1.本发明属于无线通信技术领域，涉及一种面向无人机集群的多模态信号调制方法。
背景技术：2.无人机(unmanned aerial vehicles，uav)凭借足够的灵活性，易于部署，较高机动性和悬停能力等特点，无人机空中基站在通信领域得到广泛应用。无人机空中基站相对地面静态基站而言，其位置和高度可以动态调整，提供灵活的空对地通信链路。因此，无人机的应用被认为是传统蜂窝网络的一个替代补充，具有实现更高传输效率，扩大覆盖面积和提高传输容量的潜力。
3.但是单个无人机由于受自身条件的限制，在环境复杂以及任务多样时颇显局限。在军事应用上，单机易受自身的燃料、质量和尺寸的限制，无法形成持续有力的打击力度；在民用上，受载荷能力、机载传感器以及通信设备的限制，单架无人机不能很好地完成农林植保、测绘、抢险救灾等任务；在警用安保上，单架无人机也会因被攻击或自身故障导致任务失败等。为解决单无人机应用的局限性，学者提出未来无人机的应用将会以集群的方式。
4.无人机集群是指由一定数量的同类或异类无人机组成，利用信息交互与反馈、激励与响应，实现相互间行为协同，适应动态环境，共同完成特定任务的自主式空中智能系统。无人机集群不是多无人机间的简单编队，而是通过必要的控制策略使之产生集群协同效应，从而具备执行复杂多变、危险任务的能力。未来，无人机集群协同完成任务将成为无人机产业应用的重要方面。无人机集群既能最大限度地发挥无人机的优势，提高整体的载荷能力和信息感知处理能力，又能避免单无人机执行任务时被攻击或任务效率不高的问题。
5.正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)是一种常用的多载波调制技术它的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换，转换为n路低速率并行数据流，然后对n路相互正交的载波进行调制。
6.但是ofdm系统传输的信息易被检测和破解，安全性不高。无论是在军事应用，还是在民用中必须要保证每个接收节点接收信号的安全，否则会造成信息泄密等问题。
技术实现要素：7.要解决的技术问题
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种面向无人机集群的多模态信号调制方法。
9.技术方案
10.电磁场是信息传输的重要载体，轨道角动量(orbital angular momentum，oam)作为电磁场的涡旋相位结构，具有离散且范围无限的本征模式，且不同的本征模态之间相互正交。由于不同模态的电磁波处于同一频段，且模式的理论值可取无限，在本发明中将其用
于信号传输可以极大提升系统的频谱利用率。
11.ofdm作为处理频率选择性衰落的关键技术，对不同模态电磁波下的无线通信具有重要作用。本发明将oam与ofdm调制相结合可以实现更高的频谱利用率，由于不同模态的电磁波之间具有正交性，可以极大提高系统的安全性。
12.一种面向无人机集群的多模态信号调制方法，其特征在于包括以下步骤：
13.步骤1：发射端使用uca天线产生涡旋电磁波，每个uca天线有n
t
个阵元，以发射端uca天线的圆心为圆点，所在平面为z＝0的平面，uca阵元的半径为d，第n个天线阵元的相位为则第n个阵元的位置矢量为：
[0014][0015]
步骤2：给每个阵元馈电电流密度大小为w的恒定电流，第n个阵元的电流分布为在空间任意一点处场强如下：
[0016][0017]
其中，an是天线阵元的幅度，|r-rn|表示观测点到第n个天线单元的距离，表示波数，为模态数，表示虚数单位，此发明后面所提i均为虚数单位。通过进一步化简，其中jl(
·
)表示l阶第一类贝塞尔函数，r
′
为空间中任意一点到uca阵列中心的距离。
[0018]
步骤3：无人机基站产生k bit信息a[k]，k＝0，1，
…
，k-1；
[0019]
步骤4：第n根天线上的ofdm频域符号，子载波数为nc，对步骤3发送的信息进行m进制正交振幅(quadrature amplitude modulation，m-qam)调制，调制后信号为将进行串并转换，即构造一个n
t
×
nc矩阵：
[0020][0021]
步骤5：对x做离散傅里叶反变换得到
[0022][0023]
其中
[0024]
步骤6：对步骤5所得通过无人机上的uca天线调制后所得信号为：
