本發(fā)明涉及無人機(jī)中繼通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可變數(shù)據(jù)速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型的傳輸方法。

背景技術(shù)：

Ad-Hoc網(wǎng)是一種多跳的、無中心的、自組織無線網(wǎng)絡(luò)，又稱為多跳網(wǎng)，在Ad-Hoc網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的，并且都能以任意方式動(dòng)態(tài)地保持與其它節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在彼此的通信覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，它們可以直接通信，但是由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信范圍有限，如果兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信時(shí)，則需要其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)。因此在Ad-Hoc網(wǎng)中，每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)還是一個(gè)路由器，它們能完成發(fā)現(xiàn)以及維持到其它節(jié)點(diǎn)路由的功能?；贏d-Hoc此種特點(diǎn)，一些學(xué)者將Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)引入到UAV中繼系統(tǒng)中，比如科羅拉多大學(xué)的一些學(xué)者提出的Ad Hoc無人機(jī)對(duì)地中繼系統(tǒng)(Ad-hoc UAV-Ground Network project,AUGNet)，AUGNet正是利用UAV快速移動(dòng)的特性(即UAV可以在相對(duì)短的時(shí)間跨度大的距離)提出的。它正在探索在稀疏連接的網(wǎng)絡(luò)中，如何控制節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)來減少系統(tǒng)延遲以及提高系統(tǒng)通信的可靠性。此外，控制UAV的移動(dòng)可以增加地面節(jié)點(diǎn)的電池壽命，通過大規(guī)模的部署UAV群，可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集以及地面節(jié)點(diǎn)之間的分布。

在眾多的UAV中繼移動(dòng)模型中，如何選擇最優(yōu)的中繼移動(dòng)模型，這需要根據(jù)一些性能指標(biāo)來判斷。通常的性能指標(biāo)包括端到端延時(shí)、吞吐量、誤碼率等等。目前，很多UAV中繼移動(dòng)模型的研究都是針對(duì)固定數(shù)據(jù)速率下的，即UAV在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸速率是不變的。比如，科羅拉多大學(xué)的Daniel Henkel教授針對(duì)單鏈路中繼移動(dòng)模型(Chain-Relay Model)如附圖1所示以及傳輸帶中繼移動(dòng)模型(Conveyor Belt Model)如附圖2所示，推出了這兩種中繼移動(dòng)模型下，固定數(shù)據(jù)速率的端到端平均延時(shí)以及吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過比較這兩種中繼移動(dòng)模型的時(shí)延長(zhǎng)短以及吞吐量的大小，可以選出這兩種中繼移動(dòng)模型中較優(yōu)的一種。

將Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)用于無人機(jī)中繼移動(dòng)模型中，利用了Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都看成一個(gè)路由器，既可以接收數(shù)據(jù)又可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信時(shí)，就直接接收數(shù)據(jù)；當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信時(shí)，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)尋找一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)作為路由器來轉(zhuǎn)發(fā)此信息。該網(wǎng)絡(luò)可以自己尋找中繼節(jié)點(diǎn)來形成一條完整的路徑，從而將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是，只有形成一條完整路徑時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)被發(fā)送，當(dāng)數(shù)據(jù)在傳送的過程中，如果有突發(fā)情況，導(dǎo)致鏈路突然中斷，這時(shí)候就會(huì)引起數(shù)據(jù)丟失，使接收到的信息不完整。此外，當(dāng)在一片區(qū)域比較大，而無人機(jī)數(shù)量相對(duì)較少時(shí)，即區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布比較稀疏時(shí)，再加上無人機(jī)是高速動(dòng)態(tài)變化的，那么無人機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸過程中就很有可能發(fā)生鏈路中斷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。面對(duì)此種情況，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)就不太適用。

