石雁航,孫 穎,陳思光

(南京郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院,江蘇 南京 210003)

0 引 言

無人機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了無人機(jī)在軍事、民用和商業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用[1],包括空中監(jiān)察、貨物運(yùn)輸、搜索和救援等。此外,與地面基礎(chǔ)設(shè)施相比,無人機(jī)通常在高空飛行,這使得無人機(jī)和地面設(shè)備之間的傳輸鏈路以視線鏈路為主[2]。無人機(jī)作為中繼部署有助于在嚴(yán)重衰落信道中進(jìn)行地面通信,用以提高信道傳輸性能[3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)到森林火災(zāi)探測,從人體結(jié)構(gòu)監(jiān)測到家庭自動(dòng)化系統(tǒng)[4]。為了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命,引入無人機(jī)作為中繼進(jìn)行輔助通信。可以將無人機(jī)輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信看作一種特殊的基于移動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),無人機(jī)的靈活性可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供更有效和更廣泛的覆蓋。然而,無人機(jī)輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信面臨許多挑戰(zhàn),例如：復(fù)雜且不可控的無線環(huán)境,尤其是擁擠區(qū)域,建筑物、樹木和人體等常見物體的存在使得視線鏈路更加容易被阻塞[5]。另外,無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性引起的非平穩(wěn)信道的空間和時(shí)間變化,會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的非平穩(wěn)性。

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),一些研究提出了智能反射面輔助空地通信系統(tǒng)[6-7],智能反射面能夠繞過障礙物并增強(qiáng)無人機(jī)系統(tǒng)中的通信,即智能反射面輔助無人機(jī)通信?，F(xiàn)如今,智能反射面被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)傳輸?shù)囊豁?xiàng)有前途的技術(shù)[8]。智能反射面是由大量規(guī)則排列的無源反射元件和智能控制器組成的人造可重構(gòu)表面。智能反射面通過改變?nèi)肷潆娦盘?hào)在其反射元件上的振幅或相移,能夠以期望的方式實(shí)現(xiàn)高精度的無線電波操縱,從而通過控制無線環(huán)境來達(dá)到信號(hào)增強(qiáng)、干擾抑制和傳輸安全的目的。由于智能反射面采用無源陣列結(jié)構(gòu),所以智能反射面輔助的無線信道能夠以低功耗和硬件成本獲得大型天線陣列的優(yōu)勢。此外,與傳統(tǒng)中繼相比,智能反射面反射的無線電信號(hào)以固有的全雙工傳輸方式不存在自干擾和噪聲[9]。

針對(duì)無人機(jī)輔助通信系統(tǒng)的研究,無人機(jī)軌跡優(yōu)化對(duì)最大化系統(tǒng)吞吐量至關(guān)重要。在文獻(xiàn)[3]提出一種移動(dòng)無人機(jī)中繼系統(tǒng),并通過聯(lián)合優(yōu)化功率分配和無人機(jī)軌跡來最大化系統(tǒng)吞吐量。隨著智能反射面的提出,智能反射面輔助無人機(jī)通信已成為一個(gè)有前途的研究課題。文獻(xiàn)[10-12]提出了無人機(jī)輔助地面通信系統(tǒng),通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)軌跡和智能反射面被動(dòng)波束形成,使得系統(tǒng)吞吐量最大化。少數(shù)文獻(xiàn)對(duì)安裝在無人機(jī)上以降低無人機(jī)功耗的智能反射面進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[13]使用智能反射面-無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了更寬視角的信號(hào)反射,文獻(xiàn)[14]采用智能反射面與無人機(jī)來減輕干擾攻擊并增強(qiáng)了合法傳輸。但是文獻(xiàn)[13-14]僅研究了假設(shè)智能反射面以及無人機(jī)處于固定位置,然后通過部署優(yōu)化智能反射面以及無人機(jī)以找到最佳位置。文獻(xiàn)[15]提出了一種智能反射面與無人機(jī)的中繼模型,用來提高協(xié)作通信性能。然而,文獻(xiàn)[15]中智能反射面以及無人機(jī)的水平位置是固定的。考慮到無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性,文獻(xiàn)[11]研究了由移動(dòng)無人機(jī)和地面用戶組成的下行鏈路通信系統(tǒng),通過聯(lián)合設(shè)計(jì)無人機(jī)軌跡以及智能反射面相位,獲得最大平均速率。

