基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集研究

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；優(yōu)化需求

中圖法分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

無(wú)人機(jī)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，如基于無(wú)人機(jī)的通信中繼、航拍、表演等。在部分特殊條件下，地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，便需要采用無(wú)人機(jī)作為收集段的搭載平臺(tái)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在采集過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的完整性、采集效率取決于無(wú)人機(jī)飛行軌跡的優(yōu)化，本文以此為重點(diǎn)對(duì)其優(yōu)化方式進(jìn)行系統(tǒng)探討。

1無(wú)人機(jī)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，針對(duì)無(wú)人機(jī)集體通信網(wǎng)絡(luò)的建立以及數(shù)據(jù)采集體系并不是一個(gè)全新的命題，在實(shí)踐中往往通過(guò)專用接收帶寬予以解決。其主要應(yīng)用現(xiàn)狀以及面臨的客觀挑戰(zhàn)主要如下。

1.1基于通信資源管理的采集體系建設(shè)現(xiàn)狀

在無(wú)人機(jī)的運(yùn)行中，會(huì)有專門(mén)的接收帶寬與具體的接收單元相對(duì)應(yīng)。在實(shí)際操作中，對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行的數(shù)據(jù)收集有一個(gè)具體的時(shí)限，所以它的帶寬和空間的資源有限，而它的存儲(chǔ)能力也有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱能力，這就為統(tǒng)籌規(guī)劃專用帶寬提供了可能。由于網(wǎng)絡(luò)空間的巨大拓展性，以及無(wú)人機(jī)在執(zhí)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中所要面對(duì)的至少數(shù)千個(gè)不同的傳感器規(guī)模，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中存在大量的信息資源，進(jìn)而要求無(wú)人機(jī)的通信模塊與通信效能得到進(jìn)一步的提升。因此，必須進(jìn)一步完善傳感器網(wǎng)絡(luò)與無(wú)人機(jī)所搭載的接收裝置之間的網(wǎng)絡(luò)資源，使其能夠在有效的時(shí)間內(nèi)（無(wú)人機(jī)過(guò)頂時(shí)間）完成相關(guān)作業(yè)。當(dāng)前的解決方案是采用一種高效的媒介存取控制機(jī)制，可以有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各種資源進(jìn)行管理與壓縮，在源頭上降低不同傳感器之間的通信需求，并解決不同傳感器的傳輸矛盾，達(dá)到節(jié)約能源、增加使用壽命、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的根本目的。根據(jù)無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，不同的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)不同類型的感應(yīng)器存在敏感的相關(guān)性，進(jìn)而可以以此作為分類依據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行不同分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一整套有效的分類算法，使得具有較高優(yōu)先權(quán)的傳感器信息能夠被更好的采集，這既能降低和避免信息資源的損失，又能降低和避免在通信線路上發(fā)生的信息包損失。這一思路是當(dāng)前解決無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的核心，也是本文后續(xù)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。

1.2無(wú)人機(jī)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中面臨的挑戰(zhàn)

利用無(wú)人機(jī)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的本質(zhì)是利用無(wú)人機(jī)作為接收源的搭載平臺(tái)，在高空過(guò)頂飛行的過(guò)程中建立與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信連接，并通過(guò)信息存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)回傳等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。從上述過(guò)程來(lái)看，其面臨的挑戰(zhàn)主要有如下2個(gè)方面。

（1）可行性問(wèn)題。即無(wú)人機(jī)過(guò)頂時(shí)間有限，且面對(duì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸要求較高，如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)無(wú)線傳感器信息的收集，并避免遺漏與信息傳輸沖突。由于采用了基于循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)先權(quán)來(lái)進(jìn)行傳感序列的調(diào)度，而沒(méi)有按照各傳感器的通道和數(shù)據(jù)的數(shù)量來(lái)進(jìn)行分布，因此無(wú)法確保其傳送的完整性。在收集任務(wù)時(shí)，它會(huì)在一定距離內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，會(huì)無(wú)視傳感器的信息傳遞，也會(huì)切斷和接收設(shè)備之間的聯(lián)系，這種方式無(wú)法保證在一定距離內(nèi)進(jìn)行信息傳輸。所以，在無(wú)人機(jī)的無(wú)線傳感系統(tǒng)中，還必須設(shè)計(jì)一個(gè)更為嚴(yán)謹(jǐn)、有效的通信信號(hào)來(lái)源的控制策略，從而建立起一座由無(wú)人機(jī)和感測(cè)器組成的信息傳遞的橋梁。

（2）效能問(wèn)題。在進(jìn)行單一的資源調(diào)度時(shí)，均勻地運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致資源的消耗?，F(xiàn)有的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)的移動(dòng)方式可以達(dá)到節(jié)約能源的目的，但由于當(dāng)前的解決方案存在著傳感器數(shù)目和數(shù)據(jù)傳送的局限性，而且在傳感器數(shù)目和空間密度大的條件下，其數(shù)據(jù)的獲取并不令人滿意。結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)獲得其歷史資料的方式在一定程度上進(jìn)行解決，并通過(guò)對(duì)所收集到的傳感器采用數(shù)量預(yù)報(bào)的方式進(jìn)行提前的路徑規(guī)劃。但是，此方式僅能夠解決固定傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集問(wèn)題，對(duì)于突發(fā)事件（如傳感器網(wǎng)絡(luò)的意外掉網(wǎng)）缺少有效的解決手段。

