基于加權(quán)處理的無人機群數(shù)傳性能綜合評價方法

關(guān)鍵詞：無人機群；數(shù)傳方案；性能評估；加權(quán)處理

中圖分類號：ＴＮ９２９．５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３４

０引言

無人機（ｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）作為一種空中作戰(zhàn)平臺，在軍用與民用領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用［１］，如交通監(jiān)控、森林防火、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等，其中偵察與監(jiān)視是ＵＡＶ 的重要應(yīng)用之一。多架ＵＡＶ 組成集群能夠顯著提高ＵＡＶ的偵察效率，是偵察型ＵＡＶ 的主要作業(yè)形式［２］。隨著新型傳感器的應(yīng)用，偵察型ＵＡＶ 獲取的戰(zhàn)場情報信息類型多樣且數(shù)據(jù)量急劇增加，而由于情報信息的類型不同，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫?cè)重點有所差異。如何將具有不同傳輸需求的ＵＡＶ 偵察數(shù)據(jù)快速、可靠且安全地回傳至指揮中心是偵察型ＵＡＶ 群的主要任務(wù)之一。

偵察型ＵＡＶ 群攜帶的有效載荷一般包括測量和特征情報［３］、圖像情報［４］、信號情報［５］等，不同類型信號的傳輸需求不同。對于測量和特征情報等重要情報信息而言，探測和目標(biāo)識別能力的提升主要依賴于特征情報信息的準(zhǔn)確性，因此對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨蟾撸郏叮?。對于圖像情報等常規(guī)偵察信息而言，其海量多媒體數(shù)據(jù)回傳依賴于更高的傳輸速率，因此對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行砸蟾撸郏罚?。對于信號情報等易受到干擾的情報信息而言，解決信號情報傳輸問題的關(guān)鍵在于降低信號在電磁干擾下的脆弱性，因此對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_需求更高［８］。由此可見，偵察型ＵＡＶ 在執(zhí)行任務(wù)的過程中獲取的情報信息類型不同，不同類型信息須采用不同體制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此其傳輸需求與側(cè)重性指標(biāo)存在差異。

為了設(shè)計和選擇適合不同類型信息的最佳傳輸體制，選擇ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸傳技術(shù)的評價方法是設(shè)計和分析數(shù)據(jù)傳輸性能的必要手段，優(yōu)秀的評價方法應(yīng)具有客觀性、準(zhǔn)確性、全面性的特點［９］。由于情報信息類型不同，偵察型ＵＡＶ 群的情報信息不僅存在不同的側(cè)重性指標(biāo)，并且在實際應(yīng)用中，由于數(shù)據(jù)傳輸場景的差異，同時需要兼顧其他的性能指標(biāo)。例如，對于測量與情報信息而言，其信息傳輸?shù)膫?cè)重性指標(biāo)為可靠性，但在信道條件較好的情況下，須在保證可靠性的前提下兼顧信息傳輸效率，即側(cè)重可靠性并兼顧有效性。對于其他類型的情報信息，同樣存在側(cè)重性指標(biāo)與兼顧性指標(biāo)。目前，對數(shù)據(jù)傳輸性能的評價方式多為對單一指標(biāo)的評價，缺乏綜合性的評價方法，對于數(shù)據(jù)傳輸體制的評價而言，僅討論某一指標(biāo)的提升不具有全面性和客觀性，并且由于ＵＡＶ 的機載資源有限［１０］，某一指標(biāo)的提升必然對其他指標(biāo)的性能產(chǎn)生影響。為了更加直接且全面地對數(shù)據(jù)傳輸體制進(jìn)行評價并采用適合ＵＡＶ 需求的傳輸方案，綜合性的評價方法至關(guān)重要。

加權(quán)式的線性評價方法目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域成為系統(tǒng)的評價方式。文獻(xiàn)［１１］采用線性加權(quán)評價模型對艦載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性進(jìn)行分析，對覆蓋面積、船載天線阻塞、傳輸延時、傳輸速率、通信容量等指標(biāo)通過加權(quán)計算得出艦船衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性性能。文獻(xiàn)［１２］對采集成功率和登錄次數(shù)通過熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重分配，并在進(jìn)行線性計算后獲得不同區(qū)域的信號強度，通過評估結(jié)果進(jìn)一步完善電網(wǎng)系統(tǒng)終端信號的采集工作。文獻(xiàn)［１３］通過對增益、副瓣點評、波束寬度、波束指標(biāo)等進(jìn)行線性加權(quán)，通過理論分析比較不同環(huán)境下各指標(biāo)的重要程度，分配不同的權(quán)重，以得到此時艦載雷達(dá)的受干擾程度。文獻(xiàn)［１４］采用灰色層次法對通信延遲、抗干擾能力、通信時延等指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行量化，通過加權(quán)評價在一定程度上解決平流層通信指標(biāo)不全的問題，得到更加客觀的有效性性能。文獻(xiàn)［１５］針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效率評價問題，對損失率、功率變化率、頻帶利用率等指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，采用基于反饋的層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，使評價結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性和客觀性。文獻(xiàn)［１６］建立目標(biāo)規(guī)劃模型，得到方案的近似優(yōu)先級權(quán)重，對不同指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化，包括覆蓋、服務(wù)質(zhì)量、適應(yīng)性、中斷性能等方面，根據(jù)評價結(jié)果從有限的備選方案中選擇最佳方案。