科羅拉多大學(xué)的Daniel Henkel教授針對(duì)無人機(jī)單鏈路中繼移動(dòng)模型以及無人機(jī)傳輸帶中繼移動(dòng)模型，推出了這兩種中繼移動(dòng)模型的端到端延時(shí)以及吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其單鏈路中繼模型如附圖1所示，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S，目的節(jié)點(diǎn)D以及UAV的通信半徑均是r，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)。當(dāng)UAV與源節(jié)點(diǎn)S，UAV與目的節(jié)點(diǎn)D以及UAV之間剛好在通信范圍時(shí)，開始傳輸數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，UAV靜止不動(dòng)，且數(shù)據(jù)傳輸速率R保持不變，當(dāng)UAV1接收完源節(jié)點(diǎn)S所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，UAV1開始以固定飛行速度v向UAV2方向飛行，當(dāng)飛到通信臨界點(diǎn)時(shí)UAV靜止不動(dòng)開始以固定數(shù)據(jù)傳輸速率R向UAV2傳輸數(shù)據(jù)，傳完后，UAV2再以固定飛行速度v向UAV3方向飛行，以此類推，最終將數(shù)據(jù)傳給目的節(jié)點(diǎn)D。在整個(gè)過程中，每架UAV傳輸完數(shù)據(jù)后，再以固定飛行速度v返回到之前的地點(diǎn)，即UAV1把數(shù)據(jù)全部傳給UAV2后，開始以速度v返回到源節(jié)點(diǎn)通信臨界點(diǎn)處再次接收數(shù)據(jù)，UAV2、UAV3以及UAVn以此類似。

無人機(jī)傳輸帶中繼移動(dòng)模型如附圖2所示，同樣假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離為L(zhǎng)，源節(jié)點(diǎn)S，目的節(jié)點(diǎn)D以及UAV的通信半徑均是r。當(dāng)UAV與源節(jié)點(diǎn)S在通信范圍臨界點(diǎn)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)開始向UAV以固定數(shù)據(jù)速率R發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸過程中UAV保持靜止不動(dòng)，UAV接受完數(shù)據(jù)后，開始以固定飛行速度v向目的節(jié)點(diǎn)D飛行，當(dāng)UAV飛行到目的節(jié)點(diǎn)D的通信臨界點(diǎn)時(shí)，保持靜止不動(dòng)，同時(shí)以固定傳輸速率向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸完數(shù)據(jù)后UAV再以飛行速度v返回至源節(jié)點(diǎn)通信臨界點(diǎn)處接受新的數(shù)據(jù)。在該模型中，每架UAV都以相同的方式來回返回傳輸數(shù)據(jù)，且每架UAV的飛行速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等都相同。

針對(duì)以上兩種模型，Daniel Henkel教授推出了這兩種中繼移動(dòng)模型的端到端延時(shí)以及吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過比較這兩種中繼移動(dòng)模型的時(shí)延長(zhǎng)短以及吞吐量的大小，可以選出這兩種中繼移動(dòng)模型中較優(yōu)的一種。該方法簡(jiǎn)單，容易理解，能精確得出中繼系統(tǒng)端到端延時(shí)以及吞吐量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以定量分析得出哪種中繼模型更優(yōu)，但也存在一些問題，其問題如下：

第一個(gè)問題是，以上分析的兩種中繼模型，都假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S與UAV之間的距離，UAV與UAV之間的距離以及UAV與目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離均大于2倍的通信半徑r，即源節(jié)點(diǎn)S與UAV之間，UAV與UAV之間，UAV與目的節(jié)點(diǎn)之間均不能直接通信，需要UAV飛行到通信范圍才可通信，這忽略它們相互之間可以直接通信的情況，分析不全面；第二個(gè)問題是，以上分析的兩種中繼模型，都假定UAV到達(dá)通信臨界點(diǎn)后就靜止不動(dòng)，然后以固定數(shù)據(jù)傳輸速率發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣做忽略了UAV數(shù)據(jù)傳輸速率隨通信距離的變化，通常情況下，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相距較近時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較快；而當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)UAV高速運(yùn)動(dòng)易引起鏈路中斷的問題，將UAV存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的原理應(yīng)用于UAV中繼移動(dòng)模型中；針對(duì)現(xiàn)有的UVA中繼移動(dòng)模型，本發(fā)明考慮了源節(jié)點(diǎn)S、UAV以及目的節(jié)點(diǎn)D，它們之間是否能直接通信的問題，同時(shí)也考慮了UAV數(shù)據(jù)傳輸速率隨移動(dòng)節(jié)點(diǎn)距離變化這一因素，提出了一種基于可變數(shù)據(jù)速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型的傳輸方法。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于可變數(shù)據(jù)速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型的數(shù)據(jù)傳輸方法，所述無人機(jī)UAV在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中具有存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力，所述無人機(jī)中繼移動(dòng)模型包括源節(jié)點(diǎn)S、目的節(jié)點(diǎn)D以及n架UVA，n≥2，在UAV數(shù)據(jù)傳輸速率變化的情況下，所述中繼移動(dòng)模型分為三種情況：任意兩節(jié)點(diǎn)間均不能直接通信、UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信、任意兩節(jié)點(diǎn)間均能直接通信；所述方法包括：當(dāng)UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離L大于兩倍的通信半徑r時(shí)，任意兩節(jié)點(diǎn)間均不能直接通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：

