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中文題目：聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和無(wú)人機(jī)中繼的應(yīng)急通信吞吐量增強(qiáng)算法

論文題目：Enhance broadcasting throughput by associating network coding with UAVs relays deployment in emergency communications

錄用期刊/會(huì)議：EAI CollaborateCom 2023, 19th EAI International Conference on Collaborative Computing: Networking, Applications and Worksharing (CCF C)

原文鏈接：https://link.springer.com/conference/colcom

錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2023年10月3日

作者列表：

1）徐朝農(nóng) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)系教師

2）蔣予捷 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè) 碩21

文章簡(jiǎn)介:

在地震、海嘯、火山等自然災(zāi)害發(fā)生后，一旦某些災(zāi)區(qū)的地面基站（BS）受損，這些地區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)就會(huì)被切斷。由于當(dāng)今救援和恢復(fù)嚴(yán)重依賴(lài)通信系統(tǒng)，因此有必要建立臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持應(yīng)急通信。由于其出色的移動(dòng)性，無(wú)人機(jī)（UAV）充當(dāng)中繼是提供網(wǎng)絡(luò)連接的好方法。此外，為了提高救援效率，需要向?yàn)?zāi)民和救援隊(duì)伍廣播災(zāi)害及余震信息、救援信息等各種信息，這給廣播通信帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)。那么，如何合理部署無(wú)人機(jī)，提高廣播吞吐量，同時(shí)保證所有用戶(hù)都能訪(fǎng)問(wèn)，自然是一個(gè)重大問(wèn)題。

摘要:

在緊急情況下，網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)可能會(huì)因?yàn)榈孛婊荆˙S）損壞而中斷，而部署無(wú)人機(jī)（UAV）作為通信中繼由于其方便保證網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)而在救援場(chǎng)景中很常見(jiàn)。在這種情況下，與救援相關(guān)的信息消息是至關(guān)重要的，并且這些消息基本都是廣播消息。因此，提高廣播吞吐量，同時(shí)保證所有受害者和救援隊(duì)都能接入網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。此外，多個(gè)救援隊(duì)同時(shí)廣播信息進(jìn)一步加重了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們使用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的協(xié)作（NCBC）廣播方案，此方案可以提高廣播吞吐量的網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。我們的公式推導(dǎo)表明通過(guò)采用NCBC廣播方案使得廣播吞吐量顯著提高。我們提出了一種啟發(fā)式算法，用于使用網(wǎng)絡(luò)編碼策略生成無(wú)人機(jī)的最佳部署，并定量評(píng)估廣播吞吐量。仿真結(jié)果表明，在經(jīng)典場(chǎng)景下，我們的方法可以確保用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，并且與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議相比，吞吐量提高了26.69%。

主要內(nèi)容:

我們通過(guò)擴(kuò)展《Reliable relay assisted wireless multicast using network coding》中網(wǎng)絡(luò)編碼協(xié)議，獲得了多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)編碼通信方案及其吞吐量的公式，如圖1，并命名為協(xié)議D。

圖 1 協(xié)議D網(wǎng)絡(luò)編碼的吞吐量

之后我們將無(wú)人機(jī)部署并最大化吞吐量的算法分為三個(gè)部分：第一，通過(guò)用戶(hù)的連接需求獲得無(wú)人機(jī)部署的候選區(qū)域；第二，對(duì)于每個(gè)區(qū)域計(jì)算出擺放無(wú)人機(jī)使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大的最佳位置；第三，從這些最佳位置中選取n個(gè)位置擺放無(wú)人機(jī)，使得所有用戶(hù)連接需求都被滿(mǎn)足的同時(shí)最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。其中n為無(wú)人機(jī)限制數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:

圖 2 網(wǎng)絡(luò)編碼提高的吞吐量性能

我們首先考慮對(duì)于單個(gè)無(wú)人機(jī)和1-2個(gè)基站的情況。用戶(hù)隨機(jī)分布在區(qū)域中，并進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)，其平均吞吐量如圖2所示。很明顯，使用協(xié)議D的無(wú)人機(jī)吞吐量比使用協(xié)議B要高，相對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議至少提高了26.69%。

圖 3 無(wú)人機(jī)部署的位置

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注無(wú)人機(jī)的部署問(wèn)題。30個(gè)用戶(hù)和3個(gè)基站隨機(jī)分布在面積為1km²的正方形內(nèi)，如圖3（a）所示，其中用戶(hù)用點(diǎn)表示，基站用三角形表示。需要連接的用戶(hù)和基站用同一種顏色標(biāo)記了。我們使用 3 架無(wú)人機(jī)作為中繼。 圖3（b）說(shuō)明了無(wú)人機(jī)的部署。

結(jié)論:

本文重點(diǎn)討論部署無(wú)人機(jī)時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)增加廣播吞吐量。最初，我們基于兩個(gè)基站、兩個(gè)用戶(hù)和一架無(wú)人機(jī)組成的原型拓?fù)?，提出了NCBC廣播方案吞吐量的表達(dá)式?；谕掏铝勘磉_(dá)式，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種啟發(fā)式算法來(lái)生成最佳的無(wú)人機(jī)部署位置，在給定無(wú)人機(jī)數(shù)量的條件下，確保用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)接入需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的廣播吞吐量。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以顯著提高廣播吞吐量。相對(duì)于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議，其廣播吞吐量至少提高了26.69%。我們預(yù)計(jì)該方案將得到廣泛使用，特別是隨著緊急通信場(chǎng)景中對(duì)增強(qiáng)吞吐量的需求不斷擴(kuò)大。

作者簡(jiǎn)介:

徐朝農(nóng)，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院教師，主要研究領(lǐng)域?yàn)檫吘壷悄?、嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。