CN116193367B - 一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，属于无人机自组网技术领域，包括以下步骤：S1：在无人机自组网系统下，每个用户根据速率为的泊松过程，以随机间隔生成状态更新数据包并将其发送给其对应的无人机；S2：所有数据包按照先到先服务原则排队等候进入发送阶段；S3：数据包通过易出错的通信链路传递到处理单元，如果所有数据包均被成功解码，目的地向源发送确认反馈，否则发送非确认反馈；S4：采取固定冗余随机混合重传机制对于未正确接收的数据包进行重传；S5：通过信息年龄AoI评估采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统或M/M/1多源排队通信系统的可靠传输时效性。

Description

一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法
技术领域
本发明属于无人机自组网技术领域，具体涉及一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法。
背景技术
传统无人机自组织网络的研究大多是基于通信过程发生在无错误信道中的理想假设。然而，现实的无线通信信道经常要面对由于噪声、信号干扰和信道衰落等环境因素而造成的数据包错误和损失。当消息被错误解码时，接收到的数据包无法传递最新的信息，导致无法控制的错误和系统延迟。因此，为了提高整体系统效率，对差错系统的信息年龄的究十分关键。此外，重传机制对于确保状态更新的可靠性至关重要，特别是在无人机对无人机和无人机对网络场景中。
一般来说，成功的解码概率随着重传尝试的增加而增加，尽管以时效性的损失为代价。因此，我们可以识别出在减少状态更新程度的重传次数和增加解码错误概率之间的内在权衡。我们在无人机对无人机和无人机对网络场景下利用无人机辅助通信网络的模型将预期的信息年龄最小化，以支持及时和可靠的决策。此外，所制定的调度政策对于促进和加强状态更新的可靠性是至关重要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，包括以下步骤：
S1：在无人机自组网系统下，每个用户根据速率为的泊松过程，以随机间隔生成状态更新数据包并将其发送给其对应的无人机；
S2：所有数据包按照先到先服务原则排队等候进入发送阶段；
S3：数据包通过易出错的通信链路传递到处理单元，如果所有数据包均被成功解码，目的地向源发送确认反馈，否则发送非确认反馈；
S4：采取固定冗余随机混合重传机制对于未正确接收的数据包进行重传；
S5：通过信息年龄AoI评估采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统或M/M/1多源排队通信系统的可靠传输时效性，其中M/G/1为数据包发送时间间隔服从负指数分布，数据包服务时间服从一般分布的排队系统；M/M/1为数据包发送时间间隔与数据包服务时间均服从负指数分布。
进一步，所述无人机自组网系统中包括多个无人机节点以及多个地面用户，地面用户时刻处于向无人机群发送数据包的状态，无人机通过构建它们之间的通信拓扑链路来形成无人机自组网；
所述无人机自组网在与地面用户进行信息交互时共有两种通信方式：无人机和无人机之间通信以及无人机和地面用户之间通信；
无人机和无人机之间通信链路以及无人机和地面用户之间通信链路的信道衰落与干扰服从不同的统计分布模式，以二进制比特消除信道和Nakagami-m衰落信道来分别模拟无人机和无人机之间通信信道以及无人机和地面用户之间通信信道。
进一步，一个数据包含有个有用信息符号，用户发送端使用前馈校正算法将含有个有用信息符号的数据包编码成具有n个信息符号的数据包。
进一步，单次传输中无人机和无人机之间通信链路的错误概率为：
其中为无人机和无人机之间通信信道的单位比特误码率，i为计数单位；
单次传输中无人机和地面用户之间通信信道的错误概率为：
其中，m为Nakagami-m信道引入的参数，为数据包之间的互信息量。
进一步，在固定冗余随机混合重传机制下，用户以编码速率R = k/n对数据包进行编码；若传输失败，选择再次传输该数据包时，以多次总共超过k个正确的信息符号，则表示此数据包接收成功；
