无人机通信雷达一体全双工中继传输系统、中继方法及节点

1.本发明属于无线电传输技术领域，具体涉及一种无人机通信雷达一体全双工中继传输系统、中继方法及节点。


背景技术：

2.随着科技的高速发展和应用需求的不断提高，现代化无人机群趋向于信息化，对环境感知的需求增强。同时，雷达和通信系统有着相似的技术原理和系统结构，在收发通道、信号处理、管理与控制等方面的差异正逐渐缩小，已呈现一体化趋势。各种功能的电子设备高度集成，各个电子设备相互影响，导致了严重的电磁频谱拥挤与干扰，影响设备的工作性能。另外，这些设备被装备在同一个平台上，导致系统操作复杂且占据了平台大量的空间和资源。在此背景下，通信雷达一体化的电子信息系统的研究成为热门。
3.全双工通信技术得到了广泛的应用并成为了无线通信领域的关键技术之一。相比半双工中继系统，全双工中继通信系统各节点可以同时同频对信号进行收发，可以倍增频谱效率且大幅提升系统容量，从而缓解频谱资源紧张的现状。然而由于全双工通信自身的特性，其自干扰信号是影响系统性能的核心因素，自干扰消除也就成为了同时同频全双工通信领域的核心问题。
4.当前已存在一些相关技术，但是相关技术有以下不足之处：
5.现有技术一，通信雷达一体化复用波形技术：当前通信雷达一体化复用波形技术主要包括时分复用和频分复用。时分复用是指雷达和通信分别在不同的时隙实现各自的功能。在特定的时间段雷达和通信分别发射或接收各自的信号，各自的波形可按照自身需求设计且雷达和通信基本不存在干扰。频分复用是指雷达和通信分别在不同的频段设计各自的波形，采用频分复用技术实现雷达通信一体化。应用上述技术会损失时域或频域频谱资源，造成频谱资源降低。
6.现有技术二，解码转发中继技术：传统半双工解码转发中继需要通过时分或频分实现源-中继和中继-目的无线链路的区分，频谱资源利用率偏低，且仅具有中继通信功能，不具备环境感知雷达功能。
7.另外，还存在一些相关专利，例如，发明专利申请《雷达通信一体化系统资源联合分配方法》cn202111645471.4，将总带宽划分为通信子带和雷达通信混合子带，其中，通信子带仅用于通信，雷达通信混合子带用于雷达和通信，该发明专利申请未给出干扰抵消缓解技术的具体方法，且并未工作在同时同频全双工状态下。又例如，发明专利申请《一种雷达通信一体化的无人机协同多目标探测方法》cn202210336444.7，使用训练好的策略控制多个无人机飞行轨迹以及雷达和通信之间的资源分配。但是，该专利申请主要集中于资源分配方面，未给出雷达通信一体化的数据结构及节点内部结构。
8.综上所述，现有技术存在以下问题：
9.(1)半双工中继通信模式一般工作在时分或者频分模式，造成频谱资源浪费，频谱利用率低。
10.(2)传统中继功能单一，仅具有通信功能，不具有环境感知功能。实际环境场景下无人机群感知能力有限，传统方式感知范围较小，感知方式单一。
11.(3)同时同频全双工自干扰抑制能力受限，仅应用单一自干扰抑制技术难以实现满足通信的自干扰消除。


技术实现要素：

12.为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种无人机通信雷达一体全双工中继传输系统、中继方法及节点。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
13.本发明提供一种中继方法，应用于中继节点，所述方法包括：
14.在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号，根据所述估计信号，得到第一波达角；在所述静默状态下所述中继节点接收信号；
15.当接收到所述估计信号中的标志位时，进入同时同频全双工通信状态；在所述同时同频全双工通信状态下，所述中继节点采用同一频段同时进行信号接收和信号发射；接收所述前瞻触角节点发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号；根据所述当前时刻的信号，得到第二波达角；所述当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；所述当前时刻的自干扰反射信号是目标物体对所述中继节点向簇首节点发送的上一时刻的中继信号进行反射得到的信号；所述上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的；采集信息信号表征所述前瞻触角节点采集的信息；
16.根据所述第二波达角和所述第一波达角，得到第三波达角；所述第三波达角表征干扰方向和所述目标物体的方位信息；
17.通过波束成形，在所述干扰方向产生相消旁瓣；
18.对所述上一时刻的中继信号的部分信号重构，得到反向自干扰信号；
19.将所述当前时刻的信号和所述反向自干扰信号叠加，得到叠加信号；
20.对所述叠加信号进行数字域的自干扰消除处理，得到消除处理信号；
21.根据所述消除处理信号生成当前时刻的中继信号，并发送至所述簇首节点。
22.本发明还提供一种中继节点，包括：
