鄭 云,徐哲鑫,陳錦峰,吳 怡

1(福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350117)

2(福建師范大學(xué) 福建省光電傳感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,福州 350117)

每次地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生后,災(zāi)區(qū)附近的通信等電力設(shè)施都遭到嚴(yán)重破壞.因?yàn)?zāi)后建筑掩埋,短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)通信線(xiàn)路,受災(zāi)人員無(wú)法聯(lián)系外界,無(wú)法發(fā)送求救信息,因此建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)顯得尤其重要.無(wú)人機(jī)憑借靈活多變的特性,在救援人員到達(dá)前可用其搭載無(wú)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū),建立應(yīng)急通信架構(gòu),也可通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶或投放無(wú)線(xiàn)mesh 路由,在短期內(nèi)保障受災(zāi)人員的通信需求,方便受災(zāi)人員向外界發(fā)送求救信息.災(zāi)區(qū)內(nèi)的文件請(qǐng)求預(yù)測(cè)中,大多為災(zāi)區(qū)救援重建以及與親友聯(lián)系的內(nèi)容,通信請(qǐng)求的內(nèi)容重復(fù)性較高,短時(shí)間內(nèi)某些文件被重復(fù)請(qǐng)求,產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余.因此需建立地面mesh 緩存功能,減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的重復(fù)能量消耗與路由開(kāi)銷(xiāo),縮短獲取內(nèi)容的時(shí)間,同時(shí)減輕用于中繼通信的無(wú)人機(jī)負(fù)載,改善受災(zāi)人員的通信體驗(yàn)感.目前,無(wú)人機(jī)和通信設(shè)備資源有限,災(zāi)后短時(shí)間內(nèi)無(wú)法籌集足夠的設(shè)備,且大部分災(zāi)區(qū)面積大、區(qū)域分散等,故在無(wú)線(xiàn)mesh 混合網(wǎng)絡(luò)中選擇簇狀網(wǎng)絡(luò)作為應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò).

在應(yīng)急通信方面,衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、海岸、艦船、水下可構(gòu)成的一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)[1].物聯(lián)網(wǎng)高速公路應(yīng)急救援平臺(tái)也可快速獲取事故信息[2].已設(shè)計(jì)的電力應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)指揮通信方案優(yōu)化設(shè)計(jì)路由協(xié)議[3],開(kāi)發(fā)出集定位、信息交互的軟件,可移動(dòng)和可部署資源單元用于災(zāi)難網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)[4].災(zāi)后應(yīng)急救援網(wǎng)絡(luò)把無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)mesh 網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建簇狀網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)[5],使用節(jié)點(diǎn)流量感知的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法,有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量.對(duì)mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布放要求和節(jié)點(diǎn)覆蓋能力進(jìn)行估算[6].構(gòu)建無(wú)線(xiàn)mesh 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾模型[7],驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)mesh 節(jié)點(diǎn)休眠策略有效性.優(yōu)化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓采w方案[8],調(diào)整天線(xiàn)的覆蓋角度易于用戶(hù)接收信號(hào)；增大功率可以增加天線(xiàn)的發(fā)送距離并且保證信號(hào)的暢通性.加入衛(wèi)星通信系統(tǒng)在應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用[9].基于3G/4G 的應(yīng)急指揮車(chē)輛管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)與維護(hù)難度[10].優(yōu)化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和指揮中心保證前、后方?jīng)Q策部門(mén)之間通信無(wú)堵塞[11].

