基于智能反射面的無人機工作模式調整研究

石雁航,孫 穎,陳思光

(南京郵電大學 物聯網學院,江蘇 南京 210003)

0 引 言

無人機的發展推動了無人機在軍事、民用和商業領域的大量應用[1],包括空中監察、貨物運輸、搜索和救援等。此外,與地面基礎設施相比,無人機通常在高空飛行,這使得無人機和地面設備之間的傳輸鏈路以視線鏈路為主[2]。無人機作為中繼部署有助于在嚴重衰落信道中進行地面通信,用以提高信道傳輸性能[3]。無線傳感器網絡已廣泛應用于許多領域,從現代農業到森林火災探測,從人體結構監測到家庭自動化系統[4]。為了延長無線傳感器網絡壽命,引入無人機作為中繼進行輔助通信。可以將無人機輔助無線傳感器網絡通信看作一種特殊的基于移動的無線傳感器網絡,無人機的靈活性可以為無線傳感器網絡提供更有效和更廣泛的覆蓋。然而,無人機輔助無線傳感器網絡通信面臨許多挑戰,例如：復雜且不可控的無線環境,尤其是擁擠區域,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,無人機的機動性引起的非平穩信道的空間和時間變化,會導致無人機系統出現嚴重的非平穩性。

為了應對上述挑戰,一些研究提出了智能反射面輔助空地通信系統[6-7],智能反射面能夠繞過障礙物并增強無人機系統中的通信,即智能反射面輔助無人機通信。現如今,智能反射面被認為是未來實現節能、經濟傳輸的一項有前途的技術[8]。智能反射面是由大量規則排列的無源反射元件和智能控制器組成的人造可重構表面。智能反射面通過改變入射電信號在其反射元件上的振幅或相移,能夠以期望的方式實現高精度的無線電波操縱,從而通過控制無線環境來達到信號增強、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構,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勢。此外,與傳統中繼相比,智能反射面反射的無線電信號以固有的全雙工傳輸方式不存在自干擾和噪聲[9]。

針對無人機輔助通信系統的研究,無人機軌跡優化對最大化系統吞吐量至關重要。在文獻[3]提出一種移動無人機中繼系統,并通過聯合優化功率分配和無人機軌跡來最大化系統吞吐量。隨著智能反射面的提出,智能反射面輔助無人機通信已成為一個有前途的研究課題。文獻[10-12]提出了無人機輔助地面通信系統,通過聯合優化無人機軌跡和智能反射面被動波束形成,使得系統吞吐量最大化。少數文獻對安裝在無人機上以降低無人機功耗的智能反射面進行研究。文獻[13]使用智能反射面-無人機實現了更寬視角的信號反射,文獻[14]采用智能反射面與無人機來減輕干擾攻擊并增強了合法傳輸。但是文獻[13-14]僅研究了假設智能反射面以及無人機處于固定位置,然后通過部署優化智能反射面以及無人機以找到最佳位置。文獻[15]提出了一種智能反射面與無人機的中繼模型,用來提高協作通信性能。然而,文獻[15]中智能反射面以及無人機的水平位置是固定的。考慮到無人機的機動性,文獻[11]研究了由移動無人機和地面用戶組成的下行鏈路通信系統,通過聯合設計無人機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,可以發現基于智能反射面輔助的無人機通信研究大多固定在智能反射面以及無人機單一工作模式方面。基于智能反射面輔助的無人機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無人機通信以及基于智能反射面的巡航無人機通信。靜態無人機由于距離地面傳感器節點較遠,吞吐量性能會受到一定的限制,但是靜態無人機被固定在某一點懸停不需要額外的機械飛行,所以與無人機巡航工作模式相比能量消耗較低。由于無人機車載能量有限,因此如何衡量無人機系統吞吐量性能與能量消耗是無人機通信研究中的關鍵挑戰。

通過以上分析,為了改善無人機輔助通信無線信道環境,突破傳感器能量限制對無線傳感器網絡性能限制的瓶頸以及進一步提升無人機系統經濟效率,實現基于智能反射面的無人機工作模式自適應調整。該文研究智能反射輔助的空地通信系統,綜合考慮無人機系統吞吐量以及能量消耗,提出一種自適應的無人機工作模式調整方案。主要貢獻總結如下：

?從改善無線信道質量方面,引入智能反射面輔助無人機以及無線傳感器網絡通信。推導了無人機處于靜態以及巡航工作模式下智能反射面的相位偏移閉式解,實現了不同傳輸路徑接收信號的相位對準,進一步提升無人機系統吞吐量以及經濟效率。

