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面向空地网络的负载均衡路由协议研究

面向空地网络的负载均衡路由协议研究

作者：王晓红西安电子科技大学

学位级别：硕士

在突发的自然灾害和公共事件面前,地面通信设施可能被损毁,无法满足应急场景下的通信需求,因此需要设计一种能与常规通信系统相融合的应急网络。空地一体化网络依靠临近空间平台,能够实现快速灵活部署与组网,成为构建应急通信网络的最... 详细信息

在突发的自然灾害和公共事件面前,地面通信设施可能被损毁,无法满足应急场景下的通信需求,因此需要设计一种能与常规通信系统相融合的应急网络。空地一体化网络依靠临近空间平台,能够实现快速灵活部署与组网,成为构建应急通信网络的最佳选择。一般情况下,临近空间平台飞行器布置于地面和卫星难以覆盖的区域,用于偏远地带的通信;应急时,将平台部署或移动到灾区上空,补充或替代地面通信系统的服务。为使临近空间网络和地面设备无缝连接,需要解决空间设备与地面设备之间可能的网络拥塞和瓶颈,其中高效可靠的负载均衡路由协议是组建空地网络的重要技术内容之一。由于现有的路由方法主要基于ad hoc单层网络,且网络中的链路以及节点的特性相似,而空地网络链路状态与节点的负载各不相同,需要提出一种新的路由策略支持空地一体化网络。本文将围绕空地网络通信中负载均衡的路由策略展开研究。主要开展了以下两方面的工作:首先,现有的权值度量方法主要针对无线Mesh网络,仅仅考虑了链路的状态信息,没有考虑节点的负载信息。但是,空地网络中各个节点所承载的数据量不同,需要考虑节点的负载信息。本文针对空地网络链路节点的特点,对预期传输时延ETT权值度量进行了改进,提出了一种基于链路状态和节点负载的权值度量方法,并借助此权值度量方法将双层结构网络扁平化看待,便于设计实施路由策略。其次,本文在总结了现有的ad hoc网络以及空地网络路由设计方法基础上,将蚁群算法引入到OLSR路由决策之中,提出了一种基于蚁群优化的负载均衡路由算法。该算法在进行路由决策时考虑了链路时延、丢包率、带宽、链路稳定性、MAC层缓存排队时延等性能参数。同时,为了达到根据链路状态来调节信息素挥发速度的目的,本文将链路稳定性加入到蚁群算法的信息素挥发率的计算之中。研究结果表明本文所提的路由策略能实时感知网络链路以及节点负载变化,并能根据变化调整所选的路由路径,有效降低丢包率以及端到端时延。论文结果为空地一体化网络的负载均衡路由协议在未来的实际应用提供了强有力的支撑。

关键词：空地网络应急通信权值度量负载均衡路由

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面向空地网络的联邦学习分布式激励机制研究

面向空地网络的联邦学习分布式激励机制研究

作者：廉思嘉西安电子科技大学

学位级别：硕士

空地网络作为未来网络的发展趋势,融合了空中网络与地面网络的多重优势,有望通过跨域互联来提供无处不在的网络连接。无人机作为空地网络中的重要角色,借助其高灵活性和部署方便的特点,可以有效扩大网络服务的覆盖范围并提高服务质量。... 详细信息

空地网络作为未来网络的发展趋势,融合了空中网络与地面网络的多重优势,有望通过跨域互联来提供无处不在的网络连接。无人机作为空地网络中的重要角色,借助其高灵活性和部署方便的特点,可以有效扩大网络服务的覆盖范围并提高服务质量。但与此同时,也给动态网络协调造成了相当大的压力。数字孪生通过映射和学习复杂的网络拓扑,提供了一种在线进行实时资源分配的解决方案。然而,无人机的机载能量有限和计算能力不足,使得在空中建立数字孪生十分困难。联邦学习作为机器学习的分布式范式,可以有效降低无人机的计算负担,从而解决数字孪生难以建立的问题。但前提是需要激励机制来维持高性能地面设备的长期参与。然而由于地面设备的数据私有化以及无人机的能量限制,设计适用的联邦学习激励机制仍充满挑战。为应对上述挑战,在数字孪生赋能的空地网络中,本文针对单任务和多任务场景分别设计了两种联邦学习分布式激励机制。具体工作如下:(1)本文提出了一种轻量级数字孪生赋能的空地网络架构,其中数字孪生的建模任务基于联邦学习分配给不同的地面设备。地面设备作为客户端并行地进行模型训练,数字孪生作为聚合者构建全局模型。(2)针对单任务场景,本文提出了一种基于Stackelberg博弈的轻量级DT分布式激励机制,在时延约束下激励客户端在每轮全局更新中贡献更高的本地精度和计算资源。考虑到激励可能带来的计算负担和数据泄露,机制内设计了一种基于Stackelberg博弈的双层迭代算法。该算法允许客户端在本地并行地计算训练方案的最优解,如分配的计算资源和预期达到的本地精度,同时聚合者只需更新对每个客户端的奖励。仿真结果显示了所提出的机制在学习效率和节约能源方面的有效性。(3)针对多任务场景,本文提出了一种基于拍卖与组合多臂老虎机的未知用户分布式激励机制,在不涉及隐私信息的情况下激励未知客户端参与训练。为降低数据泄露风险与计算复杂度,该机制允许每个聚合者独立地进行本地拍卖。为在预算约束下评估并选取高学习质量的客户端,机制内提出了一种基于组合多臂老虎机的动态招募算法。理论分析和仿真结果显示出所提出的机制满足个体理性、真实性、预算平衡和计算效率等理想性能,并且表明了在模型精度以及节能方面的有效性。