固定冗余随机混合重传机制允许编码操作将当前的重传尝试与以前失败的数据包相结合；如果在第一次尝试中成功解码个符号，则下一次传输成功只需要成功解码个信息符号，其中/>>1并且为一个固定的常数。
进一步，在步骤S5中，将时间平均信息年龄定义为：
其中，i表示第i个数据包，为数据包生成时间间隔，即为成功传输的数据包和下一个准备接收的数据包的时间戳之间的差值；/>，/>为泊松过程的平均到达速率；/>为数据包在系统的逗留时间；/>是处理首次传输的数据包所用的时间，具有服从一定概率分布函数/>，其中/>为服务时间的平均服务速率；/>是额外的服务时间，/>为对于重传数据包的处理时间之和，包含了重传多次才成功的情况；/>是数据包的等待时间。
进一步，在采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统中，通过采用嵌入式节点分析方法，将M/G/1单源排队通信系统中的信息年龄定义为：
其中，代表重传了r次的系统的信息年龄，/>代表系统的业务强度，S即为服务时间的随机变量。
进一步，在采用固定冗余随机混合重传机制下的M/M/1多源排队通信系统中，信息年龄为：
其中，代表第c个信源的数据包平均到达速率，/>代表第c个信源中第i个数据包的与其之前的数据包的到达间隔；/>为第c个信源中第i个数据包的系统逗留时间；用含下角标c的变量特指属于第c个信源的变量，不加下角标的变量为系统的变量；
通过代入嵌入式节点分析方法和矩母函数映射方法得到采用FR-HARQ协议的M/M/1多源排队通信系统中的信息年龄AoI为：
其中，,/>=/>为系统的业务强度，/>为除了第c个信源的系统业务强度，/>为系统逗留时间与额外处理时间之和在/>处的拉普拉斯变换，/>为/>关于/>的一阶导数。
本发明的有益效果在于：本发明在通过重传机制保障了系统的可靠传输的前提下，着重测量了时效性，并对其在一定程度上进行优化，对无人机自组网设计以及时效性分析具有借鉴参考意义。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为无人机自组网系统示意图；
图2为无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法流程图；
图3为信息年龄示意图。
具体实施方式
本发明提供一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法的系统模型如图1所示。其中共有,/>等多个无人机节点以及多个地面用户/>,/>。地面用户时刻处于向无人机群发送数据包的状态，而无人机通过构建之间的通信拓扑链路搭建网络相互连接
其中无人机自组网在与地面用户进行信息交互时共有两种通信方式：无人机和无人机之间通信以及无人机和地面用户之间通信。无人机和无人机之间通信模式指图1中的无人机、/>等向无人机/>之间传递数据包。无人机和地面用户之间通信模式即无人机和地面用户/>,/>建立通信链路，并与地面用户交互信息；无人机/>可以与/>用户通信联系；无人机/>可以与/>用户通信联系。无人机和无人机之间通信链路以及无人机和地面用户之间通信链路的信道衰落与干扰服从不同的统计分布模式，为配合数值计算，以二进制比特消除信道和Nakagami-m衰落信道来分别模拟无人机和无人机之间通信信道以及无人机和地面用户之间通信信道。
图2为通信流程图，多源用户如,/>和其他无人机/>同时向无人机/>发送数据包并交由其处理。首先所有数据包按照先到先服务原则排队等候进入发送阶段；其次按照一定的信道编码和解码原则通过无人机和无人机之间通信链路以及无人机和地面用户之间通信链路的相关衰落信道到达终端（/>无人机）；最后终端通过广播信号的方式告诉用户是否收到并成功解码所发数据包。
在无人机自组网系统下，每个用户根据速率为的泊松过程，以随机间隔生成状态更新数据包并将其发送给其对应的无人机。此时，一个数据包含有/>个有用信息符号，并根据先到先服务原则排队等待服务。用户发送端使用前馈校正算法将含有/>个有用信息符号的数据包编码成具有n个信息符号的数据包。然后，生成的数据包通过易出错的通信链路传递到处理单元。如果有k个有用信息符号被成功解码，目的地向源发送确认反馈。相反，非确认反馈会被发送。