基于以上研究,可以發(fā)現(xiàn)基于智能反射面輔助的無人機(jī)通信研究大多固定在智能反射面以及無人機(jī)單一工作模式方面。基于智能反射面輔助的無人機(jī)作為空中基站向地面提供覆蓋的部署分為兩類：基于智能反射面的靜態(tài)無人機(jī)通信以及基于智能反射面的巡航無人機(jī)通信。靜態(tài)無人機(jī)由于距離地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)較遠(yuǎn),吞吐量性能會(huì)受到一定的限制,但是靜態(tài)無人機(jī)被固定在某一點(diǎn)懸停不需要額外的機(jī)械飛行,所以與無人機(jī)巡航工作模式相比能量消耗較低。由于無人機(jī)車載能量有限,因此如何衡量無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能與能量消耗是無人機(jī)通信研究中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

通過以上分析,為了改善無人機(jī)輔助通信無線信道環(huán)境,突破傳感器能量限制對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能限制的瓶頸以及進(jìn)一步提升無人機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率,實(shí)現(xiàn)基于智能反射面的無人機(jī)工作模式自適應(yīng)調(diào)整。該文研究智能反射輔助的空地通信系統(tǒng),綜合考慮無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量以及能量消耗,提出一種自適應(yīng)的無人機(jī)工作模式調(diào)整方案。主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

?從改善無線信道質(zhì)量方面,引入智能反射面輔助無人機(jī)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。推導(dǎo)了無人機(jī)處于靜態(tài)以及巡航工作模式下智能反射面的相位偏移閉式解,實(shí)現(xiàn)了不同傳輸路徑接收信號(hào)的相位對(duì)準(zhǔn),進(jìn)一步提升無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量以及經(jīng)濟(jì)效率。

?基于上述問題,提出一種基于智能反射面輔助的無人機(jī)工作模式調(diào)整算法。該算法綜合考慮無人機(jī)吞吐量以及能量消耗,對(duì)智能反射面反射元件相位偏移進(jìn)行優(yōu)化以提升吞吐量性能,并對(duì)無人機(jī)工作周期以及飛行進(jìn)行設(shè)計(jì)以降低無人機(jī)能量消耗。

?與隨機(jī)相位以及不采用智能反射面方案相比,所提方案在提升吞吐量以及經(jīng)濟(jì)效率方面具有較大的性能優(yōu)勢。同時(shí),通過最大化無人機(jī)經(jīng)濟(jì)效率從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)工作模式自適應(yīng)調(diào)整的目的。

1 系統(tǒng)模型

本節(jié)研究基于智能反射面的無人機(jī)輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),該系統(tǒng)由源傳感器節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)、智能反射面以及無人機(jī)組成。

1.1 智能反射面-無人機(jī)空中部署

在笛卡爾坐標(biāo)系下以傳感器節(jié)點(diǎn)1為原點(diǎn),傳感器節(jié)點(diǎn)1與傳感器節(jié)點(diǎn)2連線為x軸,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在平面為xoy平面,垂直于xoy平面的方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系,傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi,zi),i∈{1,2,3}。設(shè)定無人機(jī)坐標(biāo)為(xu,yu,zu),那么無人機(jī)在xoy平面的投影坐標(biāo)為(xu,yu,0)。將智能反射面第一個(gè)元素作為參考點(diǎn),那么智能反射面的坐標(biāo)為(xk,yk,zk)。

與無人機(jī)靜態(tài)模式相比,巡航模式下無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性有助于實(shí)現(xiàn)更好的空對(duì)地信道,從而可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量,提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。類似的,巡航模式下智能反射面輔助無人機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)通信如圖2所示,其中智能反射面安裝在無人機(jī)上,并且可以依靠無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性高速移動(dòng)。

圖1 靜態(tài)模式下智能反射面輔助通信

圖2 巡航模式下智能反射面輔助通信

巡航模式下無人機(jī)在工作周期T內(nèi)以特定高度H在地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)上空飛行以輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。智能反射面與無人機(jī)初始位置位于傳感器1與傳感器2節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)上空,當(dāng)源傳感器與目標(biāo)傳感器需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí),智能反射面與無人機(jī)飛至源傳感器與目標(biāo)傳感器中點(diǎn)上空H處,源傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)通過智能反射面反射給目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)。那么巡航模式下智能反射面與無人機(jī)坐標(biāo)為(xu,yu,H),傳感器節(jié)點(diǎn)1、傳感器節(jié)點(diǎn)2以及傳感器節(jié)點(diǎn)3坐標(biāo)與靜態(tài)模式下相同。

