吳義政,杜奕航,張 余,錢鵬智

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,南京 210044;2.國(guó)防科技大學(xué)第六十三研究所,南京 210007)

0 引 言

近年來,無人機(jī)因其高機(jī)動(dòng)性、低成本等特性引起了業(yè)界的高度關(guān)注,在偵察監(jiān)視、輔助通信和信息采集等軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,人們對(duì)信息傳輸速率的需求越來越高,用頻設(shè)備呈爆炸式增長(zhǎng),可用頻譜資源愈發(fā)稀缺且呈動(dòng)態(tài)時(shí)變特性,因此,如何有效緩解頻譜沖突、實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群高效用頻是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵問題[2-3]。

由于無人機(jī)群所處空間位置以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,無人機(jī)群內(nèi)部信息傳輸信道特性也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)時(shí)變特性,然而傳統(tǒng)方法中通?？紤]準(zhǔn)靜態(tài)的互擾信道[4-5]。為快速高效實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群內(nèi)部用頻協(xié)同,大多數(shù)研究都采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)或通過建立公共控制信道進(jìn)行信息交互,在一定程度上能夠減少無人機(jī)群內(nèi)部用頻沖突。如文獻(xiàn)[6]通過集中控制器對(duì)用戶頻譜接入與切換實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控,研究了數(shù)據(jù)猝發(fā)和用戶移動(dòng)條件下的傳輸隊(duì)列穩(wěn)定性問題,提出了一種聯(lián)合信道分配和功率控制的策略,使得系統(tǒng)具有較好的魯棒性。但該策略沒有考慮高動(dòng)態(tài)變化的無線環(huán)境,也未考慮集中控制帶來的信令開銷。為了克服集中控制存在的不足和其控制信道帶來的頻譜開銷,文獻(xiàn)[7]研究了時(shí)變頻譜環(huán)境中面向干擾抑制的分布式信道選擇問題,提出了一種完全分布式的非耦合隨機(jī)學(xué)習(xí)算法。該方法雖然可以在時(shí)變無線環(huán)境下有效減輕用戶間互擾,但并未考慮用戶用頻需求變化以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)變帶來的影響,同時(shí),該算法收斂速度也較慢。文獻(xiàn)[8-10]研究了在無線環(huán)境變化緩慢情況下,采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來解決用戶間的互擾問題。在用戶數(shù)量和可用信道數(shù)量較少的情況下,所提算法能有效抑制用戶間用頻沖突,但是在用戶數(shù)和信道較多情況下,用戶間用頻沖突緩解效果不佳。文獻(xiàn)[11]針對(duì)信道分配問題給出了基于多臂賭博機(jī)的解決方案,但是不適用于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)猝發(fā)、無人機(jī)快速移動(dòng)和無線通信等捷變的場(chǎng)景。

現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中無人機(jī)群主要面臨以下問題:無人機(jī)群空間位置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,無人機(jī)所處無線通信環(huán)境具有時(shí)變性;無人機(jī)群頻譜資源受限對(duì)通信開銷較為敏感,在捷變頻譜環(huán)境下建立公共控制信道十分困難;受限于無人機(jī)數(shù)據(jù)采集速率的波動(dòng)性,集群中不同用戶的用頻需求實(shí)時(shí)變化。為此,本文針對(duì)時(shí)變頻譜環(huán)境中無人機(jī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)猝發(fā)情況下數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸問題,建立無人機(jī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包生成和實(shí)時(shí)向基站傳輸?shù)哪Ｐ?提出基于多用戶非耦合排隊(duì)的頻譜接入方法。該方法為一種分布式方法,在必要的時(shí)候利用自身感知能力檢測(cè)獲得空閑信道,分布式無人機(jī)間無需任何信息交互,每架無人機(jī)僅根據(jù)其內(nèi)外部狀態(tài)和歷史信息構(gòu)建信道接入控制函數(shù),并結(jié)合其已知信息生成用頻決策。在保證網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隊(duì)列穩(wěn)定在一定范圍的前提下,所提方法能有效緩解無人機(jī)用頻沖突,提升信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。

