一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法，包括如下步骤：无人机蜂群通信网络频率分配；无人机蜂群通信网络时间分配；无人机蜂群通信网络功率控制。本申请所述方法针对无人机蜂群频谱资源供求矛盾突出和蜂群无人机之间自扰互扰问题，从频域、时域、能域（功率域）三个方面提出基于非合作博弈的无人机蜂群通信网络频谱分配方法，并进行了仿真分析。仿真结果表明，本申请提出的无人机蜂群通信网络频谱分配方法能够有效节省频谱资源、避免蜂群无人机之间的自扰互扰，而且具有强抗干扰性、低能耗的优势。低能耗的优势。低能耗的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法


[0001]本专利技术涉及频谱管理
，尤其涉及一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法。

技术介绍

[0002]传统的电磁频谱分配模式采用“统一规划、分级管理、人工操作”的形式，按照下级上报频谱需求，上级区分任务来分配指配频谱资源、下达计划、组织协同的方式开展。随着大规模、多类型用频装备的不断涌现，传统以人工经验和模型驱动为主的频谱分配模式显然已经不能适应军事发展需求，频谱分配应该向着“动态、智能、自主”的模式转变。
[0003]问题一：频谱资源供求矛盾突出。频谱资源的紧缺，一直是制约无人机在作战中发挥效能的重要因素。美军在海湾战争中，“全球鹰”使用的频谱带宽是整个美军其他用频装备使用带宽的5倍。在伊拉克和阿富汗军事行动中，多次出现因为分配不到可用的频率，而不得不限制“捕食者”和“全球鹰”无人机的使用数量和次数。目前无人机作战依旧采用的是“一机一信道”的静态频谱分配模式，该模式显然是无法满足未来大规模的无人机蜂群的频谱资源需求。
[0004]问题二：干扰问题严重。除了频谱资源的紧缺，辐射源之间的自扰互扰和电磁环境的复杂性也是制约无人机作战的重要因素。无人机蜂群网络是由大量、近距离节点构成的无线通信为网络，节点间的自扰互扰以及来自其他武器平台的干扰是需要重点考虑的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种能够有效节省频谱资源、避免蜂群无人机之间的自扰互扰，而且具有强抗干扰性、低能耗优势的无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法，其特征在于包括如下步骤：
[0007]S1：无人机蜂群通信网络频率分配；
[0008]S2：无人机蜂群通信网络时间分配；
[0009]S3：无人机蜂群通信网络功率控制。
[0010]进一步的技术方案在于，所述无人机蜂群通信网络频率分配的具体方法包括如下步骤：
[0011]采用分层网状拓扑结构的无人机蜂群，无人机节点的层级决定节点的通信频率，同一层级的无人机节点可以使用相同的通信频率，高层级无人机节点的通信范围大于低层级无人机节点；
[0012]1)最底层的无人机节点之间使用相同的通信频率进行信息交互并向簇首节点传递信息；
[0013]2)中间层级的无人机节点既是低一层级无人机节点的簇首，又是上一层级节点的簇成员，因此可以使用两种不同的通信频率，一种频率用来与低一层级本簇族内的簇成员进行通信，另一种频率用来维持与同一层级节点以及上一层级的簇首节点之间的通信；
[0014]3)最高层级的节点同样可以使用两种不同的通信频率，一种频率用来与低一层级本簇族内的簇成员进行通信，另一种通信频率用来与天基、空中或者地面指挥信息系统交互信息。
[0015]进一步的技术方案在于，所述无人机蜂群通信网络时间分配的具体方法包括如下步骤：
[0016]S2
‑
1：首先簇首无人机节点为其所在m个簇成员节点随机不重复的分配时隙；
[0017]S2
‑
2：通过机间信息交互，每个节点将自身的时隙T
i
传递给邻居节点，并接收所有邻居节点的时隙{T
j
},j∈φ
i
；每个节点计算自己的效应系数E
i
，若与邻居节点存在用时冲突，则E
i
＝0；若与邻居节点不存在用时冲突，则E
i
＝1；
[0018]S2
‑
3：通过机间信息交互，每个节点将自身的效应系数E
i
传递给簇首节点和邻居节点，并接收所有邻居节点的时隙效应系数{E
j
},j∈φ
i
；每个节点计算自己的效应函数u
i
(T
i
,T
‑
i
)，最高层级的簇首节点得到所有节点的效应系数并计算出整个网络的整体效能系数E；
[0019]S2
‑
4：每个效应系数E
i
＝0的节点更新时间策略，受到干扰的节点i取与邻居节点都不冲突的时间策略集中编号最小的时间T
min
，并广播给簇首节点，簇首节点将簇族内原本策略为T
min
的成员节点的时隙更新为节点i的时隙T
i
；这种更新策略的方法既能避免节点i与邻居节点出现用时冲突，又能避免与所在簇族内的成员节点存在用时冲突；若节点i的邻居节点已经占用了所有可用的时间策略，则本轮节点i时隙不更新；
