無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配

李 菱,鹿可可,歐發(fā)斌,李宇程,紀(jì)碩磊

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530000)

0 引言

目前,無人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)智能化發(fā)展[1-2],為我國低空空域改革、發(fā)展低空數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供了新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用市場(chǎng)。無人機(jī)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合應(yīng)用[3-4],可為多種產(chǎn)業(yè)提供新的商業(yè)契機(jī)[5-7]。無人機(jī)輔助的無線通信技術(shù),能夠?yàn)椴淮嬖诨A(chǔ)設(shè)施覆蓋的地區(qū)提供通信,實(shí)現(xiàn)地形條件較差地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)連接功能。和衛(wèi)星通信相比,無人機(jī)輔助的無線通信技術(shù)布署難度小、應(yīng)用成本低,在突發(fā)事件或工期有限的任務(wù)中優(yōu)勢(shì)明顯[8]。

在此類協(xié)同通信模式下,如何自適應(yīng)協(xié)同分配通信網(wǎng)絡(luò)資源,是目前通信領(lǐng)域的主要研究課題。唐楓等[9]提出自適應(yīng)知識(shí)遷移與資源分配的方式,但是未考慮到動(dòng)態(tài)因素的存在,具體是否適用還需深入測(cè)試。郎磊等[10]針對(duì)無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò),提出了結(jié)合用戶分布狀態(tài)優(yōu)化無人機(jī)運(yùn)行軌跡的策略,以實(shí)現(xiàn)無線資源合理分配。該策略在求解無線資源最優(yōu)分配方案時(shí),僅可獲取近似次優(yōu)解。

結(jié)合上述研究,本文提出無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配技術(shù)。此技術(shù)能夠以自適應(yīng)協(xié)同分配無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)資源為目標(biāo),控制無人機(jī)運(yùn)行軌跡,從而自適應(yīng)協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋面。

1 無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配

1.1 無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為無線通信的基礎(chǔ)架構(gòu),可以利用現(xiàn)有的基站設(shè)施和通信信道資源,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)管理和優(yōu)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的自適應(yīng)分配和協(xié)同工作。通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站布局,可以對(duì)頻譜資源、天線系統(tǒng)和傳輸鏈路進(jìn)行有效規(guī)劃和分配。這在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí),使整體通信網(wǎng)絡(luò)更具可靠性和可操作性,以滿足實(shí)時(shí)的通信需求。但傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法靈活滿足不同地區(qū)和時(shí)間段的無線通信需求變化,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上存在一定限制,導(dǎo)致部分地區(qū)的無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和容量受限,形成了數(shù)字鴻溝。

為了提升蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍和容量,并且在需求變化較大的區(qū)域提供即時(shí)的臨時(shí)通信覆蓋、保障無線通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性,本文以單無人機(jī)輔助多蜂窩小區(qū)為例,在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入可自由移動(dòng)的無人機(jī)節(jié)點(diǎn),靈活地調(diào)整位置和服務(wù)區(qū)域,通過無線中繼和數(shù)據(jù)傳輸來增強(qiáng)蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍和容量,構(gòu)建無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型。該模型為無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配奠定重要基礎(chǔ)。無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型

由圖1可知,無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)主要為1個(gè)無人機(jī)、2個(gè)無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋小區(qū)。無人機(jī)主要用于輔助地面基站的蜂窩網(wǎng)絡(luò),以下行鏈路通信服務(wù)的方式[11-12]為2個(gè)小區(qū)的邊緣用戶提供無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于協(xié)同通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無人機(jī)能夠以空中中繼節(jié)點(diǎn)的方式輔助無線通信網(wǎng)絡(luò),從而為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

本文設(shè)置2個(gè)小區(qū)的覆蓋半徑為rFi,i∈{1,2}。地面基站依次設(shè)置在小區(qū)的中心點(diǎn)。因地面基站的覆蓋范圍有限,處于覆蓋邊緣用戶的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)會(huì)受基站距離影響,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源傳輸速率降低。所以,無人機(jī)主要在2個(gè)小區(qū)的邊緣位置運(yùn)行。此情境下,本文在分析無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配問題時(shí),主要分析無人機(jī)與用戶之間的下行通信鏈路中的網(wǎng)絡(luò)資源分配問題。

