[發(fā)明專利]一種基于多峰優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910875501.7
• 申請(qǐng)日: 2019-09-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110650039B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林娜;付璐煒;郜峰;趙亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L41/14
• 分類號(hào): H04L41/14;H04L41/147;H04L67/12;H04B7/185;H04L45/00;H04W4/40
• 代理公司: 沈陽(yáng)維特專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

1.一種基于多峰優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型，其特征在于，該模型通過(guò)對(duì)地面車輛分布情況的預(yù)測(cè)、地面各個(gè)位置對(duì)無(wú)人機(jī)輔助需求程度的評(píng)估、多峰優(yōu)化得到無(wú)人機(jī)最佳分布方案這三個(gè)過(guò)程組成；

具體的步驟如下：

步驟1：定義協(xié)同通信模型架構(gòu)；

步驟2：預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻車輛位置；

步驟3：以評(píng)估模型計(jì)算任意位置對(duì)無(wú)人機(jī)的需求程度；

步驟4：執(zhí)行多峰游牧算法求解；

步驟5：調(diào)度多架無(wú)人機(jī)前往目的地進(jìn)行通信；按照步驟1定義的結(jié)構(gòu)和整體流程，調(diào)用步驟2、步驟3、步驟4，循環(huán)執(zhí)行直至人為終止系統(tǒng)；

所述步驟3考慮了城市車輛網(wǎng)絡(luò)中的三種情景：孤島車輛節(jié)點(diǎn)、非視距通信、負(fù)載均衡，三種需求組成了多目標(biāo)評(píng)估函數(shù)：

f(x)＝c₁·f₁(x)+c₂·f₂(x)+c₃·f₁(x) 公式(6)

其中x是一個(gè)待評(píng)估位置，f(·)是評(píng)估函數(shù)，f₁,f₂和f₃是三個(gè)子評(píng)估函數(shù)用以評(píng)估以上三種情景，所有函數(shù)的值域都是(0,1)，越大意味著越需要無(wú)人機(jī)，c是各種情景對(duì)最終評(píng)估值的權(quán)重，權(quán)重之和為1；

所述步驟4多峰游牧算法由牧民放牧，斥候探索、遷徙決策三個(gè)部分組成；

所述遷徙決策的具體內(nèi)容為：

多個(gè)部落同時(shí)活動(dòng)在搜索空間，應(yīng)避免闖入其他部落領(lǐng)地；當(dāng)牧民或斥候發(fā)現(xiàn)了適應(yīng)度更好的地方但過(guò)于接近其他部落，則不進(jìn)行遷徙；采用歐式距離比較：

d_i,j＝||X_i-X_j||₂ 公式(15)

以d_i,j表示兩個(gè)位置X_i和X_j直之間的距離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型，其特征在于，所述步驟1的具體內(nèi)容為：該系統(tǒng)中，所有車輛和無(wú)人機(jī)作為SDN架構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，裝有車載單元Onboard Unit，OBU可收集自身的運(yùn)動(dòng)信息、與其他裝有OBU的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，MAC層協(xié)議為車聯(lián)網(wǎng)通用的802.11p協(xié)議；城市中分布的路側(cè)單元與基站組成SDN控制層的控制器，所有車輛定期向附近的控制器匯報(bào)自己的位置信息；應(yīng)用層面向用戶，根據(jù)用戶需求控制整個(gè)系統(tǒng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型，其特征在于，所述步驟2預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻車輛位置，其計(jì)算方式如下：

其中是一個(gè)向量表示一輛車在t_n+1時(shí)間片的預(yù)測(cè)位置，x(t_n)則是該車在t_n時(shí)間片的真實(shí)位置，Δx(t_n-1)表示第t_n-1時(shí)間片里車輛的位置變化，是對(duì)t_n時(shí)間片內(nèi)車輛位置變化的矯正因子，這兩個(gè)參數(shù)由過(guò)去幾個(gè)時(shí)間片的車輛軌跡決定，計(jì)算如下：

Δx(t_n-1)＝x(t_n)-x(t_n-1) 公式(2)

考慮到時(shí)間相隔較久遠(yuǎn)的軌跡影響較小，之前第i個(gè)時(shí)間片車輛變化的權(quán)重ω_i應(yīng)滿足即權(quán)重之和為1，但越久遠(yuǎn)的軌跡權(quán)重越低，即下式：

∑ω_i＝1 公式(4)

ω_i+1ω_i 公式(5)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型，其特征在于，三種情景的評(píng)估模型如下：

A.孤島車輛

在適當(dāng)位置部署無(wú)人機(jī)可以作為中繼節(jié)點(diǎn)，使得離群車輛可以與其他車輛相連接入網(wǎng)絡(luò)，考慮到聚集的多輛車不需要中繼、遠(yuǎn)離飛機(jī)的車輛有較大可能隨后駛出無(wú)人機(jī)覆蓋范圍，評(píng)估一個(gè)位置是否有助于孤島節(jié)點(diǎn)通信的計(jì)算過(guò)程如下：

n是無(wú)人機(jī)在待評(píng)估位置x可覆蓋的車輛數(shù)，是這些車輛的平均位置，X_i代表第i輛車的位置；‖·‖₂算子代表求2范式，可視為節(jié)點(diǎn)的歐幾里得距離；R_d是無(wú)人機(jī)的通信半徑，用來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化；根據(jù)上述公式，對(duì)于一個(gè)待評(píng)估位置，附近的車輛距該位置越近、且車輛之間越離散，則評(píng)估函數(shù)適應(yīng)度值越高，即越適合無(wú)人機(jī)中繼部署；

B.非視距通信

當(dāng)路口車輛與相鄰街道的車輛通信時(shí)，信號(hào)需繞過(guò)或穿過(guò)建筑，此時(shí)雖然兩車處于各自通信范圍內(nèi)，但通信鏈路質(zhì)量嚴(yán)重受損難以維持通信，而無(wú)人機(jī)的活動(dòng)在高空，移動(dòng)和通信都不受限制，可不受阻隔地建立鏈路輔助地面車輛非視距通信；對(duì)于該情景的評(píng)估如下：

l_x是該位置距最近的路口的距離，如果該距離超出無(wú)人機(jī)通信半徑，則無(wú)人機(jī)只能覆蓋自己所在的街道，而該街道上的車輛互相通信不受建筑遮擋無(wú)需輔助，不適合無(wú)人機(jī)部署；θ是該位置到路口的連線與最近的街道的夾角，ω是調(diào)整角度與距離影響權(quán)重比例的控制因子，該評(píng)估函數(shù)通過(guò)下將值域轉(zhuǎn)化為0到1之間：

C.負(fù)載均衡

針對(duì)極端車輛密度導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不均衡，引入無(wú)人機(jī)輔助擴(kuò)展車輛稀疏區(qū)域的帶寬，分流車輛密集區(qū)域鏈路壓力，計(jì)算模型如下：

N_x和N_i分別表示目標(biāo)位置和第i架無(wú)人機(jī)周圍半徑R_d內(nèi)的車輛數(shù)，max(·)是用來(lái)求最大值的函數(shù)，N_avg是全局的平均車輛密度，計(jì)算如下式：

其中N_total和S_total分別表示實(shí)驗(yàn)區(qū)域的車輛總數(shù)和總面積；針對(duì)以上三種場(chǎng)景的評(píng)估模型共同組成了最終的多目標(biāo)評(píng)估模型。