23.接收阵列天线，用于在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号；当接收到所估计信号中的标志位时，通过物理信道实时接收所述前瞻触角节点在所述估计信号之后实时发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号；采集信息信号表征所述前瞻触角节点采集的信息；所述当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；所述当前时刻的自干扰反射信号是目标物体对所述中继节点向簇首节点发送的上一时刻的中继信号进行反射得到的信号；所述上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的；
24.雷达信号处理模块，用于根据所述估计信号，得到第一波达角；根据所述当前时刻的信号，得到第二波达角；根据所述第二波达角和所述第一波达角，得到第三波达角；所述第三波达角表征干扰方向和所述目标物体的方位信息；
25.所述接收阵列天线，还用于通过波束成形，在所述干扰方向产生相消旁瓣；
26.功分器，用于获取所述上一时刻的中继信号的部分信号；
27.模拟域自干扰消除模块，用于对所述部分信号进行重构，得到反向自干扰信号，将
所述当前时刻的信号和所述反向自干扰信号进行叠加，得到叠加信号；
28.数字域处理与干扰消除模块，用于对所述叠加信号进行自干扰消除处理，得到消除处理信号；
29.基带处理与转换模块，用于根据所述消除处理信号生成功率放大信号；
30.所述功分器，还用于对所述功率放大信号进行功率分配处理，得到当前中继信号；
31.发射阵列天线，用于采用与所述发射阵列天线对应的物理信道，向所述簇首节点发送所述当前中继信号。
32.本发明还提供一种无人机通信雷达一体全双工中继传输系统，包括：
33.簇首节点、至少一个簇内节点、至少一个前瞻触角节点，以及与所述至少一个前瞻触角节点对应的至少一个中继节点；所述簇首节点分别与所述至少一个中继节点，以及所述至少一个簇内节点通信连接；
34.前瞻触角节点，用于生成估计信号，以及通过信息采集，得到采集信息信号；向对应的中继节点发送所述估计信号，在发送所述估计信号之后，向所述对应的所述中继节点实时发送采集信息信号；采集信息信号表征所述前瞻触角节点采集的信息；
35.所述中继节点，用于在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号，根据所述估计信号，得到第一波达角；当接收到所述估计信号中的标志位时，进入同时同频全双工通信状态，接收所述前瞻触角节点实时发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号，根据所述当前时刻的信号，得到第二波达角；所述当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；所述当前时刻的自干扰反射信号是目标物体对所述中继节点向簇首节点发送的上一时刻的中继信号进行反射得到的信号；所述上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的；在所述同时同频全双工通信状态下，所述中继节点采用同一频段同时进行信号接收和信号发射；根据所述第二波达角和所述第一波达角，得到第三波达角；所述第三波达角表征干扰方向和所述目标物体的方位信息；通过波束成形，在所述干扰方向产生相消旁瓣；对所述上一时刻的中继信号的部分信号进行重构，得到反向自干扰信号；将所述当前时刻的信号和所述反向自干扰信号叠加，得到叠加信号；对所述叠加信号进行数字域的自干扰消除处理，得到消除处理信号；根据所述消除处理信号生成当前时刻的中继信号，并发送至所述簇首节点；
36.所述簇首节点，用于根据所述当前中继信号生成控制信号，并通过将所述控制信号发送至所述至少有一个簇内节点中的至少部分节点，对所述至少部分节点进行控制。
37.本发明具有如下有益技术效果：
38.本发明可以将同时同频全双工技术与通信雷达一体化技术相结合，利用工作在全双工模式的中继节点的全双工自干扰感知周围环境(目标物体的方位信息)，实现了雷达天线一体化全双工中继；并且，通过前瞻触角节点进行信息采集，并通过中继节点将采集的信息中继至簇首节点，可以大大提升中继节点和前瞻触角节点所在的系统(例如，无人机系统)的通信范围，大大提升该系统对周边环境的感知能力和感知范围；以及，创造性的将同频转发的发射自干扰信号加以利用，提取环境信息，并将提取的环境信息反过来反馈给中继节点的阵列天线改变波束成形，提高中继节点的空域自干扰的消除能力；再有，在模拟域利用多抽头方式进行自干扰消除，在数字域做自干扰消除，进一步提高了中继节点的自干扰的消除能力。总的来说，本发明扩展了传统中继节点的功能，大大节约了频谱资源，提升
了频谱效率；同时拓展了中继节点所在的系统的感知范围，提高了中继节点的全双工自干扰消除能力，增强了中继节点的同时同频全双工中继传输质量。
39.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
40.图1为本发明实施例提供的中继方法的一个可选的流程图；
41.图2为本发明实施例提供的示例性的经过空间平滑处理和无空间平滑处理的仿真结果对比图；
42.图3为本发明实施例提供的示例性的本发明的空域自干扰消除能力的仿真结果示意图；
43.图4为本发明实施例提供的示例性的中继节点的一个结构示意图；
44.图5为本发明实施例提供的示例性的全双工中继传输系统的一个拓扑结构示意图；
45.图6为本发明实施例提供的传输信号帧的结构示意图；
46.图7是本发明实施例提供的示例性的无人机通信雷达一体全双工中继传输系统在一个实施场景下的通信方法的流程示意图。
具体实施方式
