一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法与流程

[0001]
本发明涉及一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法，属于卫星通信和无人机通信技术领域。


背景技术：

[0002]
卫星通信的定义和组成。卫星通信是指通过卫星来进行用户终端和核心网间信息交互的无线通信方式，用于该种通信方式的卫星有部署于约36000公里轨道位置的geo(geosynchronous earth orbit)通信卫星、部署于2000-36000公里轨道位置的meo(medium earth orbit)通信卫星和部署于50-2000公里轨道位置的leo(low earth orbit)通信卫星。一个简单的卫星通信系统通常由用户终端、卫星和信关站组成，信息流从信关站经过卫星到达用户终端通常称为前向链路，而从用户终端经过卫星到达信关站为返向链路。用户终端通常为移动的通信终端或者固定的地面接收站，信关站通常为固定的地面接收站，用于连接核心网并与用户终端进行信息交互，用户终端可与通信卫星间建立单向或者双向通信链路，信关站与通信卫星间建立双向通信链路；通信卫星对于信息的处理可分为透明转发和星上处理两种模式。
[0003]
无人机通信的组成和分类。近年来，以四旋翼无人机为代表的无人机被广泛应用于社会发展和娱乐生活的多个方面。同时，以第五代(5th generation,5g)移动通信系统为代表的无线通信技术快速发展、应用场景不断扩展且通信性能不断提升。
[0004]
卫星通信的性能和应用场景。传统宽波束geo卫星能提供的上下行传输速率一般不超过500kpbs，近年来发展的窄波束高通量geo卫星可提供50-300gbps的系统容量，geo卫星端到端延时(终端-卫星-信关站)约为500ms。leo卫星可提供0.5-5.2gbps的上下行传输速率，端到端延时可低至几十ms。卫星通信一般应用于以下三类场景：1)为无地面通信网络覆盖或者覆盖不足的偏远地区提供移动通信服务；2)飞机、火车、汽车、轮船等移动终端接入传统地面通信网络时面临无网络覆盖或者高复杂度移动性管理等难题，卫星通信可为上述移动终端提供无线通信服务；3)为传统地面通信网络的边缘或者无覆盖地区提供多播、组播等服务，如卫星电视广播、应急通信等。
[0005]
空间频谱资源紧缺。用于无线通信的频谱资源为不可再生的重要战略资源，随着几十年来卫星通信和地面蜂窝移动通信的快速发展，频谱资源短缺已成为制约未来无线通信发展的重要因素之一。充分利用有限的频谱资源、进行有效的干扰管理，是卫星和无人机综合组网中的重点和难点。


技术实现要素：

[0006]
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法，考虑卫星和无人机的无线通信链路均使用同样的频段，针对卫星和无人机综合组网时多链路间同频干扰导致系统吞吐量下降的问题，本发明通过调整无人机高度和链路传输方向来减少同频干扰，进而提供系统吞吐量。本发明能够
减小干扰提升吞吐量的核心原理在于，通过改变无人机高度和链路传输方向，可以改变同频干扰的方向和大小，使卫星和无人机综合组网时接收机受到的干扰最小化。
[0007]
本发明解决的技术方案为：一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法，步骤如下：
[0008]
步骤一，获取综合组网应用场景中所有卫星、无人机和地面终端的发射功率p
s
、p
u
和p
g
，卫星和无人机的天线波束主瓣宽度θ
s
和θ
u
，无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，所有卫星、无人机和地面终端的数量和位置坐标。
[0009]
步骤二，根据步骤一获取的综合组网应用场景中所有卫星、无人机和地面终端的发射功率p
s
、p
u
和p
g
，卫星和无人机的天线波束主瓣宽度θ
s
和θ
u
无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，所有卫星、无人机和地面终端的数量和位置坐标，确定各地面终端接入方式，使至少有一个地面终端接入卫星，且有一个地面终端接入无人机，完成组网；来接入卫星或无人机。
