无人机网络移动部署算法设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 无人机网络移动部署算法设计 摘要：该文中提出了一种速度可 控的虚拟力模型，考虑了节点运动状态 与虚拟力间的关系，通过引入速度反馈 作用力对节点的运动状态进行控制。该 虚拟力模型中节点的运动能够较为准确 的描述节点在移动部署过程中的运动特 征。在此虚拟力模型的基础上，为了能 够实现对兴趣点的快速覆盖，同时维持 较好的网络连通特性，设计了一种兴趣 点覆盖的移动部署算法。该算法通过节 点设置标志值，避免了因兴趣点作用力 过大造成节点分布集中的问题，增大了 网络通信覆盖范围，维持了较好的网络 连通性。 中国论文网 /8/view-12883637.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关键词：无人机网络；网络部署； 虚拟力；覆盖 中图分类号：TN929 文献标识 码：A 文章编号：1009-3044（2017） 03-0056-04 Deployment Algorithm for UAV Network YUAN Wan-teng LI Ya-ge （Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710086， China） Abstract：In this paper， a speed controllable virtual force model is proposed， Considering the relationship between the node motion state and virtual force， the speed feedback force is introduced to control the motion state of node. The movement of nodes in the virtual force model can accurately describe the motion characteristics during the process of node in mobile deployment. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 Based on the proposed virtual force model， in order to realize the rapid coverage of POI， at the same time maintain good connectivity， this paper designs a point of interest coverage mobile deployment algorithm. Key words： UAV network； virtual force； network deployment； coverage 1 概述 o 人机网络 1由无人机 （Unmanned Aerial Vehicle，UAV）节 点组成，也可称为无人机 Ad Hoc 网络 （Unmanned Aerial Vehicle network） 。 无人机平台作为侦察和监测的有效手段， 很早就被应用到在军事和民用的应用中。 使用无人机可以完成一系列复杂的任务， 如搜索、摧毁，边境监视，林火治理， 灾害监测等任务，并且具有较高的应用 价值。 但无人机在提供通信服务方面一 直受到很大限制，尤其当多架无人机通 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 过组网的方式形成通信中继网络时，无 人机节点的移动性和网络拓扑的动态特 点会对节点间的通信质量造成冲击。无 人机网络可以作为中继网络2使用，如 固定网络的延伸部分，为无法连接到固 定网络区域的用户提供临时的通信服务， 同时也可以形成独立的网络，负责网络 内节点间的通信，具有较好的实用性3， 为了使得无人机网络的通信变得可靠， 需要对网络的拓扑结构进行相应的控制， 以确保网络能够保持较好的网络性能。 这也是本文的研究方向。 2 无人机网络简介 Ad Hoc 网络，又称无线自组织 网络，是一种多跳的、无中心的、能够 自组织的网络。Ad Hoc 是由一组具有 无线通信功能的移动终端组成的多跳临 时性自治系统，每个终端都具有平等的 地位。各节点之间的通信通过无线互联， 通过有效的机制进行网络信息的共享， 整个过程不需要人为的控制或者中心节 点的调度。