本文設(shè)置:用戶密度為αFi,i∈{1,2};第j個(gè)用戶的二維水平位置為vj={xj,yj},j∈{1,2};無人機(jī)的飛行周期為T;飛行高度為G。循環(huán)飛行時(shí),無人機(jī)飛行速度最大值、天線的信號(hào)發(fā)射角分別為Umax、β。

(1)

式中:rw為無人機(jī)在運(yùn)行時(shí)覆蓋的地面區(qū)域半徑,m。

無人機(jī)飛行周期T可看作1個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)周期。T能夠分解成n個(gè)大小一致的時(shí)隙。本文將無人機(jī)在某時(shí)隙n的位置p[n]設(shè)成二維平面坐標(biāo),則p[n]={x[n],y[n]}。此時(shí),無人機(jī)的軌跡變化為:

(2)

式中:p[n+1]為無人機(jī)在時(shí)隙(n+1)的位置,m。

由于2個(gè)小區(qū)之間存在較顯著的距離,所以2個(gè)地面基站之間的影響可忽略不計(jì)。為了防止無人機(jī)與地面基站存在干擾信息,本文把頻帶區(qū)間分解成2個(gè)。無人機(jī)與地面基站各自使用各自的頻帶。本文設(shè)置頻帶區(qū)間為A;無人機(jī)可用帶寬與地面基站的可用帶寬分別為A′、1-A′。針對(duì)各時(shí)隙而言,無人機(jī)能夠以正交頻分復(fù)用的方式,服務(wù)于半徑rw中的用戶。服務(wù)過程中,帶寬會(huì)被均分。各用戶的頻帶相同。

無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)屬于1種協(xié)同通信模式。無人機(jī)可被看作中繼節(jié)點(diǎn)。處于小區(qū)邊緣位置的用戶在請(qǐng)求應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)資源時(shí),作為中繼節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)會(huì)將在地面基站中提取的初級(jí)資源傳輸至用戶端。如圖1所示,1個(gè)無人機(jī)表示1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸速率為ρm,則用戶端的吞吐量為:

(3)

式中:m為中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目,m∈M,個(gè)。

本文無人機(jī)數(shù)量是1個(gè)。本文結(jié)合ρm的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,確認(rèn)無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型的中繼節(jié)點(diǎn)在整體網(wǎng)絡(luò)框架中的空間位置,從而明確無人機(jī)與地面基站的交換關(guān)系。通過正交頻分復(fù)用的方式,在A′與1-A′的限制下服務(wù)于半徑rw中的用戶,從而將在地面基站中提取的初級(jí)資源傳輸至服務(wù)范圍內(nèi)的用戶端,完成無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)資源最大化分配方法

自適應(yīng)協(xié)同分配問題指在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下,以自適應(yīng)協(xié)同分配網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸速率、無人機(jī)運(yùn)行軌跡為宗旨,實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)資源Ω的最大化分配。本文結(jié)合無人機(jī)輔助無線通信網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)中ρm的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,設(shè)置自適應(yīng)協(xié)同分配的目標(biāo)函數(shù)為:

(4)

式中:δh+1為第(h+1)簇信息的約束內(nèi)容;H為信息h的總量,G;W(0)為無人機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn);W(t)為停止運(yùn)行點(diǎn),由于無人機(jī)運(yùn)行軌跡最后是閉合的,W(0)=W(t);Umax為無人機(jī)運(yùn)行速度最大值;μ為地面基站和無人機(jī)之間的頻譜分解系數(shù),0≤μ≤1。

目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建完成后,本文對(duì)時(shí)隙傳輸時(shí)間、中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸速率以及無人機(jī)運(yùn)行速度設(shè)置相關(guān)約束條件。具體約束為:

(5)

式中:tmax為時(shí)隙傳輸時(shí)間最大值。

ρm-max≥ρm≥ρm-min

(6)