1.2 信道模型

(1)靜態(tài)模式。

靜態(tài)模式場景下,配有M個(gè)反射單元組成的均勻線性陣列和一個(gè)能夠調(diào)節(jié)每個(gè)單元相移的智能控制器的智能反射面部署在一定高度,智能反射面中的每個(gè)單元均可以調(diào)節(jié)相移反射接收到的信號(hào)。首先對(duì)智能反射面對(duì)角相位矩陣建模,即：

Θ=diag{ejθ1,ejθ2,…,ejθi}

(1)

假設(shè)相位偏移{θi}可以被連續(xù)控制,其中θi∈[0,2π),i∈{1,2,…,M}。無人機(jī)靜態(tài)模式場景下智能反射面被部署在高層建筑物表面,無人機(jī)在高空懸停,因此無人機(jī)與智能反射面間的鏈路可以被假定為視距信道。由于智能反射面采用均勻線性陣列,那么后續(xù)信道建模采用乘性信道模型[16],無人機(jī)與智能反射面之間的信道增益hUR表示如下：

(2)

類似的,智能反射面與地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)之間的鏈路采用萊斯衰落建模,那么智能反射面與地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)之間的信道增益表示為：

(3)

(4)

雖然源傳感器與目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的鏈路可能被阻塞,但是仍然存在散射信號(hào),因此將該信道建模為瑞利衰落,其信道增益表示為：

(5)

根據(jù)公式(1)～(5),無人機(jī)接收信噪比表示為：

(6)

式中,(.)H表示該矩陣或向量的厄米特矩陣,pu為無人機(jī)發(fā)射功率,σ2表示加性高斯白噪聲,則靜態(tài)模式下無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量表示為：

(7)

(2)巡航模式。

巡航模式場景下,由于無人機(jī)飛行高度足夠高,因此將源傳感器節(jié)點(diǎn)和智能反射面以及智能反射面與目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的鏈路均視為視距鏈路。因此,源傳感器節(jié)點(diǎn)與智能反射面之間的信道增益為：

(8)

類似的,智能反射面到傳感器節(jié)點(diǎn)的信道增益表示為：

根據(jù)公式(8)和(9),巡航模式下智能反射面與無人機(jī)輔助通信信噪比可以表示為：

(10)

其中,ps表示源傳感器節(jié)點(diǎn)功率。那么巡航模式下系統(tǒng)吞吐量表示為：

(11)

1.3 經(jīng)濟(jì)效率

無人機(jī)輔助通信總能耗通常包含兩部分：一部分是由輻射、信號(hào)處理等產(chǎn)生的能量消耗,另一部分是無人機(jī)為支持其機(jī)動(dòng)性所需要的機(jī)械飛行能耗。根據(jù)Zeng等人[17]提出的相關(guān)理論,無人機(jī)機(jī)械飛行相關(guān)功率消耗可建模為：

(12)

其中,p0表示懸停狀態(tài)下的葉片剖面功率,pi表示懸停狀態(tài)下的感應(yīng)功率,Utip表示葉片的葉尖速度,v0表示無人機(jī)向前飛行時(shí)的平均旋翼速度,d0和s分別表示無人機(jī)機(jī)身阻力比和轉(zhuǎn)子堅(jiān)固度,ρ和A分別表示空氣密度以及相關(guān)面積。

靜態(tài)模式下對(duì)無人機(jī)工作周期T進(jìn)行設(shè)計(jì),其包括：收集智能反射面反射信號(hào)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)采集指令。假設(shè)無人機(jī)收集智能反射面反射信號(hào)時(shí)間為ts,轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間為tf,傳輸數(shù)據(jù)采集指令時(shí)間為tt。由于無人機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)是無人機(jī)在時(shí)間ts內(nèi)采集的數(shù)據(jù),那么無人機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間與采集數(shù)據(jù)的時(shí)間相等,即ts=tf。靜態(tài)模式下無人機(jī)保持懸停,其速度vu=0,根據(jù)公式(12)獲得靜態(tài)模式下無人機(jī)推進(jìn)功耗ph=p0+pi。那么靜態(tài)模式下無人機(jī)總能耗表示為：