[0025][0026]
写成矩阵形式为：
[0027][0028]
其中
[0029][0030]
步骤7：将步骤6所得信号x送入信道发送：
[0031]
接收节点在接收端处理步骤如下：
[0032]
步骤8：接收端使用uca天线接收涡旋电磁波，每个uca天线有nr个阵元，uca天线的半径为r，且接收端天线与发送端天线对齐，第m个天线阵元的相位角为接收天线与发送天线之间的距离为d；
[0033]
步骤9：第m根发射天线和第n根发射天线之间的信道增益为：
[0034][0035]
其中，λ是波长，β是与信道有关的常数，d
mn
是第m根天线和第n根天线的距离，信道增益矩阵为：
[0036][0037]
步骤10：经过信道到达地面节点的接收天线，第v根接收天线接收到的第q个子载波信号r
v，q
为：
[0038][0039]
写成矩阵形式为：
[0040]
r＝hx+n
[0041]
其中，n为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声矩阵，即e[nnh]＝σ2inr。
[0042]
步骤11：地面节点接收端使用uca天线完成解调：
[0043][0044]
使用uca天线完成解调的信号为
[0045]
步骤12：对中每一列做离散傅里叶变换得到表示为：
[0046][0047]
其中，
[0048]
地面节点最后接收到的信号表示为矩阵形式：
[0049][0050]
其中
[0051]
步骤13：将并串转换，得到y：
[0052]
[0053]
步骤14：对y做m-qam解调，即得到发送比特信息。
[0054]
有益效果
[0055]
本发明提出的一种面向无人机集群的多模态信号调制方法，有益效果体现在两个方面：
[0056]
第一方面在调制方式上采用了基于不同模态的ofdm调制方法，将信号从时间、频域增加了模态，在模态域通过每个模态的正交性进行调制，而ofdm通过频域正交性进行调制，两个传输域相互独立，提高了数据传输效率以及频带利用率；
[0057]
第二方面通过馈电组合的方式能灵活辐射不同模态的电磁波，同时也便于在接收端进行信号处理，只需通过与发送馈电相位反向的相位加权方式即可解调原始信号。
附图说明
[0058]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0059]
图1为面向无人机集群的系统图。
[0060]
图2为发送端uca阵元示意图。
[0061]
图3为信号调制系统框图。
具体实施方式
[0062]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0063]
在发送端具体包括以下步骤：
[0064]
发送端uca阵列示意图及坐标系如图2所示，阵列半径为d＝0.5，且每个uca天线有n
t
＝8个天线单元，天线阵元幅度an＝1，产生模态l＝1，2，3，4的涡旋电磁波。内层调制方式为256qam调制，子载波数nc＝128。
[0065]
步骤1：发射端使用uca天线产生涡旋电磁波，第n个天线阵元的相位为则第n个阵元的位置矢量为：
[0066][0067]
步骤2：在空间任意一点处场强如下：
[0068][0069]
步骤3：无人机基站产生8192bit信息a[k]，k＝1，2，
…
，8192；
[0070]
步骤4：第n根天线上的ofdm频域符号，子载波数为128，对步骤3发送的信息进行
256-qam调制，调制后信号为a
′
[r]，r＝1，2，
…
，1024，将并进行串并转换：
[0071][0072]
步骤5：对x做离散傅里叶反变换得到
[0073][0074]
其中，
[0075]
步骤6：对步骤5所得通过无人机上的uca天线调制后所得信号为：
[0076][0077]
写成矩阵形式为：
[0078][0079]
其中
[0080][0081]
步骤7：将步骤6所得信号x送入信道发送；
[0082]
地面节点在接收端处理步骤如下：
[0083]
步骤8：地面节点使用uca天线接收涡旋电磁波，每个uca天线有nr＝8个阵元，uca天线的半径为0.5，且接收端天线与发送端天线对齐，第m个天线阵元的相位角为接收天线与发送天线之间的距离为50，波长λ＝0.5，β＝4π；
[0084]
步骤9：第m根发射天线和第n根发射天线之间的信道增益为：
