CN108924792A - 一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，包括如下步骤：当源点无人机第i次探测时，首先根据设定的中继选择约束条件，选择安全性和稳定性的中继无人机放入集合中；然后对集合内的所有无人机计算数据能耗效率和总能量消耗，并找到二者值均为最小的中继无人机；其次计算并预测第i+1次时数据能耗效率和总能量消耗的最小值，最后根据设定的停止条件和中继选择条件寻找最优中继无人机和最优停止时刻。该减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法有效地增加了安全性和稳定性，达到减小数据传输能耗和降低丢包率的目的。

Description

一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法

技术领域

本发明属于多无人机协同通信的技术领域，特别提供了一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法。

背景技术

无人机丰富的功能和优势都受限于续航性能，其整机重量、电池参数、飞行状态和环境等因素严重影响和制约着无人机系统协同执行任务的效率。因此，在能源供给有限的前提下，减小多无人机网络在完成数据传输任务时的能量消耗，成为提高多无人机网络传输数据效率的必然要求。

在多无人机网络中，存在若干架主要负责执行任务期间信息的收集与缓存的无人机(称为源点无人机)。在距离源点无人机远距离处是空中信息接收站，它们之间不能直接通信，同时，网络中存在若干架相继加入的无人机(称为中继无人机)，主要负责信息的转发，空中信息接收站每隔一段时间需要完成信息的更新，因此，源点无人机必须在这段时间内找到最优的中继无人机，并通过找到的最优中继无人机将收集的信息发送给空中信息接收站，其中，最优中继无人机的寻找应以数据传输能耗的最小化为目的。

因此，如何找到最优的中继无人机，以减少数据传输能耗，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，以解决现有技术中在有限时间的动态无人机网络中，选择不同时刻不同目标无人机传送数据时产生的性能问题。

本发明提供的技术方案是：一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，包括如下步骤：

S1：假设当前源点无人机进行第i次探测，将网络中所有满足中继选择约束条件的无人机放到集合中，如果集合为空，则重复该步骤，其中，Ω_N为所有目标无人机的集合，中继选择约束条件需同时满足，包含以下三点：

(1)最大传输限制时间D：保证执行任务的源点无人机在最大传输限制时间内将数据传回，D需满足下列关系：

D＞T_n+G_n

其中，T_n为等待(悬停)时间，表示在第n架无人机加入后，找到满足条件的中继无人机对应的源点无人机等待时间，即源点无人机停止在当前时刻的时间，为传输时间，表示第i次探测到的第n架无人机数据传送时间；

(2)安全通信半径：设置安全通信半径为70％l_max，其中，l_max为最大通信半径，保证在不断飞行过程中完成数据传输的安全性；

(3)通信信道链路的信噪比SINR：

源点无人机数据发送功率时，发送功率和通信范围的关系如下：

其中，d就是无人机的通信半径l；d₀表示远场参照距离；P_r表示接收功率；P_t表示发射功率；K表示天线特性确定的常系数；γ表示路径损耗常数，此外，为获得更高质量的无线信号，无人机链路传输数据时SINR需要满足如下条件：

其中，g_ij表示节点j到节点i的信道功率增益，ρ表示干扰减小因子，n表示节点i的噪声功率，g_ii表示节点i之间的信道功率增益，P_t ⁱ表示节点i的发射功率，P_t ^j表示节点j的发射功率；

S2：计算集合中各中继无人机的数据传输总能量消耗和数据能耗效率；

S3：找集合中数据能耗效率和总能量消耗均为最小的中继无人机 如果不存在，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1；如果存在，则继续S4；

S4：预测第i+1次网络中所有中继的数据能耗效率期望和总能量消耗期望，并预测最小数据能耗效率的期望值和总能量消耗的期望值；

S5：设定停止条件和中继选择条件

将步骤S3中找到的数据能耗效率和总能量消耗，与步骤S4中预测的第i+1次期望的最小数据能耗效率期望和总能量消耗期望做比较，如果满足条件和则中继无人机j即为选择的中继无人机，时刻i即为停止时刻；如果不满足条件，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1，其中，表示第i次探测的第j架中继无人机的数据能耗效率，表示第i次探测的第j架中继无人机的总能量消耗， 分别表示预测第i+1次网络中第n架中继无人机的数据能耗效率期望和总能量消耗期望，表示第i次探测到的第n架无人机的信息；

S6：如果超出延时条件仍未找到满足条件的点，则只要发现超出最大传输限制时间，立刻停止探测，选择当前时刻中具有最小数据能耗效率的无人机作为中继无人机，表示为：

本发明提供的减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，在最大传输时间限制内，有效地寻找到安全高效的中继无人机进行数据传输，实现减小数据传输能耗和丢包率的目的。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明提供的减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。