[0010]
步骤三，完成组网后，根据卫星与地面终端通信的链路的路径损耗和链路中信号传输的大尺度阴影衰落，确定各地面终端与接入的对应卫星通信链路的上行速率和下行速率；
[0011]
根据各地面终端与接入的对应的无人机通信的链路的路径损耗和链路中信号传输的大尺度阴影衰落，确定无人机高度可调范围内的不同高度下地面终端与接入的对应无人机通信链路的上行速率和下行速率；
[0012]
步骤四，计算出各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和；
[0013]
步骤五，在计算任意一条通信链路的同频干扰时，将其余通信链路的时分双工模式固定；根据步骤四计算出各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和，计算出该通信链路在时分双工模式下的同频干扰值，以此类推，遍历所有其余通信链路的时分双工模式组合，即得到所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值；
[0014]
步骤六，根据步骤四计算出的各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和，以及步骤五得到的所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值，确定无人机高度可调范围内的不同高度下以及时分双工模式下综合组网应用场景下的通信网络吞吐量；
[0015]
步骤七，比较无人机高度可调范围内的不同高度下以及时分双工模式下综合组网应用场景下的通信网络吞吐量，得到最大网络吞吐量时对应的各无人机高度和各通信链路时分双工模式；即为最优的各无人机高度和最优的各链路时分双工模式；
[0016]
步骤八，根据最优的各无人机高度和最优的各链路时分双工模式，将综合组网应用场景中的各无人机的当前高度调整值最优的各无人机高度，各通信链路的当前时分双工模式调整至最优的各链路时分双工模式，即实现最大程度消除同频干扰。
[0017]
优选的，无人机高度是指无人机距离海平面的高度。
[0018]
优选的，地面终端接入方式，包括两种，分别为接入卫星和接入无人机，接入准则为最临近准则，即地面终端选择距离自己最近的卫星或者无人机进行接入直至服务结束。
[0019]
优选的，时分双工模式，包括：奇上偶下和奇下偶上两种；奇上偶下即为奇数时刻进行上行通信而偶数时刻进行下行通信，依次交替；奇下偶上即为奇上偶下即为奇数时刻进行上行通信而偶数时刻进行下行通信，依次交替。
[0020]
优选的，综合组网应用场景，包括：无人机、多个卫星、地面终端；
[0021]
无人机可部署在距离海平面100m-1000m之间，为一个或多个；卫星为一个或多个，当只有一个卫星时，可以为leo、meo或geo；当有多个卫星时，可以只有leo和meo、也可以只有leo和geo；也可以只有meo或geo；也可以有leo、meo和geo。
[0022]
地面终端为两个以上；
[0023]
无人机和卫星均设有对地的定向天线；地面终端上设有全向天线；
[0024]
卫星和无人机综合组网方式和通信方式。本发明提出的多链路干扰消除方法适用于任意架无人机和卫星综合组网，无人机可部署在100-1000m之间，卫星可为leo、meo和geo，无人机和卫星可同时同频对地面用户提供通信服务，无人机和卫星均通过连接地面信关站来连接地面核心网，地面终端既可接入无人机，也可接入卫星。无人机和卫星使用的空地链路均使用负载均衡的时分双工(time division duplex，tdd)工作模式。
[0025]
优选的，无人机可为固定翼，也可为多旋翼无人机，要求无人机至少能够搭载无线通信载荷和用于通信足够的能源。
[0026]
优选的，地面核心网具备接收卫星和无人机回程链路的功能，也可具备向卫星和无人机转发核心网信息的功能。
[0027]
优选的，地面终端具备无线通信终端，其终端具备选择接入无人机，也可以选择接入卫星的功能。上述无线通信终端的接收灵敏度需要与卫星和无人机进行匹配。
[0028]
优选的，无人机的空地链路，是指：无人机与地面终端之间通信的链路；
[0029]
卫星使用的空地链路，是指：卫星与地面终端之间通信的链路.
