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移动传感网分布式连通按需覆盖部署方法

计算机应用 2017年第9期37卷 2463-2469页

作者：毛凌楚赵海涛国防科学技术大学电子科学与工程学院长沙410073

针对移动传感器网络监测区域中目标覆盖所需传感器数不同且各目标之间没有形成通路的问题,提出了通过虚拟力方法实现对不同目标的按需覆盖方法。根据不同目标的覆盖需求设置对传感器节点的基于万有引力的吸引力、节点之间基于库仑力的... 详细信息

针对移动传感器网络监测区域中目标覆盖所需传感器数不同且各目标之间没有形成通路的问题,提出了通过虚拟力方法实现对不同目标的按需覆盖方法。根据不同目标的覆盖需求设置对传感器节点的基于万有引力的吸引力、节点之间基于库仑力的斥力以及目标之间的引力线,节点在虚拟合力的引导下覆盖目标或连接成通路。仿真结果显示所提方法与已有代表性算法相比收敛时间短,节点移动公平性高达99%,且GPS误差的影响能够控制在1%以下,可实现稀疏或密集初始条件下按需覆盖的分布式快速部署。

关键词：移动传感网按需覆盖虚拟力引力线

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无人机自组网按需覆盖与通信优化技术研究

无人机自组网按需覆盖与通信优化技术研究

作者：毛凌楚国防科技大学

学位级别：硕士

由于无人机的飞行特性,将无人机作为空中基站来为地面用户提供按需覆盖的通信支持会成为研究的热点方向,特别是在临时需求的任务,例如灾后救援网络,热点区域覆盖和军事行动中有着重要作用。在许多应用中,无人机相互连接以组成一个无人... 详细信息

由于无人机的飞行特性,将无人机作为空中基站来为地面用户提供按需覆盖的通信支持会成为研究的热点方向,特别是在临时需求的任务,例如灾后救援网络,热点区域覆盖和军事行动中有着重要作用。在许多应用中,无人机相互连接以组成一个无人机自组网,其中一项富有挑战性的工作就是如何部署无人机群以完成按需覆盖,同时还能够保持无人机自组网的连通性。针对这一问题,本文首先研究了无人机自组网的按需覆盖问题,之后提出了一种用户接入策略来实现无人机基站之间的负载均衡。此外,本文还研究了如何优化网络通信量以减少无人机之间非必要的通信。首先,本文提出了一种基于虚拟力场的无人机网络按需覆盖部署方法。虚拟力场由三种虚拟力构成:(1)来自目标区域的引力,该引力吸引无人机向目标区域移动,将不同目标区域周围的无人机聚集并连接在一起;(2)无人机之间的排斥力,无人机之间的距离小于它们的最佳距离时,它们之间产生排斥力使彼此远离以防止无人机对区域的重复覆盖;(3)两目标区域之间连线(引力线)所产生的垂直指向该连线的引力,这一引力将吸引无人机在不同目标区域的无人机集群之间形成多跳的连接。每个无人机都将完全分布式地根据虚拟力场来移动到何时的位置。经过实验验证,这一方法部署结果理想,收敛时间短,网络中各无人机的移动公平性高,且可以容忍GPS误差。其次,本文分析了空域中的用户流量,并进一步改进了基于虚拟力的部署方法。改进的方法在原来的基础上考虑了用户的影响和无人机基站之间的负载均衡。接下来本文提出了一种新的用户接入策略,此策略促使用户优先接入可用范围内已连接用户数最少的无人机基站。仿真实验比较了本文提出的用户接入策略和传统的最大信干噪比接入策略,说明了本文策略的有效性。最后,本文研究了网络流量的优化,同时还在多智能体决策模型的基础上研究了一种减少无人机之间通信量方法。本文在多智能体决策模型中对两个智能体和多个智能体的情况进行了实验。与不通信和全通信策略相比,本文的方法可以在仅牺牲少量性能的情况下大幅减少通信量。本文的研究结果对减少网络通信量提供了很好的机制与方法。

关键词：无人机基站按需覆盖虚拟力算法用户接入策略通信量优化

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5G特性在智慧矿山中的应用研究

工矿自动化 2022年第10期48卷 136-141页

作者：刘昕付元李晨鑫北京天地融创科技股份有限公司北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013

