基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法与系统

摘要

本发明适用于无线通信，提供了一种单个移动中继最佳通信位置的搜寻方法，步骤包括：A，移动中继在固定轨道的任意起始位置上，初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后接收来自源端发射的训练序列，放大后转发给目的端；B，目的端根据接收到的经放大后的训练序列计算所接收信号的性能，并根据计算结果反馈单比特信息给所述移动中继；C，移动中继根据反馈的单比特信息计算下一时刻位置并移动到下一时刻位置，并返回步骤A，直至最后确定最佳中继位置。本发明可提高中继通信的性能，且无需获得源端和目的端的位置信息，无需多天线，移动中继只利用目的端反馈的单比特信息就能在给定运动轨迹范围内找到最佳的中继通信位置。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法与系统。

背景技术

通信中继用来转发不同的节点之间发出的信息，扩大了通信范围，提高了通信系统的性能。陆地无线电通信很容易被障碍物遮挡和屏蔽，飞机、卫星及无人机(UnmannedAerialVehicles，UAVs)可以充当通信中继，因为机载中继可以在崎岖的山区或市区有效地为需要相互通信的双方建立起连接。近些年来，使用无人机作为通信中继的问题已吸引不少学者的关注和研究，同时其应用也十分广泛。

现有的应用于无人机中继位置搜寻的算法主要有：利用GPS测量地面通信单元(源端S、目的端D)的位置信息并被无人机利用去搜寻最佳中继位置，基于扰动的极值搜索控制(ExtremumSeekingControl，ESC)算法，基于多机载天线的算法。现有的无人机中继位置搜寻算法，在各自的基础上都可以使无人机找到最佳的中继位置，但是这些算法的适用范围也存在一定的不足和缺陷，主要体现在：(1)需要源端和目的端都具有GPS功能以提供各自的位置信息给移动中继，而在很多特殊情况下通信双方没有GPS功能或者GPS设备已损坏，如自然灾害导致GPS设备损坏，(2)使用机载多天线对信号到达角(DirectionOfArrival,DOA)进行估计来搜寻最佳中继位置，容易出现估计误差，且增加了无人机通信设备的复杂度和算法复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法与系统，旨在提高中继通信的性能，且无需获得源端和目的端的位置信息，无需多天线，移动中继只利用目的端反馈的单比特信息就能在给定运动轨迹范围内找到最佳的中继通信位置。

本发明是这样实现的，一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法，步骤包括：

步骤A，移动中继在固定轨道的任意起始位置上，初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后接收来自源端发射的训练序列，放大后转发给目的端；

步骤B，目的端根据接收到的经放大后的训练序列计算所接收信号的性能，并根据计算结果反馈单比特信息给所述移动中继；所述单比特信息包含接收信号性能是否提高的信息；

步骤C，移动中继根据反馈的单比特信息计算下一时刻位置并移动到下一时刻位置，并返回步骤A，直至最后确定最佳中继位置。

进一步地，在步骤A中，所述固定轨道为圆形轨道。

进一步地，所述步骤C中，所述移动中继在固定的轨道上进行位置移动，根据所述单比特信息计算随机扰动步长、修正因子，同时引入累积正反馈计数器、连续负反馈计数器和阈值修正机制，然后所述移动中继根据计算结果变换运动步长和方向进行位置移动，并返回步骤A。

进一步地，所述步骤C具体包括：

步骤C1，所述移动中继记录其已知最佳位置，所述已知最佳位置用θ(n)表示，n表示第n个时隙；

步骤C2，所述移动中继根据所述单比特信息在每个迭代时隙变换运动步长，变换后的运动步长包括随机扰动步长和修正因子；

步骤C3，所述移动中继根据变换后的运动步长计算下一时刻位置，然后移动至所述下一时刻位置，返回步骤A，接收来自源端发射的训练序列，并进行放大后转发至目的端；

以表示所述下一时刻位置，以δ(n)所述随机扰动步长，ξ(n)表示修正因子，则：

步骤C4，目的端计算新的接收信号的通信性能强度，将计算出的通信性能强度的结果与已知的最佳接收信号的通信性能强度相比，根据比较结果更新内存中的最佳接收信号通信性能强度，然后目的端反馈单比特信息给所述移动中继；