[0030]
优选的，无人机和卫星使用的空地链路均使用负载均衡的时分双工(time division duplex，tdd)工作模式，具体为：连续的两个时隙中，第一个时隙进行上行通信，第二个时隙进行下行通信，上下行通信均使用分配给链路的全部频段。
[0031]
优选的，无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，要求为：最低高度h
umin
需考虑地理环境避撞，最高高度h
umax
需与所使用的无人机支持最大高度向匹配。
[0032]
优选的，双向速率和，是指链路的上行速率加下行速率之和。
[0033]
优选的，链路的路径损耗，是指无线通信信号在自由空间传播过程中经历的幅度衰落。
[0034]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0035]
(1)本发明在卫星和无人机综合组网时，本发明考虑卫星链路和无人机链路同时同频进行通信，有效提高了频谱利用率，可作为当前无线通信频谱资源日益紧张情况下的一种卫星/无人机综合组网方式。
[0036]
(2)本发明针对多链路同时同频通信时的干扰问题，本发明提出了通过调整链路传输方向和无人机高度来尽可能减小同频干扰，其中，调整链路传输方向可以改变干扰的来源和经历的信道，调整无人机高度可以使无人机链路在路径损耗和卫星链路干扰间做出合理权衡。
[0037]
(3)本发明首先充分获取了综合组网中各节点的参数信息，其次基于参数信息，面
向最大化网络吞吐量计算了最优的无人机高度和链路时分双工模式，本发明在调整综合组网节点可调参数方面相比现有技术更具有灵活性，并通过对无人机高度和链路时分双工模式的联合调整实现了比单个参数调整更优的结果。
附图说明
[0038]
图1为卫星和无人机综合组网场景一示意图；
[0039]
图2为为卫星和无人机综合组网场景二示意图；
[0040]
图3为为卫星和无人机综合组网场景三示意图；
[0041]
图4为为卫星和无人机综合组网场景四示意图；
[0042]
图5本发明多链路干扰消除流程图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
[0044]
本发明一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法，确定各地面终端接入方式，使至少有一个地面终端接入卫星，有一个地面终端接入无人机，完成组网；来接入卫星或无人机。完成组网后，确定各地面终端与接入的对应卫星通信链路的上行速率和下行速率；确定无人机高度可调范围内的不同高度下地面终端与接入的对应无人机通信链路的上行速率和下行速率；在计算任意一条通信链路的同频干扰时，将其余通信链路的时分双工模式固定；计算出该通信链路在时分双工模式下的同频干扰值。以此类推，遍历所有其余通信链路的时分双工模式组合，即得到所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值；确定最优的各无人机高度和最优的各链路时分双工模式，调整至最优的各无人机高度，调整至最优的各链路时分双工模式，即实现最大程度消除同频干扰。
[0045]
无人机搭载无线通信载荷，一方面，无人机搭载终端载荷可以作为空中用户来接入地面移动通信系统的地面基站，实现图像/视频数据的高速回传。另一方面，因具有部署迅速、机动灵活的特点，无人机也可搭载基站/中继载荷被部署为空中基站/空中中继来提供例如应急通信、热点区域增强覆盖等服务。
[0046]
卫星通信与无人机通信综合组网应用。卫星与无人机均具有通信覆盖范围广且覆盖区域灵活可变等特点，以3gpp为代表的产业界开展了5g移动通信系统应用卫星、无人机等平台组成的非地面通信网络的研究工作。其中，非地面网络在5g中的作用可大致分为三方面：1)在地面通信网络无法覆盖或者覆盖不足的区域，提供一种经济且高效的互联网网络接入服务；2)加强5g通信系统为飞机、轮船、高铁、汽车等移动平台提供移动通信服务；3)为地面网络的边缘用户提供高效的多播和广播服务。而卫星和无人机进行综合组网可进一步发掘卫星、无人机等异构平台的特点，可在不同场景下为用户提供灵活可靠的无线通信服务。
[0047]
