一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法技术

本发明专利技术提供一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，属于无线通信领域，包括：基于无线信道条件和传输速率，表征智能集装箱卸载方式，确定功率与信息量和能耗的解析关系；基于信息量和能耗，联合优化集装船进行数据卸载的方式和功率分配，对平均卸载时延进行最小化；基于惩罚CCP算法的无人机辅助数据卸载算法，确定集装船进行数据卸载的方式和功率分配；本发明专利技术能够在无人机辅助中继情况下最优的选择卸载模式和资源分配从而降低实时数据卸载时延，有效的提高货物跟踪和数据监控的时效性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体而言，尤其涉及一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法。

技术介绍

[0002]随着数字航运的快速发展，航运业正经历着与先进的无线通信技术深度融合。智能集装箱是这融合产物的代表之一，它采用物联网技术来监控集装箱内的状态，并将收集的数据传送到供应链的各个部门，而采用这一技术能够减少人为干预，从而提高物流安全和效率；但为了物流链路的卓越性和可持续性，智能集装箱需要将监测到的实时数据准确的卸载到岸上基站。
[0003]在近海地区的陆上基站可以扩展陆地无线网络的覆盖范围，从而实现高速数据传输的效果。而为了进一步提高数据卸载的传输速率和提高通信链路的鲁棒性，无人机可以被引用到海上通信中，作为陆上基站和智能集装箱之间的中继节点，它可以根据载有智能集装箱的集装船的机动性进行动态部署，从而达到为航运事业提供按需服务的目的。然而，在有限的时频资源内不支持所有智能集装箱的低时延数据卸载，特别是要卸载的数据量足够大时。因此，根据智能集装箱要卸载的数据大小，合理的分配资源是非常有必要的。此外，智能集装箱、无人机以及陆上基站之间的信道条件会在集装船航行过程中发生变化，所以，在每个时隙内，每个智能集装箱需要在采用直接卸载模式以及无人机辅助中继卸载模式之间选择合适的卸载方式，以减少卸载时延。综上所述，为海上通信中智能集装箱设计无人机辅助中继进行数据卸载的方案很有裨益。

