聯合網絡編碼和無人機中繼的應急通信吞吐量增強算法
中文題目：聯合網絡編碼和無人機中繼的應急通信吞吐量增強算法
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/見刊時間：2023年10月3日
作者列表：
1）徐朝農 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 計算機系教師
2）蔣予捷 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 計算機科學與技術專業 碩21
文章簡介:
在地震、海嘯、火山等自然災害發生后，一旦某些災區的地面基站（BS）受損，這些地區的通信網絡就會被切斷。由于當今救援和恢復嚴重依賴通信系統，因此有必要建立臨時通信網絡來支持應急通信。由于其出色的移動性，無人機（UAV）充當中繼是提供網絡連接的好方法。此外，為了提高救援效率，需要向災民和救援隊伍廣播災害及余震信息、救援信息等各種信息，這給廣播通信帶來了巨大的負擔。那么，如何合理部署無人機，提高廣播吞吐量，同時保證所有用戶都能訪問，自然是一個重大問題。
摘要:
在緊急情況下，網絡訪問可能會因為地面基站（BS）損壞而中斷，而部署無人機（UAV）作為通信中繼由于其方便保證網絡訪問而在救援場景中很常見。在這種情況下，與救援相關的信息消息是至關重要的，并且這些消息基本都是廣播消息。因此，提高廣播吞吐量，同時保證所有受害者和救援隊都能接入網絡是一項重大挑戰。此外，多個救援隊同時廣播信息進一步加重了網絡的負擔。為了解決這個問題，我們使用基于網絡編碼的協作（NCBC）廣播方案，此方案可以提高廣播吞吐量的網絡傳輸方法。我們的公式推導表明通過采用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式算法，用于使用網絡編碼策略生成無人機的最佳部署，并定量評估廣播吞吐量。仿真結果表明，在經典場景下，我們的方法可以確保用戶接入網絡的同時，并且與傳統的轉發中繼協議相比，吞吐量提高了26.69%。
主要內容:
我們通過擴展《Reliable relay assisted wireless multicast using network coding》中網絡編碼協議，獲得了多對多的網絡編碼通信方案及其吞吐量的公式，如圖1，并命名為協議D。
圖 1 協議D網絡編碼的吞吐量
之后我們將無人機部署并最大化吞吐量的算法分為三個部分：第一，通過用戶的連接需求獲得無人機部署的候選區域；第二，對于每個區域計算出擺放無人機使得網絡吞吐量最大的最佳位置；第三，從這些最佳位置中選取n個位置擺放無人機，使得所有用戶連接需求都被滿足的同時最大化整個網絡的吞吐量。其中n為無人機限制數量。
實驗結果及分析:
圖 2 網絡編碼提高的吞吐量性能
我們首先考慮對于單個無人機和1-2個基站的情況。用戶隨機分布在區域中，并進行100次實驗，其平均吞吐量如圖2所示。很明顯，使用協議D的無人機吞吐量比使用協議B要高，相對于傳統的轉發中繼協議至少提高了26.69%。
圖 3 無人機部署的位置
第二個實驗重點關注無人機的部署問題。30個用戶和3個基站隨機分布在面積為1km2的正方形內，如圖3（a）所示，其中用戶用點表示，基站用三角形表示。需要連接的用戶和基站用同一種顏色標記了。我們使用 3 架無人機作為中繼。 圖3（b）說明了無人機的部署。
結論:
本文重點討論部署無人機時利用網絡編碼技術增加廣播吞吐量。最初，我們基于兩個基站、兩個用戶和一架無人機組成的原型拓撲，提出了NCBC廣播方案吞吐量的表達式?；谕掏铝勘磉_式，我們設計了一種啟發式算法來生成最佳的無人機部署位置，在給定無人機數量的條件下，確保用戶的網絡接入需求的同時實現最大的廣播吞吐量。我們的實驗結果表明網絡編碼技術可以顯著提高廣播吞吐量。相對于傳統的轉發中繼協議，其廣播吞吐量至少提高了26.69%。我們預計該方案將得到廣泛使用，特別是隨著緊急通信場景中對增強吞吐量的需求不斷擴大。
作者簡介:
徐朝農，博士，中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院教師，主要研究領域為邊緣智能、嵌入式系統、無線網絡。