無人救護機組移動中繼通信模型研究

無人救護機組移動中繼通信模型研究

1無人機組和地面基地通信方案的提出和應用無人機可以取代人類在特定地點工作，并廣泛應用于遠程嵌入式控制中。例如,無人機可以投入野外應急搜救工作中,通過采用雷達探測、視頻圖像分析等方式尋找失蹤人員。為了進一步提高搜救的效率和成功率,相關研究已經(jīng)開始探索多部無人機搜救網(wǎng)絡的理論性能和實際應用。因為無人機組所組成的遠程交互式控制平臺比單個無人機具備更高的機動性、靈活性和生存力,該方案更適合在廣闊的野外環(huán)境中使用。為了增強無人機組的自控能力,國內(nèi)外學者在無人機組分布協(xié)調(diào)、控制和搜索機制方面進行了大量的研究。然而,現(xiàn)實物理環(huán)境具有大量的不確定因素,因此給無人機組的控制和通信帶來了極大的困維。要保障基站與無人機組進行有效的協(xié)同控制并保證把不同無人機中采集到的重要數(shù)據(jù)及時提供給地面救援人員,無人機組的通信以及無人機組和基站的通信是此平臺的關鍵部分。為了在傳輸信息時降低傳輸延時,常用的方法是讓基站與無人機組之間保持連續(xù)的通信連接,但此方法的缺點是無人機組活動的空間范圍變小,限制了它們部署的環(huán)境和搜索的自由度。有學者提出采用多跳無線鏈路的方式來實現(xiàn)無人機的連接,然而,為了保證基站與無人機組之間的通信,部分無人機需要配置在某些特定的地理位置上完成通信功能,從而限制了無人機的數(shù)據(jù)采集和整個系統(tǒng)的效率。本文針對無人機遠程搜救的問題以及現(xiàn)有無人機通信系統(tǒng)模型的缺點,提出了一種新的方案。該方案形成了一個合作通信網(wǎng)絡,并依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸率調(diào)節(jié)無人機組編隊的通信連接和數(shù)據(jù)采集,從而克服了多跳系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率和效率低下的問題;進一步引入的移動中繼可以保障無人機組和地面基站間的數(shù)據(jù)傳輸,因此克服了持續(xù)連接系統(tǒng)的覆蓋范圍低的缺點。因此,該方案使搜救機組在遠離基站的區(qū)域探索時獲得了更大的自由度,增加了覆蓋率,提高了搜索速度,從而有助于縮短尋找失蹤人員的時間。該模型可以廣泛應用在無人機組協(xié)同工作的場合,例如大范圍管道設施監(jiān)測、海上路上溢油檢測、森林火災監(jiān)控等,具有一定的通用性和實用性。為了方便理論分析,文中相關的符號說明如下:T表示矩陣轉(zhuǎn)置,H表示共軛轉(zhuǎn)置,tr{·}表示矩陣的跡,det{·}表示矩陣行列式,E{·}表示矩陣期望值,lb表示以2為底的對數(shù)函數(shù)。2第三,基于業(yè)務特征的互信息及平均數(shù)據(jù)速率模型無人機組的通信系統(tǒng)必須支持遠程控制平臺所需的控制和搜索指令,并能有效傳輸搜救無人機組獲取的數(shù)據(jù)。為了滿足這些通信的要求,該中繼系統(tǒng)一般采用具備高度機動性的平臺,持續(xù)在遠程位置和基站之間傳送數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)建模時,必須反映中繼與搜救無人機組進行數(shù)據(jù)交換所需的高頻寬鏈路和基地與位于遠程的無人機組之間通信可容忍的最大延時問題。此外,系統(tǒng)模型還應該表現(xiàn)的特征包括:靈活的接入節(jié)點(搜救無人機)數(shù)目;聯(lián)網(wǎng)調(diào)整機組規(guī)模;在一定帶寬內(nèi)的高數(shù)據(jù)傳輸速率;可靠的連接性;優(yōu)化配置并協(xié)調(diào)通信系統(tǒng)模型讓無人機組發(fā)揮最大工作性能;互信息的度量和平均數(shù)據(jù)速率的評估。本節(jié)建立該系統(tǒng)的模型并進行相關的理論分析。2.1基于預編碼矩陣的無人機解碼圖1的系統(tǒng)模型展示了搜救機組在選定的集合點把數(shù)據(jù)傳送到中繼無人機以及中繼無人機與基站的數(shù)據(jù)輸送。為了方便理論分析,在集合點所有無人機的通信系統(tǒng)保持連接并采用同等的發(fā)射功率和帶寬。搜救無人機的數(shù)量用M表示,每部搜救無人機的通信系統(tǒng)僅配備單天線,中繼機因其主要實現(xiàn)通信功能,因此配備多天線系統(tǒng)(假設天線數(shù)目為N,且N≥M)。