基于加權(quán)處理的無人機(jī)群數(shù)傳性能綜合評(píng)價(jià)方法

關(guān)鍵詞：無人機(jī)群；數(shù)傳方案；性能評(píng)估；加權(quán)處理

中圖分類號(hào)：ＴＮ９２９．５３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１-５０６Ｘ．２０２４．１２．３４

０引言

無人機(jī)（ｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）作為一種空中作戰(zhàn)平臺(tái)，在軍用與民用領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用［１］，如交通監(jiān)控、森林防火、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等，其中偵察與監(jiān)視是ＵＡＶ 的重要應(yīng)用之一。多架ＵＡＶ 組成集群能夠顯著提高ＵＡＶ的偵察效率，是偵察型ＵＡＶ 的主要作業(yè)形式［２］。隨著新型傳感器的應(yīng)用，偵察型ＵＡＶ 獲取的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息類型多樣且數(shù)據(jù)量急劇增加，而由于情報(bào)信息的類型不同，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫?cè)重點(diǎn)有所差異。如何將具有不同傳輸需求的ＵＡＶ 偵察數(shù)據(jù)快速、可靠且安全地回傳至指揮中心是偵察型ＵＡＶ 群的主要任務(wù)之一。

偵察型ＵＡＶ 群攜帶的有效載荷一般包括測(cè)量和特征情報(bào)［３］、圖像情報(bào)［４］、信號(hào)情報(bào)［５］等，不同類型信號(hào)的傳輸需求不同。對(duì)于測(cè)量和特征情報(bào)等重要情報(bào)信息而言，探測(cè)和目標(biāo)識(shí)別能力的提升主要依賴于特征情報(bào)信息的準(zhǔn)確性，因此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枨蟾撸郏叮荨?duì)于圖像情報(bào)等常規(guī)偵察信息而言，其海量多媒體數(shù)據(jù)回傳依賴于更高的傳輸速率，因此對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行砸蟾撸郏罚荨?duì)于信號(hào)情報(bào)等易受到干擾的情報(bào)信息而言，解決信號(hào)情報(bào)傳輸問題的關(guān)鍵在于降低信號(hào)在電磁干擾下的脆弱性，因此對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_需求更高［８］。由此可見，偵察型ＵＡＶ 在執(zhí)行任務(wù)的過程中獲取的情報(bào)信息類型不同，不同類型信息須采用不同體制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此其傳輸需求與側(cè)重性指標(biāo)存在差異。

為了設(shè)計(jì)和選擇適合不同類型信息的最佳傳輸體制，選擇ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸傳技術(shù)的評(píng)價(jià)方法是設(shè)計(jì)和分析數(shù)據(jù)傳輸性能的必要手段，優(yōu)秀的評(píng)價(jià)方法應(yīng)具有客觀性、準(zhǔn)確性、全面性的特點(diǎn)［９］。由于情報(bào)信息類型不同，偵察型ＵＡＶ 群的情報(bào)信息不僅存在不同的側(cè)重性指標(biāo)，并且在實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景的差異，同時(shí)需要兼顧其他的性能指標(biāo)。例如，對(duì)于測(cè)量與情報(bào)信息而言，其信息傳輸?shù)膫?cè)重性指標(biāo)為可靠性，但在信道條件較好的情況下，須在保證可靠性的前提下兼顧信息傳輸效率，即側(cè)重可靠性并兼顧有效性。對(duì)于其他類型的情報(bào)信息，同樣存在側(cè)重性指標(biāo)與兼顧性指標(biāo)。目前，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的評(píng)價(jià)方式多為對(duì)單一指標(biāo)的評(píng)價(jià)，缺乏綜合性的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸體制的評(píng)價(jià)而言，僅討論某一指標(biāo)的提升不具有全面性和客觀性，并且由于ＵＡＶ 的機(jī)載資源有限［１０］，某一指標(biāo)的提升必然對(duì)其他指標(biāo)的性能產(chǎn)生影響。為了更加直接且全面地對(duì)數(shù)據(jù)傳輸體制進(jìn)行評(píng)價(jià)并采用適合ＵＡＶ 需求的傳輸方案，綜合性的評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。

