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基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法

文檔序號(hào):40575100發(fā)布日期:2025-01-03 11:40閱讀:64來源:國知局
基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法

本發(fā)明屬于無線通信,具體涉及基于無人機(jī)通感一體化的路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法。


背景技術(shù):

1、隨著信息技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的深度融合,新興的智慧城市、智慧醫(yī)療、智能交通、智慧生產(chǎn)、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和無線設(shè)備的快速增長,促使第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)向第6代移動(dòng)通信系統(tǒng)(6g,?the?sixth?generation?ofmobile?communications?system)演進(jìn)。通信感知一體化(isac,integrated?sensing?andcommunication)將是6g的標(biāo)志特征之一,通感一體化系統(tǒng)是指在同一系統(tǒng)中通過頻譜共享、硬件共享、信號(hào)共享等方式,在進(jìn)行信息傳遞的同時(shí),感知目標(biāo)物體的方位、距離、速度等信息,或者對(duì)目標(biāo)物體、事件或環(huán)境等進(jìn)行檢測、跟蹤、識(shí)別、成像等。無人機(jī)(uav,unmanned?aerial?vehicle)通信是6g的典型應(yīng)用,具有靈活部署和廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì),近年來得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)地面基站,無人機(jī)具有高機(jī)動(dòng)、強(qiáng)視距、易部署等優(yōu)勢(shì),為熱點(diǎn)區(qū)域、應(yīng)急場景等增加容量、補(bǔ)充覆蓋。將無人機(jī)與通信感知一體化技術(shù)結(jié)合提高無人機(jī)的環(huán)境感知能力,無人機(jī)根據(jù)感知的環(huán)境信息,為地面用戶提供更加精準(zhǔn)的覆蓋,實(shí)現(xiàn)更加智能的無線組網(wǎng)。isac技術(shù)面臨復(fù)雜多變的干擾問題,如惡劣環(huán)境下引入的雜波,多基站多小區(qū)通信時(shí)帶來的多用戶之間的干擾,發(fā)射機(jī)信號(hào)泄露帶來的自干擾等。此外,在isac中通信和感知在傳輸過程中也會(huì)產(chǎn)生干擾問題。針對(duì)這些問題,本發(fā)明提出了基于無人機(jī)通感一體化的路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足,本發(fā)明提供了基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法,解決了:現(xiàn)有的通信信道模型不能準(zhǔn)確或快速地在非常寬的帶寬上再現(xiàn)動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的信號(hào)傳播,以及現(xiàn)有技術(shù)面臨復(fù)雜多變的干擾的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):本發(fā)明目的在于提供基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法,針對(duì)包含兩架無人機(jī)、多個(gè)用戶和移動(dòng)目標(biāo)的無人機(jī)通感一體化系統(tǒng)。根據(jù)此場景下通信和感知信號(hào)的傳輸過程以及結(jié)合不同的信道模型對(duì)產(chǎn)生的干擾進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,再用干擾消除技術(shù)來抑制干擾,提升系統(tǒng)性能。

5、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑的構(gòu)建方法,具體的實(shí)施步驟包括以下:

6、步驟1、建立無人機(jī)通感一體化場景和多輸入多輸出通信信道模型,由兩架無人機(jī)、一個(gè)基站、多個(gè)用戶和移動(dòng)目標(biāo)組成;

7、步驟2、建立無人機(jī)、基站與各自用戶接收端之間通信信道模型;

8、步驟3、建立無人機(jī)感知信道模型。

9、優(yōu)選地,步驟1中,多輸入多輸出通信信道模型的輸入和輸出關(guān)系為:

10、

11、其中,y表示接收端的接收到的所有通信信號(hào),h表示各個(gè)信道增益,n表示高斯白噪聲;

12、

13、其中,表示第一個(gè)發(fā)射天線到第一個(gè)接收天線的信道增益,表示第二個(gè)發(fā)射天線到第一個(gè)接收天線的信道增益,表示第一個(gè)發(fā)射天線到第二個(gè)接收天線的信道增益,表示第二個(gè)發(fā)射天線到第二個(gè)接收天線的信道增益,所以上述的多輸入多輸出通信信道模型表示為:

14、

15、其中,表示第一個(gè)接收端接收到的通信信號(hào),表示第二個(gè)接收端接收到的通信信號(hào);

16、表示第一個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的通信信號(hào),表示第二個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的通信信號(hào),表示第一個(gè)接收端下的高斯白噪聲,表示第二個(gè)接收端下的高斯白噪聲。

17、優(yōu)選地,步驟2中,在發(fā)送端與用戶接收端通信之間,存在視距鏈路和非視距鏈路,在視距鏈路這種情況下,信號(hào)直接從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?,而不?jīng)過任何障礙物的反射、衍射或穿透,在視距鏈路下的路徑損耗建模為:

18、

19、其中,m表示用戶,t表示傳輸時(shí)間,表示視距鏈路的路徑損耗,表示路徑損耗因子,表示自由空間距離,表示載波頻率,c表示光速,表示視距鏈路的陰影衰落損耗;

20、在非視距鏈路情況下,當(dāng)發(fā)送端和接收端之間存在障礙物時(shí),信號(hào)會(huì)經(jīng)歷反射、衍射和穿透損耗,在非視距鏈路下的路徑損耗建模為:

21、

22、其中,表示非視距鏈路的路徑損耗,表示路徑損耗因子,表示非視距鏈路的陰影衰落損耗;

23、結(jié)合視距鏈路和非視距鏈路兩種情況,基站與它對(duì)應(yīng)的用戶接收端的平均路徑損耗建模為:

24、

25、其中,表示平均路徑損耗模型,表示t時(shí)間內(nèi)基站與它對(duì)應(yīng)用戶之間視距鏈路傳輸?shù)母怕?,表示t時(shí)間內(nèi)基站與它對(duì)應(yīng)用戶之間非視距鏈路傳輸?shù)母怕剩又鴮?duì)視距鏈路傳輸概率進(jìn)行建模為:

26、

27、其中,表示基站在時(shí)間t內(nèi)距與它對(duì)應(yīng)用戶的距離;

28、基站與用戶之間通信信道鏈路為:

29、

30、其中,表示在時(shí)間t內(nèi)基站與它對(duì)應(yīng)用戶接收端的通信鏈路,表示路徑損失系數(shù),表示平均路徑損耗模型;

31、無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)的用戶接收端的平均路徑損耗建模為:

32、

33、其中,表示平均路徑損耗模型,表示t時(shí)間內(nèi)無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)用戶之間視距鏈路傳輸?shù)母怕?,表示t時(shí)間內(nèi)無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)用戶之間非視距鏈路傳輸?shù)母怕?,接著?duì)視距鏈路傳輸概率進(jìn)行建模為:

34、

35、其中,表示無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)用戶之間的夾角,,表示與周圍環(huán)境相關(guān)的常數(shù),再對(duì)無人機(jī)和用戶之間的夾角進(jìn)行建模:

36、

37、其中,h表示假設(shè)的無人機(jī)固定高度,表示無人機(jī)在時(shí)間t內(nèi)距與它對(duì)應(yīng)用戶接收端的距離;

38、無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)用戶的通信信道鏈路為:

39、

40、其中,表示在時(shí)間t內(nèi)無人機(jī)與它對(duì)應(yīng)用戶的通信鏈路,表示路徑損失系數(shù),表示平均路徑損耗模型。

41、優(yōu)選地,步驟3中,無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)之間的感知鏈路建模為:

42、

43、其中,表示t時(shí)間內(nèi)無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)的感知鏈路,表示t時(shí)間內(nèi)無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)的距離,接著對(duì)進(jìn)行建模:

44、

45、其中,表示發(fā)送天線增益,表示接收天線增益,表示雷達(dá)發(fā)送信號(hào)波長,表示目標(biāo)的雷達(dá)截面積。

46、優(yōu)選地,一種基于無人機(jī)通感一體化的干擾分析方法,無人機(jī)發(fā)送端tx1和基站發(fā)送端tx2分別對(duì)應(yīng)用戶接收端rx1和用戶接收端rx2,因?yàn)闊o人機(jī)是通感一體化,所以在發(fā)送端tx1也發(fā)送感知信號(hào),對(duì)應(yīng)的接收端是無人機(jī)接收端rx3,tx1發(fā)射一個(gè)有用通信信號(hào),到達(dá)目標(biāo)接收端rx1,tx2發(fā)射一個(gè)有用通信信號(hào),到達(dá)目標(biāo)接收端rx2,在此過程中會(huì)存在多徑效應(yīng),多徑效應(yīng)也叫小尺度衰落,它是指電磁波在傳播過程中,由于遇到大型建筑物、山脈等障礙物而發(fā)生反射、折射或衍射,導(dǎo)致信號(hào)沿多個(gè)路徑到達(dá)接收端,這些不同路徑的長度差異導(dǎo)致信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同,相位也會(huì)有所不同,由于多輸入多輸出通信信道模型每個(gè)接收端都會(huì)接收每個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的通信信號(hào),所以在用戶接收端rx1不僅能收到與之對(duì)應(yīng)tx1發(fā)射的有用通信信號(hào),還會(huì)接收到tx2發(fā)射的通信信號(hào),另外因?yàn)橥l的緣故還能接收到移動(dòng)目標(biāo)反射的回波信號(hào),tx2發(fā)射的通信信號(hào)和反射信號(hào)對(duì)于用戶接收端rx1來說都是干擾信號(hào),同理,用戶接收端rx2除了接收與之對(duì)應(yīng)tx2發(fā)射的有用通信信號(hào)外,也會(huì)接收tx1發(fā)出的通信信號(hào)和移動(dòng)目標(biāo)反射的回波信號(hào),這些信號(hào)對(duì)rx2來說也是干擾信號(hào),無人機(jī)rx3在接收回波信號(hào)的同時(shí)時(shí)也會(huì)接收tx1和tx2發(fā)出的通信信號(hào),這些信號(hào)對(duì)于無人機(jī)rx3來說也是干擾信號(hào),以上皆是對(duì)于每個(gè)接收端的干擾信號(hào),但通信信號(hào),感知信號(hào)以及反射信號(hào)在各自的傳輸路徑下也會(huì)產(chǎn)生干擾,即通信和感知之間的自干擾,通信和回波之間的互干擾;

47、假設(shè)tx1發(fā)送有用通信信號(hào)為:

48、

49、接收信號(hào)是通過多條路徑后在接收端處疊加以及加上信號(hào)直射分量,rx1接收到的有用通信信號(hào)表示為:

50、

51、其中,表示不同路徑信號(hào)的幅度時(shí)變衰減,由路徑損耗和陰影衰落確定;表示不同路徑的信號(hào)路徑傳輸時(shí)延,表示不同路徑的多普勒相移;多普勒相移是指由于介質(zhì)或載體的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的信號(hào)頻率發(fā)生變化;這種變化是由多普勒效應(yīng)引起的,多普勒效應(yīng)是指當(dāng)信號(hào)源和接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化;相比于原始信號(hào),第n路多徑信號(hào)的相位變化量為:

52、

53、將上述式子代入,得到:

54、

55、假設(shè)tx2發(fā)射有用通信信號(hào)為:

56、

57、其中,a表示有用信號(hào)的幅度,表示有用信號(hào)的頻率,所以從tx2發(fā)出的通信信號(hào)到達(dá)rx2接收端的信號(hào)為:

58、

59、其中,表示第i條路徑上的衰減,表示第i條路徑上的時(shí)延;

60、其次無人機(jī)雷達(dá)為脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng),當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對(duì)地面掃描時(shí),如遇到靜止的目標(biāo),回波的頻率和發(fā)射波的頻率一致,如遇到活動(dòng)的目標(biāo),回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差,稱為多普勒頻率,根據(jù)多普勒頻率的大小,測出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差,測出目標(biāo)的距離,假設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻感知信號(hào):