首先假設(shè)UAV1緩沖區(qū)為空，然后UAV1以速度v向源節(jié)點(diǎn)S方向飛行，當(dāng)飛行到d_S-UAV1＝2r處時(shí)，UAV1開始接收S發(fā)送的數(shù)據(jù)，并繼續(xù)朝S方向飛行，UAV1接收數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)據(jù)速率R一直在變；當(dāng)UAV1緩沖區(qū)加載的數(shù)據(jù)包大小為b/2時(shí)，UAV1開始改變飛行方向朝UAV2方向飛行，當(dāng)UAV1再次飛到d_S-UAV1＝2r處時(shí)，緩沖區(qū)被填滿，其中，b為緩沖區(qū)大小，d_S-UAV1為源節(jié)點(diǎn)S魚UVA1之間的距離；接著UAV1繼續(xù)朝UAV2方向飛行，當(dāng)UAV1返回到初始位置，即d_S-UAV1＝L/2n處時(shí)，UAV2也開始朝UAV1方向飛行，此時(shí)二者的相對(duì)速度為2v，當(dāng)二者飛行到相距為2r，即d_UAV-UAV＝2r時(shí)，UAV1開始向UAV2發(fā)送數(shù)據(jù)，待UAV2緩沖區(qū)加載的數(shù)據(jù)包大小為b/2時(shí)，二者開始同時(shí)改變飛行方向，朝相反方向飛行，當(dāng)二者再次飛行到相距為2r時(shí)，UAV1的緩沖區(qū)被清空，UAV2的緩沖區(qū)被填滿，即二者完成了數(shù)據(jù)交換；然后，二者繼續(xù)飛行到原始位置，此時(shí)，UAV1進(jìn)行以前類似的行為，朝S方向飛行，加載數(shù)據(jù)，UAV2則向UAV3方向飛行，其行為類似UAV1與UAV2之間的行為，完成二者之間的數(shù)據(jù)交換，以此類推，UAVn最后將數(shù)據(jù)傳輸給目的節(jié)點(diǎn)D，以此完成整個(gè)數(shù)據(jù)的交換。

進(jìn)一步地，當(dāng)2nr<L<4nr時(shí)，UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信，其數(shù)據(jù)傳輸過程與任意兩節(jié)點(diǎn)間均不能直接通信下的數(shù)據(jù)傳輸過程一樣，不同之處是，一開始UAV1與源節(jié)點(diǎn)S可直接通信，不需飛行，之后過程一樣。

進(jìn)一步地，當(dāng)L<2nr時(shí)，任意兩節(jié)點(diǎn)間均能直接通信，其數(shù)據(jù)傳輸過程與UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信下的數(shù)據(jù)傳輸過程一樣。

進(jìn)一步地，所述可變數(shù)據(jù)傳輸速率R為：

其中，R₀是在參考位置d₀處的信道帶寬。

附圖說明

圖1是無人機(jī)單鏈路中繼移動(dòng)模型示意圖；

圖2是無人機(jī)傳輸帶中繼移動(dòng)模型示意圖；

圖3是本發(fā)明的可變速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型(任意兩節(jié)點(diǎn)間不能直接通信)；

圖4是本發(fā)明的可變速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型(UAV1→S可直接通信，UAV→UAV不可直接通信)；

圖5是本發(fā)明的可變速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)模型(任意兩節(jié)點(diǎn)間均可直接通信)；

