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无人机群辅助的数据采集能耗优化方法

黄晓舸 何勇 陈前斌 张杰

黄晓舸, 何勇, 陈前斌, 张杰. 无人机群辅助的数据采集能耗优化方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(6): 2054-2062. doi: 10.11999/JEIT220554
引用本文: 黄晓舸, 何勇, 陈前斌, 张杰. 无人机群辅助的数据采集能耗优化方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(6): 2054-2062. doi: 10.11999/JEIT220554
HUANG Xiaoge, HE Yong, CHEN Qianbin, ZHANG Jie. Optimization Method for Energy Consumption in Data Acquisition Assisted by UAV Swarms[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(6): 2054-2062. doi: 10.11999/JEIT220554
Citation: HUANG Xiaoge, HE Yong, CHEN Qianbin, ZHANG Jie. Optimization Method for Energy Consumption in Data Acquisition Assisted by UAV Swarms[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(6): 2054-2062. doi: 10.11999/JEIT220554

无人机群辅助的数据采集能耗优化方法

doi: 10.11999/JEIT220554
基金项目: 国家自然科学基金(61831002),重庆市科委重庆市基础研究与前沿探索项目(cstc2018jcyjAx0383)
详细信息
    作者简介:

    黄晓舸:女,教授,研究方向为移动通信技术、区块链、无人机相关技术

    何勇:男,硕士生,研究方向为移动通信技术、无人机相关技术

    陈前斌:男,教授,博士生导师,研究方向为新一代移动通信网络、未来网络、LTE-Advanced异构小蜂窝网络

    张杰:男,教授,博士,研究方向为移动通信、物联网等

    通讯作者:

    黄晓舸 huangxg@cqupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN92

Optimization Method for Energy Consumption in Data Acquisition Assisted by UAV Swarms

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61831002), The Innovation Project of the Common Key Technology of Chongqing Science and Technology Industry (cstc2018jcyjAx0383)
  • 摘要: 针对无线传感器网络(WSN)中数据采集的安全性和能耗问题,该文提出一种无人机(UAV)群辅助的数据采集能耗优化方法。该方法通过优化无人机的数量、高度和WSN中数据传输数量降低系统总能耗。首先,针对WSN数据采集,提出一种基于信誉值的数据双层压缩(RDCC)算法。该算法根据地理位置将传感器分簇,簇内传感器分为簇头和簇成员,簇成员负责训练预测模型并发送给簇头;簇头则负责模型的筛选、聚合以及信誉值更新,并将聚合结果发送给无人机;其次,针对无人机群数据收集,提出一种无人机优化部署算法,该算法将无人机部署问题转化为圆包装问题,通过动态调整无人机数量,最小化无人机群网络总能耗;同时,针对数据采集过程,在无人机群建立了私有区块链用于存储采集数据,保证了数据的安全性;最后,基于伯克利大学联合研究实验室数据集对所提方法进行验证,仿真结果表明该方法能实现无人机的最优部署,同时具有误差小、能耗低及安全性高的优势。
  • 图  1  无人机群辅助的数据采集模型

    图  2  不同压缩算法RMSE与训练窗口的关系

    图  3  不同压缩算法SR与训练窗口的关系

    图  4  不同压缩算法RMSE与可容忍误差的关系

    图  5  不同压缩算法SR与可容忍误差的关系

    图  6  簇内5个CM的信誉值

    图  7  不同压缩算法传感器能耗与训练窗口的关系

    图  8  不同压缩算法传感器能耗与SR的关系

    图  9  能效与UAV数量的关系

    图  10  能效与UAV飞行高度的关系

    图  11  不同EFPR时滤波器验证时间与交易数的关系

    图  12  不同EFPR时滤波器实际误报率与交易数的关系

    算法1 CM层中的数据压缩算法
     (1)输入:可容忍误差$\varepsilon $;$l$个感知值${x_{si}},i \in \{ 1,2,\cdots,l\} $
     (2)初始化:${T_{{\rm{count}}} } = 0$ ;时隙${t_d}$的模型参数$({t_s},l,{a_s},{b_s})$
     (3)for $i = 1:l$
     (4)//计算${T_{{\rm{count}}} }$
     (5) if $\left| {{x_{si}} - ai - b} \right| > \varepsilon $
     (6)  ${T_{{\rm{count}}} } = {T_{{\rm{count}}} } + 1$;
     (7)end
     (8)if ${T_{{\rm{count}}} } \ge \mu$
     (9)  根据式(10)和式(11)计算新预测模型;
     (10)   更新模型参数并发送给CH;
     (11)缓存时隙${t_{d + 1}}$的感知值,并回到1;
     (12)end
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    表  1  总覆盖半径${R_c}$时UAV数量、覆盖半径和覆盖率的关系

    UAV数量覆盖半径覆盖率
    1${R_c}$1.000
    20.500${R_c}$0.500
    30.464${R_c}$0.646
    40.413${R_c}$0.686
    50.370${R_c}$0.685
    60.333${R_c}$0.667
    70.322${R_c}$0.778
    80.302${R_c}$0.733
    90.297${R_c}$0.689
    100.280${R_c}$0.687
    110.270${R_c}$0.789
    下载: 导出CSV

    表  2  网络模型参数设置

    符号描述取值
    $(\eta {}_{{\rm{LoS}}},\eta {}_{{\rm{NLoS}}})$平均附加损失对$(1,20)$
    $(a,b)$S曲线参数$(11.9,0.13)$
    $f$载波频率2000 MHz
    $c$光速$3 \times {10^8}$m/s
    $ P_{\min }^r $最小接收功率–30 dBm
    ${B_{m,k}}$上行带宽10 MHz
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-07
  • 修回日期:  2022-08-29
  • 网络出版日期:  2022-09-05
  • 刊出日期:  2023-06-10

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