無人蜂群分布式相干協作通信系統

徐 平，趙浦媛，馬天乙，劉 飛，閆飛宇，吳道龍

無人蜂群分布式相干協作通信系統

徐 平，趙浦媛，馬天乙，劉 飛，閆飛宇，吳道龍

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

為了解決無人（UAV）蜂群數據鏈系統受機載端發射功率及天線口徑限制，空地通信距離受限的問題，提出了一種分布式相干協作通信系統的設計方法?；谛诺婪答伒男Ｕa償信息，蜂群節點可同時發送通信信號，在地面節點處實現相干協作信號增強。在實驗室內搭建原型測試系統，通過理論分析和實測對比，驗證了多節點相干協作傳輸的通信能力。4節點協作時，相干協作能力實測可增加10.58 dB。該方法使得在保持無人蜂群數據鏈端機及全向天線不變基礎上，實現通信距離擴展、抗干擾能力提升變得可行。

無人機；無人蜂群；數據鏈；分布式相干協作通信

0 引言

近年來，局部地區沖突中無人裝備頻繁投入實戰，在戰場中的偵察監視、目標指示、精確打擊等方面發揮了顯著效果。現代戰爭正逐步向遠程化、無人化和智能化發展。廣泛利用全域戰場空間的各類作戰平臺，增加可供構成殺傷鏈的節點數量并增進其功能和性能，依托無人蜂群作戰系統，構建全域戰場互聯網絡，形成群體智能支撐下的“馬賽克戰”體系，即時聚集非對稱性作戰效能[1-5]。

無人蜂群系統地面控制站的發射能力可遠大于空中機載端；而受限于平臺供電、載重、尺寸等要求，機載端機發射功率有限且多采用全向天線，無法通過增大天線物理孔徑來提高增益并實現空地通信距離擴展。在前突復雜電磁環境下，可靠的抗干擾通信也是亟待解決的關鍵問題。這就需要利用無人蜂群的群體規模優勢，將能力在無人蜂群平臺之間再分配，通過信號處理實現對目標區域的高增益定向增強。

目前國內在無人集群方向分布式相干協作通信的研究較為薄弱，多處于理論研究[6-7]及仿真分析階段[8-11]，缺少相應的實測試驗數據支撐。本文針對無人蜂群數據鏈系統的典型應用場景，提出了一種分布式相干協作通信方法，并在實驗室有線環境下進行了實際測試，驗證了擴展通信距離、提升抗干擾能力的有效性。

1 基本系統模型

無人蜂群分布式相干協作通信系統模型如圖1所示，包含1個目的節點Node D和個分布式的協作節點Node 0～Node，來模擬1個地面控制站節點和個空中無人機蜂群節點；其中，地面控制站節點的發射能力遠大于空中無人機蜂群節點，即地對空通信距離要優于空對地。在不改變任何設備及天線的狀態下，利用空中節點建立分布式相干協作通信系統，實現雙方通信能力的對等。

所有節點均滿足時分工作，協作節點以主—從模式工作，Node 0被選舉為主節點（Master），Node 1～Node為從節點（Slave）。目的節點首先將參考信號發送給所有協作節點，協作節點以選定的主節點Node 0的時鐘信號為時間基準參考，將目的節點至所有協作節點（Node 0～Node）的路徑相位進行累積和反轉，以保證個協同節點產生的載波信號產生相干現象。所有協作節點將相干載波信號同時發送給目的節點，到達目的節點時即可進行有效疊加，實現信號功率增強，完成一次遠距離的協作通信傳輸。

圖1 多節點分布式協作相干通信系統模型

2 相干協作通信

針對無人蜂群的典型應用場景，分布式相干協作通信系統的工作流程主要劃分為廣播參考、主從同步和相干協作三個階段。在廣播參考階段，目的節點發送參考信號，完成目的節點和所有協作節點間的時間、頻率及相位統一。在主從同步階段，主節點分別和從節點進行發射同步，完成協作節點間的頻率、相位統一。在相干協作階段，所有協作節點發送同一消息至目的節點，實現協作信號增強。

分布式相干協作的通信流程周期劃分如圖2所示。在每次的鏈路信號接收和信道參數估計的過程中，都會引入誤差；為保證目的節點與協作節點之間的持續協作通信，需要周期性地重復進行同步校正，來滿足一定的協作通信能力。