47.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
48.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
50.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
51.图1是本发明实施例提供的中继方法的一个可选的流程图，该方法由中继节点执行，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
52.s101、在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号，根据估计信号，
得到第一波达角；在静默状态下中继节点接收信号。
53.本发明实施例中，前瞻触角节点和中继节点可以均为无人机。
54.本发明实施例中，中继节点在静默状态下仅接收信号，不发送信号。
55.本发明实施例中，估计信号可以是一个波达角估计帧，该波达角估计帧可以包括x个波达角估计序列和y个标志位序列；其中，x和y均为大于0的整数，且x和y的数值可根据实际的数据传输速率要求和频谱效率要求确定。
56.本发明实施例中，中继节点可以采用波达角估计算法，对估计信号进行处理，得到第一波达角，该第一波达角为发送的该估计信号对应的波达角。
57.这里，波达角估计算法的原理如下：
58.根据接收到的估计信号的数量，得到协方差矩阵的估计值r，r如公式(1)：
[0059][0060]
其中，x(n)表示接收到的波达角估计帧、xh(n)表示x(n)的厄米特转置、n表示接收到的估计信号的数量；其中，当每次接收一个估计信号时，n为1，n为0～n中的任意值。
[0061]
对协方差矩阵的估计值r进行特征值分解，得到多个特征值。
[0062]
按特征值的大小顺序，把与信号个数k相等的特征值和对应的特征矢量看作信号子空间，把剩下的m-k个特征值和特征矢量看作噪声子空间。
[0063]
从0
°
～360
°
的角度范围中，每次取一个角度θ，并将θ代入公式(2)中，得到一个对应的峰值p，直至得到0
°
～360
°
这一角度范围内的所有角度值对应的峰值p；从得到的所有峰值p中选择最大的p，将最大的p对应的θ，作为第一波达角θs；其中，公式(2)如下：
[0064][0065]
其中，un表示噪声子空间、u
hn
表示un的厄米特转置、a(θ)表示估计信号的响应，ah(θ)表示a(θ)的厄米特转置。
[0066]
本发明实施例中，在中继节点接收到对应的前瞻触角节点发送的估计信号时，该中继节点与该对应的前瞻触角节点之间的无线通信链路便建立成功。
[0067]
s102、当接收到估计信号中的标志位时，进入同时同频全双工通信状态；在同时同频全双工通信状态下，中继节点采用同一频段同时进行信号接收和信号发射。
[0068]
s103、接收前瞻触角节点发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号；当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；当前时刻的自干扰反射信号是目标物体对中继节点向簇首节点发送的上一时刻的中继信号进行反射得到的信号；上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的；采集信息信号表征前瞻触角节点采集的信息。
[0069]
本发明实施例中，中继节点在接收到估计信号中的标志位时，便进入同时同频全双工通信状态，即进入同时同频全双工解码转发模式，进而可以采用同一频段同时进行信号接收和信号发送。
[0070]
这里，当中继节点初始接收前瞻触角节点发送的采集信息信号时，还没有开始向簇首节点进行中继信号的发送，所以，中继节点得到的初始时刻t0(第一个当前时刻)的信号中仅包含前瞻触角节点发送的初始时刻t0的采集信息信号，没有自干扰信号，中继节点
便根据该时刻t0的采集信息信号生成时刻t0的中继信号，并将时刻t0的中继信号发送至簇首节点，从而实现对接收到的第一个当前时刻的采集信息信号向簇首节点的转发；由于中继节点在同时进行信号的发送和接收，所以，当中继节点在初始时刻t0的下一个时刻t1(第二个当前时刻)接收到了时刻t1的信号时，时刻t1的信号中便包含了时刻t1的采集信息信号，以及时刻t1的自干扰反射信号(即目标物体对时刻t0的中继信号进行反射后的信号，时刻t0为时刻t1的上一个时刻)；同理，当中继节点在当前时刻t1的下一个时刻t2(第三个当前时刻)接收到了时刻t2的信号时，时刻t2的信号便包含了时刻t2的采集信息信号，以及时刻t2的自干扰信号(即目标物体对时刻t1的中继信号进行反射后的信号，时刻t1为时刻t2的上一个时刻)，依次类推，直至中继节点从同时同频全双工通信状态进入静默状态。
[0071]
s104、根据当前时刻的信号，得到第二波达角。
[0072]
本发明实施例中，中继节点同样采用上述的波达角估计算法，对当前时刻的信号进行计算，从而得到第二波达角。
[0073]
s105、根据第二波达角和第一波达角，得到第三波达角；第三波达角表征干扰方向和目标物体的方位信息。
[0074]
本发明实施例中，第二波达角包含了当前时刻的自干扰反射信号的波达角和当前时刻的采集信息信号的波达角，且当前时刻的采集信息信号的波达角为第一波达角，所以，根据第二波达角和第一波达角，可以得到当前时刻的自干扰反射信号的波达角，即第三波达角。