1 系統(tǒng)模型與問題構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)由多個(gè)無人機(jī)組成的分布式無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)為地面用戶提供中繼服務(wù)(或者收集地面目標(biāo)相關(guān)信息),并向基站實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭_(dá)的數(shù)據(jù),如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)包含1個(gè)基站和N架無人機(jī),無人機(jī)群集合表示為N={1,…,i,…,N},基站用符號(hào)o表示,無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)包含M個(gè)可用信道,其集合表示為M={1,…,m,…,M},且N>M,即無人機(jī)數(shù)量比信道數(shù)大,頻譜資源不足。假設(shè)每個(gè)信道帶寬都為B,無人機(jī)群飛行高度均為h,是個(gè)固定值。本文只考慮無人機(jī)向基站傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下行鏈路。假設(shè)無人機(jī)移動(dòng)區(qū)域?yàn)橥桓叨鹊亩S有限平面區(qū)域,其被劃分為多個(gè)等面積的方形柵格;基站位于地平面,高度為0,位置固定不變。為便于模擬無人機(jī)隨機(jī)移動(dòng)過程,假設(shè)所有無人機(jī)移動(dòng)都是獨(dú)立的且在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能在某個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上,下個(gè)時(shí)隙無人機(jī)將選擇繼續(xù)停留在原網(wǎng)格點(diǎn)或移動(dòng)到某個(gè)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)。假設(shè)無人機(jī)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù),無人機(jī)生成的或到達(dá)的(后續(xù)僅稱“到達(dá)”)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和向基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量用單位數(shù)據(jù)包來衡量。

圖1 系統(tǒng)模型

無人機(jī)向基站傳輸數(shù)據(jù)時(shí),假設(shè)所有信道都經(jīng)歷塊衰落,即信道增益在同一時(shí)隙中相同,在不同時(shí)隙間隨機(jī)變化,則時(shí)隙n內(nèi)無人機(jī)i與基站間數(shù)據(jù)傳輸鏈路的瞬時(shí)增益為

(1)

(2)

式中:pi(n)表示無人機(jī)i在時(shí)隙n內(nèi)的發(fā)射功率。如果兩架無人機(jī)在同一時(shí)隙內(nèi)選擇同一信道,它們之間將會(huì)發(fā)生用頻沖突,則無人機(jī)i受到的互擾信號(hào)強(qiáng)度Ii和傳輸速率Ri分別表示為

(3)

(4)

式(3)中:Si(ai(n))={j∈N*i|aj(n)=ai(n)}表示在時(shí)隙n內(nèi),除無人機(jī)i以外所有使用信道ai(n)的無人機(jī)集合,N*i表示無人機(jī)集合N*中除去無人機(jī)i后的無人機(jī)集合;ai(n)表示無人機(jī)i在時(shí)隙n內(nèi)選擇的信道,ai(n)∈M*;σ2為噪聲功率。設(shè)定每架無人機(jī)都有一個(gè)長(zhǎng)度不受限制的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸隊(duì)列,用于存儲(chǔ)無人機(jī)到達(dá)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對(duì)于任意時(shí)隙n≥0,無人機(jī)i的隊(duì)列積壓在前后兩個(gè)時(shí)隙的關(guān)系可表示為

Oi(n+1)=max{Oi(n)-bi(n)νi(n),0}+Ai(n)

s.t.bi(n)∈{0,1}

(5)

1.2 問題構(gòu)建

無人機(jī)頻譜分配與接入首要解決的是減少或消除無人機(jī)間用頻沖突,以及提高信道利用率。在此借鑒文獻(xiàn)[8]的思想,將前n個(gè)時(shí)隙無人機(jī)間用頻沖突率(簡(jiǎn)稱為“用頻沖突率”)K(n)定義為

(6)

式中:c1(n)為時(shí)隙n時(shí)與其他無人機(jī)發(fā)生沖突的無人機(jī)總數(shù)量;N為總無人機(jī)數(shù)量。將前n個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道利用率L(n)定義為

(7)

式中:c2(n)為時(shí)隙n時(shí)被有效利用的信道數(shù)量,M為可用信道總數(shù)量;對(duì)于?m(m∈M*),定義當(dāng)且僅當(dāng)有一架無人機(jī)在使用信道m(xù),稱信道m(xù)被有效利用。

此外,我們總是希望能夠在單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),因此,在確保所有無人機(jī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定情況下,應(yīng)最大化系統(tǒng)的最大穩(wěn)定平均數(shù)據(jù)到達(dá)速率ρmax,可表示為ρmax=max {ρ|對(duì)于?i∈N*,Oi(n)保持穩(wěn)定}。

綜上分析,本文的目標(biāo)是找到一個(gè)均衡策略γ,可以最小化無人機(jī)間用頻沖突率、信道利用率和最大平均穩(wěn)定到達(dá)速率ρmax,即有

