空中骨干網(wǎng)覆蓋策略

鄭博，張衡陽，李勇，程偉

?

空中骨干網(wǎng)覆蓋策略

鄭博1,2，張衡陽1，李勇2，程偉2

（1. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077；2. 西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

將采用定向天線的高空長航時無人機（HALE-UAV, high-altitude long-durance unmanned aerial vehicle）和長方體形狀的空中走廊作為研究對象，覆蓋策略的基本思想是提取運動球頂椎體的不變覆蓋區(qū)域——圓柱體，作為基本覆蓋單元填充空中走廊；總體目標(biāo)是在滿足圓柱體的高大于空中走廊高度的條件下，使用盡可能少的HALE-UAV。采用幾何方法分析了HALE-UAV兩種典型的運動軌道——圓形和三角形軌道，得到了圓柱體底面半徑和高的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過最優(yōu)化理論比較兩種覆蓋策略，得到了最優(yōu)覆蓋方案。研究結(jié)果表明，圓形軌道總體優(yōu)于三角形軌道；最優(yōu)方案是采用準(zhǔn)靜態(tài)浮空平臺，次優(yōu)方案是采用半徑較小的圓形軌道，或邊長較小的三角形軌道，同時單個軌道上布設(shè)一個HALE-UAV。

空中骨干網(wǎng)；覆蓋；空中走廊；高空長航時無人機；圓柱體

1 引言

在未來戰(zhàn)爭中，為了滿足指控中心與各種作戰(zhàn)單元之間的信息通信需求，戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)必須具有高速率、大容量、超視距、無縫覆蓋、實時接入的信息傳輸能力?？罩泄歉删W(wǎng)是一個利用長滯空平臺組網(wǎng)構(gòu)建的大尺度、高速率、超視距通信覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，為視距內(nèi)和視距外的陸、海、空各種作戰(zhàn)單元提供接入、轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，可滿足戰(zhàn)場上各類業(yè)務(wù)信息的實時性傳輸需求[1-2]，它不需要依靠網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，采用移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)臨時布設(shè)，具備自組織、自修復(fù)的能力和快速機動、靈活高效組網(wǎng)的優(yōu)勢。近年來，美軍致力于該領(lǐng)域的研究和建設(shè)，開展了聯(lián)合空中層網(wǎng)絡(luò)（JALN, joint aerial layered network）[3]、戰(zhàn)場空中通信節(jié)點（BACN, battlefield airborne communications node）[4]、機載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)（ATN, airborne tactical network）[5]等項目計劃。

覆蓋算法是空中骨干網(wǎng)的一個基礎(chǔ)性研究問題。如何利用高空長航時無人機（HALE-UAV, high-altitude long-durance unmanned aerial vehicle）等長滯空平臺的規(guī)律運動對有待覆蓋空域進(jìn)行穩(wěn)定可靠的無縫覆蓋具有較高的研究價值。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor network）的覆蓋控制問題已引起了研究人員的廣泛關(guān)注[6-8]。其中，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)（UWSN, underwater sensor network）等三維WSN[9-11]，以及涉及移動節(jié)點的WSN的覆蓋問題也是研究熱點問題[12-15]。但這些研究成果對空中骨干網(wǎng)覆蓋問題的參考價值較少，該問題的挑戰(zhàn)性在于如何通過對基于某種運動方式的節(jié)點進(jìn)行合理而高效的布設(shè)，從而實現(xiàn)對三維空間的完全覆蓋。文獻(xiàn)[16]針對多無人機傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，提出了基于勢博弈與log-linear學(xué)習(xí)的分布式最優(yōu)傳感器配置方法，但該方法并不適用于空中骨干網(wǎng)中規(guī)律運動的HALE-UAV。文獻(xiàn)[17]針對圓形軌道上運動的HALE-UAV研究了空中骨干網(wǎng)的覆蓋優(yōu)化問題，但缺少對其他運動軌道的分析。此外目前還鮮有其他公開發(fā)表的研究成果。

本文針對空中骨干網(wǎng)覆蓋問題，考慮了HALE-UAV的兩種典型的運動軌道——圓形和三角形軌道，并采用最優(yōu)化理論比較了兩種覆蓋策略，得出了完全覆蓋的最優(yōu)方案。研究結(jié)果對空中骨干網(wǎng)的設(shè)計具有一定的參考價值。