61、

62、其中,t表示時(shí)間,表示感知信號(hào)幅度,表示矩形信號(hào)寬度,k表示線性調(diào)頻系數(shù),表示矩形信號(hào),

63、

64、雷達(dá)在碰到移動(dòng)目標(biāo)后產(chǎn)生的目標(biāo)回波信號(hào)為:

65、

66、其中,表示目標(biāo)信號(hào)的起伏變化,表示移動(dòng)目標(biāo)與雷達(dá)的距離,表示多普勒頻移,

67、rx1和rx2接收端以及無人機(jī)接收端rx3接收到的所有信號(hào)為:

68、

69、對(duì)于rx1來說,是它的干擾信號(hào),同理,對(duì)于rx2來說,是它的干擾信號(hào),對(duì)于rx3來說,是它的干擾信號(hào)。

70、優(yōu)選地,還包括有,信干噪比指在通信系統(tǒng)中接收到的有用信號(hào)的功率與接收到的干擾信號(hào)和噪聲的總功率之比,是衡量通信系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo),信干噪比的基本表達(dá)式為:

71、

72、其中,表示接收的有用信號(hào)功率,表示接收的干擾功率,表示熱噪聲;

73、熱噪聲為白噪聲,它在接收端的噪聲功率表示為:

74、

75、其中,表示玻爾茲曼常數(shù),表示為噪聲源的溫度,表示濾波器的噪聲等效,表示濾波器的峰值增益或損耗;

76、對(duì)于rx1來說有用信號(hào)功率是tx1發(fā)出的通信信號(hào)經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收端的信號(hào)功率之和,即為:

77、

78、其中,表示從tx1發(fā)射端到rx1接收端視距路徑下的通信信號(hào)功率,表示從tx1發(fā)射端到rx1接收端非視距下的通信信號(hào)功率,對(duì)建模為:

79、

80、其中,表示tx1通信信號(hào)發(fā)射天線功率,表示發(fā)送天線增益,表示接收天線增益,表示tx1發(fā)射的通信信號(hào)波長,表示tx1發(fā)射端與rx1接收端的距離,表示與傳播無關(guān)的損耗,對(duì)建模為:

81、

82、其中,表示路徑損耗系數(shù),表示信號(hào)從tx1發(fā)射端到rx1接收端的其他路徑距離;

83、同理,對(duì)于rx2來說有用通信信號(hào)功率為:

84、

85、其中,表示從tx2發(fā)射端到rx2接收端視距路徑下的通信信號(hào)功率,表示從tx2發(fā)射端到rx2接收端非視距下的通信信號(hào)功率,對(duì)建模為:

86、

87、其中,表示tx2通信信號(hào)發(fā)射天線功率,表示發(fā)送天線增益,表示接收天線增益,表示tx2發(fā)射的通信信號(hào)波長,表示tx2發(fā)射端與rx2接收端的距離,表示與傳播無關(guān)的損耗,對(duì)建模為:

88、

89、其中,表示路徑損耗系數(shù),表示信號(hào)從tx2發(fā)射端到rx2接收端的其他路徑距離;

90、雷達(dá)信號(hào)的功率表示為:

91、

92、其中,表示為雷達(dá)信號(hào)功率,表示雷達(dá)發(fā)射天線的增益,表示目標(biāo)雷達(dá)接收天線的增益,表示雷達(dá)的波長,表示雷達(dá)的截面積,表示雷達(dá)的發(fā)射功率,表示無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)的距離,雷達(dá)信號(hào)遇到移動(dòng)目標(biāo)后的反射功率為:

93、

94、其中,表示反射功率,表示反射系數(shù),表示回波損耗;

95、tx1發(fā)送的通信信號(hào)和感知信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生的自干擾:

96、

97、其中,表示通信信號(hào)和感知信號(hào)的干擾功率;

98、

99、其中,表示通信信號(hào)和感知信號(hào)的干擾功率;