加權(quán)式的線性評(píng)價(jià)方法目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域成為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式。文獻(xiàn)［１１］采用線性加權(quán)評(píng)價(jià)模型對(duì)艦載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性進(jìn)行分析，對(duì)覆蓋面積、船載天線阻塞、傳輸延時(shí)、傳輸速率、通信容量等指標(biāo)通過加權(quán)計(jì)算得出艦船衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有效性性能。文獻(xiàn)［１２］對(duì)采集成功率和登錄次數(shù)通過熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重分配，并在進(jìn)行線性計(jì)算后獲得不同區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度，通過評(píng)估結(jié)果進(jìn)一步完善電網(wǎng)系統(tǒng)終端信號(hào)的采集工作。文獻(xiàn)［１３］通過對(duì)增益、副瓣點(diǎn)評(píng)、波束寬度、波束指標(biāo)等進(jìn)行線性加權(quán)，通過理論分析比較不同環(huán)境下各指標(biāo)的重要程度，分配不同的權(quán)重，以得到此時(shí)艦載雷達(dá)的受干擾程度。文獻(xiàn)［１４］采用灰色層次法對(duì)通信延遲、抗干擾能力、通信時(shí)延等指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行量化，通過加權(quán)評(píng)價(jià)在一定程度上解決平流層通信指標(biāo)不全的問題，得到更加客觀的有效性性能。文獻(xiàn)［１５］針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)效率評(píng)價(jià)問題，對(duì)損失率、功率變化率、頻帶利用率等指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，采用基于反饋的層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，使評(píng)價(jià)結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性和客觀性。文獻(xiàn)［１６］建立目標(biāo)規(guī)劃模型，得到方案的近似優(yōu)先級(jí)權(quán)重，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化，包括覆蓋、服務(wù)質(zhì)量、適應(yīng)性、中斷性能等方面，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果從有限的備選方案中選擇最佳方案。

綜上所述，線性加權(quán)的評(píng)價(jià)方式已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、平流層通信、艦載雷達(dá)、電網(wǎng)、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)中，并被認(rèn)為是更加客觀的評(píng)價(jià)方法。而目前ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的現(xiàn)有評(píng)價(jià)方式更加關(guān)注于單一指標(biāo)的提升，但由于機(jī)載資源有限且指標(biāo)之間存在矛盾性，單一討論某項(xiàng)指標(biāo)的提升不足以反映ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制的真實(shí)工作狀態(tài)，如何取得各項(xiàng)性能的折中一直是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要考慮之一。根據(jù)不同信息特性及需求分配權(quán)重，將權(quán)重與各項(xiàng)得分相乘并逐項(xiàng)相加得到總分，是一種更加全面和客觀的評(píng)價(jià)方法。對(duì)于通信系統(tǒng)而言，如何取得多項(xiàng)指標(biāo)的折中是多數(shù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的重要問題。對(duì)于ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案而言，不同類型信息涉及的主要指標(biāo)種類相同，即可靠性、有效性及抗干擾性，但側(cè)重指標(biāo)有所差異，因此加權(quán)式的評(píng)價(jià)方法能夠擴(kuò)展至ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌瑘?chǎng)景中。本文提出的權(quán)值分配方案對(duì)數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，不僅解決了現(xiàn)有方案僅關(guān)注單一指標(biāo)提升的劣勢(shì)，取得更加直觀的綜合得分結(jié)果，并且通過改變權(quán)重的相對(duì)大小推廣至不同應(yīng)用場(chǎng)景，豐富ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制的評(píng)價(jià)方法，為數(shù)據(jù)傳輸體制的優(yōu)化和升級(jí)提供有效思路。

１主要指標(biāo)

