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基于深度强化学习的无人机基站三维部署方法研究

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基于深度强化学习的无人机基站三维部署方法研究

作者：张萌重庆大学

学位级别：硕士

无人机基站(unmanned aerial vehicle mounted base station,UAV-BS)可以作为地面蜂窝网络的有效补充,来缓解诸如地面基站故障、网络流量拥塞、和偏远地区弱覆盖等问题,因此被视为实现6G全球覆盖愿景的关键技术之一。相比于传统的地面基... 详细信息

无人机基站(unmanned aerial vehicle mounted base station,UAV-BS)可以作为地面蜂窝网络的有效补充,来缓解诸如地面基站故障、网络流量拥塞、和偏远地区弱覆盖等问题,因此被视为实现6G全球覆盖愿景的关键技术之一。相比于传统的地面基站,无人机基站具有部署迅速、建设和维护成本低、部署场景灵活等优势。此外,无人机基站能够在三维空间调整位置,从而增加与地面用户建立视距(line of sight,Lo S)通信链路的概率,这为无人机基站的部署设计带来了新的自由度,与此同时,也带来了关于其三维部署、资源分配等的优化难题。而如今火热发展的机器学习技术,因其在数据处理、智能决策等方面的强大潜力,为解决无人机基站部署设计提供了新的思路。本文主要研究基于深度强化学习的无人机基站三维部署方法,具体的研究内容如下:首先,本文研究了单无人机基站的三维部署和功率分配的联合优化。提出一种基于深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)的方法,无人机基站可以充分利用地面用户分布和无线信道特性,在连续的状态和动作空间学习最佳的三维位置和功率分配策略。采用注水算法(water-filling,WF)为DDPG的动作空间降维从而避免训练过程中的维度不平衡问题。设计了考虑系统吞吐量和用户公平性的奖励函数,在最大化系统吞吐量的同时保障了用户公平性,并对比了离散动作空间的深度Q网络算法和传统启发式的遗传算法的性能。其次,本文研究了多无人机基站的三维部署的联合优化。首先通过兴趣点(point of interest,Po I)模拟临时热点事件的发生位置,并在Po I邻域生成异构的用户分布。然后,将各无人机基站作为智能体构建马尔科夫决策过程,采用集中式学习范式,使各智能体在训练时考虑其他智能体的状态和动作,来解决由用户接入和无人机基站之间的信号干扰引起的多智能体学习环境的不平稳问题。最后通过近端策略优化(proximal policy optimization,PPO)求解建立的模型,使各无人机基站学习到最佳的三维部署策略来最大化系统吞吐量,并对比了单维的高度优化算法PCAO和随机部署算法RD的性能。

关键词：无人机基站三维部署功率分配深度强化学习

基于火力强度标准的三维要地防空部署评估模型

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火力与指挥控制 2022年第7期47卷 57-61,66页

作者：唐巨室李东生高根支国防科技大学电子对抗学院合肥230037 解放军93617部队北京101400

研究了战术级要地防空任务中火力单元部署方案的评估和优化问题。参照地面防空武器射击原理和作战指挥流程,以火力单元探测能力、抗击能力、机动能力为决策要素,以要地防空火力强度为优化目标,构建了一种三维部署评估模型。引入了积分... 详细信息

研究了战术级要地防空任务中火力单元部署方案的评估和优化问题。参照地面防空武器射击原理和作战指挥流程,以火力单元探测能力、抗击能力、机动能力为决策要素,以要地防空火力强度为优化目标,构建了一种三维部署评估模型。引入了积分权重和约束函数设定,能够适应武器系统固有属性、战场态势等深层次优化条件。运用模拟退火算法对模型进行了仿真,仿真结果证明了部署模型和求解算法有效。

关键词：火力强度要地防空三维部署模拟退火

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一种基于虚拟力补偿的三维空间自主部署算法

仪器仪表学报 2015年第11期36卷 2570-2578页

作者：谭励王云会杨明华胡计鹏杨朝玉北京工商大学计算机与信息工程学院北京100048 第二炮兵装备研究院北京100085

针对三维空间中无线传感网络的覆盖目标复杂多样,容易出现部署"空洞",难以实现均匀部署的问题,提出了一种基于虚拟力补偿的三维空间自主部署算法。首先建立了节点模型和覆盖目标模型。其次将传统的虚拟力算法从二维扩展到三维空间,提出... 详细信息

针对三维空间中无线传感网络的覆盖目标复杂多样,容易出现部署"空洞",难以实现均匀部署的问题,提出了一种基于虚拟力补偿的三维空间自主部署算法。首先建立了节点模型和覆盖目标模型。其次将传统的虚拟力算法从二维扩展到三维空间,提出了覆盖目标虚拟力补偿的概念,使网络中的节点能够根据覆盖目标的特点,完成均匀的覆盖。仿真实验表明该算法覆盖率能达到95%以上,同时均匀度有10%的提升。最后通过四旋翼实验平台对算法的有效性进行了验证。