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 无人机网络中的每个节点都具有 两种功能，一种是作为主机，可以在终 端上运行各种应用程序；一种是作为路 由器，可以运行相应的路由协议，对数 据包进行处理、转发。所以无线自组网 的这种分布式和无中心的网络结构特性 使得网络在复杂环境下能够维持较好的 通信能力，具有很强的抗毁性和鲁棒性。 由于网络中移动节点都具有路由的功能， 可以将网络中的节点通过无线的方式连 接成任意的拓扑结构。 3 无人机网络的特点 无人机网络是基于无人机集群构 建的，充分地利用了无人机的优良特性。 相比有人机，无人机无论是从飞机体积、 重量还是外形都相对较小，更灵活也更 具生命力。同时因为无人机的造价相比 有人机低廉很多，不害怕损毁，所以可 以同时使用多架无人机去完成某一特定 任务，这时就需要通过飞行 Ad Hoc 网 络来维持无人机之间的通信4。相比常 见的固定网络、或者无线的蜂窝网络， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 无人机网络具有以下特征： 3.1 拓扑结构动态变化 由于无人机的移动性、环境的复 杂性、无线信道之间的干扰等因素，无 人机网络处于高度动态的环境中，无人 机网络的拓扑结构不断发生变化，并且 这种变化难以预测。 3.2 多跳的通信方式 由于无人机节点的无线传输范围 会有一定的限制，为了能够实现点与点 之间的通信或者是进行全网广播或者组 播，就要求无人机网络具有多跳转发的 通信机制，即网络中的消息需要经过中 间节点的转发才能完成投递。 3.3 自组织 无人机网络是由无人机组成的临 时无线自治系统。由于无人机网络的拓 扑结构会因为节点的移动而发生改变， 所以目前的一些无线路由技术不能适用。 无人机网络应具有在无基础设施的前提 下可以实现快速的组网的能力。 3.4 网络的分布式控制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 由于无人机网络中的节点既是移 动终端同时兼有路由的功能，因为不存 在中心控制节点，所以每个节点的地位 都是平等的，一般都采用的是分布控制 的方式，这样也增强了网络的鲁棒性和 抗毁性。 4 移动部署算法设计 4.1 无人机节点的运动分析 假设在二维平面内，无人机集群 是由 N 个相同的无人机组成，分别表示 为 N1，N2.，Nn。对于单个无人机节 点，其运动服从运动学规律，可以用数 学模型表示为： xi=vimivi=Fi （1） 其中，xi，vi，mi，Fi 分别表示 第 i 个无人机的位置向量、速度向量、 节点质量和控制输入量。 在本文中，节点通过迭代计算的 方式更新本地的运动状态信息并计算目 标位置，令 Xi 表示单个节点的运动状 态量： Xik=xikvik （2） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 Xi（k）表示节点 i 在 k 时刻的运 动状态，xi（k）表示其位置向量， vi（k）表示其速度向量。将公式 3 进行 离散化得到节点状态量的迭代计算公式： Xik+1=1T01xikvik+tT-t2tFikmi （3） 其中 T 为每一步的时间长度， Fi（k）为 k 时刻节点 i 的控制输入， t 表示控制输入的作用时间。通过公式 3- 16 就可以由当前的运动状态信息计算得 到下一时刻的运动状态。根据该运动状 态更新方程可知，在每一个时隙 T 内节 点会先做 t 秒的匀加速运动，当速度达 到某节点的速度上限时，节点停止加速 运动并在剩余的时间做匀速直线运动， 直到该轮移动过程结束。 因为本文中采用的是分布式的方 法进行移动部署，每个节点可以进行自 主的移动。节点能够获得邻居节点的相 关信息，并根据移动算法进行移动，移 动部署算法的具体内容如表 1 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 表 1 单兴趣点覆盖移动部署算法 初始化： 初始化节点、兴趣点的初始位置， 并将初始化为 0； 节点通过广播消息将自己的相关 信息发送给一跳邻居；&本地信息更 新： While （True ）do 点 i 在 T 的时间内接收一跳邻 居发送的广播包，并根据广播包内的信 息更新本地信息： 1）节点通过收到的 Hello 消息生 成一个邻居表 Ni，Ni 中记录了节点 i 的 一跳邻居； 2）当节点 i 的 flag 值为 