步骤C5，所述移动中继根据反馈的单比特信息更新已知最佳位置并存储，计算运动步长和方向以确定下一时刻位置并移动到该下一时刻位置，重复步骤C3至C4，直至最后确定最佳中继位置。

进一步地，所述步骤C5具体包括：

步骤C51，移动中继对所述单比特信息进行判断；

步骤C52，在判断为接收信号性能提高时，修正因子清零和连续负反馈计数器清零，累积正反馈计数器加1，并判断累积正反馈计数器是否达到预设的累积正反馈阈值；

步骤C53，若判断步骤C52中的累积正反馈计数器达到预设的累积正反馈阈值，则累积正反馈计数器清零，并且增大运动步长和增大累积正反馈阈值并返回步骤C3；

步骤C54，若判断步骤C52中的累积正反馈计数器未达到预设的累积正反馈阈值，则返回步骤C3；

步骤C55，在判断为接收信号性能未提高时，移动中继返回上一时隙的位置，同时连续负反馈计数器加1，修正因子修改为上一时隙的运动步长的相反数，并判断连续负反馈计数器是否达到预设的连续负反馈阈值；

步骤C56，若判断步骤C55中的连续负反馈计数器达到预设的连续负反馈阈值，则累积正反馈计数器和连续负反馈计数器清零，并且减小运动步长和减小连续负反馈计数器阈值并返回步骤C3；

步骤C57，若判断步骤C55中的连续负反馈计数器未达到预设的连续负反馈阈值，则返回步骤C3。

本发明还提供了一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻系统，包括源端、移动中继和目的端；

所述源端，用于发送训练序列至所述移动中继；

所述移动中继，用于在固定轨道的任意起始位置上，初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后接收来自源端发射的训练序列，放大后转发给目的端进行计算；

所述目的端，用于根据接收到的经放大后的训练序列进行接收信号的性能计算，并并根据计算结果反馈单比特信息给所述移动中继；所述移动中继记录位置信息并根据所述单比特信息进行计算，根据计算结果进行位置移动，并实时将所述源端发送的训练序列进行放大后转发至所述目的端进行计算，最终确认最佳中继位置。

进一步地，所述固定轨道为圆形轨道。

进一步地，所述移动中继在固定的轨道上进行位置移动，根据所述单比特信息计算随机扰动步长、修正因子，同时引入累积正反馈计数器、连续负反馈计数器和阈值修正机制，然后所述移动中继根据计算结果变换运动步长和方向进行位置移动，并实时将所述源端发送的训练序列进行放大后转发至所述目的端进行计算，最终确认最佳中继位置。

进一步地，所述搜寻系统具体用于：

首先，所述移动中继记录其已知最佳位置，所述已知最佳位置用θ(n)表示，n表示第n个时隙；

其次，所述移动中继根据所述目的端反馈的所述单比特信息在每个迭代时隙变换运动步长，变换后的运动步长包括随机扰动步长和修正因子；

再次，所述移动中继根据变换后的运动步长计算下一时刻位置并移动到该位置，然后接收来自源端发射的训练序列，进行放大后转发至所述目的端；

以表示所述下一时刻位置，以δ(n)所述随机扰动步长，ξ(n)表示修正因子，则：

接着，目的端计算新的接收信号的通信性能强度，将计算出的通信性能强度的结果与已知的最佳接收信号的通信性能强度相比，根据比较结果更新内存中的最佳接收信号通信性能强度，然后目的端反馈单比特信息给所述移动中继，所述单比特信息包括接收信号性能是否提高的信息；

最后，所述移动中继根据反馈的单比特信息更新已知最佳位置并存储，计算运动步长和方向以确定下一时刻位置并移动到该下一时刻位置，直至最后确定最佳中继位置。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明可提高中继通信的性能，且无需获得源端和目的端的位置信息，无需多天线，移动中继只利用目的端反馈的单比特信息就能在给定运动轨迹范围内找到最佳的中继通信位置

