多无人机应急通信网络服务系统优化

作     者：周韬瑒 

作者单位：安徽工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵伟

授予年度：2020年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：应急通信 无人机 系统优化 网络寿命 合作博弈 劣策略 

摘      要：随着科技促进人民生活、信息化推进社会发展的需要,尤其是在发生重大通信事故等突发事件现场,现有的有线通信已不能满足特定场景的需求。灾难发生时,高效的应急通信能有效减少灾区人民的生命财产安全。近年来,无人机在民用领域的应用越来越广泛,无人机凭借其灵活的机动性,它是解决一些复杂任务的有效途径,尤其是作为紧急通信网络,用于调度资源、救援灾民和恢复通信,便于灾后地区与外界的信息交换。无人机被越来越多的应用于应急通信服务系统。应急通信对保障社会稳定具有重要意义,因此优化应急通信服务系统就显得尤为重要。通过在地面部署无线路由器和在空中部署多个无人机的双层结构,为自然灾害地区提供应急通信服务提供了一种有效的方式。无线路由器充当接入点,无人机将从路由器传送过来的数据以及它自身的数据传输到安全区域的远程基站。因此,受困于灾难区域的人们可以与外界进行通信。优化无人机应急通信网络服务系统的一个重要指标就是网络寿命,它也是网络性能的一个关键点。该服务系统的网络寿命受限于分散在复杂灾后区域的移动自组织网络中的路由器的寿命。通过无人机的移动性可以有效延长网络的生存时间。本文主要目的是优化多无人机应急通信网络服务系统,具体的研究内容和成果可以通过以下几个方面进行概括:(1)对突发事件的现场应急通信保障的需求进行了分析研究,以网络寿命最大化为目标的无人机的移动轨迹规划问题,设计了双层网络系统,即路由器层和无人机层的双层网络,忽略了用户层,形成适用于突发事件现场通信保障的基于无人机的路由器自组织网络体系结构。(2)路由层给出了路由层的最短路径算法,无人机层为了高效地转发路由层的数据,所有的无人机必须考虑如何进行移动。本文研究从完全信息合作博弈的角度求解无人机轨迹规划问题的方法,设计了一个完全信息的无人机协同博弈模型。(3)本文以网络寿命最大化为目标,然而,在对无人机的策略空间进行分析的时候,发现问题的时间复杂度随着无人机数量和无人机可选策略的增多呈指数增长。因此,在我们的方案中,我们通过将一些候选对象排除在每个无人机的可选策略空间之外,以此来促进博弈过程。具体来说是结合网络特性来排除一些劣策略达到相对减少一些复杂度的目的。我们设计了剔除劣策略的算法,并进行了实验仿真。实验结果表明,该模型不仅有效地延长了网络生存时间,同时也因为剔除了劣策略使得在复杂度上做出了改进。