• ISSN 0258-2724
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低空单层无人机网络覆盖优化控制策略

郭洋 高原 程绍驰 王晓楠

郭洋, 高原, 程绍驰, 王晓楠. 低空单层无人机网络覆盖优化控制策略[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230535
引用本文: 郭洋, 高原, 程绍驰, 王晓楠. 低空单层无人机网络覆盖优化控制策略[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230535
GUO Yang, GAO Yuan, CHENG Shaochi, WANG Xiaonan. Optimization Control Strategy for Low-Altitude and Single-Layer Unmanned Aerial Vehicle Network Coverage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230535
Citation: GUO Yang, GAO Yuan, CHENG Shaochi, WANG Xiaonan. Optimization Control Strategy for Low-Altitude and Single-Layer Unmanned Aerial Vehicle Network Coverage[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230535

低空单层无人机网络覆盖优化控制策略

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230535
基金项目: 国家自然科学基金(62222121, 62341110)
详细信息
    作者简介:

    郭洋(1984—),男,副研究员,博士,研究方向为信息与通信工程,E-mail:guoyangnudt@163.com

    通讯作者:

    王晓楠(1989—),男,副研究员,博士,研究方向为自主无人系统,E-mail:wangxiaonan1989@foxmail.com

  • 中图分类号: TN929.5;TP273;V279

Optimization Control Strategy for Low-Altitude and Single-Layer Unmanned Aerial Vehicle Network Coverage

  • 摘要:

    为研究应急通信场景中无人机网络自主控制问题,采用多架旋翼无人机搭载6G一体化基站,通过机间组网形成低空单层无人机网络,对地面任务区域内的用户提供无线网络服务;针对典型场景构建数值模型,利用多智能体强化学习方法求解无人机网络的优化控制策略,并分析无人机基站数量、无人机基站通信距离对于任务地域无线网络覆盖效果的影响. 研究结果表明:利用强化学习方法得到的优化控制策略收敛效果较好;无人机网络覆盖得分和公平覆盖指数的学习曲线变化趋势相似,在第1000~2 000个episode之间快速增长,随后进入平台区;在无人机基站通信覆盖距离为1.0 km、飞行高度300 m条件下,将无人机基站数量从3个增加到7个,网络覆盖得分提升53.28%,公平覆盖指数提升43.57%;当无人机基站数量为5个、飞行高度300 m条件下,基站通信距离从1.0 km增加到2.5 km时,无人机网络覆盖得分提升86.01%,公平覆盖指数提升41.47%.

     

  • 图 1  低空单层无人机网络架构

    Figure 1.  Low-altitude and single-layer UAV network architecture

    图 2  神经网络架构及数据流向示意

    Figure 2.  Neural network architecture and data flow

    图 3  本文算法伪代码

    Figure 3.  Pseudocode of algorithm in this paper

    图 4  无人机网络全局奖励值的典型学习曲线

    Figure 4.  Typical learning curve of global reward value of UAV network

    图 5  无人机网络覆盖得分以及公平指数典型变化曲线

    Figure 5.  Typical curves of UAV network coverage score and fairness index

    图 6  无人机网络覆盖得分、公平指数与基站数量的关系

    Figure 6.  Relationship among UAV network coverage score, fairness index, and number of base stations

    图 7  无人机网络覆盖得分、公平指数与通信覆盖距离的关系

    Figure 7.  Relationship among UAV network coverage score, fairness index, and communication coverage distance

    表  1  仿真实验参数数值

    Table  1.   Parameters for simulation experiment

    参数名称 数值
    无人机基站数量/个 3
    任务地域的长、宽/km 4、4
    任务地域划分的方格数量/个 100
    重点保障方格数量/个 5
    无人机基站覆盖距离/km 1
    无人机基站飞行高度/m 300
    无人机基站最大飞行速度/(m·s−1 20
    重点方格覆盖得分 10
    一般方格覆盖得分 1
    无人机基站飞出边界处罚值 1
    无人机基站间碰撞处罚值 1
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    表  2  强化学习主要参数

    Table  2.   Main parameters for reinforcement learning

    参数名称 数值
    神经网络层数/层 2
    隐藏网络节点数/个 64
    学习率 0.01
    折扣因子 0.95
    $\tau $ 0.99
    batch size 1000
    下载: 导出CSV
  • [1] 陈新颖,盛敏,李博,等. 面向6G的无人机通信综述[J]. 电子与信息学报,2022,44(3): 781-789. doi: 10.11999/JEIT210789

    CHEN Xinying, SHENG Min, LI Bo, et al. Survey on unmanned aerial vehicle communications for 6G[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(3): 781-789. doi: 10.11999/JEIT210789
    [2] 向庭立,王红军,杨刚,等. 分布式无人机网络覆盖优化算法[J]. 空军工程大学学报(自然科学版),2019,20(4): 59-65.