快速、可靠、安全是ＵＡＶ群數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的主要需求，本文根據(jù)情報(bào)信息特性和傳輸需求的不同，通過不同側(cè)重性指標(biāo)的針對(duì)性牽引，可靠性主要涉及信道編碼和調(diào)制技術(shù)，有效性主要涉及網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，抗干擾性主要涉及擴(kuò)頻技術(shù)；圍繞編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻、預(yù)處理等關(guān)鍵模塊，通過對(duì)不同模塊進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)或模塊間的聯(lián)合設(shè)計(jì)，達(dá)到不同情報(bào)信息的不同需求；信源產(chǎn)生的比特信息經(jīng)過編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻及網(wǎng)絡(luò)編碼后，發(fā)送至衛(wèi)星中繼，中繼將信息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)；目的節(jié)點(diǎn)通過信號(hào)檢測(cè)、解擴(kuò)、解調(diào)及譯碼恢復(fù)出比特信息。

本文所提評(píng)估方法主要從可靠性、有效性和抗干擾性３個(gè)方面來評(píng)估ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的性能，并分別采用不同指標(biāo)來反映性能，不同類型情報(bào)信息的側(cè)重性指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法如圖１所示，具體指標(biāo)介紹如下。

為將其數(shù)字化，將可靠性、有效性及抗干擾性的權(quán)重分別設(shè)置為０．１、０．１及０．８，通過將各項(xiàng)性能的評(píng)估分?jǐn)?shù)與權(quán)重系數(shù)相乘，最終相加得到總得分，評(píng)估分?jǐn)?shù)如表５ 所示。可以看出，對(duì)于基于認(rèn)知跳頻的信息傳輸方案，針對(duì)典型壓制式干擾的可靠性測(cè)定結(jié)果為０．９２，得分為正值，代表相比于參考方案，認(rèn)知跳頻策略的可靠性取得了提升。由于認(rèn)知跳頻策略能夠主動(dòng)避開干擾，其信息傳輸受到干擾的影響變小，所以可靠性取得了改善。有效性測(cè)定結(jié)果為－０．０１，得分為負(fù)值，代表相比于參考方案，基于認(rèn)知跳頻的信息傳輸方案的有效性降低，這是由于干擾檢測(cè)以及更新頻率集會(huì)占用額外的時(shí)隙，導(dǎo)致每時(shí)隙攜帶的信息量變小，所以有效性降低。抗干擾性測(cè)定結(jié)果為０．３２，得分為正值，代表相比于參考方案，認(rèn)知跳頻策略取得了抗干擾性的提升，由于基于ＣＦＨ 的信息傳輸方案能夠主動(dòng)檢測(cè)并避開干擾，受到干擾的影響變小，抗干擾性取得了提升。如上所述，文獻(xiàn)［２１］中提出的認(rèn)知跳頻方案以犧牲一部分有效性為代價(jià)，取得可靠性和抗干擾性的改善，滿足情報(bào)信號(hào)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的信息傳輸主要需求，采用加權(quán)式的評(píng)估方式可以使該方案的各項(xiàng)指標(biāo)更加直接和具體。

測(cè)量與特征情報(bào)、圖像情報(bào)以及信號(hào)情報(bào)的數(shù)據(jù)傳輸體制的參考方案及傳輸方案的性能對(duì)比如圖５所示。可以看出，采用加權(quán)式的評(píng)估方法能夠更加清晰地對(duì)可靠性、有效性及抗干擾性進(jìn)行對(duì)比。例如對(duì)于圖像情報(bào)，可以清晰地看出對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，傳輸方案的可靠性優(yōu)于參考方案，但有效性略有損失。對(duì)于測(cè)量及特征情報(bào)以及信號(hào)情報(bào)，同樣可以更加直觀地對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比。