关键词：三维部署虚拟力算法目标建模精确覆盖

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无线网络环境下网络节点的三维部署方法改进

计算机仿真 2016年第7期33卷 285-288页

作者：王莉丽桑园郑州大学西亚斯国际学院河南新郑451150

网络节点的部署能够影响网络提供感知服务的质量,但采用当前的算法进行无线网络环境下网络节点的三维部署时,没有考虑节点的不均匀分布特性,单个节点失效的情况较为严重,存在部署后网络能耗不均衡问题。为此提出一种非均匀简单立方格的... 详细信息

网络节点的部署能够影响网络提供感知服务的质量,但采用当前的算法进行无线网络环境下网络节点的三维部署时,没有考虑节点的不均匀分布特性,单个节点失效的情况较为严重,存在部署后网络能耗不均衡问题。为此提出一种非均匀简单立方格的无线网络环境下节点三维部署方法。先建立二进制球型节点通信模型,并从网络连通的角度和定位的角度描述无线网络的覆盖范围,并利用二元感知模型推导出被网络节点覆盖的目标数与总目标数的比值,计算出网络节点通信单元的工作平均功耗,并以此为依据融合sink节点构建非均匀简单立方格的三维确定性稀疏部署结构。仿真结果表明,基于非均匀简单立方格的无线网络环境下网络节点的三维部署方法可以充分的保障网络的覆盖率,且有效的均衡了网络节点的能力消耗。

关键词：无线网络三维部署网络节点

面向近地表地下空间信息监测的无线传感器网络三维节点部署算法研究

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计算机应用研究 2013年第6期30卷 1805-1808,1812页

作者：余华平郭梅长江大学计算机科学学院湖北荆州434023 长江大学科学技术处湖北荆州434023

从地下空间的基本特点出发,提出了地下空间节点部署算法的约束指标,建立了面向地下空间的自适应、多精度约束的节点部署算法。从网络结构、自适应性、能量消耗及覆盖连通性能等方面对算法进行了分析和仿真,结果表明该算法能有效地解决... 详细信息

从地下空间的基本特点出发,提出了地下空间节点部署算法的约束指标,建立了面向地下空间的自适应、多精度约束的节点部署算法。从网络结构、自适应性、能量消耗及覆盖连通性能等方面对算法进行了分析和仿真,结果表明该算法能有效地解决近地表地下空间节点的部署问题,为土壤环境监测、智能交通监测、管道监测及其他地下目标监测提供理论指导和实践依据。

关键词：三维部署地下空间覆盖与连通自适应

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基于虚拟力的三维部署技术研究

科学技术与工程 2013年第9期21卷 2412-2420,2425页

作者：李享李轩涯中北大学电子与计算机科学技术学院太原030051 北京理工大学计算机学院北京100081

为了能够实现在复杂多变的环境中执行对未知目标体的探测任务,提出了一种基于虚拟力的在三维空间中的对复杂目标进行精确覆盖的部署算法。首先将虚拟力算法从二维空间拓展到三维空间,创新地提出了自适应中心引力和目标斥力网的概念,使... 详细信息

为了能够实现在复杂多变的环境中执行对未知目标体的探测任务,提出了一种基于虚拟力的在三维空间中的对复杂目标进行精确覆盖的部署算法。首先将虚拟力算法从二维空间拓展到三维空间,创新地提出了自适应中心引力和目标斥力网的概念,使传感器节点能够根据探测目标形态的不同,自主进行调整部署形态,自适应地覆盖未知目标进行有针对性的探测任务。在仿真试验中,实现了对不同形态的复杂目标进行精确覆盖,并且与传统的虚拟力算法相比,覆盖率和均衡度都有较大提升。因此算法能在针对复杂的未知目标进行探测时,以较小的代价高效地完成探测任务,提出了一个从区域覆盖部署到目标精确覆盖部署的新型的研究方向。

关键词：虚拟力三维部署复杂目标精确覆盖

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基于空中传感网的三维部署研究

基于空中传感网的三维部署研究

作者：李享中北大学

学位级别：硕士

无线传感器网络是一种通过在目标区域部署大量的无线传感器节点对周围的环境或者我们感兴趣的目标进行实时探测，数据采集，信息回传的分布式网络。空中传感网是无线传感器网络中的一种，网络中的无线传感器节点由飞行器进行搭载，从而... 详细信息