在無(wú)人機(jī)搜尋救治人員方面,提出海上落水傷員救援決策方案[12],對(duì)落水傷員搜索定位、傷員傷情監(jiān)測(cè)、救援物資投送.建立無(wú)人機(jī)搜索系統(tǒng)[13],制定短距離通信協(xié)議,獲得野外遇險(xiǎn)人員的地理位置.多無(wú)人機(jī)協(xié)同區(qū)域監(jiān)視的航路規(guī)劃方法[14],使用遺傳算法達(dá)到無(wú)人機(jī)監(jiān)視覆蓋率最大.蟻群算法在災(zāi)區(qū)無(wú)人機(jī)搜救場(chǎng)景遍歷所有區(qū)域形成封閉環(huán)狀搜救路徑[15].野外生命搜救探測(cè)的無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)利用攝像頭、熱釋電紅外識(shí)別系統(tǒng)[16]、雷達(dá)生物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)野外遇險(xiǎn)人員的準(zhǔn)確定位.具有體征監(jiān)測(cè)功能的UAV 搜救系統(tǒng),待搜救人員提前攜帶的救援信標(biāo)機(jī)和體征監(jiān)測(cè)儀[17],將體征信息通過(guò)與無(wú)人機(jī)的通信鏈路傳給救援中心來(lái)實(shí)施針對(duì)性救援.

在協(xié)作緩存方面,結(jié)合基站緩存容量大小及文件請(qǐng)求的分布[18],構(gòu)造了基于最小時(shí)延傳輸?shù)?-1 整數(shù)規(guī)劃最優(yōu)化問(wèn)題.ICN 方案[19]對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的流行度分布視圖偏向于緩存不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容,減少冗余的緩存.基于用戶(hù)偏好下不同緩存容量節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同緩存放置策略利用坐標(biāo)下降算法對(duì)子問(wèn)題進(jìn)行迭代得到近似最優(yōu)解[20].CCPNC 緩存策略對(duì)不同流行度的內(nèi)容對(duì)象分類(lèi)緩存[21],調(diào)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核心路由節(jié)點(diǎn)與非核心路由節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作.基于鄰域可用性的協(xié)作緩存策略充分利用節(jié)點(diǎn)的鄰域緩存信息[22],提升系統(tǒng)性能.基于緩存管理的網(wǎng)絡(luò)編碼中繼傳輸方案[23]結(jié)合編碼流速率增加編碼機(jī)會(huì),獲得中繼處不同流的緩存閾值實(shí)現(xiàn)編碼決策.基于半定松弛的方法來(lái)獲得緩存策略在緩存命中率和端到端時(shí)延方面具有競(jìng)爭(zhēng)力[24].協(xié)作組緩存策略選擇具有最低內(nèi)容緩存概率的相鄰節(jié)點(diǎn)作為最佳候選者來(lái)減少內(nèi)容冗余[25].

上述研究的角度多種多樣,但是這些沒(méi)有考慮災(zāi)區(qū)應(yīng)急通信中無(wú)線(xiàn)mesh 路由的協(xié)作緩存與無(wú)人機(jī)調(diào)度的配合.本文使用Matlab 遺傳算法工具箱,綜合考慮地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的協(xié)作緩存與空中的中繼無(wú)人機(jī)的飛行情況,將無(wú)人機(jī)作為傳輸中繼與地面mesh路由協(xié)作緩存結(jié)合,提升用戶(hù)獲取文件的效率.以中繼無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎角為基因完成軌跡規(guī)劃,協(xié)作緩存以各個(gè)地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由所存儲(chǔ)的文件塊為基因優(yōu)化緩存分布.仿真表明,可將用戶(hù)的平均時(shí)延收斂在較低水平.

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施破壞嚴(yán)重的情況下,需要使用空中無(wú)線(xiàn)設(shè)備,即無(wú)人機(jī)攜帶通信設(shè)備.又因單個(gè)無(wú)人機(jī)能量與覆蓋范圍有限,故使用多個(gè)中繼無(wú)人機(jī)共同組成聯(lián)合網(wǎng)絡(luò),使得災(zāi)區(qū)通信受損嚴(yán)重的地方得以聯(lián)系外界.本文采用簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò),即以一個(gè)無(wú)人機(jī)作為簇頭,與地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由共同組成地面-空中無(wú)線(xiàn)mesh 網(wǎng)絡(luò).應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的整體組網(wǎng)[5]如圖1所示,整體由分布在受災(zāi)區(qū)域的mesh路由器、外界基站,起到中繼作用的無(wú)人機(jī)組成.圖中災(zāi)區(qū)整體分為2 個(gè)受災(zāi)區(qū)域,每個(gè)受災(zāi)區(qū)域按大小分配有一架中繼無(wú)人機(jī)與6 個(gè)無(wú)線(xiàn)mesh 路由器,組成區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急通信系統(tǒng).區(qū)域內(nèi)無(wú)人機(jī)起到傳輸中繼作用,向其余區(qū)域或外界請(qǐng)求文件塊,實(shí)際上并不緩存.地面無(wú)線(xiàn)mesh路由主要緩存文件塊,協(xié)同為用戶(hù)提供文件.基站負(fù)責(zé)傳輸中繼無(wú)人機(jī)請(qǐng)求的文件塊.每個(gè)區(qū)域的中繼無(wú)人機(jī)連接外界基站時(shí),使用一架中繼無(wú)人機(jī)作為橋梁.