如图1所示，本发明提供了一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，包括如下步骤：

S1：假设当前源点无人机进行第i次探测，将网络中所有满足中继选择约束条件的无人机放到集合中，如果集合为空，则重复该步骤，其中，Ω_N为所有目标无人机的集合，中继选择约束条件需同时满足，包含以下三点：

(1)最大传输限制时间D：保证执行任务的源点无人机在最大传输限制时间内将数据传回，D需满足下列关系：

D＞T_n+G_n

其中，T_n为等待(悬停)时间，表示在第n架无人机加入后，找到满足条件的中继无人机对应的源点无人机等待时间，即源点无人机停止在当前时刻的时间，为传输时间，表示第i次探测到的第n架无人机数据传送时间；

(2)安全通信半径：设置安全通信半径为70％l_max(l_max为最大通信半径)，保证在不断飞行过程中完成数据传输的安全性；

(3)通信信道链路的信噪比SINR：

源点无人机数据发送功率时，发送功率和通信范围的关系如下：

其中，d就是无人机的通信半径l；d₀表示远场参照距离；P_r表示接收功率；P_t表示发射功率；K表示天线特性确定的常系数；γ表示路径损耗常数，此外，为获得更高质量的无线信号，无人机链路传输数据时SINR需要满足如下条件：

其中，g_ij表示节点j到节点i的信道功率增益，ρ表示干扰减小因子，n表示节点i的噪声功率，g_ii表示节点i之间的信道功率增益，P_t ⁱ表示节点i的发射功率，P_t ^j表示节点j的发射功率；

S2：计算集合中各中继无人机的数据传输总能量消耗和数据能耗效率；

数据传输总能量消耗包括了以下几种消耗能量：

(1)源点无人机悬停时数据收集消耗能量E_hov

E_hov＝ω₀P_hovT_n

其中，ω₀为权重，P_hov为悬停时消耗功率，K_T为常量，i(t)为流经电机的电流，m为飞行器的起飞重量；

(2)源点无人机与被选择的中继无人机建立连接时候消耗能量E_ml

E_ml＝ω₀P₀k

其中，k为建立通信连接所花时间，P₀为消耗功率；

(3)当满足最大传输限制时间D时的数据完整传输的消耗能量E_comp；当不完全满足最大传输限制时间D时的数据部分传输的消耗能量E_part，包含成功被传输的数据能量消耗E_thr与丢弃数据代价E_dis，各能量消耗计算公式如下：

E_comp＝ω₀P₀rT_n/R

E_part＝E_thr+E_dis

E_dis＝BA_n＝Br(T_n+G_n-D)

其中，r为源点无人机处生成待传输数据的速率，R为向目标无人机发送的数据时的恒定速率，E_trsp表示第n架目标无人机传送数据到空中信息接收站的能量消耗，表示为：

其中：P_n为各无人机在单位时间内的飞行功率消耗，ω_n为不同目标无人机飞行权重，表示第i次探测到的第n架无人机距离空中信息接收站的距离，V_n表示第n架无人机的速度，且V_n∈[V_max，V_min]，V_max和V_min分别表示最大速度和最小速度，

由此，当某一源点无人机选择第i次探测到的中继无人机发送数据到空中信息接收站需要的总能量消耗可分为两种情况：

当D>T_n+G_n时，

当G_n<D<T_n+G_n时，

多无人机网络所有源点无人机完整传输一次数据的总能量消耗为：

总能量消耗是关于随机变量T_n，V_n，(表示第i次探测的第n架无人机的位置)的函数，表示为

最优停止理论是以最小化成本函数或最大化报酬函数为目标，通过停止规则，选择最优的时刻采取行动，在多无人机网络中，要求在时间D内将累计的数据全部传输，因此，该最优停止问题的停止时刻集合定义为：

I⁺＝{I:1≤I≤N,E[T_n]≤D-G_n}

定义第i次探测的第n架中继无人机的数据能耗效率为：

根据大数定律，上式收敛于其中，E[·]表示期望，η表示各无人机能耗的权重，定义最优数据能耗效率ξ*为：

假设对于每一个ξ，都存在一个最小化的ξ*和其对应的最优停止时刻I*，则需要制定合适的停止规则找到最优停止时刻I*，以获得最优数据能耗效率ξ*，

S3：找集合中数据能耗效率和总能量消耗均为最小的中继无人机 即在i次探测中排名第一(从小到大排名)，如果不存在，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1；如果存在，则继续S4；