Es=Pcts+Pftf+Pt(T-2ts)+p0+pi

(13)

其中,pc為無人機(jī)感知數(shù)據(jù)的功率,pf為無人機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功率,pt為無人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)采集指令的功率。

巡航模式下由于無人機(jī)輔助無線通信系統(tǒng)使用智能反射面對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射,無人機(jī)并不需要對(duì)源信號(hào)進(jìn)行處理以及傳輸,并且無人機(jī)機(jī)械飛行產(chǎn)生的能耗通常遠(yuǎn)高于通信能耗,那么巡航模式下無人機(jī)總能耗主要由機(jī)械飛行產(chǎn)生的能耗組成。假設(shè)無人機(jī)以速度vu勻速飛行,單位時(shí)間內(nèi)無人機(jī)機(jī)械飛行能耗為Eslf。對(duì)巡航模式下無人機(jī)工作周期進(jìn)行設(shè)計(jì),其中t1為無人機(jī)經(jīng)過F12需要花費(fèi)的時(shí)間,t2為無人機(jī)經(jīng)過F23需要的時(shí)間,t3為無人機(jī)經(jīng)過F31返回初始位置需要的時(shí)間。那么,巡航模式下無人機(jī)能量消耗表示為：

(14)

直觀來講,從吞吐量最大化角度來看,無人機(jī)應(yīng)該在距離地面節(jié)點(diǎn)最近位置保持靜止,以便保持最佳通信信道條件,然后飛向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。然而,由于無人機(jī)自身能量有限,機(jī)械飛行產(chǎn)生的能耗對(duì)無人機(jī)輔助通信系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此,該文提出將無人機(jī)的經(jīng)濟(jì)效率作為衡量標(biāo)準(zhǔn),衡量無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量以及能量消耗。首先,根據(jù)文獻(xiàn)[18]中經(jīng)濟(jì)效率相關(guān)定義,ECE作為一個(gè)通用的度量,它考慮了成本和功耗,是一個(gè)衡量無人機(jī)吞吐量以及能耗的很好的性能指標(biāo),可以充分體現(xiàn)無人機(jī)吞吐量以及能耗的特點(diǎn)。

將kr和kc分別表示每比特的收入和每焦耳的能耗成本,Rref為相關(guān)數(shù)據(jù)速率,R表示無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量,E表示無人機(jī)系統(tǒng)所消耗的能量,ECE衡量系統(tǒng)的盈利能力,等于收入減去所提供服務(wù)的實(shí)際成本。那么ECE定義如下：

(15)

2 基于智能反射面的無人機(jī)工作模式調(diào)整算法

一般來說,吞吐量以及能耗是衡量無人機(jī)通信質(zhì)量的兩大重要指標(biāo)。靜態(tài)模式下無人機(jī)由于距離地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)較遠(yuǎn),因此對(duì)吞吐量性能會(huì)造成一定的影響。巡航模式下無人機(jī)通過機(jī)械飛行縮短了與地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)之間的距離,但是機(jī)械飛行帶來了更多的能量消耗。該文的優(yōu)化目標(biāo)為通過設(shè)計(jì)最優(yōu)的相位偏移矩陣最大化無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量以及設(shè)計(jì)無人機(jī)工作周期對(duì)無人機(jī)能耗進(jìn)行優(yōu)化,從而最大化無人機(jī)經(jīng)濟(jì)效率且無人機(jī)對(duì)工作模式進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

(1)智能反射面相移優(yōu)化。

根據(jù)以上優(yōu)化問題,為了最大化智能反射面輔助空地?zé)o線通信系統(tǒng)吞吐量,設(shè)計(jì)最優(yōu)的相位偏移矩陣Φ。為了便于后續(xù)討論,將公式(3)的復(fù)向量hRG表示為：

hRG=

[|hRG,1|ejw1,|hRG,2|ejw2,…,|hRG,M|ejwM]T

(16)

(17)

假設(shè)在目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)處對(duì)來自不同路徑的信號(hào)進(jìn)行相干地組合,則相干構(gòu)成的信號(hào)便可以最大化接收信號(hào)的速率,從而最大化系統(tǒng)吞吐量。因此,為了最大化信號(hào)可達(dá)率,接下來對(duì)同相信號(hào)進(jìn)行疊加,即：

(18)

那么智能反射面每個(gè)元素在對(duì)信號(hào)進(jìn)行反射時(shí)所應(yīng)該調(diào)整的相位表示為：

(19)