(8)

(9)

(10)

式中:C|D表示滿足條件D的集合C。由式(8)～(10)可見,不僅要考慮系統(tǒng)無人機(jī)群用頻沖突和信道利用率,還要考慮到無人機(jī)數(shù)據(jù)積壓變化。

2 無人機(jī)頻譜接入策略設(shè)計(jì)

2.1 頻譜接入策略

無人機(jī)i在時(shí)隙n的信道使用狀態(tài)定義為STAi(n),STAi(n)=0表示在時(shí)隙n內(nèi)沒有信道傳輸無人機(jī)i數(shù)據(jù)積壓中的數(shù)據(jù);STAi(n)=1表示在時(shí)隙n內(nèi)有信道傳輸無人機(jī)i數(shù)據(jù)積壓中的數(shù)據(jù),且沒有受到其他無人機(jī)的干擾;STAi(n)=2表示在時(shí)隙n內(nèi)有信道傳輸無人機(jī)i數(shù)據(jù)積壓數(shù)據(jù),且遭受其他無人機(jī)的干擾。

當(dāng)無人機(jī)使用信道傳輸其數(shù)據(jù)積壓中的數(shù)據(jù)時(shí),通過能量檢測(cè)方法可以判斷出其是否遭受其他無人機(jī)的干擾。

在確保所有無人機(jī)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隊(duì)列積壓保持穩(wěn)定的前提下,無人機(jī)處于不同狀態(tài)時(shí)其頻譜接入策略不同,分為以下3種情況:

1)當(dāng)STAi(n)=0時(shí),為傳輸隊(duì)列積壓的數(shù)據(jù),無人機(jī)需尋找空信道接入;為緩解無信息交互下無人機(jī)間存在的用頻沖突,無人機(jī)i在0狀態(tài)下保持1個(gè)時(shí)隙,其信道接入控制參數(shù)的更新為zi(n+1)=zi(n)+1,無人機(jī)在0狀態(tài)下至少保持N-M個(gè)時(shí)隙數(shù),即滿足zi(n)≥N-M,無人機(jī)才能接入可用空信道,其接入所有可用空信道概率都相同。此時(shí)無人機(jī)i下一個(gè)時(shí)隙時(shí)接入信道r(r∈M)的概率為

當(dāng)zi(n)>N-M,

(11)

當(dāng)zi(n)≤N-M,

(12)

式(1)中:Y(n)={1,…,y,…,Y(n)}為在時(shí)隙n時(shí)可接入的空閑信道集合向量,Y(n)為在時(shí)隙n內(nèi)空閑信道數(shù);qi,r(n)表示無人機(jī)i在時(shí)隙n接入信道r的概率;qi,0(n)表示無人機(jī)i在時(shí)隙n不接入任何信道的概率;EF表示所有屬于E且不屬于F的元素。

2)當(dāng)STAi(n)=1時(shí),若無人機(jī)i使用信道m(xù),為了避免其長(zhǎng)時(shí)間占用信道資源,造成其他無人機(jī)無法有效使用信道,當(dāng)其數(shù)據(jù)積壓量小于一定值Δ時(shí),在下一個(gè)時(shí)隙,無人機(jī)i將釋放所占用信道,以供STAj(n)=0且參數(shù)zj(n)≥N-M的無人機(jī)使用,j∈N*,并且無人機(jī)i在下一個(gè)時(shí)隙的信道使用狀態(tài)變?yōu)?;當(dāng)其數(shù)據(jù)積壓量大于Δ時(shí),無人機(jī)繼續(xù)保持原有的狀態(tài)。無論無人機(jī)在上一個(gè)時(shí)隙的信道使用狀態(tài)如何,無人機(jī)已經(jīng)達(dá)到了單獨(dú)占用信道的目標(biāo),則在下個(gè)時(shí)隙內(nèi)其信道接入?yún)?shù)zi(n+1)=0。此時(shí)無人機(jī)i下一個(gè)時(shí)隙接入信道r的概率為

當(dāng)Oi(n)>Δ,

(13)

當(dāng)Oi(n)<Δ,

(14)