圖1 地面-空中無(wú)線(xiàn)mesh 網(wǎng)絡(luò)整體構(gòu)架

本文僅考慮一處區(qū)域的地面-空中無(wú)線(xiàn)mesh 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)mesh 路由緩存情況與中繼無(wú)人機(jī)的飛行.借助于中繼無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性,僅需確保與部分地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由連接,減少能量消耗以及路由開(kāi)銷(xiāo).

1.2 系統(tǒng)流程

如圖2所示,每個(gè)區(qū)域的人員首先連接最近的mesh 路由請(qǐng)求文件,若該mesh 路由一跳與兩跳連接的mesh 路由均未存儲(chǔ)該文件,則通過(guò)中繼無(wú)人機(jī)傳遞請(qǐng)求,向外界的基站或其余區(qū)域的mesh 路由請(qǐng)求該文件塊,然后逐個(gè)傳遞回來(lái).以上過(guò)程作為中繼無(wú)人機(jī)與無(wú)線(xiàn)mesh 路由不改變下,一個(gè)周期內(nèi)用戶(hù)請(qǐng)求文件的流程.待下一個(gè)周期開(kāi)始,將上一個(gè)周期用戶(hù)請(qǐng)求情況輸入,使用遺傳算法計(jì)算得出最佳無(wú)人機(jī)位置與無(wú)線(xiàn)mesh 緩存情況,控制無(wú)人機(jī)飛到指定位置,使用集中式緩存控制對(duì)無(wú)線(xiàn)mesh 路由器直接進(jìn)行緩存.

2 基于無(wú)人機(jī)中繼的mesh 路由緩存策略

2.1 基于遺傳算法的中繼無(wú)人機(jī)軌跡規(guī)劃

無(wú)人機(jī)只負(fù)責(zé)作為傳輸中繼,不進(jìn)行緩存.初始條件為中繼無(wú)人機(jī)的初始位置和速度,中繼無(wú)人機(jī)每次飛行的角度小于無(wú)人機(jī)飛行的最大轉(zhuǎn)彎角.在約束條件下,中繼無(wú)人機(jī)飛行轉(zhuǎn)彎角選擇下一時(shí)刻最優(yōu)結(jié)果.即下一時(shí)刻區(qū)域范圍內(nèi)用戶(hù)的平均時(shí)延最低.然后根據(jù)航路——位置坐標(biāo)公式[14]更新中繼無(wú)人機(jī)的位置和坐標(biāo),接著重復(fù)以上步驟,更新中繼無(wú)人機(jī)的位置,直到用戶(hù)平均時(shí)延收斂.

其中,xE和yE分別為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)E的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；xA和yA分別為無(wú)人機(jī)之前的起始點(diǎn)A的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；vp為無(wú)人機(jī)的飛行速度；Δt為固定的時(shí)間間隔；α為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)E相對(duì)于起始點(diǎn)A的位置偏轉(zhuǎn)角；v2為無(wú)人機(jī)在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)E處的速度角度；v1為無(wú)人機(jī)在之前起始點(diǎn)A處的速度角度；θ為無(wú)人機(jī)由起始點(diǎn)A飛到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)E時(shí)速度變化的角度.下一次飛行時(shí),將公式中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為此次的起始點(diǎn),不斷迭代飛行.