在无人机自组网系统通信链路中，单次传输中无人机和无人机之间通信链路的错误概率为
其中为无人机和无人机之间通信信道的单位比特误码率，i为计数单位。
单次传输中无人机和地面用户之间通信信道的错误概率为
其中，m为Nakagami-m信道引入的参数，为数据包之间的互信息量。
本实施例采取固定冗余随机混合重传机制对于未正确接收的数据包进行重传，以提高正确接收概率。在固定冗余随机混合重传机制下，用户以编码速率R = k/n对数据包进行编码。当传输失败，选择再次传输该数据包时，以多次总共超过k个正确的信息符号，则表示此数据包接收成功。此外，固定冗余随机混合重传机制允许编码操作将当前的重传尝试与以前失败的数据包相结合。如果在第一次尝试中成功解码个符号，则下一次传输成功只需要成功解码/>个信息符号，其中/>>1并且为一个固定的常数。
如图3所示，信息年龄AoI是用来衡量当前时刻与最近接收的数据包的时间戳之间的差值，AoI的各瞬时值用曲线图的实黑粗线表示。当没有接收到数据包时，它呈线性增加。然而，在状态更新时，它经历了一个急剧的下降。本实施例将时间平均信息年龄定义为：
其中，为数据包生成时间间隔，即为成功传输的数据包和下一个准备接收的数据包的时间戳之间的差值。并且根据泊松分布概率知，/>，/>为泊松过程的平均到达速率；/>为数据包在系统的逗留时间；/>是处理首次传输的数据包所用的时间，具有服从一定概率分布函数/>，其中/>为服务时间的平均服务速率；/>是额外的服务时间，/>为对于重传数据包的处理时间之和，包含了重传多次才成功的情况；/>是数据包的等待时间。
首先，通过研究采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统中的信息年龄AoI来评估其传输时效性。通过采用嵌入式节点分析方法，将M/G/1单源排队通信系统中的信息年龄最终可得到
其中，代表重传了r次的系统的信息年龄，/>代表系统的业务强度，S即为服务时间的随机变量。此推导式具有一般性，将作为系统时效性指标的信息年龄和系统中的到达速率，服务速率，服务时间的随机变量，重传次数以确定性的数学表达式联系在一起，有助于整体复杂系统时效性改良以及性能提升。
其次，对于采用固定冗余随机混合重传机制下的M/M/1多源排队通信系统中的信息年龄AoI，与之前的单源系统不同，多源系统每个信源用户都会向信宿无人机以间隔时间服从负指数分布的形式发送数据包，每个源的数据包都会对其他源的数据包的时效性产生延迟效果，也会受到其他数据包时效性的干扰。此时多源系统的信息年龄转化为：
其中，代表了第c个信源的数据包平均到达速率，/>代表了第c个信源中第i个数据包的与它之前的数据包的到达间隔；/>为第c个信源中第i个数据包的系统逗留时间。由于多源系统的特殊性质，用含下角标c的变量特指属于第c个信源的变量，不加下角标的变量为系统的变量。
通过代入嵌入式节点分析方法和矩母函数映射方法可以得到采用FR-HARQ协议的M/M/1多源排队通信系统中的信息年龄AoI为：
其中，,/>=/>为系统的业务强度，/>为除了第c个信源的系统业务强度，/>为系统逗留时间与额外处理时间之和在/>处的拉普拉斯变换，/>为/>关于/>的一阶导数。
在无人机和无人机之间通信情况以及无人机和地面用户之间通信情况下，在∈（0.3,0.5）的合适的业务强度范围系统总是具有更好的年龄性能。在基于多源排队的系统中，降低其他源的业务强度对所测源的年龄相关参数的影响比增加所测源的业务强度更大。此外，结果表明，信息年龄是一个显著的时效性度量指标，与平均系统时间变化趋势不一致。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在无人机自组网系统下，每个用户根据速率为λ的泊松过程，以随机间隔生成状态更新数据包并将其发送给其对应的无人机；
S2：所有数据包按照先到先服务原则排队等候进入发送阶段；
S3：数据包通过易出错的通信链路传递到处理单元，如果所有数据包均被成功解码，目的地向源发送确认反馈，否则发送非确认反馈；
S4：采取固定冗余随机混合重传机制对于未正确接收的数据包进行重传；
