基于多信道跳频的无人机Ad Hoc网络传输容量优化研究
发布时间：2021-11-06 21:44
无人机自组网技术是为多个空中飞行节点建立一个分布式通信系统,依靠自组网拓扑实现多跳传输。其时效性和可靠性的要求对多跳传输提出了多重挑战。在大地理尺度、网络拓扑半径大时,数据分组的端到端时延要求在1毫秒到100毫秒之内。协同频繁和高负载下的网络吞吐量要求保持稳定。调度型多址接入协议在控制节点的接入冲突时,为了维持分组成功传输概率,增加了协议的应答请求帧数量分配信道和预约时隙,但是对于高动态节点的接入不能确保时效性。相较之下,多信道接入协议不需要应答请求帧,通过异步跳频和载波侦听机制实现。本课题以多信道跳频接入机制为背景,并引入了信道交汇作为异步跳频接入机制的补充。从提升无人机自组网的传输容量出发,研究了在这种接入机制下,跳频信道数的优化和自适应跳频策略:基于经典传输容量分析理论的扩展,对无人机信道的组网传输容量建立模型。本文分析了阴影衰落信道和莱斯信道复合的并发传输干扰模型,通过无人机分布密度对应的接收端中断概率表示了传输容量。推导了给定中断概率下,可容纳并发传输的节点密度与信道划分个数的关系式,得到优化期望值的问题模型。通过蒙特卡洛仿真对信道划分优化问题进行数值求解,利用组网规模的有限...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1分布式多信道跳频接入机制
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-我们重新假设了传输机制：当任意两个节点完成盲交汇，同时处于空闲状态且节点的消息队列中有等待发送的数据包时，立即发起传输，在双方成功接入后转为忙状态。传输使用跳频信道作为数据传输信道，节点通过最近的交汇时隙完成了跳频序列的同步，将持续若干个时隙保持一致的跳频图案[19]。传输的持续时间受到负载大孝子频带宽度和调制编码阶数的影响。目前FANET领域对无人机的信息拓扑描述没有统一的限定。单播、多播、广播在不同的应用场景均有出现，我们在后续将关注多跳网络中相邻节点对之间并发传输引起的共信道干扰问题。例如考虑编队飞行控制的场景，UAV节点之间的信息拓扑可用一个有向无环图描述。我们将无人机的地理位置按照Mahattan距离排序，用有向无环图假设了信息流向，可以模拟应急信息在地理尺度上的多播情况，如2-2所示，相邻的收发节点对之间可能相互干扰。图2-2FANET的并发传输链路将小型无人机的飞行高度分为超低空（400m以下）和低空（1000m以下），在城郊环境中，超低空的飞行高度会使飞行节点处于在建筑物等多径环境和密集的ISM电磁干扰环境中，低空的飞行高度会使飞行节点不受到建筑物的遮挡，但增加了更大范围的蜂窝基站到飞行节点的视距可见性，也就是飞行节点会与其它蜂窝基站之间发生共信道干扰。根据以上场景推知，无人机的对频谱可用的感知结果在不同的飞行区域使不同的。我们沿用认知无线电（CognitiveRadioNetwork）中“对称模型”和“非对称模型”的概念。对称模型（SymmetricModel）表示所有用户的可用频谱一致（信道频率和信道个数完全一致），否则为非对称模型（AsymmetricModel）。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-图2-3多用户跳频交汇事件如图2-3所示，有4个发送节点，1个接收节点，任意一对收发节点对之间存在跳频交汇时间。跳频算法应该保证有限时间内发生信道交汇，并且这个上限越小越好，衡量一个跳频算法可以有很多指标[20]：（1）最大交汇时间[21]双方第1次出现信道交汇的最迟时间（MaximumTimetoRendezvous，MTTR）。根据MTTR是否存在，分为确定性策略和概率性策略。（2）平均交汇时间[21]双方信道交汇时间开销的平均值（ExpectedTimetoRendezvous,ETTR）。（3）交汇信道重叠度/公平性[22]在每个信道上交汇的平等程度（FairnessIndex,FI），反映了频谱利用率和对频谱动态变化的鲁棒性。FI越趋于1，表示越公平，计算公式如下所示：式中表示连续时隙的总数，代表所有授权信道的数量，表示在同一信道上汇合时间的平均值。（4）最大条件交汇时间[23]考虑频谱动态变化，通信双方在最坏情况下完成信道交汇的消耗时间（Maximumconditionaltimetorendezvous,MCTTR）。当通信双方的信道跳转序列能够保证网络所有信道在一个序列周期内都能成为交汇信道时，交汇信道多样化达到最大，称为完全交汇（completerendezvous）；反之，称为部分交汇（partialrendezvous）。MCTTR存在的前提条件是交汇策略支持完全交汇。（5）平均有效交汇时间[24]考虑频谱动态变化和多用户交汇冲突时，通信双方在平均情况下完成信道交汇的消耗时间（effectiveexpectedtimeto
【参考文献】：
期刊论文
[1]认知无线电网络信道交汇研究综述[J]. 刘权,赵光胜,王晓东,周兴铭. 软件学报. 2014(03)
[2]无人机中继平台覆盖区域统计模型[J]. 朱秋明,周生奎,霍帅珂,陈小敏,徐大专. 航空学报. 2014(01)
