基于無人機的無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集研究

關鍵詞：無人機；無線傳感器網絡；數(shù)據(jù)采集；優(yōu)化需求

中圖法分類號：TP212 文獻標識碼：A

無人機在無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集中的應用越來越普遍，如基于無人機的通信中繼、航拍、表演等。在部分特殊條件下，地面無線傳感器網絡無法實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸時，便需要采用無人機作為收集段的搭載平臺對無線傳感器網絡數(shù)據(jù)進行采集。在采集過程中數(shù)據(jù)采集的完整性、采集效率取決于無人機飛行軌跡的優(yōu)化，本文以此為重點對其優(yōu)化方式進行系統(tǒng)探討。

1無人機無線傳輸網絡數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

當前，針對無人機集體通信網絡的建立以及數(shù)據(jù)采集體系并不是一個全新的命題，在實踐中往往通過專用接收帶寬予以解決。其主要應用現(xiàn)狀以及面臨的客觀挑戰(zhàn)主要如下。

1.1基于通信資源管理的采集體系建設現(xiàn)狀

在無人機的運行中，會有專門的接收帶寬與具體的接收單元相對應。在實際操作中，對感應器進行的數(shù)據(jù)收集有一個具體的時限，所以它的帶寬和空間的資源有限，而它的存儲能力也有一個標準的標稱能力，這就為統(tǒng)籌規(guī)劃專用帶寬提供了可能。由于網絡空間的巨大拓展性，以及無人機在執(zhí)行無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集中所要面對的至少數(shù)千個不同的傳感器規(guī)模，在網絡數(shù)據(jù)收集過程中存在大量的信息資源，進而要求無人機的通信模塊與通信效能得到進一步的提升。因此，必須進一步完善傳感器網絡與無人機所搭載的接收裝置之間的網絡資源，使其能夠在有效的時間內（無人機過頂時間）完成相關作業(yè)。當前的解決方案是采用一種高效的媒介存取控制機制，可以有效地對網絡中的各種資源進行管理與壓縮，在源頭上降低不同傳感器之間的通信需求，并解決不同傳感器的傳輸矛盾，達到節(jié)約能源、增加使用壽命、擴大應用領域的根本目的。根據(jù)無人機無線傳感網絡的特點，不同的信號強度對不同類型的感應器存在敏感的相關性，進而可以以此作為分類依據(jù)，在對其進行不同分類的基礎上，構建一整套有效的分類算法，使得具有較高優(yōu)先權的傳感器信息能夠被更好的采集，這既能降低和避免信息資源的損失，又能降低和避免在通信線路上發(fā)生的信息包損失。這一思路是當前解決無人機無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集的核心，也是本文后續(xù)優(yōu)化的重要基礎。

1.2無人機在無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集中面臨的挑戰(zhàn)

利用無人機對無線傳感器網絡數(shù)據(jù)進行采集的本質是利用無人機作為接收源的搭載平臺，在高空過頂飛行的過程中建立與傳感器網絡之間的通信連接，并通過信息存儲或實時回傳等方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。從上述過程來看，其面臨的挑戰(zhàn)主要有如下2個方面。

（1）可行性問題。即無人機過頂時間有限，且面對的傳感器網絡中的數(shù)據(jù)傳輸要求較高，如何在有限的時間內完成對無線傳感器信息的收集，并避免遺漏與信息傳輸沖突。由于采用了基于循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)先權來進行傳感序列的調度，而沒有按照各傳感器的通道和數(shù)據(jù)的數(shù)量來進行分布，因此無法確保其傳送的完整性。在收集任務時，它會在一定距離內執(zhí)行任務，會無視傳感器的信息傳遞，也會切斷和接收設備之間的聯(lián)系，這種方式無法保證在一定距離內進行信息傳輸。所以，在無人機的無線傳感系統(tǒng)中，還必須設計一個更為嚴謹、有效的通信信號來源的控制策略，從而建立起一座由無人機和感測器組成的信息傳遞的橋梁。

（2）效能問題。在進行單一的資源調度時，均勻地運行會導致資源的消耗。現(xiàn)有的聯(lián)合調度系統(tǒng)和無人機的移動方式可以達到節(jié)約能源的目的，但由于當前的解決方案存在著傳感器數(shù)目和數(shù)據(jù)傳送的局限性，而且在傳感器數(shù)目和空間密度大的條件下，其數(shù)據(jù)的獲取并不令人滿意。結合具體的應用場合，可以通過無人機獲得其歷史資料的方式在一定程度上進行解決，并通過對所收集到的傳感器采用數(shù)量預報的方式進行提前的路徑規(guī)劃。但是，此方式僅能夠解決固定傳感器網絡數(shù)據(jù)的采集問題，對于突發(fā)事件（如傳感器網絡的意外掉網）缺少有效的解決手段。

