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基于强化学习的无人机基站多播通信系统的飞行路线在线优化

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电子与信息学报 2022年第3期44卷 969-975页

作者：张广驰严雨琳崔苗陈伟张景广东工业大学信息工程学院广州510006 广东省环境地质勘查院广州510080 中国电子科学研究院北京100043

针对无人机(UAV)基站(BS)多播通信系统的通信时延最小化问题,该文提出飞行路线在线优化算法。在该系统中无人机基站向多个地面用户同时发送公共信息,其中每次通信任务中地面用户位置是随机的。为了保证地面用户能够接收完整的公共信息... 详细信息

针对无人机(UAV)基站(BS)多播通信系统的通信时延最小化问题,该文提出飞行路线在线优化算法。在该系统中无人机基站向多个地面用户同时发送公共信息,其中每次通信任务中地面用户位置是随机的。为了保证地面用户能够接收完整的公共信息以及考虑到无人机的能量有限性,该文以最小化无人机基站完成通信任务的平均时间为目标。首先将问题转化成一个马尔可夫决策过程(MDP);然后把通信时延引入到动作价值函数中;最后提出使用Q-Learning算法对无人机飞行路线进行学习和在线优化,从而实现平均通信时延最小化。仿真结果显示,与其他基准方案相比,该文所提方案能够有效地为无人机多播通信系统飞行路线实现在线优化,并有效降低通信任务的完成时间。

关键词：无人机基站飞行路线在线优化强化学习

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无人机基站辅助的内容缓存多目标优化策略

小型微型计算机系统 2023年第5期44卷 1102-1107页

作者：纪洪运沈航白光伟南京工业大学计算机科学与技术学院南京211816

近年来,随着各类视频、短视频平台的快速发展,网络视频流量在全球无线网络总流量中占比日益增长.移动边缘计算通过将用户可能请求的视频内容事先存放于网络边缘节点可以有效降低骨干网负载,提高视频服务的响应速度.另一方面,移动无人机... 详细信息

近年来,随着各类视频、短视频平台的快速发展,网络视频流量在全球无线网络总流量中占比日益增长.移动边缘计算通过将用户可能请求的视频内容事先存放于网络边缘节点可以有效降低骨干网负载,提高视频服务的响应速度.另一方面,移动无人机技术的推广应用为移动边缘计算应用带来了新的机遇.针对短视频等新兴的应用场景,本文提出的视频内容缓存策略(DC-DRL),基于视频文件内容流行度预测,并与无人机基站调度相结合,从边缘服务器的内容缓存策略和无人机的调度等方面进行多因素、多目标的联合优化,以提升边缘节点高速缓存的系统平均缓存命中率.在缓存替换策略方面,使用对时序特征敏感的长短期记忆神经网络进行基于流行度的文件替换;在无人机基站的轨迹优化方面,本文提出的系统模型,结合演员-批评家算法,利用无人机的移动性辅助优化系统平均缓存命中率.最后通过一系列的仿真实验分析验证了上述策略的有效性.

关键词：无人机基站缓存深度强化学习长短期记忆神经网络演员-批评家算法

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基于无人机基站的节能通信部署研究

计算机应用与软件 2022年第5期39卷 153-159页

作者：李莹雪赵继军魏忠诚河北工程大学信息与电气工程学院河北邯郸056038 河北工程大学河北安防信息感知与处理重点实验室河北邯郸056038

为保证用户服务质量(Quality of Service,QoS),针对用户分布不均匀状态,解决无人机基站以最小发射功率覆盖相同数量用户问题,提出一种基于最小包围圆和K-means算法的无人机优化部署方法。利用贪心算法思想将部署问题解耦为垂直和水平放... 详细信息

为保证用户服务质量(Quality of Service,QoS),针对用户分布不均匀状态,解决无人机基站以最小发射功率覆盖相同数量用户问题,提出一种基于最小包围圆和K-means算法的无人机优化部署方法。利用贪心算法思想将部署问题解耦为垂直和水平放置问题,分别通过求解最优性确定无人机基站三维部署位置。利用聚类分析方法构建用户簇,采用最小包围圆思想对无人机基站水平位置进行优化;以最小化通信能耗为目标,建立无人机基站通信模型确定无人机最优飞行高度;联合两种优化方案确定三维部署位置。针对用户不同分布状态对无人机基站发射功率的仿真实验,验证了部署方法的有效性。

关键词：无人机基站应急通信空对地通信三维部署节能服务质量

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应急场景中无人机基站动态组网研究

应急场景中无人机基站动态组网研究

作者：肖涛四川大学

学位级别：硕士

无人机凭借其机动性、灵活性以及更好的信道条件,目前被广泛应用于无线通信服务,如充当空中基站、移动中继和收集传感器数据等。在一些特殊情况如因自然灾害导致一片区域内通信基础设施被破坏时,可以使用无人机充当空中基站临时为该区... 详细信息

