基于能效感知的無(wú)人機(jī)協(xié)助的視頻數(shù)據(jù)傳輸

王鈺寧，劉曉霞,胡云冰

(1 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,四川崇州 611231;2 廈門大學(xué)信息學(xué)院,福建廈門 361005)

0 引言

由于移動(dòng)便捷、部署靈活，無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)通信已成為滿足下一代蜂窩用戶需求的有效技術(shù)[1-2]。UAV給空中和陸地的連接架上通信橋梁，已在多個(gè)領(lǐng)域中廣泛使用，如地形測(cè)量等。這些應(yīng)用要求通過(guò)UAV將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的陸地節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)。

目前，基于UAV的視頻數(shù)據(jù)傳輸策略研究較多，文獻(xiàn)[3]由收集數(shù)據(jù)的UAV(collected data-UAV，CD-UAV)直接向陸地節(jié)點(diǎn)傳輸視頻數(shù)據(jù)。若由CD-UAV直接向陸地節(jié)點(diǎn)傳輸視頻數(shù)據(jù)，CD-UAV的觀察范圍和通信區(qū)域受其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)容量和能量限制。

然而，在多數(shù)場(chǎng)景，觀察環(huán)境需要收集大面積區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)。因此，研究人員試圖擴(kuò)延CD-UAV的觀察范圍和通信區(qū)域[4-5]。一類方法是通過(guò)部署高性能天線擴(kuò)延CD-UAV的通信區(qū)域。然而，在CD-UAV上安裝高性能天線增加了部署成本，其不能在大型區(qū)域應(yīng)用。另一方法是引用轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)人機(jī)(R-UAV)轉(zhuǎn)發(fā)CD-UAV收集的視頻數(shù)據(jù)擴(kuò)延觀察范圍和通信區(qū)域。即不由CD-UAV直接向陸地節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，而是CD-UAV先將視頻數(shù)據(jù)傳輸至UAV，再由UAV轉(zhuǎn)發(fā)至陸地節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。將向陸地節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)視頻數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)稱為R-UAV。為此，針對(duì)由R-UAV轉(zhuǎn)發(fā)CD-UAV的視頻數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行研究。

圖1 基于R-UAV的視頻數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場(chǎng)景

目前研究人員對(duì)基于R-UAV的視頻數(shù)據(jù)傳輸策略進(jìn)行了大量研究[6-8]，但是它們只關(guān)注了數(shù)據(jù)吞吐量。然而，利用多個(gè)UAV傳輸視頻數(shù)據(jù)存在多個(gè)問(wèn)題。例如，當(dāng)多個(gè)UAV同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，彼此就會(huì)干擾，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

此外，部署UAV時(shí)也必須考慮UAV的能量問(wèn)題。由于可存儲(chǔ)的能量有限，UAV只能工作一段時(shí)間。為了有效解決這些問(wèn)題，必須合理地、有效地使用UAV的能量，即提高能量利用效率(以下簡(jiǎn)稱能效)。

文獻(xiàn)[9-10]研究了基于R-UAV的視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的能效問(wèn)題。然而，它們只關(guān)注了正在傳輸數(shù)據(jù)的CD-UAV和R-UAV的能效問(wèn)題，忽略了由于它們傳輸數(shù)據(jù)而對(duì)周圍UAV形成干擾的UAV，這些受干擾的UAV需要盤旋飛行等待，在等待期間需要消耗能量。為了表述簡(jiǎn)單，將受干擾的UAVs的盤旋飛行等待期間的能效簡(jiǎn)稱為盤飛能效。

為了描述簡(jiǎn)單，將正在傳輸數(shù)據(jù)的UAV稱為目標(biāo)UAV(T-UAV)。T-UAV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)對(duì)周圍的UAV形成干擾，這些受干擾的UAV簡(jiǎn)稱干擾UAV(I-UAV)。

為此，針對(duì)基于R-UAV轉(zhuǎn)發(fā)的CD-UAV收集的視頻數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景，研究I-UAV的盤飛能效問(wèn)題，并提出基于功率控制和R-UAV位置優(yōu)化的I-UAV的盤飛能效策略(TOEE)。TOEE策略考慮了T-UAV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)周圍UAV的干擾問(wèn)題，并將I-UAV在等待空閑信道時(shí)所消耗的能量納入總體能耗，這不同于文獻(xiàn)[9-10]的研究工作。

1 系統(tǒng)模型

考慮如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)模型。CD-UAV拍攝觀察區(qū)域視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)通過(guò)R-UAV傳輸至陸地節(jié)點(diǎn)[8-9]。

