基于多跳认知网络的无人机应急通信机制研究

作     者：包海东 

作者单位：河南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冀保峰;宋梁

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 082503[工学-航空宇航制造工程] 081001[工学-通信与信息系统] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：无人机应急通信 频谱效率 链路切换 联合相似度 社会属性 缓存辅助 

摘      要：无人机应急通信网络具备诸多优点,如移动性强、链路质量较好且部署快速便捷等,与认知网络结合起来时,在具备上述特点的同时也能够大幅提高网络频谱资源的利用率。但是,面对5G时代用户的大容量、高交互、多接入的需求,无人机平台能量与存储资源受限的缺点逐渐显露,部分场景下过于依赖单一链路,使得网络资源消耗的集中化,导致网络可持续时间的缩短,也不符合去中心化的趋势。此外,无人机的高移动性也会导致链路在部分时隙内不稳定,从而出现通信失败的现象。本文针对上述无人机应急通信网络中存在的问题,围绕无人机资源分配问题进行了以下研究:1.针对无人机通信网络频谱效率亟待提高等瓶颈,提出了认知无人机网络的混合决策中继选择算法,构建切换容忍和时延容忍的设计,通过时延信息确定候选中继簇,使其具备最佳通信条件的节点完成数据传输,获得了中断概率性能的提升,解决了阴影区域链路切换可靠性过低的问题。仿真结果表明所提方案与传统方案相比,中断性能获得了有效提升。2.针对多源多中继系统中存在的恶意窃听问题,提出了基于物理层安全的负载均衡中继选择算法。该算法通过联合相似度明确社交属性,确定潜在拒绝服务中继,构建了低联合相似度下的多维决策流程,进而避免了网络中能量负载和数据负载在单一节点的无限制消耗,解决了通信质量约束的中继选择算法节点资源消耗的不公平性和网络寿命低等问题。仿真结果表明所提方案与传统方案相比,在网络寿命和吞吐量等指标上获得了提升,改善了服务质量。3.在缓存辅助中继系统中,存在一个不符合实际的预设条件,即所有节点间的社会属性是高度重叠且相似的,但实际情况中往往并不具备这样的先决条件,因为节点具备一定的自私性。故本文针对缓存辅助网络中存在的节点社会属性差异导致的系统性能下降的问题,提出基于激励合作的缓存辅助中继选择算法。通过将节点对系统的贡献纳入,激励社会属性差的节点积极参与,从而实现较好的激励效果。竞争函数值高的节点具备信息存储与发送的更高优先级,提升低属性节点的参与度,缓冲信道变化的影响,从而增加网络可持续时间,以实现更高的系统效率。本文针对不同场景下的无人机应急通信网络的缺陷,分别提出针对性措施,即分别从链路切换、资源的不公平消耗以及社会属性差异三个维度入手,着手构建新型无人机应急通信体系,改善系统的服务质量与服务效率,提升无人机应急通信系统的性能。