無人機輔助無線通信網絡資源自適應協同分配

李 菱,鹿可可,歐發斌,李宇程,紀碩磊

(廣西電網有限責任公司,廣西 南寧 530000)

0 引言

目前,無人機的聯網智能化發展[1-2],為我國低空空域改革、發展低空數字經濟提供了新的網絡應用市場。無人機和移動網絡的聯合應用[3-4],可為多種產業提供新的商業契機[5-7]。無人機輔助的無線通信技術,能夠為不存在基礎設施覆蓋的地區提供通信,實現地形條件較差地區的無線網絡連接功能。和衛星通信相比,無人機輔助的無線通信技術布署難度小、應用成本低,在突發事件或工期有限的任務中優勢明顯[8]。

在此類協同通信模式下,如何自適應協同分配通信網絡資源,是目前通信領域的主要研究課題。唐楓等[9]提出自適應知識遷移與資源分配的方式,但是未考慮到動態因素的存在,具體是否適用還需深入測試。郎磊等[10]針對無人機輔助通信網絡,提出了結合用戶分布狀態優化無人機運行軌跡的策略,以實現無線資源合理分配。該策略在求解無線資源最優分配方案時,僅可獲取近似次優解。

結合上述研究,本文提出無人機輔助的無線通信網絡資源自適應協同分配技術。此技術能夠以自適應協同分配無人機輔助通信網絡資源為目標,控制無人機運行軌跡,從而自適應協同控制網絡覆蓋面。

1 無線通信網絡資源自適應協同分配

1.1 無人機輔助無線通信網絡模型構建

蜂窩網絡作為無線通信的基礎架構,可以利用現有的基站設施和通信信道資源,結合網絡管理和優化技術,實現對網絡資源的自適應分配和協同工作。通過蜂窩網絡中的基站布局,可以對頻譜資源、天線系統和傳輸鏈路進行有效規劃和分配。這在提高網絡覆蓋范圍的同時,使整體通信網絡更具可靠性和可操作性,以滿足實時的通信需求。但傳統的蜂窩網絡無法靈活滿足不同地區和時間段的無線通信需求變化,在網絡規劃上存在一定限制,導致部分地區的無線通信網絡覆蓋范圍和容量受限,形成了數字鴻溝。

為了提升蜂窩小區的覆蓋范圍和容量,并且在需求變化較大的區域提供即時的臨時通信覆蓋、保障無線通信網絡的靈活性,本文以單無人機輔助多蜂窩小區為例,在傳統蜂窩網絡中引入可自由移動的無人機節點,靈活地調整位置和服務區域,通過無線中繼和數據傳輸來增強蜂窩小區的覆蓋范圍和容量,構建無人機輔助無線通信網絡模型。該模型為無線通信網絡資源自適應協同分配奠定重要基礎。無人機輔助無線通信網絡模型如圖1所示。

圖1 無人機輔助無線通信網絡模型

由圖1可知,無人機輔助無線通信網絡模型結構主要為1個無人機、2個無線蜂窩通信網絡覆蓋小區。無人機主要用于輔助地面基站的蜂窩網絡,以下行鏈路通信服務的方式[11-12]為2個小區的邊緣用戶提供無線通信網絡服務。此網絡結構屬于協同通信網絡結構。無人機能夠以空中中繼節點的方式輔助無線通信網絡,從而為用戶提供網絡服務。

本文設置2個小區的覆蓋半徑為rFi,i∈{1,2}。地面基站依次設置在小區的中心點。因地面基站的覆蓋范圍有限,處于覆蓋邊緣用戶的網絡信號會受基站距離影響,導致網絡資源傳輸速率降低。所以,無人機主要在2個小區的邊緣位置運行。此情境下,本文在分析無線通信網絡資源自適應協同分配問題時,主要分析無人機與用戶之間的下行通信鏈路中的網絡資源分配問題。