假設信道模型為慢衰落萊斯分布,中繼r在第n個時刻接收的信號可表達為式中,H(n)是信道矩陣,V(n)={v1(n),…,vM(n)}是多用戶的預編碼矩陣,x(n)=[x1,…,xM]T是M個無人機的信號矢量(為了簡化敘述,我們采用Um(m=1,2,…,M)來表示第m個無人機),E{x(n)x(n)H}=diag{P1,…,PM}。w(n)是加性高斯白噪聲(AWGN),E{w(n)w(n)H}=N02IM,IM是M維單位矩陣,Pm和N0是相應的信號能量和噪聲方差。公式(1)等同于一個多輸入多輸出(MIMO)信道,因此,信號接收端的解碼方式可采用基于最小均方誤差(MMSE)的串行干擾抵消檢測算法。其中,預編碼矩陣V(n)是系統(tǒng)模型的重要部分,代表了無人機組與中繼的映射和控制的關系。通過調(diào)整該預編碼矩陣,使模型滿足協(xié)作通信和即時數(shù)據(jù)交換的要求,例如協(xié)調(diào)各個接入設備的傳輸速率、調(diào)整目標的吞吐量等。通過協(xié)同通信技術最小化集合的時間,增加無人機組用于搜索的時間,中繼可以更及時地與基站交換數(shù)據(jù),從而提高整個搜救系統(tǒng)的效率。2.2模擬推動算法的斯德哥爾摩分布因為無人機組和中繼之間的通信信道同時具有視距傳輸和非視距傳輸?shù)奶攸c,我們采用萊斯分布(Hi,j~CN(m,σ2))對信道進行建模,該信道模型可表達為式中,K是萊斯因子,代表視線信號分量,則為非視線信號分量,可用具有單位方差的零均值復高斯隨機變量建模。由于珚H是確定的,它的矩陣跡可表達為TR。2.3nbnm公式(1)所示系統(tǒng)模型的互信息為其中,IN是N×M維單位矩陣,由于det(IM+AM×NBN×M)=det(IN+BN×MAM×N),公式(3)可變換成通過引入HHH矩陣的特征值后,此互信息量可簡化為從公式(6)可以看出,由于信道H受到慢衰落影響,我們可以通過調(diào)整每個并行空間信道支持的數(shù)據(jù)速率以滿足不同接入設備所要求的吞吐量和整個系統(tǒng)的性能。2.4修正的貝塞爾函數(shù)平均數(shù)據(jù)速率通常用來表達系統(tǒng)傳輸效率,是用來驗證系統(tǒng)性能的重要指標。因為上述通信系統(tǒng)采用基于最小均方誤差(MMSE)的串行干擾抵消檢測算法,故其平均數(shù)據(jù)速率可表達如下:其中,所有順序特征值(0≤λm1≤λm2≤…≤λmM,mi∈{1,2,…,M})的聯(lián)合概率密度函數(shù)為式中,φ1,φ2,…,φM是的M個特征值,C1是歸一化常量,和0F1(.,.)是帶標量參數(shù)(由公式(9)得到)的超幾何函數(shù):其中,IN-M(·)是修正的第一類貝塞爾函數(shù)。經(jīng)過簡單的數(shù)學運算,并使用det-1(Λ)取代∏kM<l(λk-λl)-1,平均數(shù)據(jù)速率可化為式中,Γ(·)是伽瑪函數(shù),ψ(·)是一個M×M的矩陣,其元素為其中,ρ=Pmvm2/N0為歸一化的發(fā)射信號信噪比。在信噪比較高的區(qū)域,利用詹森不等式可得平均數(shù)據(jù)速率的近似值為上式提供了一個關于平均數(shù)據(jù)率的上界。另外一個感興趣的指標是該M-UAV通信模型的通信信道容量的邊界,表示如下:從上述結(jié)果可推斷,信道矩陣H對平均數(shù)據(jù)速率和信道容量的影響非常重要。一般來說,當無人機組與中繼進行通信時,無人機在一定范圍內(nèi)須盡量保持較遠的距離,以產(chǎn)生良好的信道矩陣H,以支持各個接入無人機所需的最低數(shù)據(jù)速率。3無人機組數(shù)據(jù)的獲取在實際應用中,每部無人機所收集的數(shù)據(jù)量往往是有差異的,所以上述模型需要根據(jù)實際傳輸數(shù)據(jù)所需要的通信時間進行優(yōu)化。本節(jié)介紹該優(yōu)化算法,通過最小化無人機組中需要的最長通信時間,減少每次集合期內(nèi)無人機組和中繼的通信時間,從而提高中繼與基站數(shù)據(jù)傳遞的頻率,減少無人機組的等待時間,增加探測和搜救的時間。具體的算法介紹如下。假設第m個無人機需傳輸數(shù)據(jù)Dm(Dm表示經(jīng)信源信道編碼組幀后的數(shù)據(jù))。根據(jù)上述模型,第m個信道所支持的瞬時數(shù)據(jù)速率可表示為通常該無人機收集的數(shù)據(jù)所需的傳輸時間可由公式(15)計算得到:其中,分配給無人機Um的通信帶寬為Bm。優(yōu)化算法通過調(diào)整預編碼矩陣(vm)達到以下目標:其中,調(diào)整范圍為Pmin≤Pmv2m≤Pmax。根據(jù)以上公式,我們提出具體的算法:無人機組采用最小發(fā)射功率發(fā)布信息,通知中繼其所要傳送的數(shù)據(jù)量Dm。