圖6是端到端延時(shí)與UAV數(shù)量n的關(guān)系；

圖7是吞吐量與UAV數(shù)量n的關(guān)系；

圖8是端到端延時(shí)與UAV飛行速度v的關(guān)系；

圖9是吞吐量與UAV飛行速度v的關(guān)系；

圖10是端到端延時(shí)與數(shù)據(jù)速率R的關(guān)系；

圖11是吞吐量與數(shù)據(jù)速率R的關(guān)系。

具體實(shí)施方案

下面通過具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明的UAV在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中具有存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力，即信息在被傳輸?shù)倪^程中，首先會(huì)被存儲(chǔ)在每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中，只有當(dāng)信息被確認(rèn)發(fā)送到下一節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)才會(huì)刪除數(shù)據(jù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)暫時(shí)找不到下一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)攜帶此信息，直到找到下一個(gè)可以傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給它，按此原理直到源數(shù)據(jù)被傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，這樣就避免了因鏈路中斷所造成的數(shù)據(jù)丟失。

之所以運(yùn)用UAV存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的原理，是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸原理，UAV存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)制可以保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中不會(huì)因?yàn)殒溌分袛喽鴮?dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，極大的提高了系統(tǒng)的誤碼率。比如，當(dāng)在一片區(qū)域比較大，而無人機(jī)數(shù)量相對(duì)較少的環(huán)境時(shí)，區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布就比較稀疏，再加上無人機(jī)是高速動(dòng)態(tài)變化的，因此無人機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸過程中就很有可能發(fā)生鏈路中斷，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，面對(duì)這種問題，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò))就無法解決，而UAV存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)制主要就是用于這種鏈路易發(fā)生中斷的情況。

在實(shí)際通信系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)通信體越靠近時(shí)，數(shù)據(jù)速率越快，相反，當(dāng)二者越遠(yuǎn)離時(shí)，數(shù)據(jù)速率越低。數(shù)據(jù)速率通常由信噪比SNR和信道決定。眾所周知的香農(nóng)定理，給出了信道最大信息傳送速率C的公式：

C＝Blog₂(1+SNR) (1)

式(1)中，B代表信道帶寬，根據(jù)不同的信道編碼，實(shí)際的數(shù)據(jù)速率可以非常接近這個(gè)理論最大值。在一個(gè)無線信道模型中，假設(shè)信噪比SNR與鏈路距離的關(guān)系為：將其代入式(1)中有：

式(2)中，k為常數(shù)，α為路徑損耗因子，其值通常在2和4之間。上述方程將離散的數(shù)據(jù)速率變成一個(gè)連續(xù)函數(shù)，從式(2)中可以看出，存在一個(gè)明顯的數(shù)據(jù)速率和距離之間的權(quán)衡。

本發(fā)明中，由于用到了DTN網(wǎng)絡(luò)，故UAV飛行的區(qū)域比較廣泛，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布相對(duì)比較稀疏，在此種情況下，SNR<<1，因此，最大信息傳送速率可用下式近似。

式(3)中R₀是在參考位置d₀處的信道帶寬。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，各節(jié)點(diǎn)的通信半徑為r，UAV飛行速度為v，UAV總數(shù)為n。固定數(shù)據(jù)速率下的UAV中繼移動(dòng)模型中，當(dāng)UAV到達(dá)通信臨界點(diǎn)時(shí)，就靜止不動(dòng)，以固定的數(shù)據(jù)傳輸速率R傳輸數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，我們假設(shè)UAV在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，仍然繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率R隨節(jié)點(diǎn)間的距離變化而變化。當(dāng)UAV與源節(jié)點(diǎn)S或者目的節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信時(shí)，只有UAV在運(yùn)動(dòng)，且飛行速度為v；而當(dāng)UAV之間進(jìn)行通信時(shí)，二者均在運(yùn)動(dòng)，這種情況就不容易分析，為了便于分析，本發(fā)明假設(shè)UAV之間進(jìn)行通信時(shí)，可以將其中一架UAV看成是靜止不動(dòng)的，而將另一架UAV看成是以2倍的飛行速度(2v)向靜止的UAV飛行。因此，UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間的相對(duì)速度為v，而UAV與UAV之間的相對(duì)速度為2v，進(jìn)而本發(fā)明假設(shè)UAV之間的距離d_UAV-UAV是UAV與源節(jié)點(diǎn)S(或目的節(jié)點(diǎn)D)之間距離d_S-UAV(或d_UAV-D)的兩倍，即d_UAV-UAV＝2d_S-UAV＝2d_UAV-D，因?yàn)橛衝架UAV，故有：