[0075]
这里，可以根据第一波达角，从第二波达角中识别出第三波达角。例如，在第二波达角包含45
°
、-50
°
、-30
°
和-10
°
时，由于已知晓45
°
为第一波达角(即有用信号的波达角)，所以，可以从中辨析出-50
°
、-30
°
和-10
°
为三个第三波达角。
[0076]
s106、通过波束成形，在干扰方向产生相消旁瓣。
[0077]
本发明实施例中，中继节点可以通过线性约束最小方差(linearly constrained minimum variance，lcmv)准则进行波束成形；lcmv准则可以通过下述公式(3)表示：
[0078][0079]
其中，chw＝f表示约束条件，表示求whrw的最小值；公式(3)的含义为：在chw＝f的约束条件下，求取whrw的最小值；w表示权矢量、c表示m
×
(j l)维约束矩阵、m为接收天线阵列中的天线数量、j表示自干扰信号的个数、f表示j 1维约束矢量、r表示接收信号的自相关矩阵、ch表示c的厄米特转置、wh表示w的厄米特转置。
[0080]
与lcmv等效的广义旁瓣相消算法中，权矢量被分解为自适应和非自适应两部分，其中，非自适应部分位于约束子空间中，自适应部分正交于约束子空间。系统的权矢量w可表示为下述公式(4)～(6)：
[0081]
w＝w
q-bwaꢀꢀ
(4)；
[0082]
wq＝(cch)-1
cf
ꢀꢀ
(5)
[0083]
wa＝(bhrb)-1bh
rwqꢀꢀ
(6)
[0084]
其中，b为m
×
(m-j-l)维阻塞矩阵，bhc＝0，bh表示b的厄米特转置，b是通过求c的补空间得到的。
[0085]
本发明实施例中，利用波束成形在干扰方向产生相消旁瓣，可以增强有用信号方
向波束，从而提高空域自干扰消除能力。
[0086]
s107、对上一时刻的中继信号的部分信号重构，得到反向自干扰信号。
[0087]
在一些实施例中，在根据估计信号得到第一波达角之后，且对上一时刻的中继信号的部分信号重构，得到反向自干扰信号之前，中继节点可以对上一时刻的中继信号进行拷贝处理，得到上一时刻的中继信号的部分信号。
[0088]
这里，可以通过功分器拷贝得到上一时刻的中继信号的部分信号。
[0089]
本发明实施例中，中继节点可以通过至少一组调相器和调幅器，对拷贝得到的上一时刻的中继信号的部分信号进行重构，得到该部分信号的反向自干扰信号。
[0090]
在一些实施例中，上述s107可以通过下述方法实现：对拷贝得到的该部分信号进行调相处理，得到调相信号；对调相信号进行调幅处理，得到反向自干扰信号。
[0091]
s108、将当前时刻的信号和反向自干扰信号叠加，得到叠加信号。
[0092]
本发明实施例中，中继节点可以将接收到的当前时刻的信号和得到的反向自干扰信号进行叠加，得到叠加信号，由于当前时刻的信号中包含自干扰信号，所以通过将自干扰信号和反自干扰信号进行叠加，可以将干扰信号抵消，从而实现模拟域的自干扰消除。
[0093]
s109、对叠加信号进行数字域的自干扰消除处理，得到消除处理信号。
[0094]
本发明实施例中，叠加信号中包含的当前时刻的采集信息信号中包含了训练序列，中继节点可以根据训练序列进行数字域的自干扰消除处理，得到消除处理信号。
[0095]
这里，在对叠加信号进行数字域的自干扰消除处理之前，可以先对叠加信号依次进行带通滤波处理、放大处理、变频处理、低通滤波处理和信号转换处理，得到数字叠加信号，之后，对数字叠加信号进行自干扰消除处理，得到消除处理信号。
[0096]
这里，可以采用带通滤波器对叠加信号进行带通滤波，得到带通滤波信号，之后，采用低噪声放大器模块对带通滤波信号进行信号放大，得到放大信号，之后，采用下变频模块将放大信号下变频为基带信号，采用低通滤波器对基带信号进行低通滤波，得到低通滤波信号，最后，采用模拟数字转换器(analog to digital converter，adc)将低通滤波信号转换为数字信号，得到数字叠加信号。
[0097]
s110、根据消除处理信号生成当前时刻的中继信号，并发送至簇首节点。
[0098]
本发明实施例中，中继节点可以将消除处理信号进行解调且解码，得到解码信号，之后对解码信号进行编码调制，得到编码调制信号，根据编码调制信号生成当前时刻的中继信号，并由中继节点的发射阵列天线发送至簇首节点。
[0099]
在一些实施例中，中继节点可以将编码调制信号转换为模拟信号，并对模拟信号进行变频处理和功率放大处理，得到功率放大信号，之后，对功率放大信号进行功率分配处理，得到当前中继信号。
[0100]
这里，可以采用数字模拟转换器(digital to analog converter，dac)将编码调制信号转换为模拟信号，采用上变频器将模拟信号变频至工作射频频段，得到变频信号，之后，采用功率放大器将变频信号的功率放大，得到功率放大信号，之后，采用功分器对功率放大信号进行功率分配处理，得到当前中继信号。
[0101]
本发明实施例，可以将同时同频全双工技术与通信雷达一体化技术相结合，利用工作在全双工模式的中继节点的全双工自干扰感知周围环境(目标物体的方位信息)，实现了雷达天线一体化全双工中继；并且，通过前瞻触角节点进行信息采集，并通过中继节点将