无人机凭借其机动性、灵活性以及更好的信道条件,目前被广泛应用于无线通信服务,如充当空中基站、移动中继和收集传感器数据等。在一些特殊情况如因自然灾害导致一片区域内通信基础设施被破坏时,可以使用无人机充当空中基站临时为该区域提供应急通信服务,保证区域受灾群众能够获得无线通信服务。由于无人机数量有限以及受灾群众会移动,相比于用静止不动的无人机进行静态组网,规划合理的无人机基站路径进行动态组网能够提升无人机基站的工作效率,为地面用户提供更好的通信服务。现有的无人机基站动态组网研究中,假设地面用户位置已知并且不会发生改变。然而在实际应急灾区场景中,受灾区域内受灾群众位置信息无法被提前获取,并且受灾群众也会发生移动。此外,现有的研究大多保证了无人机悬停点之间距离超过碰撞半径,无人机在悬停点处不会和其他无人机发生碰撞,却忽略了无人机在飞行过程中发生碰撞的情况。直接部署现有研究的算法至动态灾区环境会出现以下问题:(1)由于地面用户位置未知,无人机需要探索用户位置,最终算法运行结果会收敛到无人机探索过的一小部分区域,得到一个局部最优解。(2)地面用户位置未知,意味着无法提前确定算法的输入维度,现有算法迁移到动态灾区环境困难。(3)现有的算法为集中式部署算法,部署到单个无人机上,无人机需要和其它所有无人机通信获得其余无人机的观测信息,然后计算出每个无人机的悬停点位置,再传递给每一个无人机。负责运行算法的无人机计算压力大、通信压力大,算法延迟高。(4)现有算法忽略无人机在飞行时发生碰撞的情况,可能会导致实际运行时发生碰撞。此外,现有算法仅给出了无人机下一组悬停点,而没有给出无人机在悬停点间迁移的方式,这可能会导致某些无人机迁移的时间过长。针对上述的问题,本文主要的贡献如下:(1)针对单无人机基站动态组网问题,基于深度强化学习提出了算法TD3-SP,该算法中无人机能够利用观察到的局部信息及历史观测信息自主决定最佳飞行路径。(2)针对多无人机基站动态组网问题,本文将其拆分为悬停点选择问题及悬停点间碰撞避免快速部署问题。针对悬停点选择问题,本文提出了算法MASP,该算法分布式执行,降低了无人机的计算压力及通信压力。针对悬停点间碰撞避免快速部署问题,本文提出了一个具有性能保障的近似算法CASTD。(3)为了验证TD3-SP算法及MASP-CASTD算法的有效性,本文在模拟数据集上进行了大量仿真实验,与5个基准算法在多个指标上进行了对比。实验证明了算法的有效性。

关键词：无人机基站动态组网深度强化学习近似算法碰撞避免

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

基于人流密度的毫米波阻挡特性分析及无人机基站与用户高效联合部署

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基于人流密度的毫米波阻挡特性分析及无人机基站与用户高效联合部...

作者：程艺璇西北大学

学位级别：硕士

无人机由于机动灵活等特性使得其可以作为空中基站或飞行移动终端为用户提供无处不在的连接,成为未来移动通信系统的重要组成之一。毫米波有着极宽的传输带宽,并且波束窄、安全保密性好。通过将二者结合,无人机毫米波通信将提供更高速... 详细信息

无人机由于机动灵活等特性使得其可以作为空中基站或飞行移动终端为用户提供无处不在的连接,成为未来移动通信系统的重要组成之一。毫米波有着极宽的传输带宽,并且波束窄、安全保密性好。通过将二者结合,无人机毫米波通信将提供更高速的数据速率服务和更广阔的覆盖范围,具有广泛的应用前景。然而,毫米波信号的视距路径极容易受到障碍物阻挡,特别是移动的人体造成的动态阻挡会对毫米波传输质量产生严重影响。目前的研究着重于随机移动的个体行人对毫米波通信阻挡的影响,然而上述研究情况不适用于在商业步行街及车站等人流密度大的场景。为此本文研究了基于商业步行街中人流移动模型的无人机毫米波阻挡特性,并研究了无人机基站和用户的高性能联合部署。本文主要内容如下:(1)分析和研究了基于人流密度模型的无人机毫米波阻挡特性:首先对于目标用户静止的情况,我们从理论上分析了其阻挡特性,推导出了阻挡概率的闭式解。其次对于行人及目标用户均做运动,导致阻挡区域实时变化的情况,我们基于数值仿真,给出了几种常见场景下的阻挡概率。(2)基于(1)中的结论,研究了无人机基站及目标用户的高效联合部署:首先我们对无人机基站及目标用户的高效联合部署进行了理论分析,得出了毫米波通信阻挡概率仅与无人机和目标用户在人流方向上的投影距离有关这一结论。其次基于上述结论,我们对于多无人机基站不同拓扑结构下的阻挡概率进行了大量的数值仿真对比,通过综合对比,在长方形、直线、之字形这几种最常见的拓扑结构中,发现无人机所构成的形态呈长方形拓扑结构时,阻挡概率最低这一结论。最后对于无人机的各个拓扑结构位置,分析得出了目标用户的高效部署策略,即当用户与无人机之间的链路同人流移动方向平行或近似平行时,阻挡概率最低,用户位置最佳。

