[發(fā)明專利]一種基于多峰優(yōu)化的無人機群輔助車輛網絡協同通信模型

有效

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• 申請日: 2019-09-17
• 公開（公告）號: CN110650039B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 林娜;付璐煒;郜峰;趙亮
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: H04L41/14
• 分類號: H04L41/14;H04L41/147;H04L67/12;H04B7/185;H04L45/00;H04W4/40
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

1.一種基于多峰優(yōu)化的無人機群輔助車輛網絡協同通信模型，其特征在于，該模型通過對地面車輛分布情況的預測、地面各個位置對無人機輔助需求程度的評估、多峰優(yōu)化得到無人機最佳分布方案這三個過程組成；

具體的步驟如下：

步驟1：定義協同通信模型架構；

步驟2：預測未來時刻車輛位置；

步驟3：以評估模型計算任意位置對無人機的需求程度；

步驟4：執(zhí)行多峰游牧算法求解；

步驟5：調度多架無人機前往目的地進行通信；按照步驟1定義的結構和整體流程，調用步驟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考慮了城市車輛網絡中的三種情景：孤島車輛節(jié)點、非視距通信、負載均衡，三種需求組成了多目標評估函數：

f(x)＝c₁·f₁(x)+c₂·f₂(x)+c₃·f₁(x) 公式(6)

其中x是一個待評估位置，f(·)是評估函數，f₁,f₂和f₃是三個子評估函數用以評估以上三種情景，所有函數的值域都是(0,1)，越大意味著越需要無人機，c是各種情景對最終評估值的權重，權重之和為1；

所述步驟4多峰游牧算法由牧民放牧，斥候探索、遷徙決策三個部分組成；

所述遷徙決策的具體內容為：

多個部落同時活動在搜索空間，應避免闖入其他部落領地；當牧民或斥候發(fā)現了適應度更好的地方但過于接近其他部落，則不進行遷徙；采用歐式距離比較：

d_i,j＝||X_i-X_j||₂ 公式(15)

以d_i,j表示兩個位置X_i和X_j直之間的距離。

2.根據權利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無人機群輔助車輛網絡協同通信模型，其特征在于，所述步驟1的具體內容為：該系統(tǒng)中，所有車輛和無人機作為SDN架構的基礎設施層的網絡設備，裝有車載單元Onboard Unit，OBU可收集自身的運動信息、與其他裝有OBU的節(jié)點進行無線通信，MAC層協議為車聯網通用的802.11p協議；城市中分布的路側單元與基站組成SDN控制層的控制器，所有車輛定期向附近的控制器匯報自己的位置信息；應用層面向用戶，根據用戶需求控制整個系統(tǒng)。

3.根據權利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無人機群輔助車輛網絡協同通信模型，其特征在于，所述步驟2預測未來時刻車輛位置，其計算方式如下：

其中是一個向量表示一輛車在t_n+1時間片的預測位置，x(t_n)則是該車在t_n時間片的真實位置，Δx(t_n-1)表示第t_n-1時間片里車輛的位置變化，是對t_n時間片內車輛位置變化的矯正因子，這兩個參數由過去幾個時間片的車輛軌跡決定，計算如下：

Δx(t_n-1)＝x(t_n)-x(t_n-1) 公式(2)

考慮到時間相隔較久遠的軌跡影響較小，之前第i個時間片車輛變化的權重ω_i應滿足即權重之和為1，但越久遠的軌跡權重越低，即下式：

∑ω_i＝1 公式(4)

ω_i+1ω_i 公式(5)。

4.根據權利要求1所述的一種基于多峰優(yōu)化的無人機群輔助車輛網絡協同通信模型，其特征在于，三種情景的評估模型如下：

A.孤島車輛

在適當位置部署無人機可以作為中繼節(jié)點，使得離群車輛可以與其他車輛相連接入網絡，考慮到聚集的多輛車不需要中繼、遠離飛機的車輛有較大可能隨后駛出無人機覆蓋范圍，評估一個位置是否有助于孤島節(jié)點通信的計算過程如下：

n是無人機在待評估位置x可覆蓋的車輛數，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)點的歐幾里得距離；R_d是無人機的通信半徑，用來對結果進行歸一化；根據上述公式，對于一個待評估位置，附近的車輛距該位置越近、且車輛之間越離散，則評估函數適應度值越高，即越適合無人機中繼部署；

B.非視距通信

當路口車輛與相鄰街道的車輛通信時，信號需繞過或穿過建筑，此時雖然兩車處于各自通信范圍內，但通信鏈路質量嚴重受損難以維持通信，而無人機的活動在高空，移動和通信都不受限制，可不受阻隔地建立鏈路輔助地面車輛非視距通信；對于該情景的評估如下：

l_x是該位置距最近的路口的距離，如果該距離超出無人機通信半徑，則無人機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需輔助，不適合無人機部署；θ是該位置到路口的連線與最近的街道的夾角，ω是調整角度與距離影響權重比例的控制因子，該評估函數通過下將值域轉化為0到1之間：

C.負載均衡

針對極端車輛密度導致的網絡不均衡，引入無人機輔助擴展車輛稀疏區(qū)域的帶寬，分流車輛密集區(qū)域鏈路壓力，計算模型如下：

N_x和N_i分別表示目標位置和第i架無人機周圍半徑R_d內的車輛數，max(·)是用來求最大值的函數，N_avg是全局的平均車輛密度，計算如下式：

其中N_total和S_total分別表示實驗區(qū)域的車輛總數和總面積；針對以上三種場景的評估模型共同組成了最終的多目標評估模型。