2無人機無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)化需求結合當前技術的應用現(xiàn)狀以及在無人機參與無線傳輸傳感器網絡數(shù)據(jù)采集中可能面對的挑戰(zhàn)，在實際的路徑優(yōu)化上需要解決如下幾方面問題，也是無人機通信規(guī)劃中優(yōu)化的基本原則與方向。

2.1能耗平衡問題

由于無線傳感網絡本身能量消耗在整個系統(tǒng)中的占比相對較高，雖然主管部門加大了對網絡的管理力度，但若網絡能量消耗存在不平衡的情況，依然會導致信號傳輸頻率不穩(wěn)定。尤其是在一個分布的集群中，由于簇頭需要更多的能源，因此傳感器網絡自身必須兼顧負荷平衡。只有當其實現(xiàn)了負載平衡，無人機的通信節(jié)點與距離才能夠被控制在一個穩(wěn)定的區(qū)間，并基于有效的距離覆蓋對其路徑與覆蓋方式、傳輸方式進行研判和優(yōu)化。

2.2能耗節(jié)約問題

能耗的高低決定了無人機的空置時間，也決定了無人機在單次飛行過程中能夠覆蓋的收集面積。因此，在保障數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)的基礎上，需要盡可能地對能耗進行有效的管控，進而達到節(jié)約能源的目的。節(jié)省能量在無線傳感器網絡的資料收集方面具有積極意義。雖然lC與微型計算機技術的發(fā)展在降低能量損耗方面具有一定的突破，但是其內部網絡中的存儲容量總是有限制的，進而在進行內部網絡資料的處理與傳送時，會造成能量損耗，這一過程無法得到有效避免。由于網絡中的能源并不是可回收的能源，也并非需要無人機的參與，在每個節(jié)點以及節(jié)點之間的總能源消耗都會對整個無線傳感器網絡數(shù)據(jù)的活躍生命周期產生很大影響。因此，可以考慮將節(jié)點之間的傳輸在傳感器設計過程中進行規(guī)劃，以達到消減無人機能耗的根本目的。

2.3交互數(shù)據(jù)收集問題

無人機無線傳感器矩陣之間的信息交互可以簡單看作是“三射三反”的過程。首先，無人機的接受平臺會進入通信范圍內向傳感器網絡提請連接申請，傳感器網絡響應申請后會建立二者之間的聯(lián)系通路。通路建設完畢后，傳感器網絡會在檢測傳輸路徑穩(wěn)定性的基礎上，進行數(shù)據(jù)的傳輸，無人機的采集設備同時做好數(shù)據(jù)的存儲。當傳輸完畢后，無人機返回接收指令并對數(shù)據(jù)包的完整性進行認證，認證后對傳輸路徑實現(xiàn)斷開操作。在某些情況下，僅限于某個地區(qū)某個固定的傳感器收集到的數(shù)據(jù)，并非集中在各個節(jié)點上。因此，數(shù)據(jù)接收端不需要在同一時間啟動各個傳感器的節(jié)點，從而進入一種有效的睡眠模式，節(jié)省接收平臺的能量消耗。通常這種睡眠機理的設計控制有路徑控制和網絡控制2個層次，其中路徑控制僅作用于接收端，而網絡控制則需要與傳感器網絡的信息傳輸節(jié)點發(fā)生二次的數(shù)據(jù)交互。

3能耗與傳輸速率下無人機無線傳感器數(shù)據(jù)采集策略優(yōu)化

從上文不難發(fā)現(xiàn)，無人機無線傳感器數(shù)據(jù)采集在路徑規(guī)劃以及傳感器自身的節(jié)點傳輸模式下可以實現(xiàn)能耗與傳輸速率2個維度上的有效優(yōu)化。具體包括對傳輸節(jié)點以及對無人機運行軌跡優(yōu)化2個方面。

3.1對傳輸節(jié)點的優(yōu)化

傳輸節(jié)點優(yōu)化的核心目的是通過在無線傳感器網絡中構建節(jié)點與節(jié)點之間的通信，進而在一定范圍內通過地面的固定傳輸將不同節(jié)點之間的傳感器數(shù)據(jù)進行有效匯總，再通過固定節(jié)點與無人機上的數(shù)據(jù)采集端建立通信網絡，以達到降低無人機負載與能耗的目的（圖1）。