无线传感器网络是一种通过在目标区域部署大量的无线传感器节点对周围的环境或者我们感兴趣的目标进行实时探测，数据采集，信息回传的分布式网络。空中传感网是无线传感器网络中的一种，网络中的无线传感器节点由飞行器进行搭载，从而能够主动的调整控制节点群的位置和形态，对空中或地面的区域进行覆盖探测。在网络执行任务中，其节点群的部署形态和位置直接关系到整个网络的性能，因此在无线传感器网络中，其部署算法是整个网络的核心之一。由于空中传感网中一般都是处于三维空间中，而三维空间中的覆盖问题至今都是未解的难题之一，因此对于三维部署算法的研究和分析就显得至关重要。本文对于无线传感器网络的部署算法进行了深入的研究和讨论，对现有的部署算法进行了归纳和总结。在分析其中的利弊后，本文挑选了经典的人工智能算法——虚拟力算法进行改进，针对空中传感网所遇到的情况和问题，提出了三种改进的三维部署算法：三维虚拟力算法（VFA3D）、基于人工势场的三维部署算法（APFA3D）、基于未知目标精确覆盖的三维部署算法（ECA3D）。VFA3D算法是在虚拟力算法（VFA）基础上，将算法从二维平面扩展至三维空间并对虚拟力计算做出适当的调整以适应三维空间部署，力求将算法在三维空间中也能够发挥其本身的优势和特点。该算法是后边两种算法的基础，为后面应对情况更为复杂的空中传感网部署算法指明了方向。APFA3D算法是在认识到采用VFA3D算法应对更为复杂的部署形态时的不足，提出了一种基于人工势场理论与虚拟力算法相结合的三维部署算法。在这两种理论的基础上，算法还提出了基于最低势能区域的路径规划改进和部署完成后的节能策略，延长了网络生存时间，提高了的网络部署效率。ECA3D算法是考虑到对未知的复杂目标进行精确覆盖部署时，以上两种算法均不能达到预期的效果，因此提出了一种针对复杂目标精确覆盖的三维部署算法。该算法创新的提出了目标斥力场与自适应目标引力相结合的方式，使整个网络能够均匀的吸附在探测目标表面，网络具有高效性和一定的普遍适用性。本文通过使用MATLAB平台对三种算法均做了模拟仿真实验，并与其他算法做出了对比，实验结果图和数据曲线可以进一步证明算法的理论分析中的正确性，同时也检验出算法中的一些问题，确定了今后的研究方向。

关键词：空中传感网三维部署虚拟力人工势场精确覆盖

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基于灰狼算法的无人机基站三维空间优化部署

兵器装备工程学报 2021年第7期42卷 185-189页

作者：芦方旭米志超李艾静王海田雨露陆军工程大学通信工程学院南京210007

从最小化用户的接收干扰功率的角度出发,以最大化平均信道容量为优化目标,建立三维空间下无人机基站的覆盖通信模型。针对约束条件相互耦合相互影响的情况,提出一种改进的灰狼算法,在原算法基于个体平面搜索的基础上,实现三维空间条件... 详细信息

从最小化用户的接收干扰功率的角度出发,以最大化平均信道容量为优化目标,建立三维空间下无人机基站的覆盖通信模型。针对约束条件相互耦合相互影响的情况,提出一种改进的灰狼算法,在原算法基于个体平面搜索的基础上,实现三维空间条件下无人机的群体搜索,通过迭代获取全局最优解。通过仿真验证了该算法能有效提升系统的平均信道容量和用户覆盖率。

关键词：无人机基站三维部署多机干扰平均信道容量灰狼算法

应急救援场景下定位锚节点三维模型优化部署方法

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内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） 2014年第2期43卷 180-185页

作者：王文韬北京交通大学电气工程学院北京100044

消防部门在应急救援过程中,及时获取被困人员位置信息十分重要.利用无线传感器网络技术可以实现准确、可靠的定位,其中锚节点部署是定位的基础.为了实现被定位区域的全局定位,增强链路鲁棒性,同时降低部署成本,优化所需锚节点数量,提出... 详细信息

消防部门在应急救援过程中,及时获取被困人员位置信息十分重要.利用无线传感器网络技术可以实现准确、可靠的定位,其中锚节点部署是定位的基础.为了实现被定位区域的全局定位,增强链路鲁棒性,同时降低部署成本,优化所需锚节点数量,提出一种空间全覆盖、网络2-连通的优化部署策略.对常见建筑空间进行几何建模后,将固定部署方法从2维空间拓展至3维场景.建立3维直角坐标系,依据建筑空间模型选取3个投影面,在放置锚节点的投影面上,采用最大化有效覆盖区域的条带部署方法,同时兼顾另外两个投影面的覆盖情况和连通度.最后提出一种覆盖性能评价指标,对条带部署策略与常见部署方法进行了比较,条带部署方法实现了网络2-连通和区域全覆盖,所需的锚节点数为最优.

关键词：无线传感器网络三维部署二连通全覆盖有效覆盖区域