具有剩余能量感知功能的UAV补给能量调度方案

发布时间：2020-10-16 06:00

　　 无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),因其较高的移动性、部署的灵活性和较低的操作功耗等优点,广泛应用于军事、公用和民用领域。无人机系统协助无线通信网络,提供无处不在的覆盖,是关键应用之一。由于UAV有限的能量,系统将逐渐出现能量耗尽的UAV,导致指定区域通信中断,影响系统生存时间。设置能量补给站,为UAV提供能量是可行的方案。但是,为了保障指定区域节点的服务质量(Quality of Service,QoS),确定UAV的召回时刻时,需要限制同时返回补给站的UAV数目。所以,UAV的补给能量调度是一个值得研究的问题。本文针对UAV系统不能为指定区域提供持续的无线服务以及UAV的召回时刻相互影响的问题,提出具有剩余能量感知功能的UAV补给能量调度方案。本文通过确定UAV的召回时刻,保障系统不会出现能量耗尽的UAV,延长UAV系统生存时间;为了保障指定区域的服务质量,本文采用提前最少时间片数目原则调整UAV的召回时刻,有效限制同一时间召回的UAV数目,避免了UAV之间影响,而且减少了提前的时间片数目,降低了系统能耗;本文采用空闲UAV替换召回UAV和邻居UAV协作传输策略,保障召回UAV节点的服务质量,避免指定区域通信中断。首先,考虑到UAV的剩余能量和耗能速度对UAV生存时间的影响,本文以最大化每个时间片结束时刻系统的剩余能量为目标函数,建立数学模型;然后,通过对目标函数的分析和化简,提出启发式调度方案。在UAV功率固定,系统存在空闲UAV的条件下,本文根据UAV的剩余能量和耗能速度确定预召回UAV集合和预召回时刻,保障系统中UAV具有足够能量提供服务;根据系统中UAV的生存时间初始化调度窗口,延后调度过程开始时刻,最大化系统剩余能量;考虑指定区域的QoS,本文采用提前最少时间片数目原则调整UAV召回时刻,避免UAV之间的影响的同时,减少了UAV提前召回的时间片数目,达到减小系统能耗的目的;采用空闲UAV替换召回UAV,保障节点的速率要求,得到基于空闲UAV替换的UAV补给能量调度方案。针对功率可调的智能UAV,本文利用邻居UAV调整功率,扩大覆盖范围,组成召回UAV的协作簇,为节点提供服务,提出基于协作传输的UAV补给能量调度方案。最后,通过仿真和性能分析,证明本文算法在保障覆盖区域不间断服务的前提下,延长了系统生存时间,减少了UAV系统能耗。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 UAV网络的机遇和挑战
    1.3 论文选题及意义
    1.4 本文的主要工作及论文结构
第二章 UAV网络的相关理论
    2.1 UAV能耗模型及空地信道模型分析
        2.1.1 UAV能耗模型分析
        2.1.2 空地信道模型分析
    2.2 UAV的3维节能部署策略研究现状
    2.3 UAV网络补给能量调度方案研究现状
    2.4 无线可充电网络补给能量调度方案研究现状
    2.5 本章小结
第三章 基于空闲UAV替换的UAV补给能量调度方案
    3.1 系统场景及术语说明
        3.1.1 系统场景
        3.1.2 术语说明
    3.2 UAV能耗模型分析
    3.3 现有的UAV补给能量调度方法
        3.3.1 系统建模
        3.3.2 UAV依概率补给能量调度方案
    3.4 基于空闲UAV替换的UAV补给能量调度方案
        3.4.1 UAV补给能量调度问题的建模
        3.4.2 目标函数的求解
        3.4.3 基于空闲UAV替换的UAV补给能量调度方案
        3.4.4 仿真结果和分析
    3.5 本章小结
第四章 基于协作传输的UAV补给能量调度方案
    4.1 引言
    4.2 UAV能耗模型分析及系统建模
    4.3 候选协作簇的构建
        4.3.1 候选协作UAV集合的构建
        4.3.2 候选协作簇的构建
    4.4 UAV补给能量调度问题求解
        4.4.1 给定预召回时刻,确定活跃UAV的协作状态
        4.4.2 给定UAV状态,调整召回时刻
    4.5 基于协作传输的UAV补给能量调度方案
    4.6 仿真分析及性能评估
    4.7 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 研究结论
    5.2 研究展望
参考文献
致谢
作者简介

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本文编号：2842871