在UAV數(shù)據(jù)傳輸速率不變的情況下，單鏈路中繼移動(dòng)模型可分為中繼節(jié)點(diǎn)間可直接通信和不可直接通信兩種情況，同理，在UAV數(shù)據(jù)傳輸速率變化的情況下，單鏈路中繼移動(dòng)模型也可分為中繼節(jié)點(diǎn)間可直接通信和不可直接通信兩種情況，但由于各節(jié)點(diǎn)之間的距離不全相同，因此情況更為復(fù)雜一些。因?yàn)閐_UAV-UAV＝2d_S-UAV＝2d_UAV-D，故當(dāng)UAV之間能直接通信時(shí)，UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間也能通信；當(dāng)UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間不能通信時(shí)，UAV之間也不能直接通信；還有一種情況就是UAV之間不能直接通信而UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間能直接通信。綜上可知，在UAV數(shù)據(jù)傳輸速率變化的情況下，單鏈路中繼移動(dòng)模型又可分為三種情況。下面本發(fā)明將分別對(duì)這三種情況進(jìn)行詳細(xì)的分析。

任意兩節(jié)點(diǎn)間均不能直接通信

當(dāng)任意兩節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信時(shí)，有n≥2，即UAV與源節(jié)點(diǎn)S或目的節(jié)點(diǎn)D之間的距離L大于兩倍的通信半徑r，其模型如附圖3所示。

在此模型中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：首先假設(shè)UAV1緩沖區(qū)為空，然后以速度v向源節(jié)點(diǎn)S方向飛行，當(dāng)飛行到d_S-UAV1＝2r處時(shí)，UAV1開始接收S發(fā)送的數(shù)據(jù)，并繼續(xù)朝S方向飛行，UAV1接收數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)據(jù)速率R一直在變，其變化函數(shù)可用式(3)表示。當(dāng)UAV1緩沖區(qū)加載的數(shù)據(jù)包大小為b/2時(shí)，UAV1開始改變飛行方向朝UAV2方向飛行，當(dāng)UAV1再次飛到d_S-UAV1＝2r處時(shí)，它的緩沖區(qū)被填滿。

接著UAV1繼續(xù)朝UAV2方向飛行，當(dāng)UAV1返回到初始位置，即處時(shí)，UAV2也開始朝UAV1方向飛行，此時(shí)二者的相對(duì)速度為2v，當(dāng)二者飛行到相距為2r，即d_UAV-UAV＝2r時(shí)，UAV1開始向UAV2發(fā)送數(shù)據(jù)，待UAV2緩沖區(qū)加載的數(shù)據(jù)包大小為b/2時(shí)，二者開始同時(shí)改變飛行方向，朝相反方向飛行，當(dāng)二者再次飛行到相距為2r時(shí)，UAV1的緩沖區(qū)被清空，UAV2的緩沖區(qū)被填滿，即二者完成了數(shù)據(jù)交換。然后，二者繼續(xù)飛行到原始位置，此時(shí)，UAV1進(jìn)行以前類似的行為，朝S方向飛行，加載數(shù)據(jù)，UAV2則向UAV3方向飛行，其行為類似UAV1與UAV2之間的行為，完成二者之間的數(shù)據(jù)交換，以此類推，UAVn最后將數(shù)據(jù)傳輸給目的節(jié)點(diǎn)D，以此完成整個(gè)數(shù)據(jù)的交換。

當(dāng)一架UAV從距離某一節(jié)點(diǎn)y處，以速度v向其飛行了dy的距離時(shí)，它將接收數(shù)據(jù)包。因此UAV1從相距源節(jié)點(diǎn)2r處朝S(UAV1→S)飛行，當(dāng)它飛行到距離源節(jié)點(diǎn)x₀時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中，令d₀＝2r代入上式解得：