2 網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述

本文設(shè)計的空中骨干網(wǎng)將預(yù)先布設(shè)的HALE-UAV作為骨干節(jié)點，通過骨干節(jié)點實現(xiàn)地面、海上、空中各種作戰(zhàn)單元的實時接入，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。圖1中，虛線部分為有待覆蓋的空中走廊（AC, air corridor），各HALE-UAV布設(shè)于AC的上方，對AC進(jìn)行通信覆蓋。AC可建模為一定數(shù)量的長方體集合，如圖2所示。為了保證AC內(nèi)飛機信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性以及資源利用的有效性，本文需要研究的問題是如何基于HALE-UAV特定的運動方式對一定體積的AC進(jìn)行完整且高效的覆蓋，即覆蓋問題的目標(biāo)是利用最少量的HALE-UAV為AC提供完全覆蓋。

圖1 空中骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

圖2 HALE-UAV對AC的覆蓋示意

3 圓形、三角形軌道幾何分析

3.1 圓形軌道

圖3 圓形軌道上3個HALE-UAV的覆蓋效果

圖4 圓形軌道上兩個HALE-UAV提取出的圓柱體

圖5 圓形軌道上3個連續(xù)HALE-UAV的俯視圖

如圖4所示，易知

3.2 三角形軌道

在三角形軌道中，由于轉(zhuǎn)彎拐角弧度相對于軌道邊長較小，可忽略不計,因此可近似為等邊三角形，記其邊長為。與圓形軌道不同，三角形軌道的覆蓋需要根據(jù)單個軌道上節(jié)點的數(shù)量分情況討論。

圖7 三角形軌道時的俯視圖

4 覆蓋問題解決方案

由式(12)和式(13)可得

圖10 所截取圓柱體的底面半徑rc與其他變量的關(guān)系

圖11 圓形軌道中策略1、策略2所需HALE-UAV數(shù)量的比較

圖12 三角形軌道中策略1、策略2所需HALE-UAV數(shù)量的比較

圖13 策略1、策略2所需HALE-UAV的數(shù)量與其他變量的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文對空中骨干網(wǎng)覆蓋策略進(jìn)行了研究。針對具有長方體形狀的AC，本文的覆蓋方案是將沿軌道規(guī)律運動的HALE-UAV的不變覆蓋區(qū)域作為基礎(chǔ)構(gòu)件來填充AC，目標(biāo)是利用最少量的HALE-UAV為AC提供完全覆蓋。針對圓形、三角形兩種運動軌道和策略1、策略2兩種覆蓋策略，采用幾何理論、最優(yōu)化理論得出了最優(yōu)覆蓋方案。研究結(jié)果表明，圓形軌道總體優(yōu)于三角形軌道；最優(yōu)覆蓋方案是采用準(zhǔn)靜態(tài)浮空平臺，次優(yōu)覆蓋方案是采用半徑較小的圓形軌道，或邊長較小的三角形軌道，同時單個軌道上布設(shè)一個HALE-UAV。

[1] CHENG B N, CHARLAND R, CHRISTENSEN P, et al. Evaluation of a multihop airborne IP backbone with heterogeneous radio technologies[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2014, 13(2): 299-310.

[2] WANG J, SHAKE T, DEUTSCH P, et al. Topology management algorithms for large-scale aerial high capacity directional networks[C]// IEEE Military Communications Conference. 2016: 343-348.

[3] SCHUG T, DEE C, HARSHMAN N, et al. Air force aerial layer networking transformation initiatives[C]//IEEE Military Communications Conference. 2012: 1974-1978.

[4] BURNS K, SMITH K. Battlefield airborne communications node (BACN) realizing the vision of the aerial layered network (ALN)[C]//AIAA SciTech. 2016: 1-20.

[5] CHENG B N, BLOCK F J, HAMILTON B R, et al. Design considerations for next-generation airborne tactical networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2014, 52(5): 138-145.

[6] SANGWAN A, SINGH R P. Survey on coverage problems in wireless sensor networks[J]. Wireless Personal Communications, 2015, 80(4): 1475-1500.

[7] BENATIA M A, SAHNOUN M, BAUDRY D. Multi-objective WSN deployment using genetic algorithms under cost, coverage, and connectivity constraints[J]. Wireless Personal Communications, 2017, 94(4): 2739-2768.

