悬停时间约束下的多无人机中继连通性优化方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29854

电子电气工程与控制

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悬停时间约束下的多无人机中继连通性优化方法

潘武¹, 王翔², 吕娜²(), 任智源³, 刘文亚⁴

^1.空军工程大学研究生院，西安 710038
^2.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077
^3.西安电子科技大学ISN国家重点实验室，西安 710071
^4.中国人民解放军31576部队，北京 100144

收稿日期:2023-11-08 修回日期:2023-12-08 接受日期:2023-12-22 出版日期:2024-08-25 发布日期:2023-12-29
通讯作者: 吕娜 E-mail:lvnn2007@163.com
基金资助:
陕西省重点研发计划(2022ZDLGY05-09)

Multi-UAV relay connectivity optimization with constraint of hover time

Wu PAN¹, Xiang WANG², Na LYU²(), Zhiyuan REN³, Wenya LIU⁴

^1.Graduate School，Air Force Engineering University，Xi’an 　710038，China
^2.Information and Navigation School，Air Force Engineering University，Xi’an 　710077，China
^3.State Key Laboratory of Integrated Services Networks，Xidian University，Xi’an 　710071，China
^4.Unit 31576 of the PLA，Beijing 　100144，China

Received:2023-11-08 Revised:2023-12-08 Accepted:2023-12-22 Online:2024-08-25 Published:2023-12-29
Contact: Na LYU E-mail:lvnn2007@163.com
Supported by:
Key Research and Development Plan of Shaanxi Province(2022ZDLGY05-09)

摘要/Abstract

摘要：

无人机（UAV）凭借其灵活且易于部署的独特优势，已广泛应用于诸多领域。为解决异构用户之间的通信连通问题，将中继和网关思想结合并提出异构多网中继概念，部署多个无人机为异构用户提供中继服务，构建可靠的中继连通链路。在源和目的用户节点之间建立中继连通链路的过程中，将其分解为中继覆盖划分和中继选择连接2个子问题进行求解。首先，考虑无人机的最大悬停时间约束，通过寻找与无人机关联的最优单元分区，基于公平资源分配方案，提出优化划分方法（OPM）使服务用户的数据量最大化。其次，在构建无人机之间的连通链路时，以中继链路吞吐量为优化目标设计中继选择策略（RSS），在相距较远的无人机之间选择中继无人机，使无人机之间均存在可达的通信链路。最后，通过实验对比分析得出，所提方法能为异构用户提供更加公平的中继服务，并且提升中继链路的吞吐量。

关键词: 异构用户, 无人机, 中继通信, 悬停时间, 公平分配, 吞吐量

Abstract:

Due to their special advantages of flexibility and ease of deployment， Unmanned Aerial Vehicles have found extensive uses in a variety of fields. To solve the problem of communication connectivity between heterogeneous users， the concept of heterogeneous multi-network relay is proposed by combining relay and gateway ideas. Multiple UAVs are deployed to provide relay services for heterogeneous users， and reliable relay connectivity links are constructed. The process of establishing a relay connectivity link between the source and destination user nodes is decomposed into two sub-problems for solving： relay coverage partitioning and relay selection connection. First， considering the constraint of the maximum hover time of the UAV， an Optimization Partitioning Method （OPM） is proposed based on a fair resource allocation scheme by looking for the optimal unit partition associated with the UAV to maximize the data volume of service users. Second， a Relay Selection Strategy （RSS） is created when building the connection link between UAVs with the aim of optimizing relay link throughput. Relay UAVs are chosen to act as a conduit for communication amongst UAVs that are scattered outside the communication radius. Finally， experimental comparison shows that the proposed strategy can increase the throughput of relay links and offer fairer relay services for heterogeneous users.

Key words: heterogeneous user, unmanned aerial vehicle, relay communication, hover time, fair distribution, throughput

中图分类号:

V249.1

潘武, 王翔, 吕娜, 任智源, 刘文亚. 悬停时间约束下的多无人机中继连通性优化方法[J]. 航空学报, 2024, 45(16): 329854-329854.

Wu PAN, Xiang WANG, Na LYU, Zhiyuan REN, Wenya LIU. Multi-UAV relay connectivity optimization with constraint of hover time[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(16): 329854-329854.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

表 1

仿真参数设置

仿真参数	数值
无人机传输功率P^（T）/W	0.5
用户分布区域/m	1 200 $×$ 1 200
噪声功率N₀/（dBm·Hz^-1）	-170
噪声功率N₁/（dBm·Hz^-1）	-120
传输带宽B/MHz	1
用户数量/个	300
无人机高度H/m	200
无人机覆盖半径/m	300
异构因子W	0.5

表 1

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

参考文献 41

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