本文設置:用戶密度為αFi,i∈{1,2};第j個用戶的二維水平位置為vj={xj,yj},j∈{1,2};無人機的飛行周期為T;飛行高度為G。循環飛行時,無人機飛行速度最大值、天線的信號發射角分別為Umax、β。

(1)

式中:rw為無人機在運行時覆蓋的地面區域半徑,m。

無人機飛行周期T可看作1個通信網絡服務周期。T能夠分解成n個大小一致的時隙。本文將無人機在某時隙n的位置p[n]設成二維平面坐標,則p[n]={x[n],y[n]}。此時,無人機的軌跡變化為:

(2)

式中:p[n+1]為無人機在時隙(n+1)的位置,m。

由于2個小區之間存在較顯著的距離,所以2個地面基站之間的影響可忽略不計。為了防止無人機與地面基站存在干擾信息,本文把頻帶區間分解成2個。無人機與地面基站各自使用各自的頻帶。本文設置頻帶區間為A;無人機可用帶寬與地面基站的可用帶寬分別為A′、1-A′。針對各時隙而言,無人機能夠以正交頻分復用的方式,服務于半徑rw中的用戶。服務過程中,帶寬會被均分。各用戶的頻帶相同。

無人機輔助的無線通信網絡屬于1種協同通信模式。無人機可被看作中繼節點。處于小區邊緣位置的用戶在請求應用無線通信網絡資源時,作為中繼節點的無人機會將在地面基站中提取的初級資源傳輸至用戶端。如圖1所示,1個無人機表示1個中繼節點。本文設中繼節點的傳輸速率為ρm,則用戶端的吞吐量為:

(3)

式中:m為中繼節點數目,m∈M,個。

本文無人機數量是1個。本文結合ρm的數值計算結果,確認無人機輔助無線通信網絡模型的中繼節點在整體網絡框架中的空間位置,從而明確無人機與地面基站的交換關系。通過正交頻分復用的方式,在A′與1-A′的限制下服務于半徑rw中的用戶,從而將在地面基站中提取的初級資源傳輸至服務范圍內的用戶端,完成無人機輔助無線通信網絡模型的構建。

1.2 通信網絡資源最大化分配方法

自適應協同分配問題指在保證網絡服務質量的前提下,以自適應協同分配網絡資源的傳輸速率、無人機運行軌跡為宗旨,實現通信網絡資源Ω的最大化分配。本文結合無人機輔助無線通信網絡模型結構中ρm的數值計算結果,設置自適應協同分配的目標函數為:

(4)

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

目標函數構建完成后,本文對時隙傳輸時間、中繼節點的傳輸速率以及無人機運行速度設置相關約束條件。具體約束為:

(5)

式中:tmax為時隙傳輸時間最大值。

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時間段約束下的位置和速度約束一維導數。

1.3 自適應協同分配方案求解

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

改進后果蠅算法在求解資源自適應協同分配時的步驟如下。

①假設種群規模(無人機輔助通信網絡資源的傳輸速率、無人機運行軌跡可行域)與迭代次數最大值依次是Npop、σmax;基于可行域之內,初始化設置果蠅群體位置分別是xba、yba。果蠅個體即無人機輔助通信網絡資源的傳輸速率、無人機運行軌跡可行解。

②將果蠅坐標通過式(8)執行初始化,并使用式(9)、式(10)運算果蠅個體的氣味濃度閾值以及氣味濃度。

(8)

式中:xj、yj依次為第j個果蠅個體的橫、縱坐標;Es為尋優距離值。

(9)

式中:Eist,j為果蠅個體和原點位置的差值;oj為氣味濃度閾值。

osmell,j=f(oj)

(10)

式中:f(oj)為氣味濃度函數;osmell,j為果蠅個體目前氣味濃度。

③提取最優、最差味道濃度與坐標信息。

(11)

(12)

(13)

⑤設置方差閾值為Ψ。如果θ2≤Ψ,那么需要啟動排斥模式。如果Ψ<θ2,那么需要執行吸引處理。使用式(14)更新自適應協同分配可行域坐標,迭代尋優直到迭代次數為最大值,或Ψ<θ2方可停止。

