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基于联盟图博弈的地下空间无人机应急通信网络拓扑控制算法.docx
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2023-02-23
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基于联盟图博弈的地下空间无人机应急通信网络拓扑控制算法.docx
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1. 引言
近年来,地下大型综合体、地铁、矿井等地下空间规模化开发利用造成了地下空间灾
害事故频发。当塌陷、火灾、矿井冲击地压等地下空间灾害事故发生时,首要的任务就是
实时获取灾情信息并建立临时通信网络,为后续的救援工作提供支撑。我国地下空间事故
应急救援体系尚未建立健全,导致地下空间应急救援网络的研究工作相对滞后
[1]
。轻小
型、高负载、高续航无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 技术的突破,使得 UAV 在地
下空间应急救援的应用成为可能。空天地一体化网络是 6G 的核心方向之一,现有关于 6G
潜在关键技术的预研工作中,明确将灾后应急救援作为 6G 空天地一体化网络的主要应用
场景
[2,3]
。
UAV 网络作为空天地一体化网络的重要组成部分,可在地下空间突发灾害事故应急
救援的“探、搜、救”不同阶段发挥关键作用
[4]
。2018 年,应急管理部发布《应急管理信息
化发展战略规划框架》,要求整合 UAV 等空基网络资源,实现对地下空间等灾害事故易
发、多发、频发区域全方位、立体化、无盲区的灾情监测与通信覆盖
[5]
。如图 1 所示,应
急指挥中心在灾情探测阶段对灾情进行推演预判后,派遣全地形可移动的 UAV 集群深入
地下空间对可疑目标点进行协同搜索,携带不同类型传感与通信设备的 UAV 终端共同形
成 UAV 应急通信网络,为后续的灾害救援工作提供支撑。
图 1 地下空间灾后 UAV 应急通信网络
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与传统的地面自组织网络或智能化自主网络相比,其相同之处在于地下空间无人机应
急通信网络同样需要分布式自组织的决策能力作为实现地下空间无人机集群拓扑控制的基
础;其不同之处在于地下空间的复杂不确定性与无人机节点的高速移动性需要地下空间无
人机应急通信网络具备无人机群的群体智能与高效的信息交互能力,并通过更高效快速的
群体决策以适应快变网络拓扑。文献[6]详细综述了 UAV 集群在矿井应急场景中的典型应
用。文献[7]针对灾后应急场景 UAV 中继与空中基站两种典型应用中的路径规划与功率控
制问题展开研究。上述文献忽略了 UAV 集群协同作业时的组网需求,考虑到地下空间灾
害事故具有复杂继发
、
耦合叠加等特性,具备抗毁、容错性的网络架构是 UAV 集群智能
与高效任务协同的关键。文献[8,9]详细分析了 UAV 自组网的网络特性与拓扑控制方法,
当前有关 UAV 组网的相关文献主要针对低动态场景,研究以网络持续连通为目标的拓扑
控制,较少考虑场景的动态不确定性。基于网络连通性的拓扑控制通过功率控制,节点移
动控制等措施实现网络拓扑连通。拓扑功率控制即通过调整部分节点的传输功率构建远程
传输链路(Long-range Links, LLs),从而获取更丰富的端到端路径;节点移动控制通过改变
节点的移动轨迹进而改善网络节点间的相对位置,从而获取期望的连通特性
[10]
。地下空间
灾后应急救援场景 UAV 节点移动性与搜救、覆盖任务紧密关联,因此本文主要通过功率
控制实现网络持续连通性。文献[11]提出一种基于功率与轨迹联合控制的 UAV 集群自组网
拓扑控制方法,但该方法仅能实现网络拓扑的单连通性,任意节点的离开均会造成连通性
失效。考虑到地下空间应急场景 UAV 的易毁性,需要通过更高等级的连通性确保网络的
容错抗毁性。
文献[12]利用块-割树(Block-Cut Tree, BCT)提取连通图中的关键信息,通过构建强化
边实现最小代价的 2-连通性。文献[13]利用 Prim 算法搜索 BCT 中的强化边,进而指导
LLs 构建的方向,实现 UAV 自组网拓扑图的 2-连通性。然而,该方法没有考虑不同 LLs
对于网络连通性、链路损耗、端到端时延的差异化影响。在联盟博弈(Coalitional Game,
CG)中,联盟内参与者之间的关联性会对联盟的总效用值产生重要影响
[14]
。其中,联盟图
博弈(Coalitional Graph Game, CGG)将图论与联盟博弈结合,利用图中节点间的关联刻画效
用独立关系,即联盟效用与参与者之间的连接方式有关
[15]
。因此,可将 CG 引入时变拓扑
图,利用 CGG 对 LLs 构建进行问题建模,从而实现多种指标的权衡优化,保证网络连通