本发明应用的场景为同时存在卫星、无人机和地面终端的综合组网场景且地面终端使用时分双工模式和卫星或者无人机进行双向通信。该场景下，地面终端可选择和卫星或者无人机连接进行双向通信，地面终端与卫星或无人机建立的双向通信链路可以选择工作于不同的时分双工模式，无人机可选择部署在不同的高度，因此该综合组网场景通信方式灵活多变、组合复杂，不同情况下同频干扰不同且时分双工模式和无人机部署高度选择
有可造成严重的链路间同频干扰。
[0048]
应该本发明所提出的多链路干扰消除方法，可以有效在灵活多变、组合复杂的通信方式中选择最优的链路时分双工模式和无人机部署高度，可最大程度消除同频干扰，提高综合组网场景下各链路的通信性能。
[0049]
如图1所示为卫星和无人机综合组网场景一，分为左边1)和右边2)，其中1)无人机在卫星覆盖范围之内；2)两条链路使用相同传输方向；
[0050]
图2为为卫星和无人机综合组网场景二，分为左边1)和右边2)，其中1)无人机在卫星覆盖范围之内；2)两条链路使用不同传输方向；
[0051]
图3为为卫星和无人机综合组网场景三，分为左边1)和右边2)，其中1)无人机在卫星覆盖范围之外；2)两条链路使用不同传输方向；
[0052]
图4为为卫星和无人机综合组网场景四，分为左边1)和右边2)，其中1)无人机在卫星覆盖范围之内；2)两条链路使用相同传输方向；
[0053]
如图5所示，本发明一种应用于卫星和无人机综合组网的多链路干扰消除方法，优选方案步骤如下：
[0054]
步骤一，获取综合组网应用场景中所有卫星、无人机和地面终端的发射功率p
s
、p
u
和p
g
，卫星和无人机的天线波束主瓣宽度θ
s
和θ
u
，无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，所有卫星、无人机和地面终端的数量和位置坐标。优选方案具体如下：
[0055]
本发明中进行综合组网管控的既可以是卫星，也可以是无人机，即管控程序安装在卫星或者无人机上。
[0056]
如图1所示，综合组网场景中所有卫星、无人机和地面终端将所有卫星、无人机和地面终端的发射功率p
s
、p
u
和p
g
、卫星和无人机的天线波束主瓣宽度θ
s
和θ
u
，无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，所有卫星、无人机和地面终端的数量和位置坐标的数据发送给管控程序所在的卫星或者无人机。
[0057]
上述数据发送实现方式具体为：所有卫星、无人机和地面终端使用预设的频段和功率周期性地进行广播自身的参数信息，管控程序所在的卫星或者无人机在预设的频段上周期性地接收所有卫星、无人机和地面终端自身的参数信息。
[0058]
以上便实现了获取综合组网应用场景中的各种参数信息。
[0059]
步骤二，根据步骤一获取的综合组网应用场景中所有卫星、无人机和地面终端的发射功率p
s
、p
u
和p
g
，卫星和无人机的天线波束主瓣宽度θ
s
和θ
u
，无人机高度可调范围h
umax
和h
umin
，所有卫星、无人机和地面终端的数量和位置坐标，确定各地面终端接入方式，使至少有一个地面终端接入卫星，且有一个地面终端接入无人机，完成组网；来接入卫星或无人机。优选方案具体如下：
[0060]
本发明面向的是卫星和无人机综合组网场景，因此无人机和卫星数量至少各自为1，而地面终端至少大于等于无人机+卫星数量，确定各地面终端接入方式可以分为以下两种情况：
[0061]
情况一，地面终端数量等于无人机+卫星数量。此时可以实现所有地面终端与卫星或者无人机进行匹配接入，根据卫星、无人机和地面终端的坐标位置，根据常用的通信距离最临近准则，将地面终端分别接入距离各自最近的卫星或者无人机。
[0062]
情况二，地面终端数量大于无人机+卫星数量。此时，能够实现地面终端接入卫星
或者无人机的数量小于现有地面终端数量，从现有所有地面终端中随机选择出等于卫星+无人机数量的地面终端，根据常用的通信距离最临近准则，将地面终端分别接入距离各自最近的卫星或者无人机。此外，剩余未接入的地面终端等待此轮通信完成后再次尝试进行接入。
[0063]
上述接入的具体方式为：步骤一所述的管控程序所在的卫星或者无人机可以将情况一和情况二中决定的匹配结果广播给各接入节点，完成通信协议上通信地址的匹配，即完成了接入。