式中:ρm-max為ρm的最大值;ρm-min為最小值。

x′[t]+y′[t]

(7)

式中:x′[t]、y′[t]分別為t時(shí)間段約束下的位置和速度約束一維導(dǎo)數(shù)。

1.3 自適應(yīng)協(xié)同分配方案求解

傳統(tǒng)的果蠅算法在尋優(yōu)問題中,先尋找目前迭代進(jìn)程的最佳個(gè)體,再更新群體位置。尋找到的最佳個(gè)體位置即全部果蠅的飛行目的地。此類尋優(yōu)模式下,種群擁擠度顯著、多樣性受損、可行域變小。如果此個(gè)體并不屬于整體最優(yōu)解,便會(huì)出現(xiàn)局部最優(yōu)問題。所以,本文引入排斥、吸引方法以改進(jìn)果蠅算法。果蠅算法尋優(yōu)主要獲取的是最優(yōu)果蠅種群。此種群代表無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸速率、無人機(jī)運(yùn)行軌跡可行域。本文主要結(jié)合氣味濃度的方差,分析可行域中果蠅是需要排斥還是需要吸引,以自適應(yīng)更新種群位置、保證種群多樣化,從而避免出現(xiàn)局部最優(yōu)問題。

改進(jìn)后果蠅算法在求解資源自適應(yīng)協(xié)同分配時(shí)的步驟如下。

①假設(shè)種群規(guī)模(無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸速率、無人機(jī)運(yùn)行軌跡可行域)與迭代次數(shù)最大值依次是Npop、σmax;基于可行域之內(nèi),初始化設(shè)置果蠅群體位置分別是xba、yba。果蠅個(gè)體即無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸速率、無人機(jī)運(yùn)行軌跡可行解。

②將果蠅坐標(biāo)通過式(8)執(zhí)行初始化,并使用式(9)、式(10)運(yùn)算果蠅個(gè)體的氣味濃度閾值以及氣味濃度。

(8)

式中:xj、yj依次為第j個(gè)果蠅個(gè)體的橫、縱坐標(biāo);Es為尋優(yōu)距離值。

(9)

式中:Eist,j為果蠅個(gè)體和原點(diǎn)位置的差值;oj為氣味濃度閾值。

osmell,j=f(oj)

(10)

式中:f(oj)為氣味濃度函數(shù);osmell,j為果蠅個(gè)體目前氣味濃度。

③提取最優(yōu)、最差味道濃度與坐標(biāo)信息。

(11)

(12)

(13)

⑤設(shè)置方差閾值為Ψ。如果θ2≤Ψ,那么需要啟動(dòng)排斥模式。如果Ψ<θ2,那么需要執(zhí)行吸引處理。使用式(14)更新自適應(yīng)協(xié)同分配可行域坐標(biāo),迭代尋優(yōu)直到迭代次數(shù)為最大值,或Ψ<θ2方可停止。

(14)

本文使用式(15)更新自適應(yīng)協(xié)同分配可行域坐標(biāo),輸出最優(yōu)自適應(yīng)協(xié)同分配可行域中資源的最優(yōu)傳輸速率、最優(yōu)無人機(jī)運(yùn)行軌跡的分配解。

(15)

2 試驗(yàn)分析

為分析本文技術(shù)的應(yīng)用效果,試驗(yàn)中的無人機(jī)發(fā)射功率最大值為45 dBm、基站的電路功耗功率為15 V、tmax=1.5 s。用戶最小速率需求依次是3 bit/s、6 bit/s、9 bit/s。本文技術(shù)將傳輸速率設(shè)成10 bit/s。不同用戶密度工況下無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)分配結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同用戶密度工況下無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)分配結(jié)果

圖2中:x為無人機(jī)與地面基站或蜂窩小區(qū)之間的水平距離;y為無人機(jī)相對(duì)于地面基站或蜂窩小區(qū)的高度差。x既可以作為無人機(jī)與地面基站之間的通信距離,也可以作為無人機(jī)與用戶之間的傳輸距離。由圖2可知,不同工況中,無人機(jī)輔助無線通信時(shí)能夠結(jié)合用戶分布狀態(tài)飛行,以全面輔助用戶使用無線通信網(wǎng)絡(luò)資源。其優(yōu)化無人機(jī)輔助通信資源,以保證邊緣位置用戶的傳輸速率不會(huì)因地面基站覆蓋范圍的約束而變差。

