提高無人機中繼系統數據吞吐率算法研究

陳 超，盧艷玲，張亞師，楊道錕，賈 碩

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

利用低空高機動無人機(UAV)協助無線通信技術是一個全新的領域，已經引起了研究者們濃厚的研究興趣以及廣泛的關注[1]。首先，由于無人機具有高機動性[2]，無人機協助式通信系統部署更加快捷靈活，適合特定場景或意外情況[3]。其次，相比于地面系統中的地對地通信鏈路，無人機對地通信鏈路更易是視距(LoS)鏈路，因此通信鏈路的信道容量更大[4]。無人機協助式通信系統的性能也可以通過附加設計進行提高，設計自由度較高[5]，因此無人機協助式通信系統有望在未來的無線系統中發揮重要作用。

針對過遠距離的兩節點，無人機中繼通信場景下如何提高系統數據吞吐率，提出了將網絡編碼概念引入無人機中繼系統中，減少時隙浪費的方案，通過建立編碼通信模型，仿真結果證明該算法比傳統靜態中繼系統吞吐率更佳。深入分析仿真數據后，針對模型瑕疵，優化并提出混合編碼無人機通信算法，將網絡編碼與數據直傳相結合，根據實際信道條件，系統選擇合適的中繼方式，再經實驗仿真，證明混合編碼算法性能最佳。

1 網絡編碼

1.1 網絡編碼優勢

假定單個鏈路單個時隙只能傳輸一個數據包。整個系統完成一次數據傳輸后，節點A,B收到彼此的數據包，即系統成功完成數據交換。

圖1(a)中，系統完成節點數據交換任務需要4個時隙,圖1(b)僅要3個時隙。節點U不只是中繼數據，而是對數據進行異或編碼(ma⊕mb)，然后以廣播的形式發送數據，節點A和B接收并對其進行解碼以獲取彼此的數據。

圖1 網絡數據傳輸模式

1.2 通信系統網絡編碼規則

網絡編碼采用異或編碼方式。定義Ui是中繼節點U廣播的第i個數據包：Ui=Aj⊕Bk,Aj是節點U存儲的來自節點A第j個數據包，Bk是來自節點B第k個數據包。j≠k，這是由于信道時變，各時隙發的數據包數是不同的。表1給出了廣播數據包的規則。如當節點U廣播Ui后，節點A接收Bk成功,節點B接收Aj失敗，那么節點A需要接收來自節點B的第k+1個數據包，節點B再次接收來自節點A第j個數據包。因此Ui+1=Aj⊕Bk+1,其余情況類似。

表1 節點U廣播的第i+1個數據包

2 無人機飛行中繼模型

無人機網絡編碼無線中繼模型(UNCWR)中的無人機飛行軌跡是直線往返，采用基于時分雙工的網絡編碼方式中繼。系統模型如圖2所示。

圖2 無人機中繼模型

圖2中，節點A與距離L的節點B建立通信。當節點A,B之間的直接通信鏈路嚴重阻塞，需要一個中繼節點U來協助節點A與節點B之間數據傳輸。與傳統固定位置靜態中繼節點不同，假設移動中繼節點U安裝在無人機上，無人機在節點A,B上空往返飛行，協助節點之間無線通信，無人機飛行持續時間為TU。

為使模型具有通用性，模型采用三維笛卡爾坐標系，節點A坐標(0，0，0)，節點B坐標(L，0，0)。假設無人機飛行速度恒定為v，飛行高度固定為H，飛行軌跡是以(L/2，0，H)為中心，半徑為R的弧線。因此無人機飛行一圈的周期T=4R/v，即無人機的位置每經過T秒重復一次。在系統實際工作時，無人機總運行時間TU通常比無人機飛行周期T大得多，即TU>>T，近似地認為TU是T的整數倍[6]。由于無人機位置是周期性變化的，無人機飛行軌跡的優化設計可以在其他所有周期中重復利用[7]，所以只需要考慮一個循環周期t∈[0，T]。

(1)

(2)

為了便于系統性解釋，節點間通信均是視距(LoS)信道。此外，無人機高機動性引起的多普勒效應已被接收端補償[8]。節點間的信道功率增益遵循自由空間路徑損耗模型。因此，當節點U從B飛向A時，信道EAU(t)，EUA(t)，EBU(t)功率增益如式(3)所示。

(3)

其中，B0表示在參考距離為1 m時的接收端信號功率，其值取決于天線增益，載波頻率等。

將無人機飛行周期T劃分為n個時隙τ，即n=T/τ。設一包數據含N個比特，則第一時隙(3i,3i+1)τ節點A向節點U可發送PAU包數據，第二時隙(3i+1,3i+2)τ節點B向節點U可發送PBU數據包，第三時隙(3i+2,3i+3)τ節點U向節點A，B廣播PUA包數據，如式(4)所示。其中P為發射信號功率，B為信道帶寬，σ2為噪聲密度。

(4)

3 UNCWR算法仿真結果與討論

3.1 UNCWR算法說明

UNCWR算法流程為：

1)A，B距離L;

2)設置無人機軌跡半徑R，飛行速度v;

3)計算無人機飛行周期T，劃分時隙;

4)計算各時隙節點A,B,U收發包數;

5)計算無人機飛行一圈，節點A收到總包數;

6)計算節點A數據吞吐率Tp;