S4：预测第i+1次网络中所有中继的数据能耗效率期望和总能量消耗期望，并预测最小数据能耗效率的期望值和总能量消耗的期望值；

S5：设定停止条件和中继选择条件

考虑两个停止因素：数据能耗效率和总能量消耗，并以数据能耗效率为第一考虑因素，如果第i次探测，则表示之前的1,2,…,i-1次都没有做出选择，那么第i+1次数据能耗效率和总能量消耗的期望表示为 其中表示第i次第n架无人机的信息；

将步骤S3中找到的数据能耗效率和总能量消耗，与步骤S4中预测的第i+1次期望的最小数据能耗效率期望和总能量消耗期望做比较，如果满足条件和则中继无人机j即为选择的中继无人机，时刻i即为停止时刻；如果不满足条件，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1；

特别地，当第一次探测时，此时网络中只有唯一中继无人机，无法做排名比较，因此不考虑；当最后一次探测时，不存在与下一时刻的期望值比较，只需找到所有无人机中数据能耗效率和总能量消耗均为最小的无人机即可。如果在满足延时条件D>T_n+G_n下，不能找到同时满足上述条件的点，则会出现超时的情况，此时立刻停止探测，选择当前时刻中具有最小数据能耗效率的无人机作为中继无人机，表示为：

S6：如果超出延时条件仍未找到满足条件的点，则只要发现超出最大传输限制时间，立刻停止探测，中继无人机的选择条件为

该减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法的有益效果如下：

在最大传输时间限制的前提下，本发明提供的减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，有效地寻找到安全高效的中继无人机进行数据传输，不仅提升了数据传输的安全性和稳定性，而且减小了数据传输能耗和降低了丢包率。

本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种减小数据传输能耗的最优停止中继选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：假设当前源点无人机进行第i次探测，将网络中所有满足中继选择约束条件的无人机放到集合中，如果集合为空，则重复该步骤，其中，Ω_N为所有目标无人机的集合，中继选择约束条件需同时满足，包含以下三点：

(1)最大传输限制时间D：保证执行任务的源点无人机在最大传输限制时间内将数据传回，D需满足下列关系：

D＞T_n+G_n

其中，T_n为等待(悬停)时间，表示在第n架无人机加入后，找到满足条件的中继无人机对应的源点无人机等待时间，即源点无人机停止在当前时刻的时间，为传输时间，表示第i次探测到的第n架无人机数据传送时间；

(2)安全通信半径：设置安全通信半径为70％l_max，其中，l_max为最大通信半径，保证在不断飞行过程中完成数据传输的安全性；

(3)通信信道链路的信噪比SINR：

源点无人机数据发送功率时，发送功率和通信范围的关系如下：

其中，d就是无人机的通信半径l；d₀表示远场参照距离；P_r表示接收功率；P_t表示发射功率；K表示天线特性确定的常系数；γ表示路径损耗常数，此外，为获得更高质量的无线信号，无人机链路传输数据时SINR需要满足如下条件：

其中，g_ij表示节点j到节点i的信道功率增益，ρ表示干扰减小因子，n表示节点i的噪声功率，g_ii表示节点i之间的信道功率增益，P_t ⁱ表示节点i的发射功率，P_t ^j表示节点j的发射功率；

S2：计算集合中各中继无人机的数据传输总能量消耗和数据能耗效率；

S3：找集合中数据能耗效率和总能量消耗均为最小的中继无人机 如果不存在，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1；如果存在，则继续S4；

S4：预测第i+1次网络中所有中继的数据能耗效率期望和总能量消耗期望，并预测最小数据能耗效率的期望值和总能量消耗的期望值；

S5：设定停止条件和中继选择条件

将步骤S3中找到的数据能耗效率和总能量消耗，与步骤S4中预测的第i+1次期望的最小数据能耗效率期望和总能量消耗期望做比较，如果满足条件和则中继无人机j即为选择的中继无人机，时刻i即为停止时刻；如果不满足条件，则进行第i+1次探测，重新开始执行步骤S1，其中，表示第i次探测的第j架中继无人机的数据能耗效率，表示第i次探测的第j架中继无人机的总能量消耗， 分别表示预测第i+1次网络中第n架中继无人机的数据能耗效率期望和总能量消耗期望，表示第i次探测到的第n架无人机的信息；

S6：如果超出延时条件仍未找到满足条件的点，则只要发现超出最大传输限制时间，立刻停止探测，选择当前时刻中具有最小数据能耗效率的无人机作为中继无人机，表示为：