采集的信息中继至簇首节点，可以大大提升中继节点和前瞻触角节点所在的系统(例如，无人机系统)的通信范围，大大提升该系统对周边环境的感知能力和感知范围；以及，创造性的将同频转发的发射自干扰信号加以利用，提取环境信息，并将提取的环境信息反过来反馈给中继节点的阵列天线改变波束成形，提高中继节点的空域自干扰的消除能力；再有，在模拟域利用多抽头方式进行自干扰消除，在数字域做自干扰消除，进一步提高了中继节点的自干扰的消除能力。总的来说，本发明扩展了传统中继节点的功能，大大节约了频谱资源，提升了频谱效率；同时拓展了中继节点所在的系统的感知范围，提高了中继节点的全双工自干扰消除能力，增强了中继节点的同时同频全双工中继传输质量。
[0102]
在一些实施例中，上述s104可以通过s1041～s1042实现：
[0103]
s1041、对当前时刻的信号进行空间平滑处理，得到平滑处理信号。
[0104]
在一些实施例中，可以采用空间平滑算法，对当前时刻的信号进行空间平滑处理。
[0105]
空间平滑算法将等距线阵分成若干个相重叠的子阵列，每个子阵相当于空间平移，多出的旋转因子归并到信号包络，然后将各个子阵数据在相关域平均，则子阵列协方差矩阵可以相加后平均取代原来意义上的协方差矩阵。该空间平滑算法的原理如下：
[0106]
将m个阵元的均匀线阵划分成相互重叠的p个子阵列，每个子阵包含的阵元数为l个，即满足m＝l p-1。各子阵的输出矢量如下述公式(7)：
[0107][0108]
其中，r1表示第一个阵元对应的输出矢量、r
l
表示第l个阵元对应的输出矢量、r2表示第2个阵元对应的输出矢量、r
p
表示第p个阵元对应的输出矢量、r
l 1
表示第l 1个阵元对应的输出矢量、rm表示第m个阵元对应的输出矢量。
[0109]
对于第k'个子阵的输出矢量为下述公式(8)：
[0110][0111]
其中，k’为1～p中的任意一个整数、a
l
(θ)表示子阵列的响应矩阵；s1(t)表示接收到的信号、nk(t)表示噪声。
[0112]
第k’个子阵的输出矢量的协方差矩阵r
k'
为下述公式(9)～(12)：
[0113][0114]
d＝diag(v1,v2,...,vn)
ꢀꢀ
(10)；
[0115]
vi＝exp(-j2πdsin(θi)/λ),i＝1,2,...,n
ꢀꢀ
(11)；
[0116][0117]
其中，k为1～n中的任意一个整数、diag(.)表示对角线、n表示接收到的信号的数量、θi表示接收到的第i个信号的波达角、rs(.)表示接收到的信号的协方差矩阵、σ2表示噪声的方差(是一个常数)、i
l
表示l列的单位矩阵、λ表示波长、π表示圆周率、exp(.)表示以自
然常数e为底的指数函数、d表示每个子阵列中相邻两个阵元之间的间隔。
[0118]
平滑技术是通过求各子阵协方差矩阵的均值来实现的，即空间平滑修正的协方差矩阵为下述公式(13)～(14)：
[0119][0120][0121]
其中，rf表示空间平滑修正的协方差矩阵、表示a
l
(θ)的厄米特转置、(d
(k
'-1)
)h表示d
(k
'-1)的厄米特转置、d
(k
'-1)
表示d的k-1次方、j表示虚数符号。
[0122]
s1042、对平滑处理信号进行雷达感知处理，得到第二波达角。
[0123]
这里，雷达感知处理是指进行波达角的估计。
[0124]
本发明实施例中，通过对当前时刻的信号进行空间平滑处理，得到平滑处理信号，对平滑处理信号进行雷达感知处理，得到第二波达角，可以在针对自干扰来波方向做雷达感知算法时，搜索峰值更加明显，从而得到的第二波达角更准确。
[0125]
以下通过仿真实验数据，对本发明提供的中继方法的效果进行进一步说明。
[0126]
1、仿真条件
[0127]
中继节点的接收阵列天线选取等间距线阵，阵元数m＝16，有用信号来波方向(第一波达角)为45
°
，信噪比为0db；设干扰多径共3条，角度分别为-50
°
、-30
°
和-10
°
(即三个不同的目标物体对应了3个干扰方向，第一个干扰方向为-50
°
、第二个干扰方向为-30
°
、第三个干扰方向为-10
°
)，与这三个目标物体对应的自干扰信号的信噪比分别设为10db、5db和2db。运行环境：matlab2017a。
[0128]
2、仿真内容及仿真结果
[0129]
通过上述仿真得到图2和图3这两个仿真结果图。如图2所示，虚线表示未进行空间平滑处理的信号，实线表示经过了空间平滑处理后的信号，由此可知，对接收的信号进行空间平滑处理后，在针对自干扰来波方向做雷达感知算法辨析(估计波达角)时，搜索峰值更加明显，相比于不进行空间平滑处理而言，本发明采用空间平滑处理对接收的信号进行处理后的搜索峰值约提高了6db～10db，使得对自干扰来波方向的估计(波达角的估计)更加准确。如图3所示，本发明的波束成形方法可以在自干扰多径反射方向(-50
°
、-30
°
和-10
°
这三个干扰方向)产生相消旁瓣，可提供大于20db的隔离度，而在有用信号方向(45
°
，即前瞻触角节点发送来的采集信息信号的方向)仍保持较强波束方向，也就是说，本发明可以实现更高的全双工空域自干扰消除能力。
[0130]
本发明实施例还提供一种中继节点，用于执行上述的中继方法。该中继节点包括：接收阵列天线、雷达信号处理模块、功分器、模拟域自干扰消除模块、数字域处理与干扰消除模块和基带处理与转换模块。接收阵列天线，用于在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号；当接收到估计信号中的标志位时，通过物理信道实时接收前瞻触角节点在估计信号之后实时发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号；采集信息信号表征前瞻触角节点采集的信息；当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；当前时刻的自干扰反射信号是目标物体对中继节点向簇首节点发送的上一