0 时， 节点 i 判断兴趣点是否在自己的通信范 围内，如果是，再判断自己的邻居节点 中，是否有节点的 flag 值为 1，如果没 有就将自己的 flag 值设为 1；反之如果 有就将自己的 flag 值设为 2； 3）当兴趣点没有在节点的通信 范围内时，就判断自己的邻居节点中是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 否有节点的 flag 值非零，如果有，当节 点 i 的邻居个数大于 2 时，就将自己的 flag 值设为 2； 4）当节点没有邻居且 flag 值非 0 时，将 flag 置 0； & 主要步骤： While （|vi|vth） do 节点 i 的速度大于阈值时，节点 计算所受的虚拟力： 1）判断节点所受虚拟力的类型： if flagi=2 Fi=jNFij； Fi=Fi+Fiv；else Fi=jNFij+FiP； Fi=Fi+Fiv； 2）判断虚拟力作用的时间： if FimiTvmax t=vmaxFiT；else t=T； 3）计算虚拟力并更新运动状态： xi=xi+viT+tT-t2Fi2mi ；vi=vi+Fitmi； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 4）节点会根据计算所得的虚拟 力移动到下一目的位置，并通过 Hello 消息将自己的信息广播给自己的一跳邻 居。 & 5 实验仿真 本文基于 MATLAB2013b 软件对 提出的算法进行仿真，仿真的区域为 500m500m 的正方形区域，实验中节 点的个数从 10 变化到 100，节点通信半 径的变化范围为 10m 到 100m，目的是 测试不同条件下算法的性能。在整个部 署过程中，每一轮的时间间隙为 T=1 秒。 速度阈值 vth=0.1m/s，当所有节点的速 度小于这一阈值时，认为网络的拓扑结 构近似达到一种稳定状态。节点的初始 部署状态是随机分布在整个指定区域内， 具体的实验参数如表 2 中所示。 表 2 实验参数 区域大小&500m500m&节 点个数&10100&通信半径 Rc&10m100m&最优距离 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 dopt&Rc-0.5&时间步长 T&1s&速度阈值 vth&0.1m/s& 兴趣点的位置&（0，0） &K1&0.25&K2&- 0.25&K3&-1/t& 5.1 拓扑变化 图 1 中所示为本文算法中网络拓 扑结构随着时间的变化，选取的最大速 度为 5m/s，节点个数为 50，通信半径 为 30m。初始时，网络中的节点随机的 分布在整个区域内，如图 1（a）所示。 图 1 场景一拓扑变化 此后所有节点逐渐向兴趣点移动， 并在兴趣点周围形成一个连通的网络， 如图 1（b） （c ） 。当兴趣点对所有节点 不再产生力的作用时，节点只受到节点 间作用力和速度反馈控制力的影响，并 在此基础上进一步调整网络拓扑结构， 如图 1（e）所示。可以看到图 1（e ） （f）中，网络的拓扑结构基本保持稳 定，类似正三角形拓扑结构，满足拓扑 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 控制的目标。 5.2 覆盖范围 图 2 中为网络的覆盖范围与节点 通信半径之间的关系，节点个数为 50， 通信半径从 10m 变化到 100m。因为通 过几何方法计算网络的通信覆盖范围较 为困难，所以本文采用蒙特卡洛的方法 来评估网络的覆盖范围。在给定的区域 内均匀部署 2.5105 个点，并检测这些 点中一共有多少点能够被无人机节点所 覆盖，并用被覆盖点占所有点的比例代 替网络的覆盖范围。下文中关于覆盖范 围的实验均以该种方式计算实验结果。 网络的覆盖范围的大小可表示为： & （4）& 由公式 4 可知，网络覆盖范围的 大小与通信半径的平方成正比。随着通 信半径的增加，覆盖范围不断增大。由 于覆盖区域有限，当半径较大时，有些 节点会覆盖到区域以外的地方，这一部 分的面积不计算在内，所以可以看到两 种算法在通信半径为 100m 时的覆盖范 围接近 1，表明指定的区域都基本被覆 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 盖。从图 2 中可以看出，两种算法的覆 盖范围随着通信半径的增大都是逐渐增 大，并最后趋近概率 1。但在通信半径 较大时，文献5算法的覆盖范围小于本 文算法的覆盖范围。本文算法中针对不 同的最大速度，分