(20)

此時(shí),靜態(tài)模式下智能反射面輔助空地通信系統(tǒng)吞吐量可以獲得最大值。

(21)

因此,智能反射面每個(gè)元素可以獲得最佳反射相位。

(22)

此時(shí),巡航模式下智能反射面輔助空地通信系統(tǒng)吞吐量可以獲得最大值。

(2)工作模式切換。

由以上分析可以最大化無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量,接下來對(duì)無人機(jī)工作模式切換進(jìn)行分析,巡航模式下無人機(jī)通過飛行提升無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量,但也消耗了更多的能量。綜合考慮無人機(jī)工作模式及其能量是否充足,設(shè)狀態(tài)空間為I∈{S.L,M.S,M.L},其中“ S.L”表示無人機(jī)能量不充足的靜態(tài)工作模式,“M.S”代表無人機(jī)能量充足的靜態(tài)工作模式,“M.L”代表無人機(jī)能量不充足的巡航工作模式。

設(shè)定無人機(jī)從靜態(tài)模式到巡航模式下的轉(zhuǎn)移概率為pm=λ,那么巡航模式到靜態(tài)模式轉(zhuǎn)移下的概率ps=1-λ。當(dāng)無人機(jī)能量低于預(yù)定義的閾值ξ時(shí),無人機(jī)的工作模式將切換為低電量模式,將無人機(jī)電量由充足轉(zhuǎn)為不充足的轉(zhuǎn)移概率記為p,那么無人機(jī)能量由不充足轉(zhuǎn)為充足的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為1-p。λ(1-p)為無人機(jī)由能量不充足的靜態(tài)工作模式轉(zhuǎn)移到能量充足的巡航模式下的轉(zhuǎn)移概率,(1-λ)p{ε≤ξ}為能量充足的巡航工作模式轉(zhuǎn)移到能量不充足的靜態(tài)工作模式的轉(zhuǎn)移概率,由圖3描述無人機(jī)工作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

圖3 無人機(jī)工作模式切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

控制上述系統(tǒng)的歸一化方程由下式給出：

(23)

其中,πi表示處于狀態(tài)i的平穩(wěn)概率,i∈{S.L,M.S,M.L}。對(duì)上述方程組求解,即：

(π1,π2,π3)={C1a,C1,C1b}

(24)

因此,智能反射面輔助空地通信系統(tǒng)吞吐量表示為：

R(λ)=RsPs.l+RmPm.l+RmPm.s=

Rsπ1+Rmπ2+Rmπ3

(25)

系統(tǒng)總能耗表示為：

E(λ)=EsPs.l+EmPm.l+EmPm.s=

Esπ1+Emπ2+Emπ3

(26)

系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率表示為：

(27)

為了更好地理解所提求解方法的思想與內(nèi)涵,算法1將上述求解過程高度總結(jié)凝練如下：

算法1：基于智能反射面的無人機(jī)輔助通信工作模式調(diào)整算法

1.輸入：(xi,yi,zi),j,M,ρ,α,λ,d,β,pu,

σ2,pt,pc,pf,T,kr,ku

2.輸出：R(λ),E(λ),ECE(λ),λopt

3.開始

4.初始化地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)坐標(biāo);

5.根據(jù)公式(12)-(14),確定無人機(jī)兩種工作模式下的能量消耗;

6.根據(jù)公式(16)-(20),確定無人機(jī)靜態(tài)模式下IRS各個(gè)元素的最佳相移;

7.通過IRS最佳相移獲得靜態(tài)模式下系統(tǒng)最大吞吐量;

8.利用公式(21)-(22),獲得無人機(jī)巡航模式下IRS各個(gè)元素的最佳相移;

9.通過無人機(jī)巡航模式下IRS各個(gè)元素的最佳相移,獲得巡航模式下系統(tǒng)最大吞吐量;

10.利用基于智能反射面的無人機(jī)工作模式調(diào)整算法獲得無人機(jī)每種工作模式的平穩(wěn)概率;

11.根據(jù)公式(23)和(26)獲得無人機(jī)最優(yōu)系統(tǒng)總吞吐量R(λ)*以及總能耗E(λ)*;

12.將上述結(jié)果代入公式(5)-(27)計(jì)算經(jīng)濟(jì)效率;