?基于上述問題,提出一種基于智能反射面輔助的無人機工作模式調整算法。該算法綜合考慮無人機吞吐量以及能量消耗,對智能反射面反射元件相位偏移進行優化以提升吞吐量性能,并對無人機工作周期以及飛行進行設計以降低無人機能量消耗。

?與隨機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濟效率方面具有較大的性能優勢。同時,通過最大化無人機經濟效率從而實現無人機工作模式自適應調整的目的。

1 系統模型

本節研究基于智能反射面的無人機輔助無線傳感器網絡通信系統,該系統由源傳感器節點、目標傳感器節點、智能反射面以及無人機組成。

1.1 智能反射面-無人機空中部署

在笛卡爾坐標系下以傳感器節點1為原點,傳感器節點1與傳感器節點2連線為x軸,無線傳感器網絡所在平面為xoy平面,垂直于xoy平面的方向為z軸建立坐標系,傳感器節點坐標為(xi,yi,zi),i∈{1,2,3}。設定無人機坐標為(xu,yu,zu),那么無人機在xoy平面的投影坐標為(xu,yu,0)。將智能反射面第一個元素作為參考點,那么智能反射面的坐標為(xk,yk,zk)。

與無人機靜態模式相比,巡航模式下無人機的機動性有助于實現更好的空對地信道,從而可以進一步提高系統吞吐量,提升網絡通信質量。類似的,巡航模式下智能反射面輔助無人機與傳感器節點通信如圖2所示,其中智能反射面安裝在無人機上,并且可以依靠無人機的機動性高速移動。

圖1 靜態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

巡航模式下無人機在工作周期T內以特定高度H在地面傳感器網絡上空飛行以輔助無線傳感器網絡通信。智能反射面與無人機初始位置位于傳感器1與傳感器2節點中點上空,當源傳感器與目標傳感器需要傳輸數據時,智能反射面與無人機飛至源傳感器與目標傳感器中點上空H處,源傳感器節點信號通過智能反射面反射給目標傳感器節點。那么巡航模式下智能反射面與無人機坐標為(xu,yu,H),傳感器節點1、傳感器節點2以及傳感器節點3坐標與靜態模式下相同。

1.2 信道模型

(1)靜態模式。

靜態模式場景下,配有M個反射單元組成的均勻線性陣列和一個能夠調節每個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單元均可以調節相移反射接收到的信號。首先對智能反射面對角相位矩陣建模,即：

Θ=diag{ejθ1,ejθ2,…,ejθi}

(1)

假設相位偏移{θi}可以被連續控制,其中θi∈[0,2π),i∈{1,2,…,M}。無人機靜態模式場景下智能反射面被部署在高層建筑物表面,無人機在高空懸停,因此無人機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,那么后續信道建模采用乘性信道模型[16],無人機與智能反射面之間的信道增益hUR表示如下：

(2)

類似的,智能反射面與地面傳感器節點之間的鏈路采用萊斯衰落建模,那么智能反射面與地面傳感器節點之間的信道增益表示為：

(3)

(4)

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

(5)

根據公式(1)～(5),無人機接收信噪比表示為：

(6)

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

(7)

(2)巡航模式。

巡航模式場景下,由于無人機飛行高度足夠高,因此將源傳感器節點和智能反射面以及智能反射面與目標傳感器節點之間的鏈路均視為視距鏈路。因此,源傳感器節點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點的信道增益表示為：

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

(10)

其中,ps表示源傳感器節點功率。那么巡航模式下系統吞吐量表示為：

(11)

1.3 經濟效率

無人機輔助通信總能耗通常包含兩部分：一部分是由輻射、信號處理等產生的能量消耗,另一部分是無人機為支持其機動性所需要的機械飛行能耗。根據Zeng等人[17]提出的相關理論,無人機機械飛行相關功率消耗可建模為：

(12)

其中,p0表示懸停狀態下的葉片剖面功率,pi表示懸停狀態下的感應功率,Utip表示葉片的葉尖速度,v0表示無人機向前飛行時的平均旋翼速度,d0和s分別表示無人機機身阻力比和轉子堅固度,ρ和A分別表示空氣密度以及相關面積。

靜態模式下對無人機工作周期T進行設計,其包括：收集智能反射面反射信號、轉發數據以及傳輸數據采集指令。假設無人機收集智能反射面反射信號時間為ts,轉發數據時間為tf,傳輸數據采集指令時間為tt。由于無人機轉發的數據是無人機在時間ts內采集的數據,那么無人機轉發數據的時間與采集數據的時間相等,即ts=tf。靜態模式下無人機保持懸停,其速度vu=0,根據公式(12)獲得靜態模式下無人機推進功耗ph=p0+pi。那么靜態模式下無人機總能耗表示為：

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

(13)