目前智慧矿山5G建设主要针对矿用5G的宏观技术发展方向、测试方法和特定应用场景展开研究,缺乏对智慧矿山5G各类应用场景特点的全面梳理。针对该问题,归纳了智慧矿山5G应用场景类型,梳理了主要应用场景的通信需求,指出传感器信息回传类... 详细信息

目前智慧矿山5G建设主要针对矿用5G的宏观技术发展方向、测试方法和特定应用场景展开研究,缺乏对智慧矿山5G各类应用场景特点的全面梳理。针对该问题,归纳了智慧矿山5G应用场景类型,梳理了主要应用场景的通信需求,指出传感器信息回传类应用具有广覆盖需求、视频信息采集和回传类应用具有上行大带宽传输需求、实时控制信息交互类应用具有下行低时延传输需求、自动驾驶信息采集和回传类应用具有上行大带宽和下行低时延共存的差异化传输需求。针对智慧矿山5G应用的环境特点和技术要求,提出了核心网+承载网+接入网的矿用5G网络总体架构:(1)核心网通过用户平面功能(UPF)和多接入边缘计算(MEC)下沉,实现矿山5G独立组网、独立运行。(2)承载网中的信息安全模块用于数据安全审计监测和传输控制,实现井上下数据安全隔离;网络切片和服务质量(QoS)管理模块用于对不同业务进行信道划分和隔离,实现多业务共存信道隔离,保障传输性能。(3)接入网采用基站控制器+基站汇集器+基站+终端的方式,实现5G信号分区、按需覆盖。根据上述架构,提出了面向智慧矿山多样化应用需求的5G关键技术方案:(1)采用网络切片技术将矿山5G网络划分为传感器切片、视频回传类切片、实时控制类切片、远程控制类切片,结合传输业务的QoS指标,将业务数据映射到不同的切片资源上进行传输,实现5G网络传输的按需分配。(2)通过灵活空中接口调度机制满足无线资源按需调度,即大带宽业务采用资源请求-业务缓存报告资源分配-业务缓存-数据传输资源分配的空口资源调度方式,保障上行传输带宽,低时延业务采用预留的专用空口资源进行传输,保证下行传输低时延。(3)当单一频段无法满足上行传输需求时,通过载波聚合技术将多个连续或非连续的载波聚合成更大的带宽,有效支撑矿山5G的大带宽传输需求。

关键词：智慧矿山矿用5G 网络切片上行大带宽下行低时延 QoS 按需覆盖载波聚合

无人机辅助网络的分布式用户关联及无人机部署算法研究

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无人机辅助网络的分布式用户关联及无人机部署算法研究

作者：刘帅西安电子科技大学

学位级别：硕士

由于无人机灵活的飞行特性,将多无人机部署为空中基站并构建机载无线网络系统以在救灾、体育赛事等临时场景中为地面设备提供网络服务具有很大的研究价值。目前大多数的多无人机辅助组网技术主要为集中式的方式,面对日益复杂的应用场景... 详细信息

由于无人机灵活的飞行特性,将多无人机部署为空中基站并构建机载无线网络系统以在救灾、体育赛事等临时场景中为地面设备提供网络服务具有很大的研究价值。目前大多数的多无人机辅助组网技术主要为集中式的方式,面对日益复杂的应用场景和任务需求,集中式的部署方法对于通信条件的要求越来越高并且存在单点故障问题,因此为了将无人机组网技术应用于大规模复杂场景中,需要设计在分布式环境下按需部署无人机的技术,实现无人机集群的自适应部署。本研究深入的调研和分析了多无人机辅助组网部署技术的现状,为了能够建立起稳定、高速、具有动态适应性的无人机机载网络,本研究从多机用户关联和多无人机部署算法两方面展开了研究。多机用户关联主要通过设计面向资源按需分配的分布式用户关联算法,实现无人机和地面设备之间的关联以及机载网络资源的分配。同时,针对无人机集群的按需部署算法展开研究,通过设计分布式自适应的无人机部署算法,在动态环境中实现无人机集群的自适应按需部署,以提高组网算法在高移动性场景中的适应能力和部署效果。以下几点是本研究的主要成果:(1)提出了多维度效用函数和面向资源按需分配的分布式用户关联算法,通过效用函数从负载均衡、传输时延、传输速率等多个维度对每个地面设备发出的任务进行评估,并通过无人机之间的协同交互在局部范围内通过竞价的方式完成所有任务的最优分配,进而完成地面设备与无人机之间的关联。(2)提出了面向用户分布的分布式无人机按需部署算法,以在线的形式优化无人机的部署。通过无人机对地面设备的感知建立集群外部虚拟力场控制无人机实现按需部署,并通过无人机之间的局部交互建立起集群内部的虚拟力场避免无人机之间的避撞,同时保证无人机网络整体的连通性。(3)通过设计多种多无人机辅助组网的仿真场景,并与其他先进的分布式无人机辅助组网部署算法进行了比较,实验结果证明了本文提出的分布式多无人机部署算法的高效性、稳定性以及自适应性。