同理，當(dāng)UAV1與UAV2之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可看成UAV2不動(dòng)，UAV1以速度2v朝UAV2(UAV1→UAV2)飛行，其過程類似UAV1→S，只是速度不同。因此UAV1從d_UAV-UAV＝2r處朝UAV2飛行，當(dāng)它飛行到與UAV2的距離為x₁時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中R₁是在參考位置d₁處的信道帶寬，令d₁＝2r代入上式解得：

UAV數(shù)據(jù)速率固定的情況下，UAV在通信臨界點(diǎn)，即d＝2r時(shí)的數(shù)據(jù)速率為R，為了保持一致，本發(fā)明假設(shè)d＝2r時(shí)，R(2r)＝R，將d₀＝2r d₁＝2r分別代入式(3)中可得R₀＝R₁＝R，為了更好的觀察時(shí)延和吞吐量的變化情況，本發(fā)明假設(shè)α＝2，將其分別帶入式(4)、(5)可得：

在該模型中，UAV傳輸數(shù)據(jù)的過程中也在飛行，故UAV加載數(shù)據(jù)的時(shí)間也就是相應(yīng)的飛行時(shí)間。因此，t_cycle包括UAV1→S的來回飛行時(shí)間，以及UAV1→UAV2的來回飛行時(shí)間，其表達(dá)式如下：

故吞吐量為：

式中的x₀、x₁分別為式(6)、(7)。

UAV將源節(jié)點(diǎn)S的信息傳到目的節(jié)點(diǎn)D所用時(shí)間為n架UAV來回飛行所用的時(shí)間，因?yàn)閁AV1與S之間的通信過程，與UAVn與目的節(jié)點(diǎn)D之間的通信過程相似，故可看成兩倍的UAV1→S所用時(shí)間，又UAV之間的通信過程均相似，故n架UAV之間的通信時(shí)間等于(n-1)倍的UAV1→UAV2所用時(shí)間。其端到端時(shí)延表達(dá)式如下：

式中的x₀、x₁分別為式(6)、(7)。

UAV1→S可直接通信，UAV→UAV不可直接通信

當(dāng)即2nr<L<4nr，n≥2時(shí)，UAV1→S可直接通信，UAV→UAV不可直接通信，其模型如附圖4所示。

該模型的數(shù)據(jù)傳輸過程與附圖3模型下的數(shù)據(jù)傳輸過程一樣，不同之處是，一開始UAV1與源節(jié)點(diǎn)S可直接通信，不需飛行，之后過程一樣。因此，UAV1從相距源節(jié)點(diǎn)處朝S(UAV1→S)飛行，當(dāng)它飛行到距離源節(jié)點(diǎn)x₂時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中，R₂是在參考位置d₂處的信道帶寬，令代入上式解得：

UAV1從d_UAV-UAV＝2r處朝UAV2飛行，當(dāng)它飛行到與UAV2的距離為x₃時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中R₃是在參考位置d₃處的信道帶寬，令d₃＝2r代入上式解得：

因?yàn)閐＝2r時(shí)，R(2r)＝R，將d₃＝2_r分別代入式(3)中可得R₃＝R，為了更好的觀察時(shí)延和吞吐量的變化情況，本發(fā)明假設(shè)α＝2，將其分別帶入式(11)、(12)可得：

故吞吐量為：

式中的x₂、x₃分別為式(13)、(14)。

端到端延時(shí)為：

式中的x₂、x₃分別為式(13)、(14)。

任意兩節(jié)點(diǎn)間均可直接通信

當(dāng)即L<2nr，n≥2時(shí)，任意兩節(jié)點(diǎn)間均可直接通信，其模型如附圖5所示。該模型的數(shù)據(jù)傳輸過程與附圖4模型下的數(shù)據(jù)傳輸過程一樣。因此，UAV1從相距源節(jié)點(diǎn)處朝S(UAV1→S)飛行，當(dāng)它飛行到距離源節(jié)點(diǎn)x₄時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中，R₄是在參考位置d₄處的信道帶寬，令代入上式解得：