[0064]
步骤三，完成组网后，根据卫星与地面终端通信的链路的路径损耗和链路中信号传输的大尺度阴影衰落，确定各地面终端与接入的对应卫星通信链路的上行速率和下行速率；
[0065]
根据各地面终端与接入的对应的无人机通信的链路的路径损耗和链路中信号传输的大尺度阴影衰落，确定无人机高度可调范围内的不同高度下地面终端与接入的对应无人机通信链路的上行速率和下行速率；优选方案具体如下：
[0066]
卫星空地链路的路径损耗l
s
可以表示为：
[0067][0068]
其中，f
c
为通信载波频率，c为光速，d
s
为卫星与地面终端间距离，n
s
为卫星空地链路的路损衰减因子。
[0069]
无人机空地链路的路径损耗可以表示为
[0070][0071]
其中，d
u
(h
u
)为无人机与地面终端间欧拉距离且为无人机高度h
u
的函数(据前所述，无人机高度h
u
的范围在h
umax
和h
umin
之前)，n
u
为无人机空地链路的路损衰减因子。
[0072]
卫星空地链路和无人机空地链路的阴影衰落可以分别表示为φ
s
和φ
u
,链路噪声表示为σ。
[0073]
卫星空地链路上行速率可以通过下式计算得到：
[0074][0075]
卫星空地链路下行速率可以通过下式计算得到：
[0076][0077]
无人机空地链路上行速率可以通过下式计算得到：
[0078][0079]
无人机空地链路下行速率可以通过下式计算得到：
[0080][0081]
因本发明中无人机高度可以灵活调整，因此无人机空地链路上行和下行速率为无人机高度h
u
的函数，即上述无人机空地链路上行速率和下行速率为不同无人机高度下的上行速率和下行速率。
[0082]
步骤四，计算出各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和；优选方案具体如下：
[0083]
卫星空地链路双向速率和可通过下式计算得到：
[0084][0085]
无人机高度可调范围内的不同高度下无人机空地链路双向速率和可通过下式计算得到：
[0086][0087]
步骤五，在计算任意一条通信链路的同频干扰时，将其余通信链路的时分双工模式固定；根据步骤四计算出各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和，计算出该通信链路在时分双工模式下的同频干扰值，以此类推，遍历所有其余通信链路的时分双工模式组合，即得到所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值；优选方案具体如下：
[0088]
遍历所有其余通信链路的时分双工模式组合，即得到所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值：
[0089]
时分双工模式：时分双工为上下行链路使用同一个频段但是在不同时隙进行上行或者下行通信的通信方式。时分双工可以分为奇上偶下和奇下偶上两种模式；奇上偶下即为奇数时刻进行上行通信而偶数时刻进行下行通信，依次交替；奇下偶上即为奇上偶下即为奇数时刻进行上行通信而偶数时刻进行下行通信，依次交替。
[0090]
遍历时分双工模式：假设有两条通信链路(第一条为一架无人机和一个地面终端节点间的无人机空地链路；第二条链路为一颗卫星和一个底面终端节点间的卫星空地链路)，每条通信链路有(如上段所述)奇上偶下和奇下偶上两种时分双工工作模式，因此有以下四种不同时分双工工作模式组合情况：1)第一条链路奇上偶下，第二条链路奇上偶下；2)第一条链路奇上偶下，第二虐链路奇下偶上；3)第一条链路奇下偶上，第二条链路奇上偶下；4)第一条链路奇下偶上，第二条链路奇下偶上。上述说明可见图1、图2、图3和图4所示。
[0091]
同频干扰计算：假设两条链路(前例所述)工作于如下的工作模式：第一条链路奇上偶下，第二条链路奇上偶下，则奇数时刻第一条链路为地面终端节点发送上行信号给无人机，第二条链路为地面终端节点发送上行信号给卫星；而偶数时刻第一条链路为无人机发送下行信号给地面终端节点，第二条链路为卫星发送下行信号给地面终端节点。此时，因两条链路工作于同一个频段，奇数时刻无人机和卫星分别受到来自另外一条链路中地面终端的上行信号干扰而偶数时刻地面终端节点分别受到另外一条链路中卫星和无人机的下行干扰。基于无人机/卫星/两个地面终端节点的位置、三个节点的发射功率，就可以计算出前文所述的各同频干扰。