式中:Δ為無人機(jī)i釋放占用信道的閾值,用于控制無人機(jī)釋放或繼續(xù)占用信道,以確保所有無人機(jī)的利益。

3)當(dāng)STAi(n)=2時(shí),若無人機(jī)接入信道m(xù),為避免下個(gè)時(shí)隙無人機(jī)間繼續(xù)在信道m(xù)發(fā)生互擾,也為了避免在其他信道上與其他無人機(jī)發(fā)生用頻沖突,該無人機(jī)將依概率退出或留在原信道。在當(dāng)前時(shí)隙中,無人機(jī)i因受到來自其他無人機(jī)的干擾無法有效利用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在下個(gè)時(shí)隙可能退出原信道,為了減少其影響,不改變信道接入控制參數(shù),即zi(n+1)=zi(n),從而避免重新排隊(duì),有效地避免了其數(shù)據(jù)積壓量大量增長(zhǎng)。借鑒文獻(xiàn)[12]的思想和方法,無人機(jī)i在下一個(gè)時(shí)隙接入信道r的概率為

(15)

式中:pi,r(n)和Ii(n)分別為時(shí)隙n內(nèi)在信道r內(nèi)基站接收到無人機(jī)i的信號(hào)強(qiáng)度和接收無人機(jī)i的信號(hào)受到的互擾信號(hào)強(qiáng)度;σ2為噪聲功率。

根據(jù)以上分析可以得到無人機(jī)i的信道接入控制參數(shù)zi(n)與歷史信道使用狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 無人機(jī)i的信道接入控制參數(shù)zi(n)與歷史信道使用狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

從表1可以看出,無人機(jī)i在時(shí)隙n時(shí)可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)隙的信道接入控制參數(shù)zi(n)和上一個(gè)時(shí)隙的信道接入控制參數(shù)zi(n-1)得出下一個(gè)時(shí)隙的信道接入控制參數(shù)zi(n+1)。

2.2 頻譜接入算法

為解決以上無人機(jī)群頻譜接入問題,本文提出了基于多用戶非耦合排隊(duì)頻譜接入算法。在時(shí)隙n內(nèi),無人機(jī)i根據(jù)生成的qi(n)選擇信道接入(qi(n)為無人機(jī)i在時(shí)隙n接入M*中所有信道的概率集合,qi(n)={qi,r(n)}r∈M*)。無人機(jī)選擇信道接入后根據(jù)2.1節(jié)給出無人機(jī)i在時(shí)隙n和n-1的信道使用狀態(tài),并根據(jù)表1的信道接入控制參數(shù)zi(n+1),如果STAi(n)=0且zi(n+1)>5,則采用能量檢測(cè)方法獲得所有空閑信道集Y(n);無人機(jī)根據(jù)其在時(shí)隙n+1內(nèi)數(shù)據(jù)積壓Oi(n+1)以及時(shí)隙n內(nèi)信道使用狀態(tài)STAi(n)、空閑信道集Y(n)和信道接入控制參數(shù)zi(n),利用公式(12)、(14)和(15)計(jì)算得出其信道接入概率向量qi(n+1)。

基于多用戶非耦合排隊(duì)頻譜接入算法具體表述如下:

對(duì)于任?無人機(jī)i∈N*,其傳輸訴求均為保障其隊(duì)列中數(shù)據(jù)積壓處于穩(wěn)定狀態(tài),為了滿足所有無人機(jī)的訴求,并行執(zhí)行下列操作:

1 輸入:無人機(jī)數(shù)量N、信道數(shù)量M、信道帶寬B、飛行高度h、無人機(jī)發(fā)射功率pi

2 初始化信道接入控制參數(shù)、信道使用狀態(tài)和信道接入概率等參數(shù),zi(0)=0,STAi(0)=0

qi,r(n+1)=1/N,r∈M*

qi,r(n+1)=(N-M)/N,r=0

3 計(jì)算更新信道接入概率qi(n)

forn=1,2…

3.1 無人機(jī)i根據(jù)其信道接入概率向量qi(n)選擇信道接入;

3.2 無人機(jī)i根據(jù)信道使用情況確定其信道使用狀態(tài)STAi(n)

3.3 if STAi(n)=0 andzi(n+1)>5:

采用能量檢測(cè)法檢測(cè)出所有空閑信道

else:

不檢測(cè)

end

3.4 更新無人機(jī)在時(shí)隙n+1內(nèi)數(shù)據(jù)積壓Oi(n+1)

3.5 根據(jù)信道狀態(tài)信息STAi(n-1)和STAi(n),并結(jié)合表1得出信道接入控制參數(shù)zi(n+1)