关键词：空地网络数字孪生联邦学习分布式激励 Stackelberg博弈与拍卖

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空地网络中空中节点自主寻径策略

计算机与现代化 2016年第11期 90-94页

作者：刘秉瑞刘经纬鄢楚平华北计算技术研究所北京100083

通过无人机平台搭载空中无线网络通信节点设备来构建空地网络可以克服地形条件束缚,提高全网沟通效率并拓展网络服务范围。而空中节点如何智能地、高效地完成任务动作是研究难点。以一个空中节点与若干个地面节点为研究模型,本文提出一... 详细信息

通过无人机平台搭载空中无线网络通信节点设备来构建空地网络可以克服地形条件束缚,提高全网沟通效率并拓展网络服务范围。而空中节点如何智能地、高效地完成任务动作是研究难点。以一个空中节点与若干个地面节点为研究模型,本文提出一种空中节点自主寻径策略:空中节点以自主方式在目标区域上空对多个可能的空中悬停点进行对比并从中选择最佳空中悬停点。研究与实验结果表明:该策略能够使空中节点自主完成空中悬停点选择,可快速实现对地面的网络通信覆盖;同时,该算法的计算复杂度不高,满足空中节点低能耗的任务要求。

关键词：空地网络空中节点地面节点自主寻径策略

基于多智能体强化学习的空地网络抗干扰传输方法研究

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移动通信 2024年第1期48卷 71-78页

作者：廖程建刘思懿赵晨羽张果侯宏伟朱瀚然夏晓晨许魁陆军工程大学通信工程学院江苏南京210007

提出了一种基于多智能体强化学习的抗干扰传输算法,旨在抵御空地一体化网络中的功率干扰,使所有用户的可达速率之和最大化。将优化问题转化为部分可观察马尔可夫决策过程问题,采用了集中式训练和分布式执行框架。在集中式训练过程中,每... 详细信息

提出了一种基于多智能体强化学习的抗干扰传输算法,旨在抵御空地一体化网络中的功率干扰,使所有用户的可达速率之和最大化。将优化问题转化为部分可观察马尔可夫决策过程问题,采用了集中式训练和分布式执行框架。在集中式训练过程中,每个智能体与环境交互获得的经验存储在经验回放池中,用于训练演员-评论员网络。在分布式执行过程中,每架无人机使用经过训练的演员网络根据观测结果输出动作,并调整其飞行位置和传输功率以提供联合服务。采用基于剪切和计数的改进近端策略优化算法来更新演员-评论员网络参数,使其在复杂的多智能体环境中更加有效。仿真结果表明,所提算法相较于对比算法具有更快的收敛速度,且在相同干扰条件下,所提算法比对比算法获取的用户可达和速率提升约68.9%。

关键词：多智能体强化学习空地网络抗干扰

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飞机增雨作业的空地网络一体化平台

广东气象 2019年第2期41卷 49-52页

作者：游积平郑凯谢维斯陆立凡苏俞先钟晨广东省突发事件预警信息发布中心广东广州510640 广东省气象公共服务中心广东广州510640

利用目前国内先进的无线通信技术,通过多进多出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)调制方式以及自组网(MESH)等技术,结合地面的有线互联网通信和地面中继,构建广东省飞机增雨空地网络一体化的作业平台,融合视频、语音以及网络通信等功能,实现... 详细信息

利用目前国内先进的无线通信技术,通过多进多出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)调制方式以及自组网(MESH)等技术,结合地面的有线互联网通信和地面中继,构建广东省飞机增雨空地网络一体化的作业平台,融合视频、语音以及网络通信等功能,实现作业飞机与地面之间的多媒体通信和空中移动办公。

关键词：应用气象飞机增雨空地网络一体化平台移动办公

无线电地图辅助的多无人机部署与用户关联离线规划方法

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电讯技术 2024年第8期64卷 1249-1256页

作者：万诺天王雨榕张恬宁马骋乾夏晓晨许魁中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院南京210007 中国人民解放军31155部队南京210042

构建基于无人机基站(Unmanned Aerial Vehicle Base Station, UBS)的空地网络是解决移动通信网络覆盖等问题的重要途径。区别于地面移动通信网络,空地网络需要对UBS位置和用户关联进行联合优化。针对上述问题,首先通过构建二进制无线电... 详细信息

构建基于无人机基站(Unmanned Aerial Vehicle Base Station, UBS)的空地网络是解决移动通信网络覆盖等问题的重要途径。区别于地面移动通信网络,空地网络需要对UBS位置和用户关联进行联合优化。针对上述问题,首先通过构建二进制无线电地图(Binary Radio Map, BRM)使得UBS能够有效获取整个任务区域中用户位置关联的信道知识,在此基础上提出基于BRM的离线多UBS部署与用户关联联合规划方法。该方法以最大化网络效用函数为目标,通过互嵌套的启发式UBS部署位置搜索和基于匹配博弈的UBS-用户匹配实现UBS位置和用户关联的离线优化。在复杂城市环境下,相比于参考方案,所提方法可使得用户和速率性能提升10%~40%。

关键词：空地网络无人机基站部署用户关联二进制无线电地图

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空中智能组网节点硬件平台技术研究

科学家 2016年第5期4卷 53-55页

作者：周丹刘经纬华北计算技术研究所

无人机通过搭载空中智能节点可以实现自主飞行.文章详细分析了空中智能节点硬件平台应具备的功能与设计要求,并给出了完整的技术方案.该方案已经在多次的空地点对点通信实验、空地多点组网实验与自主飞行实验中得到验证.

关键词：无人机空地网络空中智能节点硬件平台