附图说明

图1是现有技术提供的以无人机作为移动中继的最佳中继位置搜寻方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的一种以无人机作为移动中继的最佳中继位置的搜寻系统的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的一种以无人机作为移动中继的最佳中继位置搜寻方法的详细步骤图。

图5是本发明实施例提供的使用无人机作为移动中继的最佳中继位置的搜寻过程中的信噪比分布示意图。

图6是本发明实施例提供的使用无人机作为移动中继的最佳中继位置的搜寻过程所花时隙与达到信噪比的示意图。

图7是本发明实施例提供的使用无人机作为移动中继位置对应的误码率分布示意图。

图8是本发明实施例提供的使用无人机作为移动中继的最佳中继位置的搜寻过程所花时隙与达到误码率的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的应用于无人机中继位置搜寻的算法主要有：1、如图1a所示的基于GPS算法，即利用GPS测量地面通信单元(源端S、目的端D)的位置信息并被无人机利用去搜寻最佳中继位置；2如图1b所示的基于DOA算法。现有的无人机中继位置搜寻算法，在各自的基础上都可以使无人机找到最佳的中继位置，但是这些算法或适用范围也存在一定的不足和缺陷，主要体现在：(1)通信中继依赖于GPS容易受到攻击，也可能遭受GPS欺骗或干扰而导致通信中继失败，更重要的是，在很多特殊情况下通信双方没有GPS功能或者GPS设备已损坏，如自然灾害导致GPS设备损坏。(2)使用机载多天线对信号到达角(DOA)进行估计来搜寻最佳中继位置，容易出现估计误差，且增加了无人机通信设备的复杂度和算法复杂度。

基于上述所述的算法的缺陷，本发明提供了如图2所示的一种基于累加正反馈变步长的最佳中继位置搜寻方法，步骤包括：

S1，移动中继在固定轨道的任意起始位置上，初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后接收来自源端发射的训练序列，放大后转发给目的端。在本步骤中，移动中继先初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后开始在圆形的固定轨道上的初始位置，接收来自源端发射的训练序列，然后进行放大后转发给目的端。

S2，目的端根据接收到的经放大后的训练序列计算所接收信号的性能，并根据计算结果在每个时隙反馈单比特信息给所述移动中继；所述单比特信息包含接收信号性能是否提高的信息；

S3，移动中继根据反馈的单比特信息计算下一时刻位置并移动到下一时刻位置，并返回步骤A，直至最后确定最佳中继位置。在本步骤中，所述移动中继在固定的轨道上进行位置移动，根据所述单比特信息计算随机扰动步长、修正因子，同时引入累积正反馈计数器、连续负反馈计数器和阈值修正机制，然后所述移动中继根据计算结果变换运动步长和方向进行位置移动，并返回步骤S1。最终确定的最佳中继位置，可以通过设定时间长度、或者移动完整个固定轨迹、或者所述通信性能满足系统设定要求。

在上述步骤S3中，具体包括：

S31，所述移动中继记录其已知最佳位置，所述已知最佳位置用θ(n)表示，n表示第n个时隙；

S32，所述移动中继根据所述单比特信息在每个迭代时隙变换运动步长，变换后的运动步长包括随机扰动步长和修正因子；

S33，所述移动中继根据变换后的运动步长计算下一时刻位置，然后移动至所述下一时刻位置，返回步骤S1，接收来自源端发射的训练序列，并进行放大后转发至目的端；

以表示所述下一时刻位置，以δ(n)所述随机扰动步长，ξ(n)表示修正因子，则：

S34，目的端计算新的接收信号的通信性能强度，将计算出的通信性能强度的结果与已知的最佳接收信号的通信性能强度相比，根据比较结果更新内存中的最佳接收信号通信性能强度，然后目的端反馈单比特信息给所述移动中继；

S35，所述移动中继根据反馈的单比特信息更新已知最佳位置并存储，计算运动步长和方向以确定下一时刻位置并移动到该下一时刻位置，，重复步骤S33至S34，直至最后确定最佳中继位置。