[0092]
用r表示链路时分双工模式的标志，即r＝0表示链路为奇上偶下，r＝1表示链路为奇下偶上。
[0093]
上述例子中卫星空地链路上行链路所受同频干扰(且为时分双工模式r和无人机高度h
u
的函数)可以通过下式计算得到：
[0094][0095]
卫星空地链路下行链路所受同频干扰可以通过下式计算得到：
[0096][0097]
无人机空地链路上行链路所受同频干扰(且为时分双工模式r和无人机高度h
u
的函数)可以通过下式计算得到：
[0098][0099]
卫星空地链路下行链路所受同频干扰可以通过下式计算得到：
[0100][0101]
其余链路的同频干扰值均可类似得到。上述同频干扰值即与无人机高度h
u
有关，也与时分双工模式r有关。
[0102]
步骤六，根据步骤四计算出的各地面终端与对应接入的卫星通信链路的双向速率和，以及无人机高度可调范围内的不同高度下各地面终端与对应接入的无人机通信链路的双向速率和，以及步骤五得到的所有通信链路时分双工模式下的同频干扰值，确定无人机高度可调范围内的不同高度下以及时分双工模式下综合组网应用场景下的通信网络吞吐量；优选方案具体如下：
[0103]
优选方案为：组网场景中有两条通信链路：一条为一架无人机和一个地面终端节点间的无人机空地链路，另一条为一颗卫星和一个地面终端节点间的卫星空地链路。根据步骤五举例中两条链路时分双工模式遍历结果，此时有四种时分双工模式组合情况；而在每一种时分双工模式组合情况中，无人机可部署在不同的高度：例如有100m、200m两个高度，因此时分双工模式和无人机高度一共8种组合情况。在每种情况下均可以计算出两条链路的双向速率和以及受到的同频干扰值，并可进一步计算出8种情况下每种情况通信网络吞吐量。)
[0104]
根据卫星空地链路双向速率和无人机空地链路双向速率和卫星空地链路上行链路所有同频干扰卫星空地链路下行链路所受同频干扰无人机空地链路上行链路所受同频干扰和无人机空地链路下行链路所受同频干扰可以计算出不同无人机高度和不同时分双工模式下通信网络吞吐量：
[0105][0106]
步骤七，比较无人机高度可调范围内的不同高度下以及时分双工模式下综合组网应用场景下的通信网络吞吐量，得到最大网络吞吐量时对应的各无人机高度和各通信链路时分双工模式；即为最优的各无人机高度和最优的各链路时分双工模式；优选方案具体如下：
[0107]
根据上述公式，遍历每一种h
u
和r的组合，计算出不同组合情况下c
net
(r,h
u
)的值，选择其中最大的c
net
(r,h
u
)值以及其对应的h
u
和r的值，即为最大网络吞吐量时最优的无人机高度和最优的链路时分双工模式。
[0108]
步骤八，根据最优的各无人机高度和最优的各链路时分双工模式，将综合组网应用场景中的各无人机的当前高度调整值最优的各无人机高度，各通信链路的当前时分双工模式调整至最优的各链路时分双工模式，即实现最大程度消除同频干扰。优选方案具体如下：
[0109]
步骤一中所述管控程序所在卫星或者无人机将计算出的最优无人机高度和最优时分双工模式发送给其他卫星、无人机和地面终端。
[0110]
所有卫星和地面终端根据接收到的最优时分双工模式对通信协议中时分双工模式进行配置。
[0111]
所有无人机将自身无人机高度调整至最优无人机高度，且所有无人机根据接收到的最优时分双工模式对通信协议中时分双工模式进行配置。
[0112]
此时，通过以上最优无人机高度的调整和最优时分双工模式的配置，即可实现最大程度消除同频干扰，实现了本发明的目的。
[0113]
为提高频谱使用效率，本发明考虑卫星和无人机的无线通信链路均使用同样的频段，针对卫星和无人机综合组网时多链路间同频干扰导致系统吞吐量下降的问题，本发明通过调整无人机高度和链路传输方向来减少同频干扰，进而提供系统吞吐量。本发明能够减小干扰提升吞吐量的核心原理在于，通过改变无人机高度和链路传输方向，可以改变同频干扰的方向和大小，使卫星和无人机综合组网时接收机受到的干扰最小化。
[0114]
