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专利号: 2023105913814
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:授权未缴费
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-11-28
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于无人机辅助的数据收集方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:

S1:构建UAVs辅助WSN数据采集模型;

S2:设计传感器总发射功率优化方案;

S3:对传感器进行聚类,确定簇头传感器的数量及位置,同时确定相应的簇成员;

S4:优化无人机部署位置;

S5:优化簇头和无人机的关联方案;

所述S1中,构建UAVs辅助WSN的数据采集模型;

该模型由上下两层构成:

1)上层为空中网络,包括多架无人机,无人机在DC的调度下飞行到指定的位置后悬停,并对与自身相关联的CHs上传的数据进行采集和存储;在采集任务完成后,无人机携带数据返回至DC指定的位置充电,同时将数据转发给DC;

2)下层为地面层,由WSN、充电站以及DC组成;

为保证WSN中SNs传输数据的距离在最大通信距离内,采用聚类算法对SNs进行分簇,在每个簇中选出一个SN作为CH,其余SNs作为CMs;CH负责对簇内CMs发送的数据进行收集和处理,并将最终数据上传至UAV;CMs负责感知环境数据,并将数据发送至CH;簇内采用单跳的方式进行数据传输;充电站负责给UAV充电,其部署在能够使UAV与DC成功建立通信的地方;DC则负责对UAVs发送的数据进行重构,以实现对区域的环境监测、灾害预警;

所述S2中,设计传感器总发射功率优化方案;UAVs的集合为M,CHs的集合为K,CMs的集合为N;考虑UAV与CH之间视距LoS和非视距NLoS两种链路,UAV和CH之间采用正交多址接入,避免产生干扰;UAVm与CHk之间的平均路径损耗表示为:其中,ηLoS和ηNLoS为分别为LoS和NLoS链路的平均附加损失,取值因场景而异;a和b为S曲线参数;H为UAV飞行高度;f为载波频率;Dm,k表示CHk与UAVm在地面上的垂直投影之间的距离;c为光速;dm,k为CHk到UAVm的直线距离;

CHk到UAVm所需发射功率如下:

其中,δm,k为CHk到UAVm的关联系数,取值为0和1,δm,k=1时CHk与UAVm关联,为UAVm的接收功率,PLm,k为平均路径损耗;将所有CH与UAV的关联关系表示为一个K×M的矩阵Ω,第m列表示UAVm对所有CH的关联情况;

在WSN中的通信模型采用无线通信信道模型,CMn到CHk的发射功率表示为:

其中,θn,k为CM n与CH k的关联系数,取值为0和1,θn,k=1时表示CM n与CH k关联,反之亦然;为CH k的接收功率;dn,k表示CM n与CH k之间的距离;L为传播的系统损耗因子,L≥1;Gt和Gr分别表示CM发送和接收天线的增益;λ为波长;将所有CM与CH的关联关系表示为一个N×K的矩阵γ,第k列表示CH k对所有CM的关联情况;

提出传感器总发射功率优化方案,该方案联合优化CH的数量和位置、UAV的部署位置、UAV与CHs的关联,最小化WSN中的SNs的总发射功率,优化目标为:需满足一个CH只能与一个UAV关联,一个CM只能与一个CH关联;同时,CH的发射功率不能超过其最大发射功率,CM的发射功率也不能超过其最大发射功率;确保每架UAV的部署位置和CH的位置在目标区域Λ内;

所述S3中,首先,通过肘部法对于K-means算法聚类结果的误差平方和SSE进行评估来找到最佳聚类数k;随着聚类数k增加,聚类效果越好,SSE指标会逐渐降低;在增大k的过程中,当k值小于最优簇数时,SSE的下降速度会很快,当k值超过最优簇数后,SSE的下降速度会变得很缓慢;SSE与k的关系图像一个手肘,而肘部对应的k值就是最优簇数;

在找到最优簇数之后,利用K-mean++算法求出对应k值时的最优聚类,判断所有CM到其关联的CH的发射功率是否小于最大发射功率,若满足则输出最优k值、CH位置和CH与CM的关联关系,若不满足,则增加k值再次执行K-mean++算法聚类,直到所有CM到其关联的CH的发射功率都小于最大发射功率,输出最优k值、CH位置lk和CH与CM的关联关系;

所述S4中,当确定CH数量k、位置lk以及CH与CMs之间的关联关系Υ后,优化问题则只与UAV的部署位置lm和UAV与CHs的关联关系Ω有关;优化问题更新如下:基于DRL算法,提出了基于AC的UAV部署算法,将UAV的部署过程建模为MDP过程,通过集中式训练来确定UAV的部署位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机辅助的数据收集方法,其特征在于:所述S5中,在进行训练的过程中,提出一种基于差额功率关联算法来确定每个训练状态下的奖励,该算法在考虑无人机负载均衡的条件下,使得CHs的总发射功率最小;CHs先根据最短距离选择无人机进行关联,当出现无人机关联数超过其最大负载数时,该无人机会计算与自身相关联到其他无人机所需的发射功率,选择功率差值最大的个CHs建立关联,其余CHs重新匹配剩余UAV。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机辅助的数据收集方法,其特征在于:所述S4中,使用AC深度强化学习算法来进行无人机的部署;评论家网络通过状态-动作-值函数来评估演员网络选择的动作,演员网络在每次迭代中,系统会基于当前的状态si和策略πi选择相应的动作ai,采用蒙特卡罗策略梯度强化学习方法进行训练;其中,在计算动作奖励时采用步骤S5提出的基于差额功率的关联算法确定关联关系;算法收敛后输出UAV的部署位置以及UAV与CHs的关联关系。