無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)能量效率為網(wǎng)絡(luò)可達(dá)吞吐量總值和消耗總能量之比。此效率越高,表示無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)資源利用效率越高。

本文技術(shù)應(yīng)用前后的網(wǎng)絡(luò)資源平均能量效率對(duì)比如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)資源平均能量效率對(duì)比

由圖3可知,在本文技術(shù)應(yīng)用前,通信平均能量效率與用戶數(shù)量負(fù)相關(guān)。當(dāng)用戶數(shù)量增加時(shí),平均能量效率逐漸降低。在用戶數(shù)量為5時(shí),平均能量效率達(dá)到最高值0.82。在用戶數(shù)量為30時(shí),平均能量效率達(dá)到最低值0.68。而本文技術(shù)應(yīng)用后,無人機(jī)輔助通信的平均能量資源效率,均伴隨用戶數(shù)量的增多而變大,平均能量效率最大值高達(dá)0.98。其原因是無人機(jī)能夠結(jié)合用戶數(shù)目、用戶位置分布信息,全面充分發(fā)揮自身吸收的網(wǎng)絡(luò)資源,保證網(wǎng)絡(luò)資源被合理利用,從而為用戶提供其所需的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在本文技術(shù)的分配下,無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源的平均能量效率明顯優(yōu)于使用前。

用戶最小速率需求標(biāo)準(zhǔn)依次是3 bit/s、6 bit/s、9 bit/s時(shí),本文技術(shù)分配下,無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)的最小速率變化如表1所示。

表1 最小速率變化

由表1可知,在無人機(jī)運(yùn)行周期內(nèi),在本文技術(shù)分配下,無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)時(shí),資源傳輸最小速率均滿足用戶需求,從而確保用戶可正常應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)。

本文技術(shù)拓展性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 拓展性測(cè)試結(jié)果

由圖4可知,本文技術(shù)中,改進(jìn)果蠅算法在迭代次數(shù)是6次時(shí),便可收斂到納什均衡點(diǎn),無線通信任務(wù)時(shí)延便可控制為最小值1.5 s。這說明迭代6次便可獲取網(wǎng)絡(luò)資源最佳分配結(jié)果。當(dāng)無人機(jī)數(shù)量、用戶數(shù)量都變多時(shí),算法收斂時(shí)間出現(xiàn)線性增多狀態(tài),但收斂時(shí)間在1 s之內(nèi)。由此證明,本文技術(shù)在求解無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配問題時(shí)具有可用價(jià)值。

3 結(jié)論

無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源是目前通信領(lǐng)域的核心資源。目前,在軍事、災(zāi)區(qū)救援與管理等地理位置較為偏僻的地點(diǎn),主要以此類無線通信網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用核心。但是,在無人機(jī)輔助地面通信的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,無人機(jī)和地面用戶均存在動(dòng)態(tài)性。如何在此條件下自適應(yīng)協(xié)同分配網(wǎng)絡(luò)資源,是目前無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配問題的重點(diǎn)。本文提出了無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)協(xié)同分配技術(shù),通過分析無人機(jī)與用戶之間下行通信鏈路中的網(wǎng)絡(luò)資源分配問題,自適應(yīng)協(xié)同分配網(wǎng)絡(luò)資源的傳輸速率、無人機(jī)運(yùn)行軌跡。試驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用本文技術(shù)后,無人機(jī)輔助通信的平均能量資源效率伴隨用戶數(shù)量的增多而變大,不會(huì)受用戶數(shù)量的影響。在無人機(jī)運(yùn)行周期內(nèi),在本文技術(shù)分配下,無人機(jī)輔助的無線通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)時(shí),用戶最小速率均滿足用戶需求。用戶可正常應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)。