[8] PANANJADY A, BAGARIA V K, VAZE R. Optimally approximating the coverage lifetime of wireless sensor networks[J]. IEEE-ACM Transactions on Networking, 2017, 25(1): 98-111.

[9] WATFA M K, COMMURI S. The three-dimensional wireless sensor network coverage problem[C]//IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control. 2006: 856-861.

[10] ALAM S M N, HAAS Z J. Coverage and connectivity in three-dimensional networks with random node deployment[J]. Ad Hoc Networks, 2015, 34(C): 157-169.

[11] VIEIRA L F M, ALMIRON M G, LOUREIRO A A F. Link probability, node degree and coverage in three-dimensional networks[J]. Ad Hoc Networks, 2016, 37(P2): 153-159.

[12] WANG B, LIM H B, MA D. A survey of movement strategies for improving network coverage in wireless sensor networks[J]. Computer Communications, 2009, 32(13-14): 1427-1436.

[13] ROUT M, ROY R. Self-deployment of mobile sensors to achieve target coverage in the presence of obstacles[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(14): 5837-5842.

[14] LIU B Y, DOUSSE O, NAIN P, et al. Dynamic coverage of mobile sensor networks[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2013, 24(2): 301-311.

[15] 王良民, 李菲, 秦穎. 基于移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋洞修復(fù)方法[J]. 通信學(xué)報, 2011, 32(4): 1-8.

WANG L M, LI F, QIN Y. Resilient method for recovering coverage holes of wireless sensor networks by using mobile nodes[J]. Journal on Communications, 2011, 32(4): 1-8.

[16] 孫昌浩, 段海濱. 基于進(jìn)化勢博弈的多無人機傳感器網(wǎng)絡(luò)K-覆蓋[J].中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2016, 46(10): 1016-1023.

SUN C H, DUAN H B. An evolutionary potential game theoretic approach for the K-COVER problem in multi-UAV sensor networks[J]. Sci Sin Tech, 2016, 46(10): 1016-1023.

[17] SEN A, GHOSH P, SILVA T, et al. Architecture and algorithms for an airborne network[J]. Computer Science, 2010: 1-14.

Coverage in airborne backbone network

ZHENG Bo1,2, ZHANG Hengyang1, LI Yong2, CHENG Wei2

1. Information and Navigation Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China 2. College of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China

The high-altitude long-durance unmanned aerial vehicle (HALE-UAV) equipped with directional antenna and the cuboid-shaped air corridor (AC) were taken as the study objects, and the basic idea was to extract the invariant coverage area of moving spherical cones, cylinder, as the basic component to fill AC. The general goal was to employ HALE-UAV as few as possible under the condition that the height of the cylinder was larger than that of AC. The circular and triangular orbitsof HALE-UAV were analyzed in geometry respectively, and the mathematical expressions of the radius and height of the cylinder were derived. Then two coverage schemes were introduced. Through comparing the two schemes by optimization theory, the optimal coverage strategy was derived. Results show that the circular orbit is better than the triangular orbit. Moreover, the optimal solution is to employ the quasi-static floating platforms, and the suboptimal is to adopt the circular orbit of a small radius, or the triangular orbit of a small side, with a HALE-UAV on an orbit.

airborne backbone network, coverage, air corridor, high-altitude long-durance unmanned aerial vehicle, cylinder

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018226

鄭博（1982–），男，陜西咸陽人，博士，空軍工程大學(xué)講師，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院博士后，主要研究方向為無線自組網(wǎng)、機載通信網(wǎng)、空中骨干網(wǎng)等。

張衡陽（1978–），男，湖南祁東人，博士，空軍工程大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為無線自組網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、航空數(shù)據(jù)鏈、機載通信網(wǎng)等。

李勇（1962–），男，陜西西安人，博士，西北工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為認(rèn)知無線電、軟件無線電、實時數(shù)字信號處理及其應(yīng)用、雷達(dá)信號處理等。

程偉（1980–），男，陜西志丹人，博士，西北工業(yè)大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為無線自組網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等。

2017?12?18；

2018?10?31

航空科學(xué)基金資助項目（No.20161996010, No.20150896010）

The Aeronautical Science Foundation of China (No. 20161996010, No.20150896010)