從理論上講，對(duì)于測(cè)量及特征情報(bào)而言，基于ＣＣ 協(xié)同ＡＲＱ 的信息傳輸方案犧牲一部分可靠性，主要體現(xiàn)在當(dāng)歸一化信噪比大于９．５ｄＢ時(shí)，設(shè)計(jì)者主動(dòng)放棄了取得更低誤碼率的方案，選擇了在誤碼率低于預(yù)設(shè)值下頻譜效率最高的方案，相當(dāng)于以犧牲一部分可靠性換取有效性的提升，與加權(quán)式評(píng)價(jià)方法所得的結(jié)論一致。對(duì)于基于預(yù)消除矩陣的ＣＦＮＣ方案，設(shè)計(jì)者增加了信道估計(jì)和預(yù)處理模塊，而信道估計(jì)和預(yù)處理過程必然造成一定的有效性下降，相當(dāng)于削弱了ＣＦＮＣ占用時(shí)隙少的優(yōu)勢(shì)，但預(yù)處理過程消除了信道因素的部分影響，提高了可靠性，即以犧牲有效性換取有效性的提升，與加權(quán)式評(píng)價(jià)方法所得的結(jié)論一致。對(duì)于認(rèn)知跳頻方案，設(shè)計(jì)者主動(dòng)增加了對(duì)頻譜的認(rèn)知，同樣相當(dāng)于舍棄了時(shí)效性，但通過對(duì)頻譜的認(rèn)知可以選擇干擾更少的頻點(diǎn)進(jìn)行跳頻，減少了干擾的影響，提升了抗干擾性和可靠性，即以犧牲有效性換取抗干擾性和可靠性的提升，同樣與加權(quán)式的評(píng)價(jià)方法所得結(jié)論一致。

綜上所述，加權(quán)式的評(píng)價(jià)方法所得結(jié)論與理論分析結(jié)果一致，足夠驗(yàn)證加權(quán)式評(píng)價(jià)方法的正確性，并且能夠通過數(shù)字化的方式更加直觀地呈現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能。可以看出，加權(quán)式的評(píng)價(jià)方法不僅能夠?qū)我唬眨粒?的數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行評(píng)估，并且可被推廣至ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能的評(píng)估，是一種通用性的評(píng)價(jià)方法。

４結(jié)束語

本文針對(duì)ＵＡＶ 不同類型情報(bào)信息傳輸需求的不同，提出一種基于加權(quán)處理的ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能評(píng)價(jià)方法，所提方法從可靠性、有效性、抗干擾性３個(gè)方面分析ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的理論性能，是一種評(píng)價(jià)ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸性能的通用方法。本文針對(duì)３ 種典型信息類型的數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行加權(quán)式評(píng)價(jià)，包括自適應(yīng)編碼調(diào)制方案、復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼方案以及跳頻方案。在仿真中，對(duì)權(quán)重進(jìn)行數(shù)字化處理，驗(yàn)證所提方案的有效性。所提方法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，一項(xiàng)性能的提升必然伴隨著其他性能的犧牲，這歸因于ＵＡＶ 機(jī)載資源有限，評(píng)估結(jié)果符合ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案的客觀情況。

根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果而言，ＵＡＶ 及ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案尚未檢索到加權(quán)式的評(píng)價(jià)方案，并且在其他系統(tǒng)中，線性加權(quán)的方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，加權(quán)式的評(píng)價(jià)方式已經(jīng)被證明是一種可行的評(píng)價(jià)方式。除此之外，本文所提權(quán)值分配方案僅提供了一種權(quán)值分配思路，這對(duì)于后續(xù)研究是具有參考借鑒價(jià)值的，后續(xù)研究可以通過不同的需求對(duì)權(quán)值進(jìn)行更加細(xì)致的分配，建立客觀、全面、通用的ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸體制評(píng)價(jià)方法是ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸方案對(duì)比和擇優(yōu)的必要條件。本文所提基于加權(quán)處理的評(píng)價(jià)方法是一種通用且可移植的評(píng)價(jià)方式，設(shè)計(jì)者可根據(jù)不同需求設(shè)置合理的權(quán)重，而確定的權(quán)重必然能夠得到合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。未來可通過增加更多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如保密性、經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜度等，并通過合理的加權(quán)處理，將該方法拓展到ＵＡＶ 群數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，形成更為通用的評(píng)價(jià)體系。

作者簡(jiǎn)介

趙明非（１９９４—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信與導(dǎo)航、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈、自適應(yīng)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)、認(rèn)知跳頻技術(shù)。

薛睿（１９８０—）男，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o線電移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、高性能編碼調(diào)制技術(shù)、迭代譯碼與檢測(cè)。