圖2 用戶(hù)請(qǐng)求流程

將中繼無(wú)人機(jī)的飛行角度作為基因.中繼無(wú)人機(jī)可以由轉(zhuǎn)彎角與當(dāng)前的位置速度得出一定時(shí)間后無(wú)人機(jī)的位置與速度,故此處使用中繼無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎角進(jìn)行編碼[14]；此種編碼方式保證之后的選擇交叉變異后,得出的新生代種群個(gè)體依舊可實(shí)現(xiàn)中繼無(wú)人機(jī)的飛行.中繼無(wú)人機(jī)約束條件是轉(zhuǎn)彎角大小,設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行的轉(zhuǎn)彎角不大于最大轉(zhuǎn)彎角θmax,即轉(zhuǎn)彎角θ ∈[?θmax,θmax][14].

2.2 基于遺傳算法的無(wú)線(xiàn)mesh 路由器協(xié)作緩存

地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由器主要負(fù)責(zé)緩存,同時(shí)可以與兩跳內(nèi)的路由器或中繼無(wú)人機(jī)傳輸文件.路由器節(jié)點(diǎn)作為主要的緩存設(shè)備,可配備較大的緩存空間.系統(tǒng)采用集中式緩存控制,根據(jù)之前周期區(qū)域內(nèi)的所有用戶(hù)的請(qǐng)求情況進(jìn)行計(jì)算后統(tǒng)一緩存,隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間累積以及用戶(hù)請(qǐng)求量的增加,系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)出的文件流行度分布將趨于用戶(hù)整體請(qǐng)求分布.另外,采用遺傳算法等啟發(fā)式算法對(duì)于請(qǐng)求分布的約束不大,故本文將文件塊流行度設(shè)為經(jīng)典的Zipf 分布[26-28].初始條件為mesh 路由的存放位置,mesh 路由在用戶(hù)曾經(jīng)請(qǐng)求過(guò)的文件塊集群中選擇文件塊緩存.在約束條件下,地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由篩選并緩存合適的文件塊,以使下一時(shí)刻區(qū)域范圍內(nèi)用戶(hù)的平均時(shí)延最低.通過(guò)不斷迭代更新地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的緩存分布,直到用戶(hù)平均時(shí)延收斂.

遺傳算法中使用緩存的文件塊編碼作為緩存情況的基因,將地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由所緩存的文件塊作為編碼.地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的約束條件設(shè)為同一個(gè)mesh路由的緩存空間內(nèi)不能重復(fù)緩存同一個(gè)文件,設(shè)備數(shù)為N,每個(gè)設(shè)備緩存F個(gè)文件,緩存的文件塊編碼為1到NF,即每個(gè)設(shè)備的緩存情況為令其緩存編碼為X.

2.3 代價(jià)函數(shù)及算法流程

根據(jù)編碼方式初始化種群G,如式(4)所示,S代表種群中的個(gè)體數(shù).每一行表示種群中個(gè)體的基因,即一種地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的協(xié)作緩存情況與中繼無(wú)人機(jī)的飛行情況,這代表二者協(xié)同考慮,經(jīng)過(guò)選擇交叉變異的迭代后,其中的個(gè)體越來(lái)越優(yōu)秀,適應(yīng)值越來(lái)越高,并在最后達(dá)到收斂.

適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置.地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的協(xié)作緩存與中繼無(wú)人機(jī)飛行情況協(xié)同考慮,目標(biāo)是降低用戶(hù)的平均時(shí)延.所以使用用戶(hù)的平均時(shí)延作為適應(yīng)度函數(shù)FIX.