綜上所述，線性加權(quán)的評價方式已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、平流層通信、艦載雷達(dá)、電網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)中，并被認(rèn)為是更加客觀的評價方法。而目前ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的現(xiàn)有評價方式更加關(guān)注于單一指標(biāo)的提升，但由于機載資源有限且指標(biāo)之間存在矛盾性，單一討論某項指標(biāo)的提升不足以反映ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制的真實工作狀態(tài)，如何取得各項性能的折中一直是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計的主要考慮之一。根據(jù)不同信息特性及需求分配權(quán)重，將權(quán)重與各項得分相乘并逐項相加得到總分，是一種更加全面和客觀的評價方法。對于通信系統(tǒng)而言，如何取得多項指標(biāo)的折中是多數(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計面臨的重要問題。對于ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案而言，不同類型信息涉及的主要指標(biāo)種類相同，即可靠性、有效性及抗干擾性，但側(cè)重指標(biāo)有所差異，因此加權(quán)式的評價方法能夠擴展至ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌瑘鼍爸?。本文提出的?quán)值分配方案對數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行綜合評價，不僅解決了現(xiàn)有方案僅關(guān)注單一指標(biāo)提升的劣勢，取得更加直觀的綜合得分結(jié)果，并且通過改變權(quán)重的相對大小推廣至不同應(yīng)用場景，豐富ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制的評價方法，為數(shù)據(jù)傳輸體制的優(yōu)化和升級提供有效思路。

１主要指標(biāo)

快速、可靠、安全是ＵＡＶ群數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的主要需求，本文根據(jù)情報信息特性和傳輸需求的不同，通過不同側(cè)重性指標(biāo)的針對性牽引，可靠性主要涉及信道編碼和調(diào)制技術(shù)，有效性主要涉及網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，抗干擾性主要涉及擴頻技術(shù)；圍繞編碼、調(diào)制、擴頻、預(yù)處理等關(guān)鍵模塊，通過對不同模塊進(jìn)行針對性改進(jìn)或模塊間的聯(lián)合設(shè)計，達(dá)到不同情報信息的不同需求；信源產(chǎn)生的比特信息經(jīng)過編碼、調(diào)制、擴頻及網(wǎng)絡(luò)編碼后，發(fā)送至衛(wèi)星中繼，中繼將信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點；目的節(jié)點通過信號檢測、解擴、解調(diào)及譯碼恢復(fù)出比特信息。

本文所提評估方法主要從可靠性、有效性和抗干擾性３個方面來評估ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的性能，并分別采用不同指標(biāo)來反映性能，不同類型情報信息的側(cè)重性指標(biāo)和評價方法如圖１所示，具體指標(biāo)介紹如下。

為將其數(shù)字化，將可靠性、有效性及抗干擾性的權(quán)重分別設(shè)置為０．１、０．１及０．８，通過將各項性能的評估分?jǐn)?shù)與權(quán)重系數(shù)相乘，最終相加得到總得分，評估分?jǐn)?shù)如表５ 所示?？梢钥闯?，對于基于認(rèn)知跳頻的信息傳輸方案，針對典型壓制式干擾的可靠性測定結(jié)果為０．９２，得分為正值，代表相比于參考方案，認(rèn)知跳頻策略的可靠性取得了提升。由于認(rèn)知跳頻策略能夠主動避開干擾，其信息傳輸受到干擾的影響變小，所以可靠性取得了改善。有效性測定結(jié)果為－０．０１，得分為負(fù)值，代表相比于參考方案，基于認(rèn)知跳頻的信息傳輸方案的有效性降低，這是由于干擾檢測以及更新頻率集會占用額外的時隙，導(dǎo)致每時隙攜帶的信息量變小，所以有效性降低。抗干擾性測定結(jié)果為０．３２，得分為正值，代表相比于參考方案，認(rèn)知跳頻策略取得了抗干擾性的提升，由于基于ＣＦＨ 的信息傳輸方案能夠主動檢測并避開干擾，受到干擾的影響變小，抗干擾性取得了提升。如上所述，文獻(xiàn)［２１］中提出的認(rèn)知跳頻方案以犧牲一部分有效性為代價，取得可靠性和抗干擾性的改善，滿足情報信號在復(fù)雜電磁環(huán)境下的信息傳輸主要需求，采用加權(quán)式的評估方式可以使該方案的各項指標(biāo)更加直接和具體。