卫星和无人机综合组网方式和通信方式。本发明提出的多链路干扰消除方法适用于任意架无人机和卫星综合组网，无人机可部署在100-1000m之间，卫星可为leo、meo和geo，无人机和卫星均使用对地的定向天线，地面终端天线使用全向天线。无人机和卫星可同时同频对地面用户提供通信服务，无人机和卫星均通过连接地面信关站来连接核心网，地面用户即可接入无人机，也可接入卫星。无人机和卫星使用的空地链路均使用负载均衡的时分双工(time division duplex，tdd)工作模式，即连续的两个时隙中，第一个时隙进行上行通信，第二个时隙进行下行通信，上下行通信均使用分配给链路的全部频段。
[0115]
卫星和无人机综合组网中的多链路干扰。为充分利用宝贵的频谱资源，本发明考虑应用场景为：卫星和无人机可同时同频为地面用户提供服务。因此无人机对地链路和卫星对地链路将不可避免产生相互的同频干扰。具体而言，当一条链路的接收端处于另外一条链路发射端天线的主瓣范围内时，接收端将会受到另一条链路发射端的同频干扰，该同频干扰会使接收信噪比降低，严重相应通信性能。
[0116]
多链路干扰消除方法。本发明提出的卫星和无人机综合组网时的多链路干扰消除方法的核心在于，1)调整链路传输方向。通过调整多条链路的传输方向来改变干扰的来源，使干扰源更多地经历地地信道而非空地信道进行传播，因地地信道相比空地信道经历更严重的阴影衰落，因此可以减小到达接收机的干扰信号强度，从而提高接收端信干比。2)调整无人机高度。可以通过升高无人机的高度，可使其离开卫星的波束主瓣覆盖范围，从而避免接收来自卫星的干扰；但是升高无人机高度会增加链路传输距离，降低接收端接收信号强度。因此无人机高度的调整存在一个权衡，可根据不同传输场景和系统参数进行比较和优化，来决定如何调整高度。
[0117]
本发明设计的一种应用于卫星和无人机综合组网时的多链路干扰消除方法，适用于任意架无人机和任意颗卫星的综合组网场景。此处具体实施方式中，我们以一颗卫星和一架无人机综合组网场景为例来说明本发明的核心设计。
[0118]
本发明设计的一种应用于卫星和无人机综合组网时的多链路干扰消除方法，适用于任意架无人机和任意颗卫星设置不同的波束主瓣宽度。此处具体实施方式中，以一颗卫星和一架无人机设置特定的波束主瓣宽度(并同时假设发射波束主瓣宽度和接受波束主瓣
宽度一致)为例来说明本发明的核心设计。本发明设计的一种应用于卫星和无人机综合组网时的多链路干扰消除方法，适用于任意架无人机和任意颗卫星设置不同的无人机高度和卫星轨位高度。此处具体实施方式中，以优选的一颗卫星和一架无人机设置特定的无人机高度可调范围和卫星轨位高度为例来说明本发明的核心设计。
[0119]
本发明设计的一种应用于卫星和无人机综合组网时的多链路干扰消除方法，应用场景如图1所示，卫星和无人机综合组网场景中包括卫星(某特定轨位高度和波束主瓣宽度，权要中如必须指定具体数字，可设置为100km和60
°
)、无人机(某特定无人机高度可调范围和波束主瓣宽度，权要中如必须指定具体数字，可设置为0.1km-3km和60
°
)和地面节点，地面节点可随机接入卫星或无人机并与其进行无线通信。图1-图4分别描述了一架无人机和一颗卫星综合组网时服务地面节点的四种传输场景。
[0120]
图1中无人机在卫星覆盖范围之内，两条链路使用相同传输方向。卫星链路和无人机链路均考虑负载均衡的时分双工通信方式(前文已说明)，因此整个传输周期可分为时隙一和时隙二两个阶段：时隙一中无人机链路和卫星链路均为下行链路，无人机链路中地面用户因处于卫星波束覆盖范围内而受到同频干扰，卫星链路中地面用户处于无人机覆盖范围之外而没有受到同频干扰；时隙二中无人机链路和卫星链路均为上行链路，卫星链路中卫星受到装备全向天线的地面用户的同频干扰，而无人机链路中无人机接收天线主瓣不包含卫星链路中的地面用户，因此无人机没有受到同频干扰。
[0121]
图2中无人机在卫星覆盖范围之内，两条链路使用不同传输方向。整个传输周期可分为时隙一和时隙二两个阶段：时隙一中无人机链路为下行链路而卫星链路为上行链路，卫星链路中因卫星处于无人机发射波束覆盖范围外而没有受到同频干扰，无人机链路中地面用户处于卫星链路中地面用户全向天线覆盖范围之内而受到同频干扰；时隙二中无人机链路为上行链路而卫星链路为下行链路，卫星链路中地面用户受到无人机链路中地面用户的同频干扰，而无人机链路中无人机接收天线主瓣不包含卫星链路中的卫星，因此无人机没有受到同频干扰。
