基于多信道跳频的无人机Ad Hoc网络传输容量优化研究

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无人机自组网技术是为多个空中飞行节点建立一个分布式通信系统,依靠自组网拓扑实现多跳传输。其时效性和可靠性的要求对多跳传输提出了多重挑战。在大地理尺度、网络拓扑半径大时,数据分组的端到端时延要求在1毫秒到100毫秒之内。协同频繁和高负载下的网络吞吐量要求保持稳定。调度型多址接入协议在控制节点的接入冲突时,为了维持分组成功传输概率,增加了协议的应答请求帧数量分配信道和预约时隙,但是对于高动态节点的接入不能确保时效性。相较之下,多信道接入协议不需要应答请求帧,通过异步跳频和载波侦听机制实现。本课题以多信道跳频接入机制为背景,并引入了信道交汇作为异步跳频接入机制的补充。从提升无人机自组网的传输容量出发,研究了在这种接入机制下,跳频信道数的优化和自适应跳频策略:基于经典传输容量分析理论的扩展,对无人机信道的组网传输容量建立模型。本文分析了阴影衰落信道和莱斯信道复合的并发传输干扰模型,通过无人机分布密度对应的接收端中断概率表示了传输容量。推导了给定中断概率下,可容纳并发传输的节点密度与信道划分个数的关系式,得到优化期望值的问题模型。通过蒙特卡洛仿真对信道划分优化问题进行数值求解,利用组网规模的有限节点个数对搜索范围的上界进行限定。在计算目标函数的期望值时,通过马尔科夫链蒙特卡洛采样法(MCMC)对无人机信道统计分布进行采样,得到衰落系数的样本,并且比较了随机游走采样和哈密尔顿动力过程采样两种MCMC算法的效果。多信道跳频接入的时延主要来自跳频算法的随机交汇时延,这种开销的复杂度与跳频集合大小和集合之间的重叠度有关。假设在跳频时设备会根据感知的信道占用情况选择跳频集合,降低集合的阶数。但为了保证任意两个节点之间仍然存在公共信道,本文提出了基于Quorum约束的跳频集合构建方案,对于任意的信道划分个数,可以消除交汇条件被破坏的风险。从而保证系统的并发传输节点对的数量,提高系统的传输容量。
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