3.2對無人機軌跡的優(yōu)化

無人機軌跡包括能耗參數(shù)與速度參數(shù)2種，二者共同決定了無人機數(shù)據(jù)采集端的覆蓋面積與通信時長。因此，在具體的優(yōu)化過程中也需要通過上述2個過程來予以實現(xiàn)。

在軌跡方面，根據(jù)對圖1中無人機和無線傳感網絡的分析可以看出，該系統(tǒng)是一種能夠在運動時，在一定的軌跡上，對傳感器的數(shù)據(jù)進行記錄和收集的有效鏈接方式。為了更好地收集和儲存數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)收集時，無人駕駛的飛行器配備了足夠的電力和儲存能力。對其路徑模型進行簡化，可以認為在通道的兩邊有N個均勻的傳感器（這一過程由傳輸節(jié)點優(yōu)化完成），這些傳感器大部分都處于睡眠中，以減少能量消耗。在無人機的航行中，通常會受到道路、地形等影響，需要通過隨時調整飛行高度和速度來實現(xiàn)有效的網絡建立。對L線路兩邊的傳感器進行數(shù)據(jù)收集，并對該飛行器的飛行軌跡進行假定驗證，其中驗證的理論總行程設置為L。另外，H表示為防止發(fā)生沖突而設置的最小的飛機高度參數(shù)。二者之間符合的模型公式的相關關系為：

當無人機在空中運行時，它的最優(yōu)網絡數(shù)據(jù)收集時間是M。通過對傳感器的數(shù)據(jù)進行分析，可以大幅提高采集的效率和精度，節(jié)省大量的能耗和時間，為整個該系統(tǒng)的總體能耗降低帶來巨大貢獻。基于此，無人機的3D軌道則是在不受城市建筑干擾的情況下，根據(jù)自身的變化，實現(xiàn)對建筑的自適應，達到減少通信鏈路重連次數(shù)，以及減少能源消耗的根本目的。除此之外，無人機還能通過對錯綜復雜的線路進行解析，并依據(jù)傳感器的定位，做出科學、合理的軌道計劃。在式（1）模型下，將無人機通過單位節(jié)點時隙的變量t以及傳感器到無人機之間的信號損耗自由度n之間的變量關系可以描述為式2。對式2的最小值進行求解可以實現(xiàn)在固定飛行最低高度情況下的無人機路徑的最優(yōu)解。

在速度方面，無人機的飛行速度決定了數(shù)據(jù)采集端與傳輸節(jié)點之間建立網絡的最長時間，因此在固定的路徑需要對無人機飛行數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。優(yōu)化的思路遵循2個原則，其一，在建立通信網絡后以數(shù)據(jù)傳輸完整性作為時間的控制要素；其二，在未建立數(shù)據(jù)連接時，則以無人機的最小能耗作為飛行數(shù)據(jù)的依據(jù)。以單傳感器為例，當無人機處于數(shù)據(jù)傳輸間隔且間隔固定，速度與能耗模型可以整合為：

對式（3）進行求解后，可以分別得出dn與tm之間的相關關系，將其擬合為無人機飛行過程中的x與y軸坐標，考慮傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸效能，無人機在建立數(shù)據(jù)收集網絡后的速度為：

其中，V表示網絡建立內的最優(yōu)速度，x表示數(shù)據(jù)傳輸所需要的最大距離空間，R代表數(shù)據(jù)接收裝置的網絡連接有效半徑。在實踐中，根據(jù)不同設備參數(shù)將相關數(shù)值帶人其中便可以實現(xiàn)對最優(yōu)速度的求解，與式3中確定的模型相結合可以求解無人機在數(shù)據(jù)收集全過程中不同節(jié)點的最優(yōu)速度，以10%進行速度降低可以保障數(shù)據(jù)傳輸具有一定的冗余，并在路徑與速度規(guī)劃上實現(xiàn)有效的自動化控制。

4結束語

本文首先分析了利用無人機進行無線傳感器網絡數(shù)據(jù)采集技術應用的現(xiàn)狀，并找到其中的難點與可能面對的挑戰(zhàn)；其次，從采集效率的角度分析，針對無人機的優(yōu)化需要將能耗降到最低，進而保障其置空時間，以及保障其傳輸效率最高進而實現(xiàn)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；最后，分別從無線傳感器網絡節(jié)點優(yōu)化、無人機軌跡及速度優(yōu)化3個方面給出了優(yōu)化模型。在后續(xù)的應用中帶入相關設備參數(shù)便可以對無人機的具體飛行路徑進行求解，實現(xiàn)提升數(shù)據(jù)采集效能的目的。

作者簡介：

孔強（1974—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程。