关键词：人流密度毫米波通信无人机基站阻挡特性

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无人机隐蔽通信资源分配研究综述

无线电工程 2024年

作者：王正强任昕志万晓榆樊自甫重庆邮电大学通信与信息工程学院

随着无人机在无线通信中的广泛应用，无人机系统中的物理层安全技术研究已成为学术界的研究热点。与传统的地面通信相比，无人机通信具有良好的移动性、按需部署能力和成本较低等优势。然而，无人机在信息传输过程中易受到空对地视距通... 详细信息

随着无人机在无线通信中的广泛应用，无人机系统中的物理层安全技术研究已成为学术界的研究热点。与传统的地面通信相比，无人机通信具有良好的移动性、按需部署能力和成本较低等优势。然而，无人机在信息传输过程中易受到空对地视距通信链路广播特性带来的安全威胁。与防止窃听的加密和物理层安全技术相比，隐蔽通信的目的是隐藏信息传输的存在，以提供更好的保密性和安全保护。通过对相关文献的梳理，从5个方面概述了无人机系统隐蔽通信资源分配研究现状，包括无人机基站的资源分配、无人机中继系统的资源分配、无人机监察者的资源分配、无人机协作干扰的资源分配和智能反射面增强的无人机通信资源分配。最后，总结了当前研究中存在的主要问题，并展望了无人机隐蔽通信系统未来的研究趋势。

关键词：隐蔽通信资源分配无人机基站无人机中继协作干扰

基于种群动态分群策略的改进遗传算法无人机基站调度优化算法

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信息工程大学学报 2022年第2期23卷 245-252页

作者：李朋曹江庞维建罗一淳军事科学院北京100091 32272部队甘肃兰州730000

面向构建应急通信网络中的无人机基站调度问题,提出一种基于种群动态分群策略的改进遗传算法,以实现无人机基站快速灵活调度。针对传统遗传算法性能对初始种群质量依赖性较强的问题,设计基于约束条件筛选的初始种群随机生成方法;针对传... 详细信息

面向构建应急通信网络中的无人机基站调度问题,提出一种基于种群动态分群策略的改进遗传算法,以实现无人机基站快速灵活调度。针对传统遗传算法性能对初始种群质量依赖性较强的问题,设计基于约束条件筛选的初始种群随机生成方法;针对传统遗传算法收敛速度较慢且当初始种群过度聚集容易陷入局部最优解的问题,提出种群进化动态分群策略,按适应度将种群划分为两个子种群,并分别设计动态交叉及变异概率。仿真实验结果表明,改进后的遗传算法收敛速度和全局寻优能力都有显著提高。

关键词：遗传算法动态分群无人机基站应急通信调度算法

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城市灾区无人机基站部署优化

河南科学 2023年第5期41卷 763-773页

作者：杨振杨喜敏唐菀曾广平刘智扬中南民族大学计算机科学学院武汉430074 国家民委信息物理融合智能计算重点实验室武汉430074

通过优化无人机基站(UAV-BS)三维空间部署位置,以最小化满足通信需求的UAV-BS部署数量.针对城市灾区中UAV-BS的部署优化方法较少考虑到建筑的具体形状及位置对通信影响情况,在构建一个建筑物对UAV-BS视距(LoS)链路的遮挡模型的基础上,... 详细信息

通过优化无人机基站(UAV-BS)三维空间部署位置,以最小化满足通信需求的UAV-BS部署数量.针对城市灾区中UAV-BS的部署优化方法较少考虑到建筑的具体形状及位置对通信影响情况,在构建一个建筑物对UAV-BS视距(LoS)链路的遮挡模型的基础上,提出一种UAV-BS部署算法——PSO-PPGE.该算法首先采用粒子群算法(PSO)在目标区域搜索全局部署方案,然后基于相邻UAV-BS部署间的势博弈关系,根据遮挡信息及UAV-BS负载制定博弈策略,局部调整每个粒子中的UAV-BS位置,以提高UAV-BS的用户覆盖率,进而确定所需UAV-BS的最小数量.仿真结果表明,所提出的算法与PGE、PSO等优化算法相比,在最小化UAV-BS数量同时最大化用户覆盖率方面具有明显优势.

关键词：无人机基站部署优化粒子群算法势博弈建筑遮挡