关键词：无人机集群无人机机载网络按需覆盖部署算法

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无人机骨干网分布式组网及接入选择算法

计算机学报 2019年第2期42卷 351-367页

作者：吴炜钰赵海涛王海军王玲魏急波湖南大学电气与信息工程学院长沙410082 国防科技大学电子科学学院长沙410073

用无人机充当空中基站并组成骨干网为地面用户提供通信服务,在临时大型活动、抗震救灾、应急通信等方面有广阔应用前景.在无人机骨干网研究中有两个重要问题:一是如何对无人机集群进行合理部署,使其能够在对地面用户进行覆盖的同时维持... 详细信息

用无人机充当空中基站并组成骨干网为地面用户提供通信服务,在临时大型活动、抗震救灾、应急通信等方面有广阔应用前景.在无人机骨干网研究中有两个重要问题:一是如何对无人机集群进行合理部署,使其能够在对地面用户进行覆盖的同时维持骨干网的连通性;二是如何引导用户进行合适的接入选择,该选择既能使用户接入无人机骨干网后满足通信需求,又能最大化网络的负载均衡和接入成功率.为此,该文提出无人机骨干网分布式组网以及接入选择算法.部署算法通过感知地面用户,在虚拟力牵引下实现按需覆盖并维持稳定的双连接拓扑结构,同时还能记录无人机的最终位置和运动轨迹;接入选择算法分别侧重于信干噪比和无人机接入度数(负载数),提出三种无人机网络接入选择算法:最大信干噪比接入、满足信干噪比的随机接入以及满足信干噪比的最小度数接入,旨在最大化网络负载均衡和接入成功率.该算法在仿真实验中得到了验证,在双连接、按需覆盖之上更提高了网络整体性能.部署算法适用于用户和无人机聚集或分散、动态用户以及障碍等场景,且静态部署时间平均不超过300s;三种接入选择方法都收获了不小于78%的接入公平性以及92%以上的接入成功率,其中最小度数接入方法以额外的交互代价换取了86%以上的接入公平性和95%以上的接入率.

关键词：无人机骨干网按需覆盖双连接接入选择

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无人机空中基站的覆盖部署方法研究

无人机空中基站的覆盖部署方法研究

作者：王花西安理工大学

学位级别：硕士

由于无人机有成本低、机动性高、容易操作的优点,搭载微型基站可以作为空中基站,在不同应急环境中为地面用户提供通信服务。无人机基站不仅可以在热点区域为地面基站业务分流,提高接入率;而且可以满足快速恢复受灾区域通信的需求。单个... 详细信息