2無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)化需求結(jié)合當(dāng)前技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及在無(wú)人機(jī)參與無(wú)線傳輸傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集中可能面對(duì)的挑戰(zhàn)，在實(shí)際的路徑優(yōu)化上需要解決如下幾方面問(wèn)題，也是無(wú)人機(jī)通信規(guī)劃中優(yōu)化的基本原則與方向。

2.1能耗平衡問(wèn)題

由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)本身能量消耗在整個(gè)系統(tǒng)中的占比相對(duì)較高，雖然主管部門(mén)加大了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理力度，但若網(wǎng)絡(luò)能量消耗存在不平衡的情況，依然會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸頻率不穩(wěn)定。尤其是在一個(gè)分布的集群中，由于簇頭需要更多的能源，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)自身必須兼顧負(fù)荷平衡。只有當(dāng)其實(shí)現(xiàn)了負(fù)載平衡，無(wú)人機(jī)的通信節(jié)點(diǎn)與距離才能夠被控制在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，并基于有效的距離覆蓋對(duì)其路徑與覆蓋方式、傳輸方式進(jìn)行研判和優(yōu)化。

2.2能耗節(jié)約問(wèn)題

能耗的高低決定了無(wú)人機(jī)的空置時(shí)間，也決定了無(wú)人機(jī)在單次飛行過(guò)程中能夠覆蓋的收集面積。因此，在保障數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，需要盡可能地對(duì)能耗進(jìn)行有效的管控，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源的目的。節(jié)省能量在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資料收集方面具有積極意義。雖然lC與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在降低能量損耗方面具有一定的突破，但是其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的存儲(chǔ)容量總是有限制的，進(jìn)而在進(jìn)行內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)資料的處理與傳送時(shí)，會(huì)造成能量損耗，這一過(guò)程無(wú)法得到有效避免。由于網(wǎng)絡(luò)中的能源并不是可回收的能源，也并非需要無(wú)人機(jī)的參與，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間的總能源消耗都會(huì)對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的活躍生命周期產(chǎn)生很大影響。因此，可以考慮將節(jié)點(diǎn)之間的傳輸在傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行規(guī)劃，以達(dá)到消減無(wú)人機(jī)能耗的根本目的。

2.3交互數(shù)據(jù)收集問(wèn)題

無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感器矩陣之間的信息交互可以簡(jiǎn)單看作是“三射三反”的過(guò)程。首先，無(wú)人機(jī)的接受平臺(tái)會(huì)進(jìn)入通信范圍內(nèi)向傳感器網(wǎng)絡(luò)提請(qǐng)連接申請(qǐng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)申請(qǐng)后會(huì)建立二者之間的聯(lián)系通路。通路建設(shè)完畢后，傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)在檢測(cè)傳輸路徑穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，無(wú)人機(jī)的采集設(shè)備同時(shí)做好數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。當(dāng)傳輸完畢后，無(wú)人機(jī)返回接收指令并對(duì)數(shù)據(jù)包的完整性進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證后對(duì)傳輸路徑實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)操作。在某些情況下，僅限于某個(gè)地區(qū)某個(gè)固定的傳感器收集到的數(shù)據(jù)，并非集中在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。因此，數(shù)據(jù)接收端不需要在同一時(shí)間啟動(dòng)各個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)入一種有效的睡眠模式，節(jié)省接收平臺(tái)的能量消耗。通常這種睡眠機(jī)理的設(shè)計(jì)控制有路徑控制和網(wǎng)絡(luò)控制2個(gè)層次，其中路徑控制僅作用于接收端，而網(wǎng)絡(luò)控制則需要與傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)生二次的數(shù)據(jù)交互。

3能耗與傳輸速率下無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集策略優(yōu)化

從上文不難發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集在路徑規(guī)劃以及傳感器自身的節(jié)點(diǎn)傳輸模式下可以實(shí)現(xiàn)能耗與傳輸速率2個(gè)維度上的有效優(yōu)化。具體包括對(duì)傳輸節(jié)點(diǎn)以及對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)行軌跡優(yōu)化2個(gè)方面。

3.1對(duì)傳輸節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化

傳輸節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的核心目的是通過(guò)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信，進(jìn)而在一定范圍內(nèi)通過(guò)地面的固定傳輸將不同節(jié)點(diǎn)之間的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效匯總，再通過(guò)固定節(jié)點(diǎn)與無(wú)人機(jī)上的數(shù)據(jù)采集端建立通信網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到降低無(wú)人機(jī)負(fù)載與能耗的目的（圖1）。