3.6 更新計(jì)算無人機(jī)在下一個(gè)時(shí)隙內(nèi)信道接入概率集合

if STAi(n)=0

根據(jù)公式(11)或(12)計(jì)算qi(n+1)

elseif STAi(n)=1

根據(jù)公式(13)或(14)計(jì)算qi(n+1)

elseif STAi(n)=2

根據(jù)公式(15)計(jì)算qi(n+1)

3.7 存儲(chǔ)無人機(jī)當(dāng)前時(shí)隙獲得的參數(shù)值,做為其后續(xù)時(shí)隙的歷史參數(shù)數(shù)據(jù)

end

end

4 輸出:{qi(n)}n∈[1,T]

根據(jù)算法步驟和復(fù)雜度計(jì)算方法[13]可知,所提算法的計(jì)算次數(shù)跟10M呈線性關(guān)系,即O(10M)。本文用于對(duì)比分析的隨機(jī)頻譜接入算法(Random Spectrum Access Algorithm,RSAA)是一種多個(gè)移動(dòng)同時(shí)隨機(jī)接入信道方法,其復(fù)雜度為O(2M);基于效用的分布式子信道分配算法(Utility-based Distributed Subchannel Allocation Algorithm,UDSA)[14]是一種通過對(duì)每個(gè)局中用戶引入一個(gè)額外狀態(tài)變量“情緒”來控制信道接入的算法,其復(fù)雜度為O(2M)。對(duì)比可知,本文提出的算法復(fù)雜度稍比現(xiàn)有算法高,但相對(duì)來說是可以接受的。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提方法的性能,以RSAA和UDSA作為比較對(duì)象。參照文獻(xiàn)[6]和[7]仿真參數(shù)設(shè)置方法,設(shè)置無人機(jī)數(shù)量N=20,噪聲功率σ2=-100 dBm,信道帶寬B=3 MHz,Δ=2ρ,傳播路徑衰落系數(shù)α=2。無人機(jī)飛行高度均為h=50 m,運(yùn)動(dòng)范圍為2 000 m×2 000 m,網(wǎng)格面積為2 m×2 m,基站位于平面中心的正下方、高度為0的位置;無人機(jī)發(fā)射功率均為pi=24.77 dBm;數(shù)據(jù)包大小為3×104b。

圖2給出了無人機(jī)群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其用頻沖突率隨著時(shí)間變化的曲線,可以看出無人機(jī)系統(tǒng)在不同算法下處于各自臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),所提算法相比于其他兩種算法,其用頻沖突率顯著減小,并隨著時(shí)間增加,其用頻沖突率逐漸降低,最后穩(wěn)定在3%左右。這是由于所提算法中無人機(jī)在狀態(tài)0時(shí)接入空閑信道需通過排隊(duì)接入,從而有效避免了由狀態(tài)2變?yōu)闋顟B(tài)1和由狀態(tài)0變?yōu)闋顟B(tài)1時(shí)多無人機(jī)同時(shí)隨機(jī)接入同一信道而造成的沖突;另外,當(dāng)信道m(xù)上有多架無人機(jī)同時(shí)接入時(shí),產(chǎn)生沖突的無人機(jī)將按照一定概率選擇退出或留在信道m(xù),在一定程度上也有效避免了原信道繼續(xù)發(fā)生沖突;無人機(jī)根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性,按需頻繁地交替使用信道時(shí),有效避免了與其他無人機(jī)發(fā)生互擾。

圖2 無人機(jī)群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其用頻沖突率隨著時(shí)間變化的曲線(M=15)

圖3給出了無人機(jī)群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其信道利用率隨著時(shí)間變化的曲線,可以看出,所提方法中無人機(jī)群系統(tǒng)的信道利用率顯著大于UDSA方法和RSAA方法。隨著時(shí)間的增加,信道利用率逐漸增加,最后穩(wěn)定在89%左右,這種變化趨勢(shì)與圖2相同。

圖3 無人機(jī)群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其信道利用率隨著時(shí)間變化的曲線(M=15)