    XIANG Tingli, WANG Hongjun, YANG Gang, et al. Research on distributed UAV network coverage optimization algorithm[J]. Journal of Air Force Engineering University (Natural Science Edition), 2019, 20(4): 59-65.
    [3] 王巍,梁雅静,刘阳,等. 城市灾区无人机网络自适应覆盖优化算法[J]. 计算机工程与应用,2022,58(14): 258-268. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2010-0211

    WANG Wei, LIANG Yajing, LIU Yang, et al. Adaptive coverage optimization algorithm for drone network in urban disaster areas[J]. Computer Engineering and Applications, 2022, 58(14): 258-268. doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2010-0211
    [4] 王超. 基于强化学习的无线网络移动性管理技术研究[D]. 合肥:中国科学技术大学,2021.
    [5] 靳晓洁,石建迈,伍国华,等. 无人机基站部署问题综述:模型与算法[J]. 控制理论与应用,2022,39(12): 2219-2232.

    JIN Xiaojie, SHI Jianmai, WU Guohua, et al. Review of the UAV base station deployment problem: models and algorithms[J]. Control Theory & Applications, 2022, 39(12): 2219-2232.
    [6] 郭艺轩,贾向东,曹胜男,等. 三维动态无人机网络覆盖性能与信道容量分析[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版),2022,34(4): 662-668. doi: 10.3979/j.issn.1673-825X.202101080012

    GUO Yixuan, JIA Xiangdong, CAO Shengnan, et al. Analysis of 3D dynamic UAV network coverage performance and channel capacity[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition), 2022, 34(4): 662-668. doi: 10.3979/j.issn.1673-825X.202101080012
    [7] 吕忠昊. 基于强化学习的无人机通信系统容量优化研究[D]. 合肥:中国科学技术大学,2021.
    [8] 蒋逸凡,郭婧,费泽松. 多层高度的无人机-地面异构网络的覆盖性能[J]. 无线电通信技术,2021,47(5): 649-654. doi: 10.3969/j.issn.1003-3114.2021.05.020

    JIANG Yifan, GUO Jing, FEI Zesong. Coverage performance of UAV-terrestrial heterogeneous network with multiple altitudes[J]. Radio Communications Technology, 2021, 47(5): 649-654. doi: 10.3969/j.issn.1003-3114.2021.05.020
    [9] 崔壮壮. 面向空地通信的无线信道特性和建模研究[D]. 北京:北京交通大学,2022.
    [10] 马张枫. 面向B5G/6G无线网络的无人机信道建模研究[D]. 北京:北京交通大学,2022.
    [11] 王莉,魏青,徐连明,等. 面向通信-导航-感知一体化的应急无人机网络低能耗部署研究[J]. 通信学报,2022,43(7): 1-20.

    WANG Li, WEI Qing, XU Lianming, et al. Research on low-energy-consumption deployment of emergency UAV network for integrated communication-navigating-sensing[J]. Journal on Communications, 2022, 43(7): 1-20.
    [12] 夏景明,刘玉风,谈玲. 基于蜂窝网络的多无人机能量消耗最优化算法研究[J]. 通信学报,2023,44(2): 185-197.

    XIA Jingming, LIU Yufeng, TAN Ling. Research on multi-UAV energy consumption optimization algorithm for cellular-connected network[J]. Journal on Communications, 2023, 44(2): 185-197.
    [13] 窦邵婷. 无人机辅助移动边缘计算的空地能耗折衷研究[D]. 南昌:南昌大学,2022.
    [14] LIU C H, CHEN Z Y, TANG J, et al. Energy-efficient UAV control for effective and fair communication coverage: a deep reinforcement learning approach[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2018, 36(9): 2059-2070. doi: 10.1109/JSAC.2018.2864373
    [15] LIU C H, MA X X, GAO X D, et al. Distributed energy-efficient multi-UAV navigation for long-term communication coverage by deep reinforcement learning[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2020, 19(6): 1274-1285. doi: 10.1109/TMC.2019.2908171
    [16] QI H, HU Z Q, HUANG H, et al. Energy efficient 3-D UAV control for persistent communication service and fairness: a deep reinforcement learning approach[J]. IEEE Access, 2020, 8: 53172-53184. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2981403
    [17] JAIN R K, CHIU D M W, HAWE W R. A quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in shared computer system[R]. Hudson MA: Digital Equipment Corporation, 1984.
    [18] LOWE R, WU Y, TAMAR A, et al. Multi-agent actor-critic for mixed cooperative-competitive environments[C]//Proceedings of the 31st International Conference on Neural Information Processing Systems. Long Beach: ACM, 2017: 6382–6393.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-13
  • 修回日期:  2023-12-14
  • 网络出版日期:  2024-04-29

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