其中,pc為無人機感知數據的功率,pf為無人機轉發數據的功率,pt為無人機傳輸數據采集指令的功率。

巡航模式下由于無人機輔助無線通信系統使用智能反射面對信號進行反射,無人機并不需要對源信號進行處理以及傳輸,并且無人機機械飛行產生的能耗通常遠高于通信能耗,那么巡航模式下無人機總能耗主要由機械飛行產生的能耗組成。假設無人機以速度vu勻速飛行,單位時間內無人機機械飛行能耗為Eslf。對巡航模式下無人機工作周期進行設計,其中t1為無人機經過F12需要花費的時間,t2為無人機經過F23需要的時間,t3為無人機經過F31返回初始位置需要的時間。那么,巡航模式下無人機能量消耗表示為：

(14)

直觀來講,從吞吐量最大化角度來看,無人機應該在距離地面節點最近位置保持靜止,以便保持最佳通信信道條件,然后飛向目標節點傳送數據。然而,由于無人機自身能量有限,機械飛行產生的能耗對無人機輔助通信系統是一個挑戰。因此,該文提出將無人機的經濟效率作為衡量標準,衡量無人機系統吞吐量以及能量消耗。首先,根據文獻[18]中經濟效率相關定義,ECE作為一個通用的度量,它考慮了成本和功耗,是一個衡量無人機吞吐量以及能耗的很好的性能指標,可以充分體現無人機吞吐量以及能耗的特點。

將kr和kc分別表示每比特的收入和每焦耳的能耗成本,Rref為相關數據速率,R表示無人機系統吞吐量,E表示無人機系統所消耗的能量,ECE衡量系統的盈利能力,等于收入減去所提供服務的實際成本。那么ECE定義如下：

(15)

2 基于智能反射面的無人機工作模式調整算法

一般來說,吞吐量以及能耗是衡量無人機通信質量的兩大重要指標。靜態模式下無人機由于距離地面傳感器節點較遠,因此對吞吐量性能會造成一定的影響。巡航模式下無人機通過機械飛行縮短了與地面傳感器節點之間的距離,但是機械飛行帶來了更多的能量消耗。該文的優化目標為通過設計最優的相位偏移矩陣最大化無人機系統吞吐量以及設計無人機工作周期對無人機能耗進行優化,從而最大化無人機經濟效率且無人機對工作模式進行自適應調整。

(1)智能反射面相移優化。

根據以上優化問題,為了最大化智能反射面輔助空地無線通信系統吞吐量,設計最優的相位偏移矩陣Φ。為了便于后續討論,將公式(3)的復向量hRG表示為：

hRG=

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

(16)

(17)

假設在目標傳感器節點處對來自不同路徑的信號進行相干地組合,則相干構成的信號便可以最大化接收信號的速率,從而最大化系統吞吐量。因此,為了最大化信號可達率,接下來對同相信號進行疊加,即：

(18)

那么智能反射面每個元素在對信號進行反射時所應該調整的相位表示為：

(19)

(20)

此時,靜態模式下智能反射面輔助空地通信系統吞吐量可以獲得最大值。

(21)

因此,智能反射面每個元素可以獲得最佳反射相位。

(22)

此時,巡航模式下智能反射面輔助空地通信系統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系統吞吐量,接下來對無人機工作模式切換進行分析,巡航模式下無人機通過飛行提升無人機系統吞吐量,但也消耗了更多的能量。綜合考慮無人機工作模式及其能量是否充足,設狀態空間為I∈{S.L,M.S,M.L},其中“ S.L”表示無人機能量不充足的靜態工作模式,“M.S”代表無人機能量充足的靜態工作模式,“M.L”代表無人機能量不充足的巡航工作模式。

設定無人機從靜態模式到巡航模式下的轉移概率為pm=λ,那么巡航模式到靜態模式轉移下的概率ps=1-λ。當無人機能量低于預定義的閾值ξ時,無人機的工作模式將切換為低電量模式,將無人機電量由充足轉為不充足的轉移概率記為p,那么無人機能量由不充足轉為充足的狀態轉移概率為1-p。λ(1-p)為無人機由能量不充足的靜態工作模式轉移到能量充足的巡航模式下的轉移概率,(1-λ)p{ε≤ξ}為能量充足的巡航工作模式轉移到能量不充足的靜態工作模式的轉移概率,由圖3描述無人機工作模式狀態轉移。

圖3 無人機工作模式切換狀態轉移圖

控制上述系統的歸一化方程由下式給出：

(23)

其中,πi表示處于狀態i的平穩概率,i∈{S.L,M.S,M.L}。對上述方程組求解,即：

(π1,π2,π3)={C1a,C1,C1b}

(24)

