基于改进NSGA-II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于改进NSGA

【技术实现步骤摘要】
基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略


[0001]本专利技术涉及无人机通信组网拓扑关系与带宽分配优化领域，具体涉及一种基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略。

技术介绍

[0002]随着通信网络系统的不断发展，无人机中继通信正成为传统通信网络的重要补充，无人机集群组网通信在未来的通信网络架构中很有前景。当地面目标区域无法以基础通信设施维持通信时，需要多架无人机组合完成过中继通信服务任务，从而完成整个通信网络的恢复和正常运行。现有一些针对优化无人机通信组网的研究在不断展开，提出了各种针对无人机通信组网的评价指标和优化方法，实现对于无人机组网通信性能的高效优化。
[0003]现有的对于无人机组网通信性能优化的研究仍然处于起步阶段，如何解决业务需求复杂与无人机载荷有限的问题，是解决无人机组网通信性能优化问题的关键因素。无人机组网通信性能优化面临着以下几个难点。首先，为了保证无人机集群组网的通信性能，综合优化策略的设定需要满足覆盖效果最优、链路负载低、链路稳定性强等要求。其次，目标区域用户的服务需求量不同，优先级顺序不同，导致区域用户服务覆盖量度不一，合理提供服务带宽难度较大。最后，不同于传统通信网络，因为无人机节点的高机动性和有限的能耗以及无人机组网的网络性能要求多样，导致多目标优化问题的维度较大，寻找优化目标之间的支配关系困难，优化过程的收敛压力较大。