UAV1從處朝UAV2飛行，當(dāng)它飛行到與UAV2的距離為x₅時(shí)，它加載的數(shù)據(jù)包為：

上式中，R₅是在參考位置d₅處的信道帶寬，令代入上式解得：

因?yàn)閐＝2r時(shí)，R(2r)＝R，將分別代入式(3)中可得為了更好的觀察時(shí)延和吞吐量的變化情況，本發(fā)明假設(shè)α＝2，將其分別帶入式(18)、(19)可得：

故吞吐量為：

式中的x₄、x₅分別為式(20)、(21)。

端到端延時(shí)為：

式中的x₄、x₅分別為式(20)、(21)。

[仿真分析]

從以上的分析可知，本發(fā)明針對(duì)單鏈路中繼移動(dòng)模型分析了可變數(shù)據(jù)速率下的端到端時(shí)延和吞吐量，可變數(shù)據(jù)速率可分為三種情況，其分組依據(jù)是節(jié)點(diǎn)間是否可直接通信。從其推出的表達(dá)式可知，在可變數(shù)據(jù)速率下，三種情況的端到端延時(shí)和吞吐量表達(dá)式均相似，只是x_i(i＝0,1,2,3,4,5)的表達(dá)式以及距離L的取值范圍不同?？紤]到實(shí)際情況，本發(fā)明將對(duì)單鏈路中繼移動(dòng)模型中，L>4nr，n≥2情況下的端到端延時(shí)和吞吐量，以及傳輸帶中繼移動(dòng)模型中的端到端延時(shí)和吞吐量進(jìn)行仿真，并分析比較得出不同情況下最優(yōu)的中繼模型。其他情況下的分析方法以此類型。

本發(fā)明將分別以UAV數(shù)量n、數(shù)據(jù)速率R、UAV飛行速度v為變量進(jìn)行仿真分析，首先以UAV數(shù)量n為變量進(jìn)行仿真。

UAV數(shù)量n為變量

因?yàn)長(zhǎng)>4nr，n≥2，所以假設(shè)L＝20Km，r＝500m,2≤n≤10，數(shù)據(jù)包大小b＝1Gb，數(shù)據(jù)速率R＝128M/s，UAV飛行速度v＝100m/s，在MATLAB中進(jìn)行仿真可得出端到端延時(shí)與UAV數(shù)量的關(guān)系圖，如附圖6所示。

附圖6中，delay1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay3為傳輸帶模型下的延時(shí)，從圖中可以看出：隨著UAV數(shù)量n的增加，端到端延時(shí)逐漸減小，且始終有delay1<delay2<delay3，此外，隨著UAV數(shù)量n的增加，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型下的延時(shí)減少的越多。這說明三種情況下，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型最優(yōu)，其次為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型，傳輸帶中繼移動(dòng)模型最差，且隨著UAV數(shù)量n的增加，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型的優(yōu)越性越來越明顯。

吞吐量與UAV數(shù)量的關(guān)系如附圖7所示。附圖7中，T1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T3為傳輸帶模型下的吞吐量，從圖中可以看出：隨著UAV數(shù)量n的增加，吞吐量逐漸增大，且始終有T1≥T2≥T3，此外，隨著UAV數(shù)量n的增加，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型下的吞吐量增加的越多。這也說明三種情況下，單鏈路可變速率模型最優(yōu)，其次為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型，傳輸帶中繼移動(dòng)模型最差，且隨著UAV數(shù)量n的增加，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型的優(yōu)越性越來越明顯。

UAV飛行速度v為變量

假設(shè)L＝20Km，r＝500m,n＝5，數(shù)據(jù)包大小b＝1Gb，數(shù)據(jù)速率R＝128M/s，在MATLAB中進(jìn)行仿真得出端到端延時(shí)與UAV飛行速度的關(guān)系圖，如附圖8所示。附圖8中，delay1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay3為傳輸帶模型下的延時(shí)，從圖中可以看出：隨著UAV飛行速度v的增加，端到端延時(shí)逐漸減小，其中delay1始終小于delay2和delay3。當(dāng)v<125m/s時(shí)，delay2<delay3；當(dāng)v＝125m/s時(shí)，delay2＝delay3；當(dāng)v>125m/s時(shí)，delay2>delay3。這說明，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型最優(yōu)，而當(dāng)v<125m/s時(shí)，單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型優(yōu)于傳輸帶中繼移動(dòng)模型；當(dāng)v＝125m/s時(shí)，二者相同；當(dāng)v>125m/s時(shí)，傳輸帶中繼移動(dòng)模型優(yōu)于單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型。