測量與特征情報、圖像情報以及信號情報的數(shù)據(jù)傳輸體制的參考方案及傳輸方案的性能對比如圖５所示?？梢钥闯觯捎眉訖?quán)式的評估方法能夠更加清晰地對可靠性、有效性及抗干擾性進(jìn)行對比。例如對于圖像情報，可以清晰地看出對于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，傳輸方案的可靠性優(yōu)于參考方案，但有效性略有損失。對于測量及特征情報以及信號情報，同樣可以更加直觀地對各項性能進(jìn)行對比。

從理論上講，對于測量及特征情報而言，基于ＣＣ 協(xié)同ＡＲＱ 的信息傳輸方案犧牲一部分可靠性，主要體現(xiàn)在當(dāng)歸一化信噪比大于９．５ｄＢ時，設(shè)計者主動放棄了取得更低誤碼率的方案，選擇了在誤碼率低于預(yù)設(shè)值下頻譜效率最高的方案，相當(dāng)于以犧牲一部分可靠性換取有效性的提升，與加權(quán)式評價方法所得的結(jié)論一致。對于基于預(yù)消除矩陣的ＣＦＮＣ方案，設(shè)計者增加了信道估計和預(yù)處理模塊，而信道估計和預(yù)處理過程必然造成一定的有效性下降，相當(dāng)于削弱了ＣＦＮＣ占用時隙少的優(yōu)勢，但預(yù)處理過程消除了信道因素的部分影響，提高了可靠性，即以犧牲有效性換取有效性的提升，與加權(quán)式評價方法所得的結(jié)論一致。對于認(rèn)知跳頻方案，設(shè)計者主動增加了對頻譜的認(rèn)知，同樣相當(dāng)于舍棄了時效性，但通過對頻譜的認(rèn)知可以選擇干擾更少的頻點進(jìn)行跳頻，減少了干擾的影響，提升了抗干擾性和可靠性，即以犧牲有效性換取抗干擾性和可靠性的提升，同樣與加權(quán)式的評價方法所得結(jié)論一致。

綜上所述，加權(quán)式的評價方法所得結(jié)論與理論分析結(jié)果一致，足夠驗證加權(quán)式評價方法的正確性，并且能夠通過數(shù)字化的方式更加直觀地呈現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能?？梢钥闯?，加權(quán)式的評價方法不僅能夠?qū)我唬眨粒?的數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行評估，并且可被推廣至ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能的評估，是一種通用性的評價方法。

４結(jié)束語

本文針對ＵＡＶ 不同類型情報信息傳輸需求的不同，提出一種基于加權(quán)處理的ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能評價方法，所提方法從可靠性、有效性、抗干擾性３個方面分析ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的理論性能，是一種評價ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能的通用方法。本文針對３ 種典型信息類型的數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行加權(quán)式評價，包括自適應(yīng)編碼調(diào)制方案、復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼方案以及跳頻方案。在仿真中，對權(quán)重進(jìn)行數(shù)字化處理，驗證所提方案的有效性。所提方法的評價結(jié)果顯示，一項性能的提升必然伴隨著其他性能的犧牲，這歸因于ＵＡＶ 機載資源有限，評估結(jié)果符合ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的客觀情況。

根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果而言，ＵＡＶ 及ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案尚未檢索到加權(quán)式的評價方案，并且在其他系統(tǒng)中，線性加權(quán)的方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，加權(quán)式的評價方式已經(jīng)被證明是一種可行的評價方式。除此之外，本文所提權(quán)值分配方案僅提供了一種權(quán)值分配思路，這對于后續(xù)研究是具有參考借鑒價值的，后續(xù)研究可以通過不同的需求對權(quán)值進(jìn)行更加細(xì)致的分配，建立客觀、全面、通用的ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制評價方法是ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案對比和擇優(yōu)的必要條件。本文所提基于加權(quán)處理的評價方法是一種通用且可移植的評價方式，設(shè)計者可根據(jù)不同需求設(shè)置合理的權(quán)重，而確定的權(quán)重必然能夠得到合理的評價結(jié)果。未來可通過增加更多的評價指標(biāo)，如保密性、經(jīng)濟性、復(fù)雜度等，并通過合理的加權(quán)處理，將該方法拓展到ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€應(yīng)用場景中，形成更為通用的評價體系。

作者簡介

趙明非（１９９４—），男，博士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信與導(dǎo)航、無人機數(shù)據(jù)鏈、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、認(rèn)知跳頻技術(shù)。

薛睿（１９８０—）男，教授，博士，主要研究方向為無線電移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、高性能編碼調(diào)制技術(shù)、迭代譯碼與檢測。