时刻的中继信号进行反射得到的信号；上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的。雷达信号处理模块，用于根据估计信号，得到第一波达角；根据当前时刻的信号，得到第二波达角；根据第二波达角和第一波达角，得到第三波达角；第三波达角表征干扰方向和目标物体的方位信息。接收阵列天线，还用于通过波束成形，在干扰方向产生相消旁瓣。功分器，用于获取上一时刻的中继信号的部分信号。模拟域自干扰消除模块，用于对部分信号进行重构，得到反向自干扰信号，将当前时刻的信号和反向自干扰信号进行叠加，得到叠加信号。数字域处理与干扰消除模块，用于对叠加信号进行自干扰消除处理，得到消除处理信号。基带处理与转换模块，用于根据消除处理信号生成功率放大信号。功分器，还用于对功率放大信号进行功率分配处理，得到当前时刻的中继信号。发射阵列天线，用于采用与发射阵列天线对应的物理信道，向簇首节点发送当前时刻的中继信号。
[0131]
在一些实施例中，接收阵列天线可以为一个由m个阵元构成的线阵列天线，相邻两个阵元之间的间距为d，并且，线阵列天线被k个窄带信号源激励；对应的，m维阵列输出向量x(t)(接收阵列天线接收到的信号的向量)可以表达为下述公式(15)：
[0132]
x(t)＝as(t) n(t)
ꢀꢀ
(15)；
[0133]
其中，s(t)为k
×
1维源信号向量(例如，接收到的当前时刻的信号)、n(t)为平稳高斯加性噪声、a为方向矩阵、m为大于0的整数。
[0134]
s(t)和n(t)为独立零均值高斯随机分布，并满足下述公式(16)，方向矩阵a可以为下述公式(17)，对应的，阵列响应矢量可以为下述公式(18)，以及，阵列输出信号x(t)的协方差矩阵可以为下述公式(19)：
[0135][0136][0137][0138]
r＝e[x(t)x(t)h]＝e{[a(θ)s(t) n(t)][a(θ)s(t) n(t)]h} (19)；
[0139]
其中，a(θ)为方向矩阵a、e[.]或e{.}表示取平均值、h表示厄米特转置、t表示转置、σ2表示噪声的方差(是一个常数)、i表示单位矩阵、m
×
k表示m行k列、表示虚数、θ1表示第一个激励信号的波达角、θk表示第k个激励信号的波达角、j表示虚数符号。
[0140]
在一些实施例中，模拟域自干扰消除模块包括：合成器和至少一组重构器，每组重构器包括一个调相器和一个调幅器；调相器，用于对功分器拷贝得到的部分信号进行调相处理，得到调相信号；调幅器，用于对调相信号进行调幅处理，得到反向自干扰信号；合成器，用于将当前时刻的信号和反向自干扰信号进行叠加，得到叠加信号。
[0141]
在一些实施例中，数字域处理与干扰消除模块，包括：第一处理转换模块，用于对叠加信号进行带通滤波处理、放大处理、变频处理、低通滤波处理和信号转换处理，得到数字叠加信号；数字域自干扰消除模块，用于对数字叠加信号进行自干扰消除处理，得到消除处理信号。
[0142]
在一些实施例中，基带处理与转换模块，包括：基带处理模块，用于将消除处理信号进行解调解码，得到解码信号，对解码信号进行编码调制，得到编码调制信号；第二处理转换模块，用于对编码调制信号转换为模拟信号，对模拟信号进行变频处理和功率放大处理，得到功率放大信号。
[0143]
示例性的，图4为中继节点的一个结构示意图，如图4所示，中继节点包括：雷达信号处理模块21、基带处理模块22、数字域自干扰消除模块23、数字模拟转换器24、上变频器25、功率放大器26、功分器271、模拟域自干扰消除模块27、发射阵列天线28和接收阵列天线29、带通滤波器210、低噪声放大器模块211、下变频模块212、低通滤波器213和模拟数字转换器214；其中，模拟域自干扰消除模块27包括多组重构器和一个合成器274，每组重构器包括一个调相器272和一个调幅器273。
[0144]
继续如图4所示，接收天线阵列29接收对应的前瞻触角节点发送的估计信号，并将估计信号发送至雷达信号处理模块21，雷达信号处理模块21根据估计信号得到第一波达角(有用信号的波达角)；以及，接收天线阵列29接收对应的前瞻触角节点在估计信号之后发送的采集信息信号，得到初始时刻的采集信息信号，接收天线阵列29一方面将初始时刻的采集信息信号发送至雷达信号处理模块21进行处理，接收天线阵列29另一方面将初始时刻的采集信息信号发送至合成器274进行处理，经过合成器274处理后的信号依次经过带通滤波器210、低噪声放大器模块211、下变频模块212、低通滤波器213、模拟数字转换器214、数字域自干扰消除模块23、基带处理模块22、数字模拟转换器24、上变频器25、功率放大器26和功分器271的处理后，得到初始时刻的中继信号，由发射天线阵列28将初始时刻的中继信号发射至对应的簇首节点；并且，功分器271对经过功率放大器26处理后的信号进行功率分配处理并得到初始时刻的中继信号后，还对初始时刻的中继信号进行拷贝，得到初始时刻的中继信号的部分信号，拷贝的部分信号进入多组重构器中处理，重构得到反向自干扰信号。
