[發(fā)明專利]一種基于多峰優(yōu)化的無人機(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（公告）號(hào): CN110650039B
• 公開（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

本發(fā)明涉及智能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多峰優(yōu)化的無人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型。該算法通過對(duì)地面車輛分布情況的預(yù)測(cè)、對(duì)地面各個(gè)位置對(duì)無人機(jī)輔助需求程度的評(píng)估、多峰優(yōu)化得到無人機(jī)最佳分布方案三個(gè)過程組成；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)度多架無人機(jī)前往目的地進(jìn)行通信；本發(fā)明充分發(fā)揮無人機(jī)移動(dòng)靈活易部署等優(yōu)勢(shì)，通過我們的多峰算法同時(shí)調(diào)配多架無人機(jī)，有效緩解了傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)中難以通過網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)解決的問題，有效提升了車輛網(wǎng)絡(luò)通信的包交付率、吞吐量，降低了通信平均跳數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多峰優(yōu)化的無人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型。

背景技術(shù)

隨著車輛數(shù)目與日俱增，智能交通系統(tǒng)逐漸普及，為駕駛者提供多種便利服務(wù)如碰撞避免、轉(zhuǎn)向預(yù)警、智能導(dǎo)航、實(shí)時(shí)交通信息、車載娛樂影音等，旨在提升駕駛過程中的安全性、便利性、舒適性。這一切服務(wù)都需要以網(wǎng)絡(luò)接入為前提，而對(duì)于城市中數(shù)量龐大且高度動(dòng)態(tài)的車輛而言，網(wǎng)絡(luò)通信是一項(xiàng)艱難的挑戰(zhàn)。近年來興起的車輛自組網(wǎng)(VehicularAd-hoc Networks，VANETs)技術(shù)使用基于802.11p協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和專門的路由協(xié)議，一定程度上解決了這些挑戰(zhàn)。除了高度動(dòng)態(tài)引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，通信鏈路的質(zhì)量也是至關(guān)重要的問題。無線通信鏈路對(duì)環(huán)境敏感，距離、障礙物、其他設(shè)備的信號(hào)等因素都會(huì)對(duì)鏈路質(zhì)量產(chǎn)生影響。這些網(wǎng)絡(luò)通信問題都是難以單獨(dú)通過網(wǎng)絡(luò)層的技術(shù)手段來克服的，因此近年來研究者們開始考慮通過外部輔助設(shè)備，如在空中的無人機(jī)群，對(duì)地面車輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助。

相較于其他基礎(chǔ)設(shè)施，無人機(jī)有許多特有的優(yōu)勢(shì)。其成本低，易控制，移動(dòng)靈活，可迅速部署在各種復(fù)雜環(huán)境如擁堵街道、山洪地區(qū)、災(zāi)區(qū)等基礎(chǔ)設(shè)施無法快速布置的地方。在城市中，由于無人機(jī)在高空中活動(dòng)高度高于絕大多數(shù)建筑，其移動(dòng)過程基本無視地形，且無線通信不會(huì)被各種地面設(shè)施阻隔，十分適合協(xié)同地面車輛通信，在高空中為地面節(jié)點(diǎn)提供無線信號(hào)中繼。然而現(xiàn)有的無人機(jī)輔助通信網(wǎng)絡(luò)僅限于對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)化，未能充分發(fā)揮無人機(jī)靈活部署的優(yōu)勢(shì)。

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)(Software Defined Network，SDN)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)群輔助城市中車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs)的空地協(xié)同通信方案，該方案根據(jù)對(duì)交通狀況的預(yù)測(cè)，將多架無人機(jī)分別調(diào)度到不同的最佳位置，從而緩解傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)不可避免的缺陷。此外，該問題是一個(gè)多目標(biāo)、多峰優(yōu)化問題，多解且解數(shù)量固定、距離受限、對(duì)時(shí)間敏感，傳統(tǒng)優(yōu)化算法的形式無法滿足這些需求，我們專門設(shè)計(jì)一種可解決該問題的多峰優(yōu)化算法。經(jīng)我們的算法優(yōu)化后的無人機(jī)群輔助車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信模型，多項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)性能得到提升，可有效緩解傳統(tǒng)車輛網(wǎng)絡(luò)中孤島車輛通信、超視距通信、負(fù)載均衡等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)城市車輛網(wǎng)絡(luò)中由車輛位置分布而產(chǎn)生的遠(yuǎn)離其他車輛的孤島節(jié)點(diǎn)車輛、由建筑物遮擋導(dǎo)致的非視距通信(Non-Line-of-Sight，NLoS)、由局部極端車輛密度引發(fā)的負(fù)載不均衡三種情景，我們引入多無人機(jī)輔助，設(shè)計(jì)了一種空地協(xié)同通信的模型。評(píng)估出對(duì)無人機(jī)輔助需求程度最大、最適宜無人機(jī)部署的多個(gè)位置，分別調(diào)度無人機(jī)前往執(zhí)行高空中繼，從而提升多方面網(wǎng)絡(luò)性能。

具體的步驟如下：

步驟1：定義協(xié)同通信模型架構(gòu)；

該系統(tǒng)中，所有車輛和無人機(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(On Board 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(Road Side Unit，RSU)與基站(Base Station，BS)組成SDN控制層的控制器，控制器負(fù)責(zé)信息采集、處理、存儲(chǔ)、運(yùn)算與控制管理命令的傳播，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)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行，劃分成多個(gè)等長(zhǎng)度的時(shí)間片，工作流程可描述為算法(1)：