技术实现思路

[0004]为了解决智能集装箱在进行数据卸载的过程中没有合适的卸载模式并存在没法合理调度资源使用的问题；本专利技术采用的技术手段如下：
[0005]一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，包括如下步骤：
[0006]S1、基于无线信道条件和传输速率，表征智能集装箱卸载方式，确定功率与信息量和能耗的解析关系；
[0007]S2、基于功率与信息量和能耗的解析关系，联合优化集装箱进行数据卸载的方式和功率分配，对平均卸载时延进行最小化；
[0008]S3、基于惩罚CCP算法的无人机辅助数据卸载算法，确定集装箱进行数据卸载的方式和功率分配。
[0009]进一步地，所述无线信道条件和传输速率的确定过程如下：
[0010]S11、确定无线信道的信道条件:
[0011]S111、设定集装船是沿着直线驶入港口，并朝向陆上基站行驶，将第n个时隙集装船和基站的距离l
C,BS
[n]表示作：
[0012][0013]其中：表示基站与集装船的初始距离，和a
C
分别表示集装船驶入的初速度和加速度，船舶上所有智能集装箱卸载数据的时长T被划分为N段，每段时长为T
s
＝T/N；
[0014]S112、确定智能集装箱
‑
陆上基站之间以及智能集装箱
‑
无人机之间，无人机
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件：
[0015]第m个智能集装箱到陆上基站的信道功率增益g
m,BS
[n]为：
[0016][0017]其中，γ
M
表示路径损耗因子，G
a
表示天线增益，η
m,BS
表示该传输链路的阴影衰落，h
m
和h
BS
分别表示陆上基站和智能集装箱的高度；
[0018]第m个智能集装箱到无人机的信道功率增益g
m,U
[n]为:
[0019][0020]其中，γ
U
表示路径损耗因子，G
U
表示路径损耗常数,η
m,U
表示阴影效应，h
U
表示无人机飞行高度；
[0021]无人机到陆上基站的信道功率增益g
U,BS
[n]为：
[0022][0023]S12、根据智能集装箱选择不同的卸载方式确定传输速率：
[0024]S121、令0
‑
1整数变量β
m,n
＝1表示智能集装箱m执行直接卸载的方式将数据卸载给陆上基站，否则，β
m,n
＝0；
[0025]根据集装箱
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件，可得智能集装箱直接卸载的数据传输速率
[0026][0027]W
D
表示用于直接卸载的频谱信道的带宽，p
m
[n]表示第m个智能集装箱的传输功率，N0表示加性噪声功率；
[0028]S122、令0
‑
1整数变量α
m,n
＝1表示智能集装箱m选择无人机中继卸载的方式进行数据传输，否则，α
m,n
＝0；无人机中继采用解码
‑
转发模式进行数据卸载，并在第n个时隙的前半部分接收智能集装箱的数据，后半部分将接收到的数据转发给陆上基站；
[0029]根据集装箱
‑
无人机、无人机
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件，可得智能集装箱在无人机中继辅助卸载的数据传输速率为：
[0030][0031]其中：和分别是第n个时隙无人机中继接收第m个智能集装箱的数据
传输速率和转发至陆上基站的数据传输速率，p
U
是无人机中继的传输功率。
[0032]进一步地，所述表征智能集装箱卸载方式，确定功率与信息量和能耗的解析关系的过程如下：
[0033]智能集装箱m在整个卸载时间T内卸载的数据量d
m
表示为：
[0034][0035]智能集装箱m在整个卸载时间T内消耗的能量e
m
表示为。
[0036][0037]进一步地，所述智能集装箱进行数据卸载的方式和功率分配的目标方程如下：
[0038][0039]其中，E
m
和是智能集装箱的可用能耗和最大发射功率，
[0040]约束条件C1
‑
C3表示每个智能集装箱在每个时隙只能选择一种卸载方式，并且每种卸载方式只能被一个智能集装箱使用；
[0041]约束条件C4限制智能集装箱m使用能耗不能超过E
m
；
[0042]约束条件C5表示每个智能集装箱的数据量在时间T内被全部卸载；
[0043]约束条件C6限制智能集装箱的最大发射功率；
[0044]约束条件C7和C8表示α
m,n
和β
m,n
都是二进制变量；
[0045]对上述问题进行求解，获得使平均卸载时延最小的智能集装箱卸载方式和发射功率。
[0046]进一步地，还包括对所述智能集装箱进行数据卸载的方式和功率分配的目标方程进行的求解过程如下：
[0047]S221:令代替引入新约束条件：
[0048][0049]另外，约束C5改写为：
[0050][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、基于无线信道条件和传输速率，表征智能集装箱卸载方式，确定功率与信息量和能耗的解析关系；S2、基于功率与信息量和能耗的解析关系，联合优化集装箱进行数据卸载的方式和功率分配，对平均卸载时延进行最小化；S3、基于惩罚CCP算法的无人机辅助数据卸载算法，确定集装箱进行数据卸载的方式和功率分配。2.根据权利要求1所述的一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，其特征在于，所述无线信道条件和传输速率的确定过程如下：S11、确定无线信道的信道条件:S111、设定集装船是沿着直线驶入港口，并朝向陆上基站行驶，将第n个时隙集装船和基站的距离l
C,BS
[n]表示作：其中：表示基站与集装船的初始距离，和a
C
分别表示集装船驶入的初速度和加速度，船舶上所有智能集装箱卸载数据的时长T被划分为N段，每段时长为T
s
＝T/N；S112、确定智能集装箱
‑
陆上基站之间以及智能集装箱
‑
无人机之间，无人机
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件：第m个智能集装箱到陆上基站的信道功率增益g
m,BS
[n]为：其中，γ
M
表示路径损耗因子，G
a
表示天线增益，η
m,BS
表示该传输链路的阴影衰落，h
m
和h
BS
分别表示陆上基站和智能集装箱的高度；第m个智能集装箱到无人机的信道功率增益g
m,U
[n]为:其中，γ
U
表示路径损耗因子，G
U
表示路径损耗常数,η
m,U
表示阴影效应，h
U
表示无人机飞行高度；无人机到陆上基站的信道功率增益g
U,BS
[n]为：S12、根据智能集装箱选择不同的卸载方式确定传输速率：S121、令0
‑
1整数变量β
m,n
＝1表示智能集装箱m执行直接卸载的方式将数据卸载给陆上基站，否则，β
m,n
＝0；根据集装箱
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件，可得智能集装箱直接卸载的数据传输速率输速率W
D
表示用于直接卸载的频谱信道的带宽，p
m
[n]表示第m个智能集装箱的传输功率，N0表
示加性噪声功率；S122、令0
‑
1整数变量α
m,n
＝1表示智能集装箱m选择无人机中继卸载的方式进行数据传输，否则，α
m,n
＝0；无人机中继采用解码
‑
转发模式进行数据卸载，并在第n个时隙的前半部分接收智能集装箱的数据，后半部分将接收到的数据转发给陆上基站；根据集装箱
‑
无人机、无人机
‑
陆上基站传输链路的无线信道条件，可得智能集装箱在无人机中继辅助卸载的数据传输速率为：其中：和分别是第n个时隙无人机中继接收第m个智能集装箱的数据传输速率和转发至陆上基站的数据传输速率，p
U
是无人机中继的传输功率。3.根据权利要求1所述的一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，其特征在于，所述表征智能集装箱卸载方式，确定功率与信息量和能耗的解析关系的过程如下：智能集装箱m在整个卸载时间T内卸载的数据量d
m
表示为：智能集装箱m在整个卸载时间T内消耗的能量e
m
表示为。4.根据权利要求1所述的一种面向近海的无人机辅助中继数据卸载方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕玲，张丽娇，戴燕鹏，林彬，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：