[发明专利]一种基于时间调制阵列的无人机反向散射通信方法

说明书

本发明提供了一种基于时间调制阵列的无人机反向散射通信方法，属于无人机无线通信技术领域。本发明在无人机上设置时频全双工的时间调制天线阵列FD‑TMA，通过将FD‑TMA中的SPMT开关和SPDT开关组合，实现收发天线共用的同时将收发射频链隔离开；通过调整无人机中FD‑TMA中移相器的相角与天线阵元收发状态的调制时序，抑制本地自干扰；无人机在与BD通信时，将基频分量的最大增益方向对准BD后发送射频信号；无人机对接收信号经FD‑TMA调制后再经低通滤波器得到BD发送信号。本发明实现利用射频开关网络将收发射频链隔离开，实现自干扰信号抑制，满足物联网中大量反向散射通信设备BD的数据搜集应用需求。

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及无线同时同频全双工通信技术及反向散射通信技术，具体涉及一种基于时间调制阵列(Time modulated array，TMA)的无人机同时同频全双工反向散射通信方法。

背景技术

随着无线通信技术和传感技术的高速发展，具有感知、计算和无线通信能力的传感器问世。无线传感器网络就是由上述大量的传感器节点通过多跳、自组织的方式构成，能够实现协作地感知、采集被监测区域的信息数据，并对数据进行处理和传输，使人们得到有价值的信息。无线传感器节点具有低功耗、低成本、易部署等特性，因此被广泛应用于工农业生产以及交通管理领域。而物联网时代的到来，更加速了无线传感器网络技术的发展与应用，例如智慧城市建设、智慧农业等。其中微软的“未来之家”系统能将居室中的门禁系统、照明系统、空调系统和厨房燃气系统等连在一起，实现智能、自动化管理。这些以无线传感器网络技术为主要手段的智能系统未来将会极大地便捷人们的生活。另一方面，无线传感器网络技术还被应用于空间探索、灾难监测及军事通信等领域，例如森林大火监测与野生动物移动轨迹监测。其中由加州大学伯克利分校利用无线传感器技术创造的森林火灾检测系统FireBug得以成功运用。由此可见，无线传感器数据收集技术引起了国内外专家学者的格外重视但由于受到成本、体积等条件限制，节点的通信能力、数据存储与处理能力以及续航能力十分有限，并且因为节点部署环境一般较为恶劣，定期对传感器节点的电池进行充电或者更换可能既昂贵又不便。通常，所采集的信息数据是通过传感器节点间的多跳传输至汇集节点，而传感器节点间的通信过程将消耗较多能量，因此汇集节点周围的传感器节点需要传递更多来自其他传感器所传输的数据。这导致汇集节点周围的传感器节点耗电比其他传感器节点快的多，而这将会严重缩短网络的寿命。此外，部署在监测区域的传感器节点可能提前断开连接，导致部分数据无法被传输至汇聚节点。

为了解决这些问题，采用移动收集器辅助无线传感器网络进行数据收集的策略随之出现，其中无人机是最重要的移动收集器之一。近年来，随着科技的进步和发展，无人机由于成本低廉、操控灵活等特点被广泛应用于军事与民用领域。随着无线网络技术的发展，配备了智能传感器和天线的无人机辅助无线传感器网络进行的数据分发和收集已经得到了广泛的应用。在传感器网络进行数据收集的过程中，由无人机采集传感器节点的数据，节省了传感器节点由于中转其他节点的数据造成的电量消耗，延长了传感器网络的寿命。另外，无人机能在障碍物较多的复杂地理环境下工作，提升了传感器节点向外传输数据的效率，加速了数据的收集工作。

尽管无人机在收集数据时有较多优点，然而无人机能量有限，执行任务的作用时间受限，因此，高谱效的传输技术在无人机数据收集应用中十分关键。因此，时频全双工技术在提升无人机吞吐量方面起到重要作用，并受到了广泛关注。如参考文献[1]对全双工无人机通信进行了研究，针对无人机分布和资源分配问题展开研究，最小化无人机的发射功率，同时满足用户的速率要求。参考文献[2]研究了不完全自干扰消除下的全双工无人机的空中基站多小区网络的资源分配问题。并对最大化下行和速率，最大化上行和速率，最大化上行、下行和速率展开研究。参考文献[3]研究了旋转翼无人机辅助的全双工无线物联网(IoT)网络，其中配备全双工混合接入点的旋转翼无人机服务于多个稀疏分布的能量受限物联网传感器。无人机在飞行和悬停时发射能量，仅在悬停时收集信息。