式(5)中,D表示每個(gè)用戶(hù)的時(shí)延,SP表示用戶(hù)總數(shù)；HC0表示用戶(hù)在連接的mesh 路由上直接取到文件；HC1表示用戶(hù)在連接的mesh 路由上經(jīng)過(guò)一跳取到文件；HC2表示用戶(hù)在連接的mesh 路由上經(jīng)過(guò)二跳取到文件；dAM表示用戶(hù)取得文件經(jīng)過(guò)的距離；dMU表示中繼無(wú)人機(jī)傳遞給mesh 路由的距離；AU表示用戶(hù)在連接的mesh 路由上取不到文件,需要借助中繼無(wú)人機(jī)取得文件.式中0.1 表示一跳需要經(jīng)歷的額外時(shí)延,0.2 表示一跳需要經(jīng)歷的額外時(shí)延,0.5 表示通過(guò)中繼無(wú)人機(jī)獲取文件需要的額外時(shí)延.因?yàn)?zāi)區(qū)建筑遭到破壞,無(wú)論救援還是臨時(shí)居住地,無(wú)線(xiàn)mesh 路由間的障礙較多,故設(shè)定每秒傳輸距離為100 m,因無(wú)線(xiàn)mesh 路由與中繼無(wú)人機(jī)間障礙較少,故每秒傳輸距離為1000 m.

在用戶(hù)請(qǐng)求模型中,用戶(hù)的位置是均勻隨機(jī)分布于區(qū)域內(nèi),連接到距離最近的地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由,用戶(hù)請(qǐng)求的文件按照預(yù)設(shè)的Zipf 分布隨機(jī)生成.

遺傳算法中,計(jì)算個(gè)體適應(yīng)值后,直接把前5%的優(yōu)秀個(gè)體作為子代一部分.父代使用隨機(jī)遍歷抽樣法,抽取152%的父代個(gè)體,經(jīng)過(guò)交叉步驟,得到76%的子代個(gè)體.父代抽取19%的父代進(jìn)行變異.最終由選擇交叉變異得到所有的子代個(gè)體.交叉操作選擇多點(diǎn)交叉,即在個(gè)體編碼串中選擇部分基因段,以間隔交換的方式交換基因.本文設(shè)置6 個(gè)地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由,每個(gè)設(shè)備可存儲(chǔ)2 個(gè)文件塊,文件塊編碼為1-20.選擇第1、3、5 段基因進(jìn)行交叉操作后結(jié)果如表1所示.

表1 多點(diǎn)交叉分析表

變異操作選擇單段基因進(jìn)行變異,如染色體“(2,5),(3,4),(18,1),(20,5),(10,7),0.023”含義為編號(hào)為1 的設(shè)備緩存文件塊2 和文件塊5,編號(hào)為2 的設(shè)備緩存文件塊3 和文件塊4,以此類(lèi)推；中繼無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎角為0.023 rad.某一路由的緩存變異后將重新緩存不同的2 個(gè)文件塊.對(duì)轉(zhuǎn)彎角進(jìn)行變異時(shí),轉(zhuǎn)彎角取值范圍為[ ?θmax,θmax],并設(shè)無(wú)人機(jī)最大轉(zhuǎn)彎角θmax為π/4.

3 仿真與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

如表2所示,仿真區(qū)域范圍設(shè)為280 m×280 m,無(wú)人機(jī)一般飛行速度為13 m/s 以?xún)?nèi)[5],速度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)難以飛行到起始點(diǎn)附近的位置,故限定為3 m/s.無(wú)人機(jī)高度均衡用戶(hù)通信效果與建筑高度約束,設(shè)為100 m,約30 層樓高.本實(shí)驗(yàn)中6 個(gè)地面mesh 路由器的位置分別為(40.2,74.8),(66.6,225.9),(152.8,227.8),(249.6,213.8),(136.2,78.1),(235.1,70.3).無(wú)線(xiàn)mesh 路由器的位置均衡通信覆蓋范圍最大[14]與路由器兩跳范圍內(nèi)有盡可能多的路由器.文件塊數(shù)量設(shè)為20,其流行度設(shè)為Zipf 分布,其中參數(shù)α取0.7.設(shè)定使用48 頂應(yīng)急救援帳篷并均勻分布于該區(qū)域,每頂帳篷設(shè)5 人,故用戶(hù)數(shù)為240 人.