圖2 網(wǎng)絡(luò)模型

此外，為了減少R-UAV的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)延，一旦接收到數(shù)據(jù)，R-UAV就向陸地節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。為了保證接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)同步，在CD-UAV與R-UAV間和R-UAV與陸地節(jié)點(diǎn)間采用不同的信道，因此，考慮到不同信道的擁塞情況，需對(duì)CD-UAV和R-UAV的傳輸功率和R-UAV位置進(jìn)行優(yōu)化。

2 TOEE策略

2.1 UAV飛行時(shí)的能效

相比于飛行時(shí)所消耗的能量，UAV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的能量較小。因此，在最大化總體能量效率時(shí)，TOEE算法聚集于I-UAV的盤飛能效。

首先，一架旋轉(zhuǎn)葉片無(wú)人機(jī)飛行1 s所消耗的飛行能量為[11]：

Phov=Po+Pi

(1)

式中：Po和Pi分別表示UAV在盤旋時(shí)的葉片輪廓功率和感應(yīng)型功率。因此，T-UAV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，干擾區(qū)域內(nèi)I-UAV盤旋飛行時(shí)所消耗的能量為：

E=(ρ·A+1)Phovta

(2)

式中：A表示T-UAV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所形成的干擾區(qū)域;ρ表示干擾區(qū)域內(nèi)I-UAV的分布密度;ta表示干擾的時(shí)間，即T-UAV傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。

依據(jù)式(2)所定義的能量，將能量利用效率(能效)X定義為：

(3)

式中：F表示數(shù)據(jù)尺寸。TOEE算法旨在通過(guò)控制傳輸功率和R-UAV的位置提高I-UAV的能效。

2.2 傳輸功率控制

傳輸功率是影響能效的一個(gè)重要因素。在保持通信質(zhì)量的同時(shí)，當(dāng)通信距離發(fā)生變化，傳輸功率也需隨之調(diào)整。通信距離與傳輸功率間的關(guān)系式為：

(4)

式中：dmax表示最大的通信距離；Pt表示傳輸功率；Smin表示接收器的靈敏度；c表示光速；f表示頻率。

當(dāng)一個(gè)UAV在另一個(gè)UAV的通信范圍內(nèi)時(shí)，該UAV就需停止通信，避免形成干擾[12]。因此，將干擾范圍的區(qū)域看成T-UAV的通信區(qū)域，并依式(5)計(jì)算A：

(5)

此外，由于T-UAV在傳輸數(shù)據(jù)，I-UAV經(jīng)歷干擾的時(shí)間等于T-UAV傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。因此，依據(jù)式(6)計(jì)算干擾時(shí)間：

(6)

式中：ra表示傳輸速率，其定義如式(7)所示：

(7)

式中：B表示帶寬；D表示通信距離；PI和PN分別表示干擾信號(hào)功率和噪聲功率。

然而，若傳輸功率增加，I-UAV的數(shù)量就會(huì)增加，但它縮短了干擾時(shí)間ta。換言之，若減弱傳輸功率，盡管減少了干擾UAV數(shù)，但延長(zhǎng)了干擾時(shí)間。因此，需在I-UAV的數(shù)量和干擾時(shí)間進(jìn)行平衡。

因此，將式(2)代入式(3)可得：在T-UAV傳輸數(shù)據(jù)階段，干擾區(qū)域內(nèi)的I-UAV盤旋飛行時(shí)所消耗的能量為：

(8)

TOEE算法旨在通過(guò)優(yōu)化傳輸功率，保證完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，提高I-UAVs的能效。

2.3 R-UAV位置的優(yōu)化

除了控制傳輸功率外，TOEE算法通過(guò)優(yōu)化R-UAV位置提高I-UAV的能效：

(9)

式中：Etotal表示消耗總體能量。

Etotal=EOR+ERG

(10)

式中：EOR表示CD-UAV作為T-UAV時(shí)對(duì)鄰近區(qū)域內(nèi)的UAV造成干擾的UAV盤旋飛行時(shí)所消耗的能量，即I-UAV所消耗的能量；ERG表示R-UAV作為T-UAV時(shí)對(duì)鄰近區(qū)域內(nèi)的UAV造成干擾的UAV盤旋飛行時(shí)所消耗的能量[13]。由于R-UAV位于 CD-UAV與節(jié)點(diǎn)之間，它們間的距離滿足：

DRG=DOG-DOR

(11)

因此，依據(jù)式(2)，由CD-UAV造成的I-UAV所消耗的能量EOR為：

EOR=(ρ1A1+1)Phovta1

(12)

式中：ρ1表示I-UAV的分布密度；A1和ta1表示在信道1的干擾區(qū)域和干擾時(shí)間，它們的定義分別如式(13)和式(14)所示。

(13)

(14)

式中Pt,OR表示CD-UAV傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)射功率。

類似的，依據(jù)式(2)，由R-UAV造成I-UAV的盤旋飛行時(shí)所消耗的能量ERA為：

ERA=(ρ2A2+1)Phovta2

(15)