由于无人机有成本低、机动性高、容易操作的优点,搭载微型基站可以作为空中基站,在不同应急环境中为地面用户提供通信服务。无人机基站不仅可以在热点区域为地面基站业务分流,提高接入率;而且可以满足快速恢复受灾区域通信的需求。单个无人机基站的覆盖范围、功率受限,多无人机基站合作可以为更大范围和更多用户提供服务。本文主要研究在灾难救援和临时突发热点事件两种情况下,多无人机基站的覆盖部署方法。本文的研究内容如下:(1)针对无人机基站与地面用户通信时的空对地信道模型,本文首先研究了无人机基站覆盖半径与高度对无人机基站部署性能的影响,从而指导后期的无人机基站部署工作。(2)本文讨论了在灾难救援场景下,随机部署一定数量的无人机基站,以全覆盖为目标,提出了基于相对距离的无人机基站网络覆盖方法。无人机基站通过感知三种相对距离,无须中央控制,组成基站网络并对任务区域进行区域覆盖。仿真结果表明,此方法的覆盖率比随机部署提高了 22.4%,比同类VFON算法,CBS算法,HLVFA算法分别提高了 9.9%,4.7%,2.1%。(3)本文讨论了临时突发热点事件发生时,在考虑用户负载能力的基础上,为了使功率最小化,提出了基于循环k-means的无人机基站三维部署方法。与地面基站不同的是,此方法涉及到每个无人机基站的高度部署。最终得到服务地面所有用户所需无人机的数目与三维位置。仿真结果表明,本文提出的循环k-means方法可以适应于不同用户分布,并比现有的分治方法减少了所需无人机数目,其次充分利用了每个无人机基站的能量。综上所述,本文研究了不同应急场景下无人机基站的覆盖和部署策略,为无人机基站的三维部署具有指导意义。

关键词：无人机空中基站动态网络按需覆盖三维部署

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无人机空中骨干网分布式组网与接入技术研究

无人机空中骨干网分布式组网与接入技术研究

作者：吴炜钰湖南大学

学位级别：硕士

用无人机充当空中基站并组成骨干网为地面用户提供通信服务,在临时大型活动、抗震救灾、应急通信等方面有广阔应用前景。分布式无人机骨干网研究中有两个重要问题:一是无人机集群如何自动飞到合适位置,使其能够在对地面用户进行按需覆... 详细信息

用无人机充当空中基站并组成骨干网为地面用户提供通信服务,在临时大型活动、抗震救灾、应急通信等方面有广阔应用前景。分布式无人机骨干网研究中有两个重要问题:一是无人机集群如何自动飞到合适位置,使其能够在对地面用户进行按需覆盖的同时维持骨干网的连通性;二是如何将有限的信道资源进行合理分配,同时降低无人机之间的干扰程度,从而提高骨干网的总吞吐量并减少数据包的丢失。为此,本文主要围绕分布式无人机骨干网部署算法以及接入技术展开研究,根据实际的网络环境,例如地面用户密度、无人机移动性、能量受限等,采用基于虚拟力的按需覆盖部署算法,同时采用基于定向天线的多信道接入技术。具体工作包括:首先,针对无人机骨干网对地面用户的按需覆盖以及对用户服务质量和网络负载公平的要求,提出了一种基于虚拟力的部署算法,无人机通过感知地面用户,在虚拟力牵引下实现按需覆盖并维持稳定的双连接拓扑结构,同时能够记录无人机的最终位置和运动轨迹。另外,在此基础上,分别侧重于信干噪比和无人机接入度数(负载数),提出了三种用户接入选择方案。该接入选择方案旨在最大化网络负载均衡和用户接入成功率,将接入选择权交予用户,用户通过接入选择算法保证通信质量。接着,针对分布式虚拟力部署算法的适用性问题,提出了补充无人机的联合部署以及对另一种集中式部署算法的联合优化。首先,当已完成部署的无人机骨干网或传统基站蜂窝网中有新用户加入,可能出现覆盖盲区,本文提出了基于虚拟力的补充部署方案,并辅以穿插飞行算法,实现地面盲区的补充覆盖,并与原骨干网连通融合。另外,针对另一种集中式部署结果,本文利用基于虚拟力的分布式部署方案对其进行优化,引导无人机调整覆盖区域,实现最少无人机数目的按需覆盖。最后,以扩大无人机骨干网信道容量并减少数据冲突为目标,提出了基于定向天线的多信道接入技术。定向天线可高增益集中传输,减少干扰的同时扩大传输范围,与多信道频分思想结合,适用于高密度无人机网络的并行传输。源无人机定向发送轮询RTS通知目的无人机,接收端进行信道及波束决策,同时将传统全向NAV加工为定向NAV。从频率角度划分子信道,再从空间角度复用多波束。相比于单信道和全向天线的MAC协议,本文协议充分提高了共享资源的利用率,增大了网络的数据吞吐量,减少了自组织网络中个别无人机长期饥饿的现象。

关键词：按需覆盖虚拟力部署双连接定向天线多信道