一种面向空中通信平台的空地无线通信方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向空中通信平台的空地无线通信方法及其系统。该方法包括如下步骤：步骤1：空中通信平台获取上行通信链路优选信道集；步骤2：地面终端通过周期性地发送欺骗帧，获得下行信道的使用权；步骤3：空中通信平台向地面终端发送广播信息；步骤4：地面终端在上行通信链路的优选信道上，向空中通信平台发送接入请求帧；步骤5：空中通信平台向地面终端发送接入请求响应帧，建立空地通信链路。本发明专利技术通过充分利用ISM频段的空闲频谱，解决了空地无线通信系统普遍面临的频谱短缺问题，提高了频谱利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向空中通信平台的空地无线通信方法及其系统
本专利技术涉及一种面向空中通信平台的空地无线通信方法，同时也涉及采用该方法的空地无线通信系统，属于空地无线通信

技术介绍
空中通信平台是指将无线中继设备安装在无人机、平流层飞艇、卫星以及系留气球等航空器上，实现“空-空”、“空-地”大范围或局部地区内无线通信服务的通信基础平台。目前，随着4G/5G及物联网(IoT)技术的不断推动，赋予空中通信平台更多的应用场景，主要体现在两点：一是构建空中物联网，二是建立空中基站。例如，Google公司正在利用空中通信平台打造空天地一体化物联网。Verizon公司利用无人机搭载小基站，提供空中的无线网络覆盖服务。为了满足空中物联网的使用需求，空中通信平台应该能与地面终端、IoT节点和无线传感器节点进行通信。因此，空中通信平台需要与地面终端建立稳定可靠的无线通信链路，相互之间进行信息传输。但是在现有技术中，空中通信平台与地面之间的通信没有固定的频谱资源。实际应用中，空中通信平台与地面终端的工作频率通常采用ISM频段(IndustrialScientificMedicalBand)：2.4GHz或5.8GHz。由于这些频段是非授权频段，因此这些频段中存在的干扰比较多。常规通信业务如WLAN、Bluetooth，甚至地面上微波炉的使用都可能对空中通信平台产生干扰，降低了空中通信平台的通信与控制距离，或降低了接收机的灵敏度。YangWang在论文《CognitiveRadioforaeronauticalair-groundcommunications》(刊载于IEEEAerospaceandElectronicSystemsMagazine,2010,vol.25,no.5,pp.18-23)中，提出了利用认知无线电(CognitiveRadio)技术来解决空中通信平台的频谱问题。认知无线电能感知周围的环境，允许通信系统根据环境来做出最优决策，自适应地配置其通信参数(频率、调制与编码、发射功率等)。认知无线电通过感知获得空中通信平台的环境数据，例如飞行器位置、占用信道等。同样，可以获得地面终端附近的信道分配信息。根据所获得的信息，认知无线电可以确定哪些信道可以使用，并构造最优解。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的首要技术问题在于提供一种面向空中通信平台的空地无线通信方法。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述方法的空地无线通信系统。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述的技术方案：根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种面向空中通信平台的空地无线通信方法，包括如下步骤：步骤1：空中通信平台获取上行通信链路优选信道集；步骤2：地面终端通过周期性地发送欺骗帧，获得下行信道的使用权；步骤3：所述空中通信平台向所述地面终端发送广播信息；步骤4：所述地面终端在上行通信链路的优选信道上，向所述空中通信平台发送接入请求帧；步骤5：所述空中通信平台向所述地面终端发送接入请求响应帧，建立空地通信链路。其中较优地，所述步骤3中，所述空中通信平台以重复发送广播帧的方式发送广播信息。其中较优地，所述广播帧的时间长度T0满足如下条件：2T0+Ws<Ts，T0+2Ws<Ts其中，Ts为所述欺骗帧的发送周期，Ws为所述欺骗帧的时间长度。其中较优地，所述步骤4中，所述空中通信平台首先得到接入请求帧的接收时刻，然后根据所述接入请求帧中携带的请求帧发送时刻，估计地面终端到空中通信平台的传输时延。其中较优地，所述步骤4中，所述空中通信平台根据空中通信平台到地面终端的传输时延和首个空闲时段的起始时刻，确定发射时间提前量和发送时间长度ΔTU。其中较优地，所述步骤5中，所述空中通信平台在下行导频信道上以所述发射时间提前量发送接入请求响应帧。其中较优地，所述接入请求响应帧中，帧长度＝发送时间长度ΔTU的信号时段+无信号空白时段；其中，在无信号空白时段内，所述地面终端不接收信号。其中较优地，所述步骤1中，所述空中通信平台利用宽带频谱感知技术检测ISM频段中的空白信道，将检测到的空闲信道按平均功率谱强度从小到大排序，并将功率谱强度最小的前N个空闲信道作为所述上行通信链路优选信道集；其中，N为正整数。根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种面向空中通信平台的空地无线通信系统，包括空中通信平台和地面终端，其中：所述空中通信平台和所述地面终端之间上述的空地无线通信方法进行空地通信。其中较优地，所述空中通信平台为安装有无线中继设备的无人机、平流层飞艇、卫星、或系留气球。与现有技术相比较，本专利技术在空地无线通信系统的上行通信链路中，空中通信平台利用宽带频谱感知技术感知ISM频段的空闲频谱，获得上行通信链路的优选信道，并通过固定的下行导频信道通知地面终端。在空地无线通信系统的下行通信链路中，地面终端利用频谱感知或欺骗式攻击得到下行通信链路的信道资源。而且，通过空地之间的信息交互，建立了空地之间的通信链接。本专利技术通过充分利用ISM频段的空闲频谱，解决了空地无线通信系统普遍面临的频谱短缺问题，有效提高了频谱利用率。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中，空地无线通信系统的整体结构示意图；图2为本专利技术的一个实施例中，欺骗帧的时序图；图3为空中通信平台发送信号与地面终端接收信号的时序图图4为下行通信链路中，广播信息的发送与接收时序图；其中，(a)为欺骗帧的时序图；(b)为空中通信平台重复发送广播帧的示意图；(c)为地面终端的广播帧接收示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的
技术实现思路
展开详细具体的说明。本专利技术首先提供一种面向空中通信平台的空地无线通信方法。该方法包括如下几方面的
技术实现思路
：(1)频谱资源的获取：在上行通信链路中，空中通信平台利用宽带频谱感知技术，获得ISM频段中的空闲频谱，并将其作为上行通信链路优选信道。在下行通信链路中，地面终端通过频谱感知或Sybil欺骗式攻击获得下行通信链路的导频信道和业务信道；(2)空中通信平台通过重复发送的广播帧向地面终端发送广播信息，使得地面终端能够正确接收广播信息，并获得上行通信链路优选信道的信息，同时估计出空中通信平台到地面终端的传输时延；(3)地面终端在上行通信链路优选信道上向空中通信平台发送接入请求帧，其中包含下行通信链路导频信道和业务信道的空闲模式(包含空闲周期、空闲时段的起止时刻等)；(4)空中通信平台根据地面终端的接入请求帧信息，确定发射时间提前量和发送帧结构，使得地面终端能够正确接收来自空中通信平台的下行通信链路信息；(5)通信链路的建立：空中通信平台在下行导频信道和业务信道上发送下行通信链路信息，地面终端在上行通信链路优选信道上发送上行通信链路信息。下面对上述
技术实现思路
展开详细具体的说明。图1为本专利技术的一个实施例中，采用ISM频段的空地无线通信系统的结构示意图。在该实施例中，采用频分双工方式，上行通信链路(即地面终端到空中通信平台)选取ISM频段1(例如2.4GHz频段，或5.8GHz频段)，下行通信链路(即空中通信平台到地面终端)选取ISM频段2(例如5.8GHz频段，或2.4GHz频段)。其中，假设ISM频段1中AP点(AccessPoint，无线接入点)的发射信号为sAP,1(t)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向空中通信平台的空地无线通信方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：空中通信平台获取上行通信链路优选信道集；步骤2：地面终端通过周期性地发送欺骗帧，获得下行信道的使用权；步骤3：所述空中通信平台向所述地面终端发送广播信息；步骤4：所述地面终端在上行通信链路的优选信道上，向所述空中通信平台发送接入请求帧；步骤5：所述空中通信平台向所述地面终端发送接入请求响应帧，建立空地通信链路。