[3]一种支持实时性业务的多信道MAC协议[J]. 王叶群,杨峰,叶向阳,黄国策,张衡阳. 计算机应用研究. 2012(08)
[4]一种基于松弛循环差集的高性能分布式互斥算法[J]. 李美安,刘心松,王征. 电子学报. 2007(01)
博士论文
[1]基于随机几何理论的认知无线Ad Hoc网络容量及连通性研究[D]. 刘旸.北京邮电大学 2016
[2]面向盲信道交汇的无线认知网络媒体接入控制关键技术研究[D]. 刘权.国防科学技术大学 2014
本文编号：3480578
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2-1分布式多信道跳频接入机制
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-9-我们重新假设了传输机制：当任意两个节点完成盲交汇，同时处于空闲状态且节点的消息队列中有等待发送的数据包时，立即发起传输，在双方成功接入后转为忙状态。传输使用跳频信道作为数据传输信道，节点通过最近的交汇时隙完成了跳频序列的同步，将持续若干个时隙保持一致的跳频图案[19]。传输的持续时间受到负载大孝子频带宽度和调制编码阶数的影响。目前FANET领域对无人机的信息拓扑描述没有统一的限定。单播、多播、广播在不同的应用场景均有出现，我们在后续将关注多跳网络中相邻节点对之间并发传输引起的共信道干扰问题。例如考虑编队飞行控制的场景，UAV节点之间的信息拓扑可用一个有向无环图描述。我们将无人机的地理位置按照Mahattan距离排序，用有向无环图假设了信息流向，可以模拟应急信息在地理尺度上的多播情况，如2-2所示，相邻的收发节点对之间可能相互干扰。图2-2FANET的并发传输链路将小型无人机的飞行高度分为超低空（400m以下）和低空（1000m以下），在城郊环境中，超低空的飞行高度会使飞行节点处于在建筑物等多径环境和密集的ISM电磁干扰环境中，低空的飞行高度会使飞行节点不受到建筑物的遮挡，但增加了更大范围的蜂窝基站到飞行节点的视距可见性，也就是飞行节点会与其它蜂窝基站之间发生共信道干扰。根据以上场景推知，无人机的对频谱可用的感知结果在不同的飞行区域使不同的。我们沿用认知无线电（CognitiveRadioNetwork）中“对称模型”和“非对称模型”的概念。对称模型（SymmetricModel）表示所有用户的可用频谱一致（信道频率和信道个数完全一致），否则为非对称模型（AsymmetricModel）。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-图2-3多用户跳频交汇事件如图2-3所示，有4个发送节点，1个接收节点，任意一对收发节点对之间存在跳频交汇时间。跳频算法应该保证有限时间内发生信道交汇，并且这个上限越小越好，衡量一个跳频算法可以有很多指标[20]：（1）最大交汇时间[21]双方第1次出现信道交汇的最迟时间（MaximumTimetoRendezvous，MTTR）。根据MTTR是否存在，分为确定性策略和概率性策略。（2）平均交汇时间[21]双方信道交汇时间开销的平均值（ExpectedTimetoRendezvous,ETTR）。（3）交汇信道重叠度/公平性[22]在每个信道上交汇的平等程度（FairnessIndex,FI），反映了频谱利用率和对频谱动态变化的鲁棒性。FI越趋于1，表示越公平，计算公式如下所示：式中表示连续时隙的总数，代表所有授权信道的数量，表示在同一信道上汇合时间的平均值。（4）最大条件交汇时间[23]考虑频谱动态变化，通信双方在最坏情况下完成信道交汇的消耗时间（Maximumconditionaltimetorendezvous,MCTTR）。当通信双方的信道跳转序列能够保证网络所有信道在一个序列周期内都能成为交汇信道时，交汇信道多样化达到最大，称为完全交汇（completerendezvous）；反之，称为部分交汇（partialrendezvous）。MCTTR存在的前提条件是交汇策略支持完全交汇。（5）平均有效交汇时间[24]考虑频谱动态变化和多用户交汇冲突时，通信双方在平均情况下完成信道交汇的消耗时间（effectiveexpectedtimeto
【参考文献】：
期刊论文
[1]认知无线电网络信道交汇研究综述[J]. 刘权,赵光胜,王晓东,周兴铭. 软件学报. 2014(03)
[2]无人机中继平台覆盖区域统计模型[J]. 朱秋明,周生奎,霍帅珂,陈小敏,徐大专. 航空学报. 2014(01)
[3]一种支持实时性业务的多信道MAC协议[J]. 王叶群,杨峰,叶向阳,黄国策,张衡阳. 计算机应用研究. 2012(08)
[4]一种基于松弛循环差集的高性能分布式互斥算法[J]. 李美安,刘心松,王征. 电子学报. 2007(01)
博士论文
[1]基于随机几何理论的认知无线Ad Hoc网络容量及连通性研究[D]. 刘旸.北京邮电大学 2016
[2]面向盲信道交汇的无线认知网络媒体接入控制关键技术研究[D]. 刘权.国防科学技术大学 2014
本文编号：3480578
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