S5：通过信息年龄AoI评估采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统和M/M/1多源排队通信系统的可靠传输时效性，其中M/G/1为数据包发送时间间隔服从负指数分布，数据包服务时间服从一般分布的排队系统；M/M/1为数据包发送时间间隔与数据包服务时间均服从负指数分布。
2.根据权利要求1所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：所述无人机自组网系统中包括多个无人机节点以及多个地面用户，地面用户时刻处于向无人机群发送数据包的状态，无人机通过构建它们之间的通信拓扑链路来形成无人机自组网；
所述无人机自组网在与地面用户进行信息交互时共有两种通信方式：无人机和无人机之间通信以及无人机和地面用户之间通信；
无人机和无人机之间通信链路以及无人机和地面用户之间通信链路的信道衰落与干扰服从不同的统计分布模式，以二进制比特消除信道和Nakagami-m衰落信道来分别模拟无人机和无人机之间通信信道以及无人机和地面用户之间通信信道。
3.根据权利要求2所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：一个数据包含有k个有用信息符号，用户发送端使用前馈校正算法将含有k个有用信息符号的数据包编码成具有n个信息符号的数据包。
4.根据权利要求3所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：单次传输中无人机和无人机之间通信链路的错误概率pB为：
其中δ为无人机和无人机之间通信信道的单位比特误码率，i为计数单位；
单次传输中无人机和地面用户之间通信信道的错误概率pN为：
其中，m为Nakagami-m信道引入的参数，α为数据包之间的互信息量，k为计数单位。
5.根据权利要求1所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：在固定冗余随机混合重传机制下，用户以编码速率R＝k/n对数据包进行编码，其中n为一个数据包的信息符号数量；若传输失败，选择再次传输该数据包时，以多次总共接收到超过k个正确的信息符号，则表示此数据包接收成功；
固定冗余随机混合重传机制允许编码操作将当前的重传尝试与以前失败的数据包相结合；如果在第一次尝试中成功解码k1个符号，则下一次传输成功要成功解码ξ(k - k1)个信息符号，其中ξ>1并且为一个固定的常数。
6.根据权利要求1所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：在步骤S5中，将时间平均信息年龄E[A]定义为：
其中，i表示第i个数据包，Xi＝αi+1 -αi为数据包生成时间间隔，即为成功传输的数据包和下一个准备接收的数据包的时间戳之间的差值；λ为泊松过程的平均到达速率；Ti＝β′ i-αi为数据包在系统的逗留时间。
7.根据权利要求6所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：在采用固定冗余随机混合重传机制下的M/G/1单源排队通信系统中，通过采用嵌入式节点分析方法，将M/G/1单源排队通信系统中的信息年龄定义为：
其中，E[A(r)]代表重传了r次的系统的信息年龄，ρ＝λ/μ代表系统的业务强度，μ为服务时间的平均服务速率，S即为服务时间的随机变量。
8.根据权利要求6所述的无人机自组网可靠传输时效性评估与计算方法，其特征在于：在采用固定冗余随机混合重传机制下的M/M/1多源排队通信系统中，信息年龄为：
其中，λc代表第c个信源的数据包平均到达速率，Xc,i代表第c个信源中第i个数据包的与其之前的数据包的到达间隔；Tc,i为第c个信源中第i个数据包的系统逗留时间；用含下角标c的变量特指属于第c个信源的变量，不加下角标的变量为系统的变量；
通过代入嵌入式节点分析方法和矩母函数映射方法得到采用FR-HARQ协议的M/M/1多源排队通信系统中的信息年龄AoI为：
其中，ζ＝r(1+g(r)),ρ＝λ/μ为系统的业务强度，ρ′为除了第c个信源的系统业务强度，LT′(λc)为系统逗留时间与额外处理时间之和在λc处的拉普拉斯变换，L′T′(λc)为LT′(λc)关于λc的一阶导数。
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