【技术特征摘要】
1.一种面向空中通信平台的空地无线通信方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：空中通信平台获取上行通信链路优选信道集；步骤2：地面终端通过周期性地发送欺骗帧，获得下行信道的使用权；步骤3：所述空中通信平台向所述地面终端发送广播信息；步骤4：所述地面终端在上行通信链路的优选信道上，向所述空中通信平台发送接入请求帧；步骤5：所述空中通信平台向所述地面终端发送接入请求响应帧，建立空地通信链路。2.如权利要求1所述的空地无线通信方法，其特征在于：所述步骤3中，所述空中通信平台以重复发送广播帧的方式发送广播信息。3.如权利要求2所述的空地无线通信方法，其特征在于：所述广播帧的时间长度T0满足如下条件：2T0+Ws<Ts，T0+2Ws<Ts其中，Ts为所述欺骗帧的发送周期，Ws为所述欺骗帧的时间长度。4.如权利要求1所述的空地无线通信方法，其特征在于：所述步骤4中，所述空中通信平台首先得到接入请求帧的接收时刻，然后根据所述接入请求帧中携带的请求帧发送时刻，估计地面终端到空中通信平台的传输时延。5.如权利要求4所述的空地无线通信方法，其特征在于：所述步骤4中，所述空中通信平台根...

【专利技术属性】
技术研发人员：易辉跃，张武雄，许晖，梁广，孙思月，
申请(专利权)人：上海无线通信研究中心，上海微小卫星工程中心，福州物联网开放实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31