表2 遺傳算法仿真參數(shù)表

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)中場(chǎng)景示意圖,正方形代表受災(zāi)區(qū)域,圓心代表無(wú)線(xiàn)mesh 路由器的坐標(biāo),圓代表無(wú)線(xiàn)mesh 路由器的通信范圍.圖中圓心附近的數(shù)字代表該無(wú)線(xiàn)路由器所緩存的文件塊編號(hào),如(1,2)表示該路由器緩存文件塊1 與文件塊2.無(wú)人機(jī)始終從坐標(biāo)(150,150)出發(fā),飛行軌跡以星號(hào)表示,軌跡收斂位置為(150,150)小圓圈所在坐標(biāo).

3.2.1 中繼無(wú)人機(jī)懸停場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

單獨(dú)考慮緩存情況,中繼無(wú)人機(jī)位置在(150,150)處,保持原地飛行時(shí),僅地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由進(jìn)行協(xié)作緩存,由圖3可知,當(dāng)?shù)恋?0 代時(shí),種群中出現(xiàn)了更加優(yōu)秀的個(gè)體,曲線(xiàn)產(chǎn)生跳變,此后用戶(hù)的平均時(shí)延就已經(jīng)基本位于0.726 s 附近,隨后在第50 代與第70 代分別微小跳變,直到結(jié)束.當(dāng)用戶(hù)平均時(shí)延相等的最優(yōu)緩存結(jié)果可能不同,由圖4可知協(xié)作緩存結(jié)果.

圖3 中繼無(wú)人機(jī)懸停場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

圖4 中繼無(wú)人機(jī)懸停場(chǎng)景下協(xié)作緩存示意圖

3.2.2 地面mesh 路由緩存不變場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

單獨(dú)考慮中繼無(wú)人機(jī)飛行情況,地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的緩存情況為(1,2),(3,4),(5,6),(7,8),(9,10),(11,12)時(shí),保持無(wú)線(xiàn)mesh 路由緩存的文件塊不變,僅調(diào)動(dòng)中繼無(wú)人機(jī)飛行,結(jié)果如圖5所示,迭代至第11 代時(shí),用戶(hù)平均時(shí)延開(kāi)始產(chǎn)生均勻的波動(dòng),波動(dòng)范圍小于0.001,第11 代至第100 代波動(dòng)仍舊存在且不變.可知,遺傳算法面對(duì)有無(wú)窮多候選解時(shí),結(jié)果產(chǎn)生小幅度波動(dòng).產(chǎn)生這一結(jié)果的原因在于中繼無(wú)人機(jī)的基因編碼為轉(zhuǎn)彎角,經(jīng)過(guò)不斷的迭代,最佳的轉(zhuǎn)彎角基本確定,那么中繼無(wú)人機(jī)則會(huì)按照轉(zhuǎn)彎角進(jìn)行近似圓軌跡飛行,在用戶(hù)平均時(shí)延上則體現(xiàn)為周期性波動(dòng).如圖6及圖7所示,無(wú)人機(jī)從坐標(biāo)不斷轉(zhuǎn)彎飛行,最后盤(pán)旋飛行,軌跡為橢圓形,體現(xiàn)在圖5上為不斷波動(dòng)的平均用戶(hù)時(shí)延,在坐標(biāo)(124,175)處為用戶(hù)平均時(shí)延最低,為1.113 s.

圖5 地面mesh 路由緩存不變場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

圖6 地面mesh 路由緩存不變場(chǎng)景下結(jié)果示意圖

3.2.3 中繼無(wú)人機(jī)飛行且地面mesh 路由協(xié)作緩存場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

同時(shí)考慮中繼無(wú)人機(jī)飛行加上地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的緩存情況,中繼無(wú)人機(jī)起始點(diǎn)設(shè)為(150,150),如圖8所示,曲線(xiàn)呈階梯下降趨勢(shì).最終用戶(hù)平均時(shí)延收斂于0.72.如圖9及圖10所示,無(wú)人機(jī)處于盤(pán)旋狀態(tài).