13.通過最大化無人機(jī)經(jīng)濟(jì)效率獲得λopt;

14.當(dāng)λ≤λopt時(shí),無人機(jī)選擇靜態(tài)模式下工作,否則選擇巡航模式下工作;

15.結(jié)束

3 仿真與性能描述

本節(jié)通過仿真實(shí)驗(yàn)來評(píng)估所提算法的有效性,并將所提出的方案與其他經(jīng)典基準(zhǔn)方案進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證該方案的性能優(yōu)勢。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 結(jié)果分析

本節(jié)將從無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能以及無人機(jī)經(jīng)濟(jì)效率等方面來驗(yàn)證所提算法的性能。由圖4分析巡航模式下智能反射面反射元件數(shù)量從20增加到120時(shí)的智能反射面增益。

圖4 智能反射面增益隨著反射元件數(shù)量的變化情況

從圖4可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于巡航模式下不同無人機(jī)高度,智能反射面增益隨著智能反射面元件數(shù)量增加而增加。當(dāng)攜帶智能反射面的無人機(jī)高度降低時(shí),智能反射面增益隨之降低。此外,還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)智能反射面元件數(shù)量翻倍時(shí),智能反射面可以從源傳感器節(jié)點(diǎn)收集更多能量,并將更多電磁波反射到目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn),智能反射面增益與智能反射面反射元件數(shù)量成比例增加。

接下來在考慮智能反射面輔助信號(hào)傳播的信道模型基礎(chǔ)上,研究了智能反射面相關(guān)路徑損耗指數(shù)變化時(shí)不同方案的無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能,如圖5所示。其中,“without IRS”表示不采用智能反射面進(jìn)行輔助通信：θi=0;“隨機(jī)相位”表示智能反射面中每個(gè)反射元件的相移是隨機(jī)的。

圖5 吞吐量隨著路徑損耗指數(shù)的變化情況

從圖5中可以看出,隨著相關(guān)路徑損耗指數(shù)的增加,所提方案以及采用隨機(jī)相位方案的吞吐量隨之下降。這是因?yàn)楫?dāng)智能反射面相關(guān)路徑損耗指數(shù)變大時(shí),智能反射面反射的信號(hào)功率隨之變?nèi)?。此?還可以看出,當(dāng)智能反射面相關(guān)鏈路衰落非常嚴(yán)重時(shí),例如α=4時(shí),所提方案與不采用智能反射面進(jìn)行輔助通信相比性能提升差別不大。接下來的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置相關(guān)路徑損耗指數(shù)α=2.8。

圖6展示了智能反射面輔助無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能與智能反射面反射元件數(shù)量的關(guān)系。從圖6可以發(fā)現(xiàn),在沒有部署智能反射面場景下,無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能的變化可以忽略不計(jì),而使用智能反射面輔助通信可以顯著提高無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量性能。此外,文中方案與采用隨機(jī)相位方案下的吞吐量性能隨著智能反射面元素個(gè)數(shù)的增加而提升。與采用智能反射面隨機(jī)相位進(jìn)行輔助通信相比,通過優(yōu)化智能反射面相移可以帶來顯著的性能增益。因此,可以發(fā)現(xiàn)使用智能反射面輔助無人機(jī)通信可以從改善信道環(huán)境方面從而提升通信質(zhì)量。

圖6 吞吐量隨著智能反射面元件個(gè)數(shù)的變化情況

圖7 無人機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率隨著λ的變化情況

4 結(jié)束語

引入智能反射面輔助無人機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信,通過綜合考慮無人機(jī)系統(tǒng)吞吐量以及能耗,構(gòu)建了一個(gè)最大化無人機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率的問題?；谏鲜鰡栴},首先,推導(dǎo)了無人機(jī)處于兩種工作模式下智能反射面的相位偏移閉式解,實(shí)現(xiàn)了不同傳輸路徑接收信號(hào)的相位對(duì)準(zhǔn)。隨后,通過綜合考慮無人機(jī)能量,對(duì)無人機(jī)工作模式進(jìn)行劃分,然后通過基于智能反射面的無人機(jī)工作模式調(diào)整算法,獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效率,從而達(dá)到無人機(jī)工作模式自適應(yīng)調(diào)整的目的。最后,經(jīng)過仿真與分析,所提算法可以進(jìn)一步提升無人機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率并對(duì)無人機(jī)工作模式進(jìn)行調(diào)整。