吞吐量與UAV飛行速度的關(guān)系如附圖9所示。附圖9中T1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T3為傳輸帶模型下的吞吐量，從圖中可以看出：隨著UAV飛行速度v的增加，吞吐量逐漸增大，其中T1始終大于T2和T3。當(dāng)v<125m/s時(shí)，T2>T3；當(dāng)v＝125m/s時(shí)，T2＝T3；當(dāng)v>125m/s時(shí)，T2<T3。由此，可得出與附圖8相同的結(jié)論。

數(shù)據(jù)速率R為變量

假設(shè)L＝20Km，r＝500m,n＝5，數(shù)據(jù)包大小b＝1Gb，UAV飛行速度v＝100m/s，在MATLAB中進(jìn)行仿真得出端到端延時(shí)與數(shù)據(jù)速率R的關(guān)系，如附圖10所示。附圖10中delay1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的延時(shí)，delay3為傳輸帶模型下的延時(shí)，從圖中可以看出：隨著數(shù)據(jù)速率R的增加，端到端延時(shí)逐漸減小，其中delay1始終小于delay2和delay3。當(dāng)R<103M/s時(shí)，delay2>delay3；當(dāng)R＝103M/s時(shí)，delay2＝delay3；當(dāng)R>103M/s時(shí)，delay2<delay3。這說明，單鏈路可變數(shù)據(jù)速率模型最優(yōu)，而當(dāng)R<103M/s時(shí)，傳輸帶中繼移動(dòng)模型優(yōu)于單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型；當(dāng)R＝103M/s時(shí)，二者相同；當(dāng)R>103M/s時(shí)，單鏈路固定數(shù)據(jù)速率模型優(yōu)于傳輸帶中繼移動(dòng)模型。

吞吐量與數(shù)據(jù)速率R的關(guān)系如附圖11所示，附圖11中T1為單鏈路可變數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T2為單鏈路固定數(shù)據(jù)速率下的吞吐量，T3為傳輸帶模型下的吞吐量，從圖中可以看出：隨著數(shù)據(jù)速率R的增加，吞吐量逐漸增大，其中T1始終大于T2和T3。當(dāng)R<103M/s時(shí)，T2<T3；當(dāng)R＝103M/s時(shí)，T2＝T3；當(dāng)R>103M/s時(shí)，T2>T3。由此，可得出與附圖10相同的結(jié)論。

綜上所述，我們可以得知：與固定數(shù)據(jù)速率下的中繼移動(dòng)模型相比，可變數(shù)據(jù)速率中繼移動(dòng)模型的端到端延時(shí)較小，吞吐量較大，故優(yōu)先選擇可變數(shù)據(jù)速率下的中繼移動(dòng)模型；對(duì)于固定數(shù)據(jù)速率下的中繼移動(dòng)模型，當(dāng)UAV飛行速度v相對(duì)較大(如v>125m/s)時(shí)，選擇傳輸帶中繼移動(dòng)模型；當(dāng)UAV飛行速度v相對(duì)較小(如v<125m/s)時(shí)，選擇單鏈路中繼移動(dòng)模型；當(dāng)數(shù)據(jù)速率R相對(duì)較大(如R>103M/s)時(shí)，選擇單鏈路中繼移動(dòng)模型；當(dāng)數(shù)據(jù)速率R相對(duì)較小(如R<103M/s)時(shí)，選擇傳輸帶中繼移動(dòng)模型。

綜上所述，本發(fā)明主要分析了于可變數(shù)據(jù)速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)新模型，通過分析比較不同中繼移動(dòng)模型的端到端延時(shí)和吞吐量，從選取眾多模型中得出本發(fā)明的可變數(shù)據(jù)速率的無人機(jī)中繼移動(dòng)新模型是最優(yōu)的。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。