因此,智能反射面輔助空地通信系統吞吐量表示為：

R(λ)=RsPs.l+RmPm.l+RmPm.s=

Rsπ1+Rmπ2+Rmπ3

(25)

系統總能耗表示為：

E(λ)=EsPs.l+EmPm.l+EmPm.s=

Esπ1+Emπ2+Emπ3

(26)

系統經濟效率表示為：

(27)

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

算法1：基于智能反射面的無人機輔助通信工作模式調整算法

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.初始化地面傳感器節點坐標;

5.根據公式(12)-(14),確定無人機兩種工作模式下的能量消耗;

6.根據公式(16)-(20),確定無人機靜態模式下IRS各個元素的最佳相移;

7.通過IRS最佳相移獲得靜態模式下系統最大吞吐量;

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

9.通過無人機巡航模式下IRS各個元素的最佳相移,獲得巡航模式下系統最大吞吐量;

10.利用基于智能反射面的無人機工作模式調整算法獲得無人機每種工作模式的平穩概率;

11.根據公式(23)和(26)獲得無人機最優系統總吞吐量R(λ)*以及總能耗E(λ)*;

12.將上述結果代入公式(5)-(27)計算經濟效率;

13.通過最大化無人機經濟效率獲得λopt;

14.當λ≤λopt時,無人機選擇靜態模式下工作,否則選擇巡航模式下工作;

15.結束

3 仿真與性能描述

本節通過仿真實驗來評估所提算法的有效性,并將所提出的方案與其他經典基準方案進行對比,以驗證該方案的性能優勢。

3.1 仿真參數設置

3.2 結果分析

本節將從無人機系統吞吐量性能以及無人機經濟效率等方面來驗證所提算法的性能。由圖4分析巡航模式下智能反射面反射元件數量從20增加到120時的智能反射面增益。

圖4 智能反射面增益隨著反射元件數量的變化情況

從圖4可以發現,對于巡航模式下不同無人機高度,智能反射面增益隨著智能反射面元件數量增加而增加。當攜帶智能反射面的無人機高度降低時,智能反射面增益隨之降低。此外,還可以發現,當智能反射面元件數量翻倍時,智能反射面可以從源傳感器節點收集更多能量,并將更多電磁波反射到目標傳感器節點,智能反射面增益與智能反射面反射元件數量成比例增加。

接下來在考慮智能反射面輔助信號傳播的信道模型基礎上,研究了智能反射面相關路徑損耗指數變化時不同方案的無人機系統吞吐量性能,如圖5所示。其中,“without IRS”表示不采用智能反射面進行輔助通信：θi=0;“隨機相位”表示智能反射面中每個反射元件的相移是隨機的。

圖5 吞吐量隨著路徑損耗指數的變化情況

從圖5中可以看出,隨著相關路徑損耗指數的增加,所提方案以及采用隨機相位方案的吞吐量隨之下降。這是因為當智能反射面相關路徑損耗指數變大時,智能反射面反射的信號功率隨之變弱。此外,還可以看出,當智能反射面相關鏈路衰落非常嚴重時,例如α=4時,所提方案與不采用智能反射面進行輔助通信相比性能提升差別不大。接下來的仿真實驗設置相關路徑損耗指數α=2.8。

圖6展示了智能反射面輔助無人機系統吞吐量性能與智能反射面反射元件數量的關系。從圖6可以發現,在沒有部署智能反射面場景下,無人機系統吞吐量性能的變化可以忽略不計,而使用智能反射面輔助通信可以顯著提高無人機系統吞吐量性能。此外,文中方案與采用隨機相位方案下的吞吐量性能隨著智能反射面元素個數的增加而提升。與采用智能反射面隨機相位進行輔助通信相比,通過優化智能反射面相移可以帶來顯著的性能增益。因此,可以發現使用智能反射面輔助無人機通信可以從改善信道環境方面從而提升通信質量。

圖6 吞吐量隨著智能反射面元件個數的變化情況

圖7 無人機系統經濟效率隨著λ的變化情況

4 結束語

引入智能反射面輔助無人機與無線傳感器網絡通信,通過綜合考慮無人機系統吞吐量以及能耗,構建了一個最大化無人機系統經濟效率的問題。基于上述問題,首先,推導了無人機處于兩種工作模式下智能反射面的相位偏移閉式解,實現了不同傳輸路徑接收信號的相位對準。隨后,通過綜合考慮無人機能量,對無人機工作模式進行劃分,然后通過基于智能反射面的無人機工作模式調整算法,獲得最優經濟效率,從而達到無人機工作模式自適應調整的目的。最后,經過仿真與分析,所提算法可以進一步提升無人機系統經濟效率并對無人機工作模式進行調整。