7)重復2)～6),計算最佳無人機飛行半徑R，使節點A吞吐率Tp最大。

3.2 UNCWR算法仿真

實際工程中，發射頻率P=37 dBm，通信距離10 km。根據參考文獻[9]模型參數，等比例尺減小，設P=10 dBm，A,B節點距離L=800 m。從圖3中可以看出，無人機靜態三時隙中繼(static3)系統中節點A的吞吐率優于無人機靜態四時隙中繼(static4)系統。這是因為static3節省了通信時隙。從圖中可以看出static3和static4系統的吞吐率不隨無人機飛行半徑R而變化。這是因為靜態中繼節點的位置是固定的,節點U距離節點A,B的長度是定值L/2。因此信道非時變,系統吞吐率是定值。

圖3 不同中繼系統的節點A吞吐率與飛行半徑關系

UNCWR算法中節點A吞吐率是無人機飛行半徑R的凹函數。相較于靜態中繼系統中信道非時變，由于無人機動態飛行，節點U與兩節點的距離會變化。當節點U靠近節點A時,信道質量增強，節點U成功發送數據包數上限提高,雖然節點B發送給節點U的數據減少,但此時無人機內存中有上一次第二時隙存儲數據包PBU的余量,所以節點A成功接收的數據會增多。因此無人機半徑R影響著無人機網絡編碼中繼系統吞吐率。UNCWR相比static4，吞吐率約提高50%。隨著R的不斷增大，節點U與兩節點的長距離模式時間增大，信道質量較差，吞吐率開始降低。因此存在無人機最佳飛行半徑，使無人機網絡編碼中繼系統吞吐率達到最大值。

通過對仿真數據的分析，當無人機處于軌跡邊緣時的時隙，和無人機在軌跡中間相比，收發的數據包很少，差距較大。邊緣處由于與某一節點距離遠，幾乎接收不到節點信息，如果依然采用UNCWR會浪費時隙并降低系統吞吐率。為了解決該系統缺陷，引入無人機混合編碼無線中繼(UHCWR)。當節點U和某個節點之間的通信質量差時，將不會執行三時隙網絡編碼傳輸。節點U僅以兩時隙直傳(TTSC)與臨近節點通信。

4 混合編碼中繼算法

4.1 混合編碼模型

如圖4所示，階段1中，節點U與節點A之間距離太遠，接收端信號信噪比小，信道容量較低，系統會浪費2/3的時隙。所以選擇兩時隙傳輸(僅節點U,B交換數據)。當無人機飛行至圖中階段2、3處，由于節點A和U距離縮小，節點接收信號信噪比滿足通信標準，執行網絡編碼中繼方式。但當無人機處于階段4時，由于本系統模型中心對稱，節點U與節點B距離過遠，也將不能正常通信，系統將再次選擇兩時隙直傳，此時是節點U和節點A交換數據。由于對稱性，階段5、6、7和8與以上階段情況相同，整個通信系統由兩時隙直傳和三時隙網絡編碼中繼組成，故稱為混合編碼中繼(UHCWR)。系統判斷兩時隙直傳和三時隙網絡編碼方式的標準是節點U接收節點A,B中某一個節點的數據信號信噪比是否小于門限值St。當信號信噪比大于門限值St時，節點之間可以正常通信。即無人機從起點飛向節點A,B的過程中，存在t0∈(0,R/v),使SAU(t0)=St。SAU(t)表示節點U接收節點A數據的信噪比。

圖4 混合編碼中繼模型

(5)

4.2 理論分析

分析模型可以算出各階段持續時間，如表2所示。

表2 各階段起始時間

(6)

(7)

當ΔTp>0時，即隨R增大，Tp也增大；當ΔTp<0時，即隨R增大，Tp反之減小。當ΔTp>0時，得出式(8):

(8)

左式表示Δ距離下的數據吞吐率，右式是2倍的Tp。即R增大，會導致階段1、8的時間增大，在這兩階段中A接收不到數據，系統總體浪費時隙。因此Δ距離內的節點數據吞吐率必須大于原系統的兩倍，系統吞吐率才可以提高。

4.3 仿真結果與討論

如圖5所示，L=500 m，各系統節點吞吐率隨無人機飛行半徑的變化。當UHCWR和UNCWR在R=90 m和180 m時，節點A吞吐率相同。這是因為無人機飛行半徑較小，無人機飛行全程節點U均能與節點A,B正常通信。因此UHCWR采用三時隙網絡編碼模式進行中繼任務。當R增大時，UHCWR開始引入兩時隙直傳模式。仿真表明相比UNCWR，吞吐率提高23%。相比static3，吞吐率提高60%。R持續增大，UHCWR和UNCWR的吞吐率降低。

圖5 不同系統節點A吞吐率與飛行半徑關系

圖6描述了各系統節點吞吐率隨節點距離L的變化趨勢。UHCWR和UNCWR部分曲線擬合。當節點距離過大，UHCWR體現出了優勢。UHCWR下降較緩，抗性最好。

圖6 不同系統節點A吞吐率與節點距離關系

圖7描繪了Tp-R曲線的峰值會隨著R增加而降低，并且右移。即吞吐率會隨著R增大而減小，原因是U與A或B之間的距離增加直接導致接收端信號信噪比的降低。同時L增大，R的最優值也會增大。

圖7 UHCWR節點A吞吐率與飛行半徑關系

5 結論

基于無人機空中基站的混合編碼中繼模型提高了系統中繼通信性能，并且提高了系統保密性。經過理論分析與仿真對比，混合編碼中繼吞吐率提高了60%?；旌暇幋a中繼模型明顯地提高了通信效率，更有效地利用了信道資源。