技术实现思路

[0004]针对无人机通信组网优化面临的上述难点，本专利技术将提出一种基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略，通过改进NSGA
‑
II算法与多通信性能指标考量，结合该问题的结构特征，克服该问题面临的复杂性能要求、带宽信息发展与高收敛压力等难点。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：第一方面，本专利技术提供一种基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略，包括如下步骤：
[0006]步骤1，获取无人机飞行高度、部署位置、最大提供服务带宽；获取地面区域用户数量、业务需求量与业务优先级；
[0007]步骤2，建立考虑无人机执行灾区中继通信任务的距离模型，确定无人机执行中继任务的模型假设；
[0008]步骤3，建立考虑无人机组网通信性能的通信模型，确定无人机通信组网优化策略的评价指标；
[0009]步骤4，根据评价指标，确定优化目标；
[0010]步骤5，设计改进NSGA
‑
II算法，根据OLSR路由协议的参考路由求取多目标优化效
果最优的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略集合作为最优策略。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述的基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略的步骤。
[0012]第三方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略的步骤。
[0013]本专利技术由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
[0014]建立的无人机通信组网拓扑关系与带宽分配优化模型能够有效表征无人机组网性能需求，能够提高无人机通信组网的综合通信性能。基于以上模型，引入了OLSR路由协议以保证无人机网络通信过程中链路的畅通与信息的可靠度。同时本算法结合高收敛压力的难点，对传统NSGA
‑
II算法进行改进，在保证收敛精度的基础上，减少了收敛次数，缓解了多目标优化的收敛压力。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的无人机组网拓扑关系与带宽分配策略优化原理框图。
[0016]图2是经过优化后的组网拓扑示意图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步详述。
[0018]如图1所示，本专利技术主要包括：初始化模块、无人机组网距离模型构建模块、无人机组网通信模型构建模块、评价指标与优化目标函数构建模块、优化算法模块、最优拓扑关系与带宽分配策略提取模块。结合流程图说明具体实现步骤为：
[0019]步骤1：初始化。获取无人机飞行高度、部署位置、最大提供服务带宽；地面区域用户数量和业务需求量与优先级。
[0020]步骤2：无人机组网距离模型构建模块。设定关于无人机组网执行中继服务的模型假设，其中，1)假设灾区地面区域为二维平面，其间存在若干随机分布的用户节点；2)假设无人机无线传输范围为，可覆盖以无线传输范围r为半径的地面圆形区域(其中R为无人机最大通信距离，h为无人机飞行高度)，而无人机机间是否能够互相通信，则由它们的欧式距离与R的大小关系进行判断；
[0021]关于地面用户区域与无人机集群给出如下定义，将待服务区域的二维平面O上分布的用户离散化为用户节点S1,S2,...,S
K
，||S||＝K，K为用户群节点数量。每个用户节点在二维平面上的位置为S
k
,(x
k
,y
k
)，k＝1,2,
…
,K。同理，无人机可离散化为无人机节点U1,U2,...,U
N
,||U||＝N，N为无人机数量。每架无人机的位置为U
i
,(x
i
,y
i
,h
i
)，i＝1,2,
…
,N。一基站节点Q存在在区域外近处(x
Q
,y
Q
)；
[0022]对于任意一个无人机节点U
i
，可计算出其对地面的无线传输范围计算所有无人机节点的无线传输范围，获得传输范围矩阵如下：
[0023]r
i
＝[r
1 r
2 ... r
N
]ꢀꢀꢀ
(1)对于任意两个无人机节点U
i
,U
j
，节点间的欧式距离为
计算所有无人机节点间的欧式距离，建立无人机间的欧式距离矩阵，
[0024][0025]当d
ij
＞R，即无人机间欧式距离大于无人机最大通信距离，则无人机间无法通信；反之，则无人机间可以通信。
[0026]步骤3：无人机组网通信模型构建模块。在二维任务平面O内，假设每个用户需要传输的任务带宽为G，目标区域内总用户人数为P，设置二维平面内用户概率分布密度ρ(x,y)以表征整个用户区域内用户分布的密集程度，其中，
[0027][0028]在用户群节点(x
k
,y
k
)处，用户需要传输服务的总带宽量为，<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，获取无人机飞行高度、部署位置、最大提供服务带宽；获取地面区域用户数量、业务需求量与业务优先级；步骤2，建立考虑无人机执行灾区中继通信任务的距离模型，确定无人机执行中继任务的模型假设；步骤3，建立考虑无人机组网通信性能的通信模型，确定无人机通信组网优化策略的评价指标；步骤4，根据评价指标，确定优化目标；步骤5，设计改进NSGA
‑
II算法，根据OLSR路由协议的参考路由求取多目标优化效果最优的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略集合作为最优策略。2.根据权利要求1所述的基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优化策略，其特征在于，步骤2包括：步骤2
‑
1，设定关于无人机组网执行中继服务的模型假设，其中，1)假设灾区地面区域为二维平面，其间存在若干随机分布的用户节点；2)假设无人机无线传输范围为，可覆盖以无线传输范围r为半径的地面圆形区域，其中R为无人机最大通信距离，h为无人机飞行高度，而无人机机间是否能够互相通信，则由它们的欧式距离与R的大小关系进行判断；步骤2
‑
2，关于地面用户区域与无人机集群给出如下定义，将待服务区域的二维平面O上分布的用户离散化为用户节点S1,S2,...,S
K
，||S||＝K，K为用户群节点数量；每个用户节点在二维平面上的位置为S
k
,(x
k
,y
k
)，k＝1,2,
…
,K；同理，无人机可离散化为无人机节点U1,U2,...,U
N
,||U||＝N，N为无人机数量；每架无人机的位置为U
i
,(x
i
,y
i
,h
i
)，i＝1,2,
…
,N；一基站节点Q存在在区域外近处(x
Q
,y
Q
)；步骤2
‑
3，对于任意一个无人机节点U
i
，计算出其对地面的无线传输范围计算所有无人机节点的无线传输范围，获得传输范围矩阵如下：r
i
＝[r
1 r
2 ... r
N
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)步骤2
‑
4，对于任意两个无人机节点U
i
,U
j
，节点间的欧式距离为计算所有无人机节点间的欧式距离，建立无人机间的欧式距离矩阵，当d
ij
＞R，即无人机间欧式距离大于无人机最大通信距离，则无人机间无法通信；反之，则无人机间可以通信。3.根据权利要求2所述的基于改进NSGA
‑
II算法的无人机组网拓扑关系与带宽分配优
化策略，其特征在于，步骤3包括：步骤3
‑
1，在二维任务平面O内，假设每个用户需要传输的任务带宽为G，目标区域内总用户人数为P，设置二维平面内用户概率分布密度ρ(x,y)以表征整个用户区域内用户分布的密集程度，其中，在用户群节点(x
k
,y
k
)处，用户需要传输服务的总带宽量为：Y(x
k
,y
k
)＝GPρ(x
k
,y
k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)步骤3
‑
2，设置优先级函数η(x,y)，表示整个用户区域内每个用户集中节点的服务优先级程度，其中，针对Y(x,y)，η(x,y)进行快速非支配排序和拥挤度排序从而得到综合后的降序排列，在进行中继服务的过程中，对综合排序在上数据包的进行优先传输；步骤3
‑
3，在二维平面O内，无人机U
i
与平面内用户群节点的覆盖关系为其中，在无人机U
i
的覆盖区域内，用户需要的服务带宽总量为，设定无人机U
i
提供服务能力为A
i
，其中分配给其覆盖区域的为b
i
，无人机分配给覆盖区域服...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨力，陈润州，黄琦龙，迟成，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：