[0145]
在发射天线阵列28将上一时刻(上述的初始时刻)的中继信号发送至对应的簇首节点时，上一时刻的中继信号中的部分信号经由目标物体5中的目标物体j1和jn反射后，形成当前时刻的自干扰反射信号，并由接收阵列天线29接收，同时，接收阵列天线29还会接收到对应的前瞻触角节点发送的当前时刻的采集信息信号，从而，接收阵列天线29便获得了包含当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号s的当前时刻的信号。接收阵列天线29一方面将当前时刻的信号发送至雷达信号处理模块21，雷达信号处理模块21根据当前时刻的信号，得到第二波达角(包含有用信号的波达角和自干扰信号的波达角)，并根据第一波达角，从第二波达角中辨析出第三波达角θ1和θ2(自干扰信号的波达角)，雷达信号处理模块21将第三波达角发送至接收阵列天线29，接收天线阵列29通过波束成形，在第三波达角表征的干扰方向设置相消旁瓣，从而提高接收天线阵列29自身的自干扰消除能力；接收阵列天线29另一方面将当前时刻的信号发送至合成器274，合成器274将来自多组重构器的反向自干扰信号与当前时刻的信号进行叠加，得到叠加信号，之后，叠加信号依次经过带通滤波器210、低噪声放大器模块211、下变频模块212、低通滤波器213和模拟数字转换器214后，得到数字叠加信号，接着，数字域自干扰消除模块23对数字叠加信号进行自干扰消除处理，得到消除处理信号，基带处理模块22将消除处理信号进行解调解码，得到解码信号，并对解码信号进行编码调制，得到编码调制信号，编码调制信号经由数字域自干扰消除
模块23进入数字模拟转换器24，经由数字模拟转换器24转换为模拟信号，模拟信号依次经过上变频器25、功率放大器26和功分器271后，得到当前时刻的中继信号，由发射天线阵列28将当前时刻的中继信号发射至对应的簇首节点。紧接着，当前时刻的中继信号中的部分信号经由目标物体(例如，目标物体j1和jn或其他的目标物体)反射后，形成下一时刻的自干扰反射信号，并由接收阵列天线29接收，同时，接收阵列天线29还会接收到对应的前瞻触角节点发送的下一时刻的采集信息信号，从而，接收阵列天线29便获得了包含下一时刻的自干扰反射信号和下一时刻的采集信息信号的下一时刻的信号，通过与上述的对当前时刻的信号的处理流程，继续对得到的该下一时刻的信号进行处理，如此循环，直至通信结束。
[0146]
本发明实施例还提供给一种无人机通信雷达一体全双工中继传输系统，如图5所示，该系统包括：簇首节点3(图5示例性的表示出了1个簇首节点)、至少一个簇内节点4(图5示例性的表示出了4个簇内节点)、至少一个前瞻触角节点2(图5示例性的表示出了2个前瞻触角节点)，以及与至少一个前瞻触角节点2对应的至少一个中继节点3(图5示例性的表示出了2个中继节点)；簇首节点3分别与每个中继节点2和每个簇内节点4通信连接。
[0147]
前瞻触角节点1，用于生成估计信号，以及通过信息采集，得到采集信息信号；向对应的中继节点2发送估计信号，在发送估计信号之后，向对应的中继节点2实时发送采集信息信号；采集信息信号表征前瞻触角节点采集的信息。
[0148]
中继节点2，用于在静默状态下，接收对应的前瞻触角节点1发送的估计信号，根据估计信号，得到第一波达角；当接收到估计信号中的标志位时，进入同时同频全双工通信状态，接收对应的前瞻触角节点1实时发送的采集信息信号，得到当前时刻的信号，根据当前时刻的信号，得到第二波达角；当前时刻的信号中包括当前时刻的自干扰反射信号和当前时刻的采集信息信号；当前时刻的自干扰反射信号是目标物体5对中继节点2向簇首节点3发送的上一时刻的中继信号进行反射得到的信号；上一时刻的中继信号是根据上一时刻的采集信息信号生成的；在同时同频全双工通信状态下，中继节点2采用同一频段同时进行信号接收和信号发射；根据第二波达角和第一波达角，得到第三波达角；第三波达角表征干扰方向和目标物体的方位信息；通过波束成形，在干扰方向产生相消旁瓣；对上一时刻的中继信号的部分信号进行重构，得到反向自干扰信号；将当前时刻的信号和反向自干扰信号叠加，得到叠加信号；对叠加信号进行数字域的自干扰消除处理，得到消除处理信号；根据消除处理信号生成当前时刻的中继信号，并发送至簇首节点；
[0149]
簇首节点3，用于根据当前中继信号生成控制信号，并通过将控制信号发送至至少有一个簇内节点中的至少部分节点，对至少部分节点进行控制。
[0150]
本发明实施例中，前瞻触角节点、中继节点、簇首节点、簇内节点可以均为飞行器，例如，无人机。
[0151]
本发明实施例中，前瞻触角节点1具有侦查探测功能和通信功能，其侦查探测的功能通过视频、雷达侦查、感应器收集等方式实现；将收集到的信息编码和调制后通过无线链路传输至对应的中继节点2，经由中继节点2发送至簇首节点进行分析及决策使用。
[0152]
本发明实施例中，如图5所示，每个中继节点可以对应一个前瞻触角节点，从而每个前瞻触角节点1和一个中继节点2构成一条具有感知能力的“触角”链路。
[0153]
本发明实施例中，中继节点2具有雷达探测的功能，通过对接收到的包含自干扰信号的信号的处理，可以获得周围环境信息，即产生自干扰信号的目标物体的方位信息，例