进一步地，步骤S35具体包括如图4所示的步骤，其中：

S351，移动中继对所述单比特信息进行判断；

S352，在判断为接收信号性能提高时，修正因子清零和连续负反馈计数器清零，累积正反馈计数器加1，并判断累积正反馈计数器是否达到预设的累积正反馈阈值；

S353，若判断步骤S352中的累积正反馈计数器达到预设的累积正反馈阈值，则累积正反馈计数器清零，并且增大运动步长和增大累积正反馈阈值并返回步骤S33；

S354，若判断步骤S352中的累积正反馈计数器未达到预设的累积正反馈阈值，则返回步骤S33；

S355，在判断为接收信号性能未提高时，移动中继返回上一时隙的位置，同时连续负反馈计数器加1，修正因子修改为上一时隙的运动步长的相反数，并判断连续负反馈计数器是否达到预设的连续负反馈阈值；

S356，若判断步骤S355中的连续负反馈计数器达到预设的连续负反馈阈值，则累积正反馈计数器和连续负反馈计数器清零，并且减小运动步长和减小连续负反馈计数器阈值并返回步骤S33；

S357，若判断步骤S355中的连续负反馈计数器未达到预设的连续负反馈阈值，则返回步骤S33。

但实际应用中，作为移动中继的可以为无人机，也可以为热气球、卫星等，在本实施例中，使用无人机作为移动中继，下面结合图3至图8对本发明进行详细的阐述。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种基于累加正反馈变步长的以无人机为移动中继的最佳中继位置搜寻系统，包括源端、移动中继和目的端；所述源端，用于在固定轨道上的任意起始位置上，初始化其位置信息并记录初始位置信息，然后接收来自源端发射的训练序列，放大后转发给目的端进行计算；所述目的端，用于根据接收到的经放大后的训练序列进行接收信号的性能计算，并在每个时隙反馈单比特信息给所述移动中继；所述移动中继记录位置信息并根据所述单比特信息进行计算，根据计算结果进行位置移动，并实时将所述源端发送的训练序列进行放大后转发至所述目的端进行计算，最终确认最佳中继位置。在具体应用中，源端和目的端可以进行功能上的相互切换，即：在实施过程中，源端和目的端同时具备发送训练时序和进行信号处理等功能。

具体地，在图3中，柱坐标系中的三个坐标变量是(r,θ,z)。其中r为无人机在xoy平面上的运动半径，θ为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到οR′_i所转过的角，οR′_i为无人机在xy平面的映射，z为无人机的高度。

在本实施例中：

①、无人机运动的增强变步长δ(n)＝±δ₀，δ(n)＝+δ₀表示逆时针方向移动，δ(n)＝-δ₀表示顺时针方向移动。

②、无人机在高度为z，半径为r的圆周上移动，圆心坐标o(0,0,z)，源坐标S(x_s,y_s,z_s)，目的端坐标D(x_d,y_d,z_d)。

③、无人机在n时刻的坐标为R(r,θ(n),z)，那么无人机在n+1时刻的坐标为R(r,θ(n+1),z)。

④、柱坐标系(r,θ,z)与空间直角坐标系(x,y,z)的转换关系如下：

⑤、n时刻中继R(r,θ(n),z)离源端S与目的端D的通信距离分别是：

无人机的中继通信过程

第一跳通信：源段(S)到无人机(R)

E[|n₁|²]＝N₀₁(2)

第一跳通信的自由空间路径损耗：

第二跳通信：无人机(R)到目的端(D)

E[|n₂|²]＝N₀₂(5)

第二跳信道的自由空间路径损耗：

其中增益G如下：

由公式(4)得端到端的信噪比为：

其中γ₁、γ₂如下：

(9)

详细地，本实施例中，基于增强变步长扰动的以无人机作为移动中继的最佳中继位置搜寻方法的步骤包括：

1)无人机在内存中记录其最佳已知位置θ(n)，每个迭代时隙增加一个随机扰动δ(n)＝±δ₀。同时引入了修正因子ξ(n)、累计正反馈计数器C_P和连续负反馈计数器C_N及阈值修正机制，δ₀为本算法的扰动步长，n表示时隙。