式中：ρ2表示I-UAV的分布密度；A2和ta2表示在信道2的干擾區(qū)域和干擾時(shí)間，它們的定義分別為：

(16)

(17)

式中Pt,RG表示R-UAV傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的功率。

對(duì)于每一個(gè)距離DOR，通過(guò)合理選擇Pt,OR和Pt,RG可以使總能耗Etotal最小。

3 性能仿真

3.1 仿真環(huán)境

在Windows 7操作系統(tǒng)、core i7 CPU的PC上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。利用MATLAB軟件建立仿真平臺(tái)。考慮如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)模型。UAV在2.4 GHz帶寬上通信，依據(jù)通用的通信標(biāo)準(zhǔn)。帶寬設(shè)置為20 MHz，具體仿真參數(shù)如表1所示。表1中設(shè)定了CD-UAV的分布密度和傳輸功率的取值范圍。

表1 仿真參數(shù)

此外，為了體現(xiàn)傳輸功率的調(diào)整和R-UAV位置優(yōu)化對(duì)能效的影響，考慮4種情況：

1)對(duì)傳輸功率和R-UAV位置兩者均進(jìn)行調(diào)整，標(biāo)記為TP+PU。

2)僅對(duì)傳輸功率進(jìn)行調(diào)整，標(biāo)記為OTP。

3)僅對(duì)R-UAV位置進(jìn)行優(yōu)化，標(biāo)記為OPU。

4)既不對(duì)傳輸功率，也不對(duì)R-UAV位置進(jìn)行調(diào)整，標(biāo)記為U-TP-PU。

令ρCD表示由CD-UAV形成的干擾區(qū)域內(nèi)I-UAV的分布密度；ρRG表示由R-UAV形成的干擾區(qū)域內(nèi)I-UAV的分布密度，如圖3所示。

圖3 ρCD和ρRG的示意圖

在仿真中考慮3類場(chǎng)景：1)ρCD>ρRG；2)ρCD=ρRG;3)ρCD<ρRG。這3個(gè)場(chǎng)景下ρCD和ρRG的具體參數(shù)如表2所示。

表2 3個(gè)場(chǎng)景參數(shù)

3.2 能效

圖4給出場(chǎng)景一I-UAV的盤飛能效隨CD-UAV離節(jié)點(diǎn)間平均距離的變化情況。從圖4可知，盤飛能效隨平均距離的增加而下降。原因在于：CD-UAV與陸地節(jié)點(diǎn)間距離的下降，壓縮了調(diào)整R-UAV傳輸功率和優(yōu)化R-UAV位置的空間。

圖4 I-UAV的盤飛能效(場(chǎng)景一)

此外，相比于U-TP-PU，OPU和OTP，TP+PU策略的能效隨平均距離增加而下降速度更快。但是TP+PU策略的能效最高，這也說(shuō)明，通過(guò)傳輸功率調(diào)整和R-UAV位置的優(yōu)化，可以有效提高I-UAV的盤飛能效。

圖5給出場(chǎng)景二能效隨CD-UAV離節(jié)點(diǎn)間平均距離的變化情況。對(duì)比圖4和圖5不難發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景二的能效總體上高于場(chǎng)景一的能效。原因在于：在場(chǎng)景二，ρCD與ρRG相等，并且場(chǎng)景二中ρCD小于場(chǎng)景一中的ρCD。ρCD越小，干擾越小，傳輸功率就越小，越有利于能效的提升。

圖5 I-UAV的盤飛能效(場(chǎng)景二)

最后，圖6給出場(chǎng)景三的能效。對(duì)比圖6和圖5可以看出，圖6的能效遠(yuǎn)大于圖5。原因在于：場(chǎng)景三中ρCD比場(chǎng)景二的ρCD小，并且ρRG高于ρCD。

圖6 I-UAV的盤飛能效(場(chǎng)景三)

上述數(shù)據(jù)表明，當(dāng)ρCD較小，受干擾UAV的數(shù)量越少，I-UAV的能效得到提高。平均距離的增加不利于能效的提高。最初，平均距離的增加使I-UAV的能效快速下降，但當(dāng)增加至130 m后，下降的速度變緩慢。

4 總結(jié)

面向UAV協(xié)助傳輸視頻數(shù)據(jù)場(chǎng)景，提出基于功率控制和位置優(yōu)化的I-UAV盤飛能效TOEE算法。TOEE算法通過(guò)控制傳輸功率和優(yōu)化R-UAV位置兩個(gè)手段提高I-UAV的盤飛能效。仿真數(shù)據(jù)表明，這兩個(gè)手段均可以提高能效。但控制UAV傳輸功率提升能效更為顯著。后期，將考慮大型的UAV網(wǎng)絡(luò)，對(duì)多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組網(wǎng)進(jìn)行研究。