100、反射信號(hào)和通信信號(hào)在傳輸過程中的互干擾:

101、

102、反射信號(hào)和通信信號(hào)在傳輸過程中的互干擾:

103、

104、所以在rx1的信干噪比為:

105、

106、其中,表示在rx1的干擾信號(hào)功率,表示通信信號(hào)與感知信號(hào)的自干擾功率,同理,在rx2的信干噪比為:

107、

108、其中,表示在rx2的干擾信號(hào)功率,表示通信信號(hào)與感知信號(hào)的自干擾功率,在無人機(jī)rx3接收端的信干噪比為:

109、

110、其中,表示在無人機(jī)端的干擾信號(hào)功率,表示反射信號(hào)與兩個(gè)通信信號(hào)之間的互干擾功率,得出無人機(jī)通感一體化系統(tǒng)的總信干噪比為:

111、。

112、優(yōu)選地,一種基于無人機(jī)通感一體化的干擾消除方法,包括有硬件干擾消除和算法干擾消除,所述硬件干擾消除,融合天線自干擾消除與數(shù)字自干擾消除技術(shù),使收發(fā)天線隔開距離,再通過數(shù)字濾波的方法消除殘余干擾;

113、優(yōu)選地,所述算法干擾消除技術(shù),采用改進(jìn)后的變步長最小均方誤差(lms)自適應(yīng)濾波算法,自適應(yīng)濾波是一種信號(hào)處理方法,主要目的是通過根據(jù)信號(hào)的特性動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器參數(shù),從而提高信號(hào)處理的效果,在通信系統(tǒng)中,用自適應(yīng)濾波器來抑制信道噪聲,提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量,在雷達(dá)系統(tǒng)中,用自適應(yīng)濾波器抑制地面雜波和干擾,提高目標(biāo)檢測的性能,算法流程:以初始化w(n)開始,讀取輸入信號(hào)x(n)與期望信號(hào)d(n),計(jì)算濾波器的輸出信號(hào)y(n),計(jì)算輸出信號(hào)y(n)與期望信號(hào)d(n)的誤差e(n),然后更新權(quán)值系數(shù)向量w(n),同時(shí)用于更新權(quán)值系數(shù)向量的步長因子。

114、(三)有益效果

115、本發(fā)明提供了基于無人機(jī)通感一體化的傳輸路徑構(gòu)建方法、干擾分析方法及干擾消除方法。具備以下有益效果:

116、(1)本發(fā)明定義了在無人機(jī)通感一體化場景下的各個(gè)通信信號(hào)和感知信號(hào)的數(shù)學(xué)公式,明確了無人機(jī),基站以及用戶的作用,然后設(shè)計(jì)了通信信號(hào)和感知信號(hào)的傳輸路徑,最后在此系統(tǒng)和路徑下分析了不同的干擾。

117、(2)現(xiàn)有的通信信道模型不能準(zhǔn)確或快速地在非常寬的帶寬上再現(xiàn)動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的信號(hào)傳播,本發(fā)明運(yùn)用混合信道模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠很好地平衡建模精度和計(jì)算效率,同時(shí)兼顧通信和感知功能。

118、(3)本發(fā)明用一種干擾熱圖來表示用戶、無人機(jī)之間的干擾。根據(jù)熱圖可以直觀的看出相互之間的干擾強(qiáng)度。另外本發(fā)明還提供了兩種干擾消除方法,根據(jù)不同區(qū)域干擾強(qiáng)度的高低選擇合適的干擾消除技術(shù)。硬件干擾消除法結(jié)合了多種技術(shù),比起單一技術(shù)更有效果,所以適用于強(qiáng)干擾的區(qū)域。改進(jìn)的lms自適應(yīng)濾波干擾消除算法因?yàn)椴介L是時(shí)變的,所以收斂速度和誤差上比起lms算法要好,但是還是繼承了lms的低復(fù)雜度,計(jì)算量也較小,所以適用于弱干擾的區(qū)域。

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