2)无人机计算它的当前位置即：

3)目的端接收机计算新的通信性能强度SNR(n)，根据计算出的新的通信性能强度的结果与已知的最佳接收信号的通信性能强度相比，并且更新内存中的最佳接收信号通信性能强度，更新规则为SNR_best(n+1)＝max(SNR_best(n),SNR(n))。随后接收机反馈单比特信息给无人机，以此表明接收信号强度是否提高。具体的，单比特信息以1表示接收信号强度提高，以0表示接受信号强度未提高，反之亦然。

4)无人机根据反馈回来的单比特信息，更新自己的最佳已知位置θ(n)，更新规则如下：

C_P表示累积正反馈计数器，C_N表示连续负反馈计数器，Δ_T1表示累积正反馈计数器阈值增长因子，Δ_T2表示连续负反馈计数器阈值下降因子，R_D(0＜R_D＜1)表示步长下降因子，R_I(R_I＞1)表示步长增长因子，C_T1表示累积正反馈阈值，C_T2表示连续负反馈阈值。

本发明提供的方法对于初始小步长扰动的收敛效果十分有利，即在方法收敛前期和后期都能加速收敛，相比于固定步长、变步长收敛算法，本发明在初始小步长情境下的性能提升很明显。本发明在循环搜寻过程中慢慢地接近最佳中继位置，最后找到最佳中继位置，即接收信号强度最高的位置即为最佳中继位置。

无人机中继位置搜寻仿真图如下：

初始步长：C_T1＝3,C_T2＝7,Δ_T1＝0.3,Δ_T2＝0.3,R_I＝1.1,R_D＝0.75；

(1)以信噪比为基准表示通信性能的好坏，也就是公式(8)；

源端的位置坐标:(x_s,y_s,z_s)＝(0,-700,1)；

目的端的位置坐标：(x_d,y_d,z_d)＝(30,600,1)；

无人机的位置坐标：(r,θ(n),z)＝(500,θ(n),30)；

图5中，横轴表示θ(n)，纵轴表示与θ(n)相对应的该中继位置的端到端信噪比γ_end；

(2)以信噪比为基准表示通信性能的好坏，也就是公式(8)；

源端的位置坐标:(x_s,y_s,z_s)＝(0,-700,1)；

目的端的位置坐标：(x_d,y_d,z_d)＝(30,600,1)；

无人机的位置坐标：(r,θ(n),z)＝(500,θ(n),30)；

图6中，横轴表示无人机搜寻最佳位置过程中花费的时隙数，纵轴表示端到端信噪比γ_end，可以看到在搜寻到第30个时隙时就找到了6dB的位置，在第60个时隙找到了最佳的中继位置。也就是图5中的极大值点。

(3)以误码率为基准表示通信性能的好坏：

源端的位置坐标:(x_s,y_s,z_s)＝(0,-700,1)；

目的端的位置坐标：(x_d,y_d,z_d)＝(30,600,1)；

无人机的位置坐标：(r,θ(n),z)＝(500,θ(n),30)

图7中，横轴表示θ(n)，纵轴表示与θ(n)相对应的该中继位置的端到端误码率。

(4)以误码率为基准表示通信性能的好坏：

源端的位置坐标:(x_s,y_s,z_s)＝(0,-700,1)

目的端的位置坐标：(x_d,y_d,z_d)＝(30,600,1)

无人机的位置坐标：(r,θ(n),z)＝(500,θ(n),30)

图8中，横轴表示无人机搜寻最佳位置过程中花费的时隙数，纵轴表示端到端误码率，可以看到在搜寻到第75个时隙时算法基本收敛结束，也就是找到了图7中的极小值点。

本发明属于无线通信技术领域，可以被应用来搜寻最佳中继位置点，提高中继通信的性能。本方法适用于增强变的中继运动轨道。潜在的应用领域有：临时通信系统的搭建、灾害现场的通信连接等。而提供的无人机中继技术，利用增强变步长单比特正负反馈机制去控制无人机自动搜寻最佳中继位置，能有效地提升通信系统性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。