3.2對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡的優(yōu)化

無(wú)人機(jī)軌跡包括能耗參數(shù)與速度參數(shù)2種，二者共同決定了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集端的覆蓋面積與通信時(shí)長(zhǎng)。因此，在具體的優(yōu)化過(guò)程中也需要通過(guò)上述2個(gè)過(guò)程來(lái)予以實(shí)現(xiàn)。

在軌跡方面，根據(jù)對(duì)圖1中無(wú)人機(jī)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的分析可以看出，該系統(tǒng)是一種能夠在運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的軌跡上，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和收集的有效鏈接方式。為了更好地收集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，無(wú)人駕駛的飛行器配備了足夠的電力和儲(chǔ)存能力。對(duì)其路徑模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以認(rèn)為在通道的兩邊有N個(gè)均勻的傳感器（這一過(guò)程由傳輸節(jié)點(diǎn)優(yōu)化完成），這些傳感器大部分都處于睡眠中，以減少能量消耗。在無(wú)人機(jī)的航行中，通常會(huì)受到道路、地形等影響，需要通過(guò)隨時(shí)調(diào)整飛行高度和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)建立。對(duì)L線路兩邊的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并對(duì)該飛行器的飛行軌跡進(jìn)行假定驗(yàn)證，其中驗(yàn)證的理論總行程設(shè)置為L(zhǎng)。另外，H表示為防止發(fā)生沖突而設(shè)置的最小的飛機(jī)高度參數(shù)。二者之間符合的模型公式的相關(guān)關(guān)系為：

當(dāng)無(wú)人機(jī)在空中運(yùn)行時(shí)，它的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集時(shí)間是M。通過(guò)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以大幅提高采集的效率和精度，節(jié)省大量的能耗和時(shí)間，為整個(gè)該系統(tǒng)的總體能耗降低帶來(lái)巨大貢獻(xiàn)。基于此，無(wú)人機(jī)的3D軌道則是在不受城市建筑干擾的情況下，根據(jù)自身的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的自適應(yīng)，達(dá)到減少通信鏈路重連次數(shù)，以及減少能源消耗的根本目的。除此之外，無(wú)人機(jī)還能通過(guò)對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的線路進(jìn)行解析，并依據(jù)傳感器的定位，做出科學(xué)、合理的軌道計(jì)劃。在式（1）模型下，將無(wú)人機(jī)通過(guò)單位節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的變量t以及傳感器到無(wú)人機(jī)之間的信號(hào)損耗自由度n之間的變量關(guān)系可以描述為式2。對(duì)式2的最小值進(jìn)行求解可以實(shí)現(xiàn)在固定飛行最低高度情況下的無(wú)人機(jī)路徑的最優(yōu)解。

在速度方面，無(wú)人機(jī)的飛行速度決定了數(shù)據(jù)采集端與傳輸節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)絡(luò)的最長(zhǎng)時(shí)間，因此在固定的路徑需要對(duì)無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的思路遵循2個(gè)原則，其一，在建立通信網(wǎng)絡(luò)后以數(shù)據(jù)傳輸完整性作為時(shí)間的控制要素；其二，在未建立數(shù)據(jù)連接時(shí)，則以無(wú)人機(jī)的最小能耗作為飛行數(shù)據(jù)的依據(jù)。以單傳感器為例，當(dāng)無(wú)人機(jī)處于數(shù)據(jù)傳輸間隔且間隔固定，速度與能耗模型可以整合為：

對(duì)式（3）進(jìn)行求解后，可以分別得出dn與tm之間的相關(guān)關(guān)系，將其擬合為無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的x與y軸坐標(biāo)，考慮傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸效能，無(wú)人機(jī)在建立數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)后的速度為：

其中，V表示網(wǎng)絡(luò)建立內(nèi)的最優(yōu)速度，x表示數(shù)據(jù)傳輸所需要的最大距離空間，R代表數(shù)據(jù)接收裝置的網(wǎng)絡(luò)連接有效半徑。在實(shí)踐中，根據(jù)不同設(shè)備參數(shù)將相關(guān)數(shù)值帶人其中便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)速度的求解，與式3中確定的模型相結(jié)合可以求解無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)收集全過(guò)程中不同節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)速度，以10%進(jìn)行速度降低可以保障數(shù)據(jù)傳輸具有一定的冗余，并在路徑與速度規(guī)劃上實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)化控制。

4結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，并找到其中的難點(diǎn)與可能面對(duì)的挑戰(zhàn)；其次，從采集效率的角度分析，針對(duì)無(wú)人機(jī)的優(yōu)化需要將能耗降到最低，進(jìn)而保障其置空時(shí)間，以及保障其傳輸效率最高進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；最后，分別從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化、無(wú)人機(jī)軌跡及速度優(yōu)化3個(gè)方面給出了優(yōu)化模型。在后續(xù)的應(yīng)用中帶入相關(guān)設(shè)備參數(shù)便可以對(duì)無(wú)人機(jī)的具體飛行路徑進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)提升數(shù)據(jù)采集效能的目的。

作者簡(jiǎn)介：

孔強(qiáng)（1974—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程。