(14)

本文使用式(15)更新自適應協同分配可行域坐標,輸出最優自適應協同分配可行域中資源的最優傳輸速率、最優無人機運行軌跡的分配解。

(15)

2 試驗分析

為分析本文技術的應用效果,試驗中的無人機發射功率最大值為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。本文技術將傳輸速率設成10 bit/s。不同用戶密度工況下無人機輔助的無線通信網絡資源自適應分配結果如圖2所示。

圖2 不同用戶密度工況下無人機輔助的無線通信網絡資源自適應分配結果

圖2中:x為無人機與地面基站或蜂窩小區之間的水平距離;y為無人機相對于地面基站或蜂窩小區的高度差。x既可以作為無人機與地面基站之間的通信距離,也可以作為無人機與用戶之間的傳輸距離。由圖2可知,不同工況中,無人機輔助無線通信時能夠結合用戶分布狀態飛行,以全面輔助用戶使用無線通信網絡資源。其優化無人機輔助通信資源,以保證邊緣位置用戶的傳輸速率不會因地面基站覆蓋范圍的約束而變差。

無人機輔助的無線通信網絡能量效率為網絡可達吞吐量總值和消耗總能量之比。此效率越高,表示無人機輔助通信網絡資源利用效率越高。

本文技術應用前后的網絡資源平均能量效率對比如圖3所示。

圖3 網絡資源平均能量效率對比

由圖3可知,在本文技術應用前,通信平均能量效率與用戶數量負相關。當用戶數量增加時,平均能量效率逐漸降低。在用戶數量為5時,平均能量效率達到最高值0.82。在用戶數量為30時,平均能量效率達到最低值0.68。而本文技術應用后,無人機輔助通信的平均能量資源效率,均伴隨用戶數量的增多而變大,平均能量效率最大值高達0.98。其原因是無人機能夠結合用戶數目、用戶位置分布信息,全面充分發揮自身吸收的網絡資源,保證網絡資源被合理利用,從而為用戶提供其所需的通信網絡服務。在本文技術的分配下,無人機通信網絡資源的平均能量效率明顯優于使用前。

用戶最小速率需求標準依次是3 bit/s、6 bit/s、9 bit/s時,本文技術分配下,無人機輔助的無線通信網絡為用戶提供服務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,在無人機運行周期內,在本文技術分配下,無人機輔助的無線通信網絡為用戶提供服務時,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用通信網絡。

本文技術拓展性測試結果如圖4所示。

圖4 拓展性測試結果

由圖4可知,本文技術中,改進果蠅算法在迭代次數是6次時,便可收斂到納什均衡點,無線通信任務時延便可控制為最小值1.5 s。這說明迭代6次便可獲取網絡資源最佳分配結果。當無人機數量、用戶數量都變多時,算法收斂時間出現線性增多狀態,但收斂時間在1 s之內。由此證明,本文技術在求解無人機輔助的無線通信網絡資源分配問題時具有可用價值。

3 結論

無人機輔助的無線通信網絡資源是目前通信領域的核心資源。目前,在軍事、災區救援與管理等地理位置較為偏僻的地點,主要以此類無線通信網絡為網絡應用核心。但是,在無人機輔助地面通信的現實應用中,無人機和地面用戶均存在動態性。如何在此條件下自適應協同分配網絡資源,是目前無線通信網絡資源分配問題的重點。本文提出了無人機輔助的無線通信網絡資源自適應協同分配技術,通過分析無人機與用戶之間下行通信鏈路中的網絡資源分配問題,自適應協同分配網絡資源的傳輸速率、無人機運行軌跡。試驗結果表明,應用本文技術后,無人機輔助通信的平均能量資源效率伴隨用戶數量的增多而變大,不會受用戶數量的影響。在無人機運行周期內,在本文技術分配下,無人機輔助的無線通信網絡為用戶提供服務時,用戶最小速率均滿足用戶需求。用戶可正常應用通信網絡。