[发明专利]大规模无人机中继网络信道模拟装置及GPU实时仿真方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明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。。

背景技术：

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(Unmanned Aerial Vehicle，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(Wireless Mobile Ad-Hoc Networks，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。