[0085][0086]
其中，d
mn
是第m根天线和第n根天线的距离，信道增益矩阵为：
[0087][0088]
步骤10：经过信道到达地面节点接收天线，第v根接收天线接收到的第q个子载波信号r
v，q
为：
[0089][0090]
写成矩阵形式为：
[0091]
r＝hx+n
[0092]
其中，n为均值为0，方差1的噪声，即e[nnh]＝i8；
[0093]
步骤11：地面节点使用uca天线完成解调：
[0094][0095]
使用uca天线完成解调的信号为
[0096]
步骤12：对中每一列做离散傅里叶变换得到表示为：
[0097][0098]
其中
[0099]
地面节点最后接收到的信号表示为矩阵形式：
[0100][0101]
其中
[0102]
步骤13：将并串转换，得到y：
[0103][0104]
步骤14：对y做256-qam解调，即可准确得到发送模态信息。
[0105]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种面向无人机集群的多模态信号调制方法，其特征在于：在发送端包括以下步骤：步骤1：发射端使用uca天线产生涡旋电磁波，每个uca天线有n
t
个阵元，以发射端uca天线的圆心为圆点，所在平面为z＝0的平面，uca阵元的半径为d，第n个天线阵元的相位为则第n个阵元的位置矢量为：步骤2：给每个阵元馈电电流密度大小为w的恒定电流，第n个阵元的电流分布为在空间任意一点处场强如下：其中，a
n
是天线阵元的幅度，|r-r
n
|表示观测点到第n个天线单元的距离，表示波数，为模态数，表示虚数单位，通过进一步化简，其中j
l
(
·
)表示l阶第一类贝塞尔函数，r
′
为空间中任意一点到uca阵列中心的距离；步骤3：无人机基站产生kbit信息a[k],k＝0,1,
…
,k-1；步骤4：第n根天线上的ofdm频域符号，子载波数为n
c
，对步骤3发送的信息进行m进制正交振幅调制，调制后信号为将进行串并转换，即构造一个n
t
×
n
c
矩阵：步骤5：对x做离散傅里叶反变换得到
其中，步骤6：对步骤5所得通过无人机上的uca天线调制后所得信号为：写成矩阵形式为：其中其中步骤7：将步骤6所得信号x送入信道发送；接收节点在接收端包括以下步骤：步骤8：接收端使用uca天线接收涡旋电磁波，每个uca天线有n
r
个阵元，uca天线的半径为r，且接收端天线与发送端天线对齐，第m个天线阵元的相位角为接收天线与发送天线之间的距离为d；步骤9：第m根发射天线和第n根发射天线之间的信道增益为：其中，λ是波长，β是与信道有关的常数，d
mn
是第m根天线和第n根天线的距离，信道增益矩阵为：
步骤10：经过信道到达地面节点的接收天线，第v根接收天线接收到的第q个子载波信号r
v,q
为：写成矩阵形式为：r＝hx+n其中，n为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声矩阵，即步骤11：地面节点接收端使用uca天线完成解调：使用uca天线完成解调的信号为步骤12：对中每一列做离散傅里叶变换得到表示为：其中，地面节点最后接收到的信号表示为矩阵形式：其中步骤13：将并串转换，得到y：
步骤14：对y做m-qam解调，即得到发送比特信息。2.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。3.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
技术总结本发明涉及一种面向无人机集群的多模态信号调制方法，属于无线通信技术领域。包括两个方面：第一方面在调制方式上采用了基于不同模态的OFDM调制方法，将信号从时间、频域增加了模态，在模态域通过每个模态的正交性进行调制，而OFDM通过频域正交性进行调制，两个传输域相互独立，提高了数据传输效率以及频带利用率；第二方面通过馈电组合的方式能灵活辐射不同模态的电磁波，同时也便于在接收端进行信号处理，只需通过与发送馈电相位反向的相位加权方式即可解调原始信号。方式即可解调原始信号。方式即可解调原始信号。
技术研发人员：许茜 尤倩 孙文彬 杨欣 王伶 宫延云 谢坚 汪跃先 张兆林
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