圖4給出了不同ρ值下,無人機(jī)群平均數(shù)據(jù)積壓量隨時(shí)間變化的曲線。從仿真結(jié)果可以看出,在圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中使用UDSA方法和RSAA方法時(shí)無人機(jī)的數(shù)據(jù)積壓量變化過程都呈非線性增長(zhǎng),而在圖4(d)中這一變化卻呈線性關(guān)系。這是因?yàn)樵谄骄鶖?shù)據(jù)到達(dá)率較低的情況下,UDSA方法和RSAA方法尚能在一定程度上完成積壓數(shù)據(jù)的傳輸,因此其平均數(shù)據(jù)積壓量呈現(xiàn)一定波動(dòng)性;當(dāng)平均到達(dá)率ρ達(dá)到33個(gè)數(shù)據(jù)包/時(shí)隙時(shí),UDSA方法和RSAA方法在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相比于單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)積壓量,幾乎可以忽略不記,因此使用上述兩種方法時(shí)無人機(jī)的平均數(shù)據(jù)積壓量幾乎呈線性增長(zhǎng)。與之形成鮮明對(duì)比的是,在不同數(shù)據(jù)達(dá)到率情況下,所提算法中無人機(jī)的平均數(shù)據(jù)積壓量基本保持穩(wěn)定,從而驗(yàn)證了在高業(yè)務(wù)負(fù)載情況下所提算法可以合理利用頻譜資源有效完成數(shù)據(jù)傳輸。

(a)ρ=9個(gè)數(shù)據(jù)包/時(shí)隙

圖5給出了可用信道數(shù)量M不同情況下無人機(jī)群最大穩(wěn)定平均到達(dá)速率ρmax的變化情況。從圖中可以看出,3種方法中無人機(jī)群的ρmax值都隨信道數(shù)量增加而提升,但所提算法中無人機(jī)群的ρmax值(或最大傳輸速率)相比UDSA提高了1.38～2.3倍,相比USAA算法提高了1.7～2.7倍,這是由于所提方法的信道利用率顯著高于其他兩種方法;此外,當(dāng)無人機(jī)信道使用狀態(tài)為1且其數(shù)據(jù)積壓量小于閾值Δ時(shí),無人機(jī)在下一個(gè)時(shí)隙將釋放其占用的信道,從而避免了長(zhǎng)時(shí)間占用有限的頻譜資源,提升了系統(tǒng)吞吐量。

圖5 無人機(jī)群最大平均穩(wěn)定到達(dá)速率ρmax隨可用信道數(shù)量M變化曲線

由于無人機(jī)數(shù)據(jù)積壓與平均數(shù)據(jù)到達(dá)速率和傳輸速率相關(guān),即數(shù)據(jù)積壓一定時(shí),無人機(jī)傳輸速率直接受平均數(shù)據(jù)到達(dá)率的影響,無人機(jī)傳輸速率伴隨著平均數(shù)據(jù)到達(dá)率的提升而提升,從而使得無人機(jī)群吞吐量性能得到提升。

圖6給出了可用信道數(shù)量M=15時(shí)無人機(jī)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)無人機(jī)最大數(shù)據(jù)積壓差變化過程。從圖6可以看出,相比其他兩種算法,所提算法中無人機(jī)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其最大數(shù)據(jù)積壓差更小,其變化也較為穩(wěn)定,有效確保了無人機(jī)間用頻公平性。這是由于所提算法能使無人機(jī)按需接入信道,當(dāng)無人機(jī)數(shù)據(jù)積壓低于閾值Δ時(shí),其將在下一個(gè)時(shí)隙自動(dòng)釋放所占用信道,以供其他無人機(jī)使用,有效地避免單個(gè)無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不能有效使用信道(信道使用狀態(tài)不為1),從而使得最大無人機(jī)數(shù)據(jù)積壓差得到有效控制;此外,當(dāng)無人機(jī)由信道使用狀態(tài)0變?yōu)樾诺朗褂脿顟B(tài)2時(shí),其在下一個(gè)時(shí)隙的信道使用狀態(tài)變?yōu)?,其信道接入控制參數(shù)不變,避免了重新排隊(duì)過程,從而在一定程度上避免了其數(shù)據(jù)積壓量的增長(zhǎng)。

圖6 無人機(jī)群處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)其最大數(shù)據(jù)積壓差變化曲線(M=15)

4 結(jié) 論

本文研究了在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸隊(duì)列穩(wěn)定前提下的無人機(jī)群頻譜接入問題,以緩解無人機(jī)間用頻沖突、提升信道有效利用率和系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo),提出了基于多用戶非耦合排隊(duì)頻譜接入方法。仿真結(jié)果表明,所提算法有效降低了無人機(jī)間用頻沖突率、提升了信道利用率和系統(tǒng)吞吐量。此外,該算法適用于無人機(jī)內(nèi)部和外部環(huán)境捷變的情況,如業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)猝發(fā)、無線通信環(huán)境捷變等并存的場(chǎng)景。