号模型、地面节点干扰信号模型、地面节点噪声模型，根据网络信道参数估计单元(1-2)计算得到的每帧的网络各子信道模型参数通过以上模型依次产生无人机中继网络信道，并将输出数据通过PCIE总线依次传输到FPGA中的网络信道组合叠加单元(1-4)；所述网络信道组合叠加单元(1-4)将网络信道建模及产生单元(1-3)产生无人机中继网络信道衰落叠加到FPGA中的网络节点发射信号输入单元(1-5)输入的基带信号，并发送到FPGA中的网络节点接收信号输出单元(1-6)；所述网络节点发射信号输入单元(1-5)将输入的中频IF或射频RF信号通过下变频转化为复基带信号，并传输到网络信道组合叠加单元(1-4)；所述网络节点接收信号输出单元(1-6)将网络信道组合叠加单元(1-4)输入的经过无人机中继网络信道后的复基带信号通过上变频转化为中频或射频信号输出。2.一种大规模无人机中继网络信道模拟装置的GPU实时仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，用户通过网络节点动态拓扑参数输入单元(1-1)输入通信场景参数，通信场景参数被送到网络信道参数估计单元(1-2)；第二步，网络信道参数估计单元(1-2)根据用户输入参数计算无人机中继网络各节点信道的模型参数，然后将计算所得按照离散时间的先后进行组帧，并根据网络信道状态更新间隔依次传输到网络信道建模及产生单元(1-3)；第三步，网络信道建模及产生单元(1-3)根据网络信道参数估计单元(1-2)输入的每帧网络各子信道模型参数，建立无人机中继转发节点接收信号模型、无人机中继接收节点接收信号模型、地面节点接收信号模型、地面节点干扰信号模型和地面节点噪声模型；第四步，利用上述模型，通过GPU模拟产生各条无人机中继网络传播信道的数据，并将数据通过PCIE总线依次传输到FPGA中的网络信道组合叠加单元(1-4)，与此同时，中频或射频信号输入到FPGA中的网络节点发射信号输入单元(1-5)，通过下变频转化为基带信号，并传输到网络信道组合叠加单元(1-4)；第五步，网络信道组合叠加单元(1-4)模拟无人机中继网络信道叠加过程，将网络信道建模及产生单元(1-3)产生无人机中继网络信道叠加到网络节点发射信号输入单元(1-5)输入的基带信号，并发送到FPGA中的网络节点接收信号输出单元(1-6)，由网络节点接收信号输出单元(1-6)将经过信道后的基带信号通过上变频转化为中频或射频信号输出。3.如权利要求2所述的大规模无人机中继网络信道模拟装置的GPU实时仿真方法，其特征在于：步骤三中：地面发射节点N1，途经N个无人机中继节点R1～RN，最终到达地面接收节点N2的一条中继通信链路的接收信号建模为如下的等效模型式中，代表无人机中继节点Ri的转发增益；分别表示地空、空地和无人机中继节点Ri-1与Ri之间的传播信号损耗因素，将其取值为α＝32.44+20lg(fMHz)+20lg(dkm)(2)其中，fMHz表示通信频率，单位为MHz；dkm表示通信距离，单位为km，表示地空和空地两段链路级联衰落，将其建模为一个随机变量，对应概率密度分布为

【专利技术属性】
技术研发人员：朱秋明，胡续俊，方竹，陈小敏，江凯丽，祝梦卿，杨婧文，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32