中繼通過估算信道矩陣H,計算當前的平均數(shù)據(jù)速率,然后廣播該信號和和數(shù)據(jù)量組成的矢量D={D1,D2,…,DM}T給整個無人機組。因為具有最大有效數(shù)據(jù)的無人機需要的傳輸時間最長,它根據(jù)上述數(shù)據(jù)增加發(fā)射功率至最大Pmax,其他無人機則通過調(diào)整其預編碼矩陣來自適應調(diào)整自己的最佳發(fā)射功率,使無人機組的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)街欣^。4無人機狀態(tài)模擬無人機的模擬包括了四軸飛行器動力學、通信系統(tǒng)和面向地面的雷達探測、圖像探測等傳感器,仿真程序采用模塊化設計并使用C++語言實現(xiàn),其中地圖模塊根據(jù)預存的地圖隨機選擇,每個區(qū)域的數(shù)據(jù)量根據(jù)高斯分布隨機分配,這是對現(xiàn)實世界的合理抽象化表達。無人機模塊模擬無人機狀態(tài),所有無人機在離地面最低20m的高度飛行,并使用標準的A-star尋路算法進行導航。在搜救階段,每個無人機根據(jù)其當前的地圖和預存的地理信息進行搜索。無人機組的首次集合區(qū)域設定在預設搜索區(qū)域的中心,以后每次集合的計劃通過本次搜索的結(jié)果動態(tài)生成。通信模塊設定1個固定基站、1部中繼無人機和4部搜救無人機在模擬的區(qū)域進行活動。其中,無人機組通信系統(tǒng)的噪聲為加性高斯白噪聲(AWGN),信噪比為20dB,信道的萊斯衰減因子K=10。每部無人機的通信帶寬為1kHz,發(fā)射功率在[-10dB,10dB]內(nèi)可調(diào),其可采集到的數(shù)據(jù)量通過隨機高斯分布N(1000,500)來模擬。4.1號無人機數(shù)據(jù)傳輸比較4部搜救無人機在仿真實驗中所采集的數(shù)據(jù)量分別是300b、700b、800b和1300b。在采用優(yōu)化方案前,所有無人機的發(fā)射功率設為0dB,2號無人機需要368s完成其數(shù)據(jù)傳輸,遠高于其他無人機所花的時間。經(jīng)過上述的優(yōu)化算法處理后2號無人機的發(fā)射功率增至最大值10dB;其他無人機也相應地調(diào)整自己的發(fā)射功率以節(jié)省能量,整個無人機組把數(shù)據(jù)同步傳輸給中繼所花時間減少為184s。從圖2可知,通信系統(tǒng)完成每次采集數(shù)據(jù)傳輸所用的時間與最差的無人機通信鏈接所用的時間成正比,這與上述的理論分析一致。該實驗驗證了本文提出的優(yōu)化算法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏p少無人機組用于通信的時間。4.2基礎數(shù)據(jù)量分析圖3顯示了搜救行動中無人機組和基站的數(shù)據(jù)更新的過程。無人機組在數(shù)據(jù)交換前處于搜索狀態(tài),因此數(shù)據(jù)量呈線性增長趨勢。當它們與中繼進行數(shù)據(jù)交換時,無人機組沒有采集新數(shù)據(jù),因此總數(shù)據(jù)量保持不變。集合行動后,無人機組繼續(xù)進行新的數(shù)據(jù)采集,中繼無人機傳輸數(shù)據(jù)到基站并與其完成數(shù)據(jù)交換,因此可以看到基站數(shù)據(jù)量呈離散變化趨勢。數(shù)據(jù)交換的頻率取決于基站和集合地點之間的距離。4.3仿真實驗2:第三組5部為了驗證無人機組搜救系統(tǒng)使用中繼通信模型的有效性,我們進行了以下3組仿真實驗:第一組由一部中繼無人機與4部搜救無人機組成搜救系統(tǒng),采用本文提出的系統(tǒng)模型;第二組由4部搜救無人機組成搜救系統(tǒng),各個無人機自己擔負與基站的數(shù)據(jù)傳輸任務;第三組由5部搜救無人機組成,其系統(tǒng)實現(xiàn)方式與第二組類似(該組實驗用于保證與第一組對比的公平性)。針對后兩種系統(tǒng)設定,我們假設基站有足夠的能力保證與所有無人機同時通信。仿真數(shù)據(jù)是從每個無人機組在不同的地理區(qū)域進行10次模擬實驗所得。從圖4可以看到,在搜索的初期,由于非中繼無人機組不需要到集合點進行數(shù)據(jù)傳輸,它們的數(shù)據(jù)采集率較高。然而,隨著搜索覆蓋范圍的增大,中繼無人機組數(shù)據(jù)采集效率增長更快,并超過了全部采用搜救無人機組成的系統(tǒng)。效率的優(yōu)勢隨著時間增長逐漸增大,最后完成的時間遠低于另外兩組。因此,在野外遠程搜救的應用中,無人機組采用中繼通信方式將使搜索效率大大提高。5支持多級無人機同步通信基于搜救無人機組通信