[0020]S2
‑
5：将更新的时隙广播给邻居节点，重复步骤S2
‑2‑
步骤S2
‑
4；
[0021]S2
‑
6：当所有节点效用函数达到最大后，即达到纳什平衡，停止迭代，并将每个节点的时隙发送给簇首，得到最终的整体效能系数E。
[0022]进一步的技术方案在于，所述无人机蜂群通信网络功率控制的具体方法包括如下步骤：
[0023]S3
‑
1：首先初始化网络中所有无人机节点的发射功率；
[0024]S3
‑
2：网络系统根据层级自上而下的发送同一层级的每个节点的时隙、发射功率和位置信息以及节点i所在簇族的簇首位置信息；
[0025]S3
‑
3：每个节点得到同一层级中与自己相同时隙的节点的发射功率和位置，然后计算自己的信干比γ
i
及效应函数u
i
(p
i
,p
‑
i
)；
[0026]S3
‑
4：根据迭代公式对节点的发射功率进行更新，通过机间信息交互，将更新后的发射功率广播给邻居节点和簇首节点；
[0027]S3
‑
5：比较迭代后的节点i的发射功率与迭代前的发射功率是否有变化，如有变化则继续重复步骤S3
‑2‑
步骤S3
‑
4，如果基本没有变化，则结束迭代，最终得到各节点的发射功率策略。
[0028]进一步的技术方案在于，所述信干比γ
i
的计算方法包括如下步骤：
[0029]假设无人机蜂群网络中某一层级中有l个无人机节点工作于同一个时隙，其中节点i的发射功率为p
i
，节点i在接收端的信干比SIR为γ
i
，通常情况下，节点所用信道增益为
式中d为节点i到簇首的通信距离，A为常数增益，指距离为1米时的信道增益；c
ij
表示节点i与节点j之间的扩频码相关系数，则其他节点对节点i的干扰功率为σ2表示电磁环境的背景噪声功率，节点i的信干比γ
i
为：
[0030][0031]每个节点i在接收端的信干比γ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法，其特征在于包括如下步骤：S1:无人机蜂群通信网络频率分配；S2:无人机蜂群通信网络时间分配；S3:无人机蜂群通信网络功率控制。2.如权利要求1所述的无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法，其特征在于，所述无人机蜂群通信网络频率分配的具体方法包括如下步骤：采用分层网状拓扑结构的无人机蜂群，无人机节点的层级决定节点的通信频率，同一层级的无人机节点可以使用相同的通信频率，高层级无人机节点的通信范围大于低层级无人机节点；1)最底层的无人机节点之间使用相同的通信频率进行信息交互并向簇首节点传递信息；2)中间层级的无人机节点既是低一层级无人机节点的簇首，又是上一层级节点的簇成员，因此可以使用两种不同的通信频率，一种频率用来与低一层级本簇族内的簇成员进行通信，另一种频率用来维持与同一层级节点以及上一层级的簇首节点之间的通信；3)最高层级的节点同样可以使用两种不同的通信频率，一种频率用来与低一层级本簇族内的簇成员进行通信，另一种通信频率用来与天基、空中或者地面指挥信息系统交互信息。3.如权利要求1所述的无人机蜂群通信系统电磁频谱分配方法，其特征在于，所述无人机蜂群通信网络时间分配的具体方法包括如下步骤：S2
‑
1：首先簇首无人机节点为其所在m个簇成员节点随机不重复的分配时隙；S2
‑
2：通过机间信息交互，每个节点将自身的时隙T
i
传递给邻居节点，并接收所有邻居节点的时隙{T
j
},j∈φ
i
；每个节点计算自己的效应系数E
i
，若与邻居节点存在用时冲突，则E
i
＝0；若与邻居节点不存在用时冲突，则E
i
＝1；S2
‑
3：通过机间信息交互，每个节点将自身的效应系数E
i
传递给簇首节点和邻居节点，并接收所有邻居节点的时隙效应系数{E
j
},j∈φ
i
；每个节点计算自己的效应函数u
i
(T
i
,T
‑
i
)，最高层级的簇首节点得到所有节点的效应系数并计算出整个网络的整体效能系数E；S2
‑
4：每个效应系数E
i
＝0的节点更新时间策略，受到干扰的节点i取与邻居节点都不冲突的时间策略集中编号最小的时间T
min
，并广播给簇首节点，簇首节点将簇族内原本策略为T
min
的成员节点的时隙更新为节点i的时隙T
i
；这种更新策略的方法既能避免节点i与邻居节点出现用时冲突，又能避免与所在簇族内的成员节点存在用时冲突；若节点i的邻居节点已经占用了所有可用的时间策略，则本轮节点i时隙不更新；S2
‑
5：将更新的时隙广播给邻居节点，重复步骤S2
‑2‑
步骤S2
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘雅奇，陈怀进，齐峰，和伟，柯明星，金玮，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：