[0122]
图3中无人机在卫星覆盖范围之外，两条链路使用不同传输方向。整个传输周期可分为时隙一和时隙二两个阶段：时隙一中无人机链路为下行链路而卫星链路为上行链路，卫星链路中因卫星处于无人机发射波束覆盖范围外而没有受到同频干扰，无人机链路中地面用户处于卫星链路中地面用户全向天线覆盖范围之内而受到同频干扰；时隙二中无人机链路为上行链路而卫星链路为下行链路，卫星链路中地面用户受到无人机链路中地面用户的同频干扰，而无人机链路中无人机接收天线主瓣不包含卫星链路中的卫星，因此无人机没有受到同频干扰。
[0123]
图4中无人机在卫星覆盖范围之外，两条链路使用相同传输方向。整个传输周期可分为时隙一和时隙二两个阶段：时隙一中无人机链路和卫星链路均为上行链路，无人机链路中无人机接收主瓣范围内不包含卫星链路中的地面用户，因此无同频干扰，卫星链路中卫星接收主瓣范围内包含无人机链路中地面用户，因此受到同频干扰；时隙二中无人机链路和卫星链路均为下行链路，卫星链路中地面用户处于无人机链路中无人机发射波束主瓣外，因此无同频干扰，而无人机链路中地面用户在卫星链路卫星的发射天线主瓣之内，受到同频干扰。
[0124]
基于以上四种传输场景的讨论，本发明中的多链路干扰消除方法优选可以描述如
下：
[0125]
步骤一，获取综合组网应用场景中卫星、无人机和地面用户的发射功率p_s、p_u和p_g，卫星和无人机的天线波束主瓣宽度theta_s和theta_u，卫星的轨位高度h_s，无人机高度h_uav以及可调范围h_umax和h_umin，地面用户的数量和分布等。
[0126]
步骤二，确定用户接入方式。地面用户可采用随机接入方式来接入卫星和无人机。
[0127]
步骤三，每一对服务的用户，遍历图1-图4的四种传输场景。在每种传输场景中，计算出每条链路的双向速率和，即上行速率加下行速率。本发明在计算上下行速率时考虑路径损耗和大尺度阴影衰落，其中路径损耗可以根据广泛应用的自由空间衰落模型和步骤一的参数计算得到，大尺度阴影衰落为该传播环境下的经验参数，可从历史测量数据中得出。
[0128]
步骤四，比较四种传输情况下的双向速率和，得到最大双向速率和时的最优的无人机高度和链路传输方向。
[0129]
步骤五，重复步骤三和步骤四，完成综合组网场景下的服务。
[0130]
本发明实现抗干扰效率提高的进一步方案：设完成接入后的无人机与其他无人机空地链路或者卫星空地链路中地面终端俯仰角为θ
p
(此外如说明书中步骤一所述，无人机天线波束主瓣宽度θ
u
)，则满足约束条件：θ
p
>θ
u
，能进一步提高抗干扰效率；同理，设设完成接入后的卫星与其他无人机空地链路或者卫星空地链路中地面终端俯仰角为θ
q
(此外如说明书中步骤一所述，卫星天线主瓣宽度θ
s
)，则满足约束条件：θ
q
>θ
s
，能进一步提高抗干扰效率；2)实现抗干扰稳定性提高的方案：设无人机空地链路路径损耗φ
u
的变化率为η
u
，设卫星空地链路路径损耗φ
s
的变化率为η
s
,则满足约束条件：η
u-η
s
<1时，可有效提高抗干扰稳定性。
[0131]
设置没有使用本发明多链路干扰消除方法的网络吞吐量为使用本发明多链路干扰消除方法后的网络吞吐量为经过实测，若则体现了本发明的优点。
[0132]
本发明在卫星和无人机综合组网时，本发明考虑卫星链路和无人机链路同时同频进行通信，有效提高了频谱利用率，可作为当前无线通信频谱资源日益紧张情况下的一种卫星/无人机综合组网方式，且本发明针对多链路同时同频通信时的干扰问题，本发明提出了通过调整链路传输方向和无人机高度来尽可能减小同频干扰，其中，调整链路传输方向可以改变干扰的来源和经历的信道，调整无人机高度可以使无人机链路在路径损耗和卫星链路干扰间做出合理权衡。
[0133]
本发明首先充分获取了综合组网中各节点的参数信息，其次基于参数信息，面向最大化网络吞吐量计算了最优的无人机高度和链路时分双工模式，本发明在调整综合组网节点可调参数方面相比现有技术更具有灵活性，并通过对无人机高度和链路时分双工模式的联合调整实现了比单个参数调整更优的结果。