性的同时,提升容错能力。文献[16]分别提出一种启发式 LLs 构建算法与基于转换操作的
CGG 算法,然而上述算法并没有考虑连通性的优化,且算法复杂度较高、决策时间较长,
极易造成组网决策与快变拓扑不匹配,连通性频繁失效,不适用于拓扑结构随灾情演变快
速变化的 UAV 应急通信网络。
地下空间灾后特殊的应用环境要求 UAV 应急通信网络减少端到端传输时延,保证稳
定可靠的信息交互与灾情实时回传。地下空间无人机集群的拓扑结构同时受到搜救任务需
求、组网决策与有限遮蔽空间结构的影响,如井下巷道狭长的带状空间中,无人机集群的
飞行活动受限,网络拓扑结构呈“一”字形。此外,UAV 集群在执行搜救任务时,地下空间
灾害事故的高动态不确定性导致网络拓扑迅速变化,连通性频繁失效,UAV 应急通信网络
在满足机群间低时延通信需求的同时,还需通过保障网络的韧性(容错抗毁)与柔性(按需动
态重构)维护网络的持续连通性,实现传输的连续性,亟需设计高效低复杂度的拓扑控制方
法实现对拓扑变化的快速响应。为此,本文首先将 UAV 应急通信网络拓扑控制问题建模
为 CGG,然后通过 BCT 对时变拓扑图中的关键信息提取,用以指导 CGG 中决策空间的简
化与连通性优化;最后提出一种分布式低复杂度的轮转互操作方法得到纳什稳定均衡
(Nash-Stable Equilibrium, NSE)的联盟结构。仿真结果表明,与其他现有算法相比,所提算
法能更好地实现拓扑连通性、端到端平均传输时延与链路损耗 3 种性能之间的权衡优化,
且具有较快的收敛速度,能够实现灾后动态不确定场景下组网决策与快变拓扑的适配。
2. 系统模型与问题表述
如图 1 所示,初始时刻构建的地下空间 UAV 应急通信网络共有$ N $个 UAV 节点。
随着搜救与覆盖任务的演进,由于电池容量的限制与高移动性,UAV 频繁进退网,拓扑快
速变化,本文将总任务执行时长划分为$ T $个等间隔时隙,即用
$ \left\{ {1,2,\cdots,t,\cdots,T} \right\} $表示连续时隙集。假设$ t $时刻的节点数目为$ N(t)
$,节点集合可表示为$ U(t) = \{ {u_i}\} _{i = 1}^{N(t)} $。不失一般性地,本文假设空对空
(Air-to-Air, A2A)视距(Line-of-Sight, LoS)传输信道为自由空间路径损耗模型
[17]
,则$ t $时刻
节点$ {u_i} $与$ {u_j} $之间直传链路的信道增益可表示为
$$ {g_{i,j}}(t) = {\eta _0}d_{i,j}^{ - \alpha }(t) $$
(1)
其中,$ {\eta _0} $表示单位参考距离 1 m 下 LoS 信道的功率增益,$ \alpha $表示路
径损耗指数。为了保障每条链路都有专用的传输时隙,每个 UAV 以多信道时分多址(Time
Division Multiple Access, TDMA)的方式实时回传。给定$ {u_i} $在$ t $时刻的发送功率
$ {P_i}(t) $,接收端$ {u_j} $的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)可表示为
$$ {\gamma _{i,j}}(t) = \frac{{{P_i}(t){g_{i,j}}(t)}}{{{\sigma ^2}}} $$
(2)
其中,$ {\sigma ^2} $为高斯白噪声的方差。基于式(2),$ t $时刻节点$ {u_i} $与
$ {u_j} $之间直传链路的传输速率可进一步表示为$ {R_{i,j}}(t) = {b_{i,j}}(t){\log _2}(1 +
{\gamma _{i,j}}(t)) $,其中$ {b_{i,j}}(t) $为$ t $时刻$ {u_i} $与$ {u_j} $之间直传链路所分
配的信道带宽。此外,为了保障 A2A 链路的成功传输,需满足${\gamma _{i,j}}(t) \ge
{\gamma _{{\text{th}}}}$,则所需传输功率为
$$ {P_i}(t) \ge \frac{{{\sigma ^2}{\gamma _{{\text{th}}}}d_{i,j}^\alpha (t)}}{{{\eta _0}}} $$
(3)
由式(3)可知发送功率与传输距离成正比,因此建立 LLs 会产生更多的功率消耗。假
设初始时刻所有节点的功率均为最小发送功率$ {P_{\min }} $,且装有全向天线,则一跳
通信范围可表示为半径为$ {r_i}(t) $的球体,其中
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- shipeng00002024-02-26这个资源内容超赞,对我来说很有价值,很实用,感谢大佬分享~
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