圖2 分布式相干協作通信周期劃分

2.1 廣播參考信號

在廣播參考信號階段，如圖3所示，目的節點向所有協作節點廣播參考信號，所有協作節點接收到參考信號后，追蹤該信號的頻率及相位信息，使得本地信號振蕩源與之同步。

圖3 廣播參考信號

2.2 主從節點同步

在主從節點同步階段，協作節點中的從節點Node 1向主節點Node 0發送從節點校正信號，主節點參考該校正信號信息校正補償本地信號振蕩源；然后發送此刻的主節點校正信號至從節點Node 1，從節點Node 1追蹤該校正信號的頻率及相位信息，使得從節點Node 1的本地信號振蕩源與之同步。其他的從節點再逐次重復該過程，直至主節點Node 0與所有從節點（Node 1～Node）完成 同步。

基于此主從同步過程，減少了協同節點間的頻率、相位誤差，所有協作節點的發射頻率和相位同步到了一定精度，基于此再進行協作相干通信。整個主從同步過程示意圖如圖4所示。

圖4 主從節點同步

2.3 分布式相干協作

在相干協作通信階段，基于前期的校正補償調整，所有協作節點同時發送同一消息信號至目的節點Node D，在目的節點Node D的接收端處有效疊加，進而達到信號增強，實現相干協作通信，其過程示意圖如圖5所示。

圖5 相干協作通信

3 試驗及性能評估

則此時，目的節點接收信號的信噪比為

在實驗室有線環境下搭建1個目的節點和4個協作節點的分布式相干協同通信原型系統。如圖6所示，所有節點通過有線環境實現射頻互聯，同時在目的節點處引出一路測試信號進入信號分析儀中觀察通信信號的合成狀態。搭建的無人蜂群分布式相干協作實物聯試環境如圖7所示。

圖6 多節點分布式相干協作通信測試框圖

圖7 多節點分布式相干協作實物聯試環境

為考核系統的多節點相干協作能力，測試時設置不同數量的協作節點參與相干協作。2節點、3節點及4節點協作時的相干協作信號接收情況分別如圖8～圖10所示，可看出多節點協作后通信信號功率值均高于單節點工作的通信信號功率值。

圖8 2節點協作時的信號合成圖

圖9 3節點協作時的信號合成圖

圖10 4節點協作時的信號合成圖

相干協作通信能力的實測結果如表1所示，可以看出隨著協同節點數量增加，協作通信能力逐漸增大，與理論分析基本相符。4節點協作時，協作能力可增加10.58 dB，可有效擴展空地通信距離至兩倍以上，驗證了分布式協作相干通信實現無人蜂群空地通信距離擴展、抗干擾能力提升的有效性。

表1 分布式相干協作通信能力實測結果

4 結語

本文提出了一種針對無人蜂群數據鏈系統的分布式相干協作通信方法，基于信道反饋信息的校正補償及調整，所有蜂群節點可同時發送通信信號，在地面節點處實現相干協作信號增強，從而擴展空地通信距離、提升系統抗干擾能力。實驗室內的實測數據符合理論分析計算，也驗證了系統運行的可行性。

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Distributed Coordinated Coherent Communication System for UAV Swarm Application

XU Ping, ZHAO Puyuan, MA Tianyi, LIU Fei, YAN Feiyu, WU Daolong

In order to solve the problem of air-to-ground communication distance due to the limitation of transmitted power and antenna size in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarm data link system, a method of distributed coordinated coherent communication system is proposed. Based on the adjusting and compensation of channel feedback, the UAV swarm nodes can transmit the communication signal simultaneously, and then the coherent received signal can be obtained in the ground node. A prototype system is built in the laboratory. Comparison of the theoretical analysis and measured data, the capacity of multi-node coordinated coherent transmission is verified. Experimental results show that the power gain is increased 10.58 dB when 4 nodes are coordinated. The proposed method makes it possible to expand communication distance and improve anti-jamming ability while the UAV swarm data link terminal and omnidirectional antenna remain unchanged.

UAV; UAV Swarm; Data Link; Distributed Coordinated Coherent Communication

TN929

A

1674-7976-(2023)-06-442-04

2023-11-10。

徐平（1988.04—），山東聊城人，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為無人集群數據鏈系統。