圖7 中繼無(wú)人機(jī)飛行軌跡圖

圖8 中繼無(wú)人機(jī)保持飛行且地面mesh 路由協(xié)作緩存場(chǎng)景下用戶(hù)平均時(shí)延

圖9 中繼無(wú)人機(jī)飛行且地面mesh 路由協(xié)作緩存場(chǎng)景下示意圖

3.2.4 不同初始種群下所收斂的用戶(hù)平均時(shí)延

同時(shí)考慮中繼無(wú)人機(jī)飛行加上地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的緩存情況,設(shè)置不同的初始種群,觀察它們的結(jié)果,如圖11所示,在10 個(gè)初始種群種內(nèi)用戶(hù)平均時(shí)延收斂結(jié)果波動(dòng)在0.008 范圍內(nèi),在一定程度上可認(rèn)為遺傳算法迭代結(jié)果近似于最優(yōu)解.如表3所示,每一行代表一種收斂情況,第一種收斂情況中,路由器1 表示編號(hào)為1 的路由器緩存文件塊1 和文件塊5,以此類(lèi)推.橫坐標(biāo)x及縱坐標(biāo)y表示中繼無(wú)人機(jī)的最終位置坐標(biāo),第一種收斂情況中無(wú)人機(jī)最終坐標(biāo)為(135.2,146.8).路由器緩存結(jié)果各異,中繼無(wú)人機(jī)位置亦不同,故收斂的結(jié)果未必一致.

圖10 中繼無(wú)人機(jī)飛行軌跡圖

綜合上述仿真結(jié)果分析可得,無(wú)論是單獨(dú)考慮緩存情況,中繼無(wú)人機(jī)保持不動(dòng),或是單獨(dú)考慮中繼無(wú)人機(jī)飛行情況,地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由的緩存情況不變,亦或二者都發(fā)生改變,不論何種,在遺傳算法的迭代下,用戶(hù)平均時(shí)延均呈現(xiàn)下降趨勢(shì).但僅考慮緩存改變的情況下平均用戶(hù)時(shí)延為0.726 s,僅考慮中繼無(wú)人機(jī)飛行時(shí),用戶(hù)平均時(shí)延為1.113 s,二者都考慮時(shí),用戶(hù)平均時(shí)延為0.72 s,顯然,綜合考慮地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由緩存與中繼無(wú)人機(jī)調(diào)度,對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)的提升更為明顯.觀察各個(gè)無(wú)人機(jī)軌跡圖,可知待時(shí)延趨于收斂時(shí),無(wú)人機(jī)飛行角應(yīng)基本不變,軌跡近圓形.不同種群迭代收斂結(jié)果有一定波動(dòng),但相差不大,在一定程度上可認(rèn)為遺傳算法對(duì)求解問(wèn)題有積極意義.

圖11 不同種群收斂的平均用戶(hù)時(shí)延

表3 不同初始種群的迭代收斂結(jié)果

4 總結(jié)與展望

本文從災(zāi)后通信設(shè)施遭到破壞,人員難以發(fā)送求救信息與居民對(duì)外通信受到影響的角度出發(fā),研究地面與空中的混合mesh 網(wǎng)絡(luò),以及地面無(wú)線(xiàn)mesh 路由器協(xié)作緩存,作為傳輸中繼的無(wú)人機(jī)飛行情況.本文重點(diǎn)考慮災(zāi)后通信的mesh 網(wǎng)絡(luò)組建后,無(wú)線(xiàn)mesh 路由的協(xié)作緩存與傳輸中繼無(wú)人機(jī)的飛行情況,使用遺傳算法保證區(qū)域內(nèi)用戶(hù)取得文件的平均時(shí)延收斂在較低水平.通過(guò)設(shè)置不同的初始種群,判斷遺傳算法結(jié)果是否為最優(yōu)解.后續(xù)研究將同時(shí)考慮多個(gè)中繼無(wú)人機(jī)的情況,研究多個(gè)區(qū)域的通信情況.目前僅采用遺傳算法,后續(xù)可以多采用幾種算法比較,如退火算法,深度強(qiáng)化學(xué)習(xí),比較它們的運(yùn)行時(shí)間、準(zhǔn)確度、收斂性等因素.