如，可探测识别到图5中的目标物5的方向；通过在空域使用阵列天线实现波束成形提高自干扰抑制能力；通过在模拟域通过多抽头式模拟域自干扰消除器实现自干扰消除，通过在数字域利用训练序列进行自干扰消除，可实现较高程度自干扰消除能力。也就是说，中继节点工作在同时同频全双工模式，通过空域、模拟域、数字域联合自干扰消除实现同时同频全双工自干扰消除。另外，中继节点可以工作在解码转发中继模式，相比于无中继模式，可大大提升无人机群通信范围。
[0154]
本发明实施例中，簇首节点3为系统的控制中心，可以将中继节点2传输的信号汇总判断，同时控制对应的簇内节点4。
[0155]
本发明实施例中，前瞻触角节点在向对应的中继节点发送信号时，可以采用如图6所示的传输信号帧结构进行信号传输。如图6所示，一个信号帧结构包含1个波达角估计帧和q个数据帧。每个数据帧由补零序列、训练序列和数据符号序列子帧组成；训练序列用于通信同步和信道估计，并且，训练序列的长度为k个符号长度。每个数据帧内包含n个数据符号序列子帧；每个数据符号序列子帧的长度为m个符号长度，且每个数据符号序列子帧包含p个补零序列，补零序列用于保护数据符号序列子帧。每个波达角估计帧包括x个波达角估计序列和y个标志位序列；并且，波达角估计帧结构在中继静默时由前瞻触角节点向中继节点发射。中继节点2接收波达角估计序列后，可精确计算有用信号波达角(上述的第一波达角)，并且，中继节点2在收到标志位信号后进入全双工数据解码转发模式。
[0156]
如图6所示，前瞻触角节点周期性的向中继节点传输信号，并且，一个周期内发送一个波达角估计帧和q个数据帧。示例性的，前瞻触角节点可以在每个时刻向对应的中继节点发送1个数据帧，并且，一个时刻可以是1秒或0.5秒，也可以为其他时间，可以根据实际需要设定，本发明实施例对此不作限定。
[0157]
需要说明的是，此处的q、k、n、m、p、x和y，仅用于表示此部分所述的含义，与其他部分的含义不相关；并且，q、k、n、m、p、x和y均为大于0的整数，且具体的数值可以数据传输速率要求和频谱效率要求确定。
[0158]
图7是本发明实施例提供的无人机通信雷达一体全双工中继传输系统在一个实施场景下的通信方法的流程示意图；如图7所示，该通信方法包括：
[0159]
s0、开机自检。
[0160]
在步骤s0中，前瞻触角节点、中继节点、簇首节点开机自检，检查自身各项功能是否完好。
[0161]
s1、前瞻触角节点发送波达角估计帧。
[0162]
在步骤s1中，前瞻触角节点周期性发送波达角估计帧，中继节点接收到标志位之前暂时静默。
[0163]
s2、雷达感知算法辨析有用信号。
[0164]
在步骤s2中，中继节点接收波达角估计帧，通过雷达感知算法(上述的波达角估计算法)辨析获得有用信号波达角(上述的第一波达角)。
[0165]
s3、判断是否收到标志位。
[0166]
在步骤s3中，中继节点判断是否收到标志位，若是，则执行步骤s4；否则，继续根据收到的波达角估计帧判断是否收到标志位。
[0167]
s4、数据帧传输。
[0168]
在步骤s4中，当中继节点收到标志位后，从静默状态转换到同时同频全双工通信状态，进入数据帧传输阶段。数据帧传输阶段包括：雷达处理部分和通信处理部分。
[0169]
s411、中继节点空间平滑算法处理。
[0170]
在步骤s411中，中继节点对接收到的信号进行空间平滑算法处理。
[0171]
s412、雷达感知算法辨析自干扰反射多径。
[0172]
在步骤s412中，假设在一个通信周期内，有用信号波达角和多径干扰信号波达角不发生变化。经过雷达感知算法空间平滑算法处理后的数据通过雷达感知算法，获得有用信号波达角和多径干扰信号波达角。进一步，由于步骤s3获得了有用信号波达角，故可以辨析分离环境反射的多径自干扰信号波达角，获得周围环境信息。
[0173]
s413、旁瓣相消波束成形。
[0174]
在步骤s413中，中继节点利用波束形成在干扰方向产生相消旁瓣，同时增强有用信号方向波束，从而增强空域自干扰消除能力。
[0175]
s421、中继节点自干扰消除。
[0176]
在步骤s421中，中继节点通过空域、模拟域和数字域自干扰消除后，解码转发信号。其中，空域自干扰消除利用雷达处理得到的自干扰多径信号波达角，在自干扰方向产生相消旁瓣，提高了空域自干扰消除的能力。模拟域利用多抽头式自干扰消除。数字域利用训练序列估计的自干扰信道在数字域做自干扰消除。
[0177]
s422、中继节点解码转发信号。
[0178]
在步骤s422中，经过自干扰消除的信号信干噪比得到明显提升，中继节点将经过自干扰消除的信号解调解码后再次编码调制发送。
[0179]
s423，簇首接收信号。
[0180]
在步骤s423中，簇首节点接收到中继节点发送的信号后，对信号解调解码，以进行后续判断与决策。
[0181]
s5、判断是否通信结束。
[0182]
在步骤s5中，判断是否通信结束，若是，则结束通信；若否，则返回执行上述步骤s1。
[0183]
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述存储器中存储的计算机程序时，实现上述的中继方法中的部分或全部步骤。
[0184]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述的中继方法中的部分或全部步骤。所述计算机可读存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0185]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。