联合网络编码和无人机中继的应急通信吞吐量增强算法

中文题目：联合网络编码和无人机中继的应急通信吞吐量增强算法

论文题目：Enhance broadcasting throughput by associating network coding with UAVs relays deployment in emergency communications

录用期刊/会议：EAI CollaborateCom 2023, 19th EAI International Conference on Collaborative Computing: Networking, Applications and Worksharing (CCF C)

原文链接：https://link.springer.com/conference/colcom

录用/见刊时间：2023年10月3日

作者列表：

1）徐朝农 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 计算机系教师

2）蒋予捷 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院 计算机科学与技术专业 硕21

文章简介:

在地震、海啸、火山等自然灾害发生后，一旦某些灾区的地面基站（BS）受损，这些地区的通信网络就会被切断。由于当今救援和恢复严重依赖通信系统，因此有必要建立临时通信网络来支持应急通信。由于其出色的移动性，无人机（UAV）充当中继是提供网络连接的好方法。此外，为了提高救援效率，需要向灾民和救援队伍广播灾害及余震信息、救援信息等各种信息，这给广播通信带来了巨大的负担。那么，如何合理部署无人机，提高广播吞吐量，同时保证所有用户都能访问，自然是一个重大问题。

摘要:

在紧急情况下，网络访问可能会因为地面基站（BS）损坏而中断，而部署无人机（UAV）作为通信中继由于其方便保证网络访问而在救援场景中很常见。在这种情况下，与救援相关的信息消息是至关重要的，并且这些消息基本都是广播消息。因此，提高广播吞吐量，同时保证所有受害者和救援队都能接入网络是一项重大挑战。此外，多个救援队同时广播信息进一步加重了网络的负担。为了解决这个问题，我们使用基于网络编码的协作（NCBC）广播方案，此方案可以提高广播吞吐量的网络传输方法。我们的公式推导表明通过采用NCBC广播方案使得广播吞吐量显著提高。我们提出了一种启发式算法，用于使用网络编码策略生成无人机的最佳部署，并定量评估广播吞吐量。仿真结果表明，在经典场景下，我们的方法可以确保用户接入网络的同时，并且与传统的转发中继协议相比，吞吐量提高了26.69%。

主要内容:

我们通过扩展《Reliable relay assisted wireless multicast using network coding》中网络编码协议，获得了多对多的网络编码通信方案及其吞吐量的公式，如图1，并命名为协议D。

图 1 协议D网络编码的吞吐量

之后我们将无人机部署并最大化吞吐量的算法分为三个部分：第一，通过用户的连接需求获得无人机部署的候选区域；第二，对于每个区域计算出摆放无人机使得网络吞吐量最大的最佳位置；第三，从这些最佳位置中选取n个位置摆放无人机，使得所有用户连接需求都被满足的同时最大化整个网络的吞吐量。其中n为无人机限制数量。

实验结果及分析:

图 2 网络编码提高的吞吐量性能

我们首先考虑对于单个无人机和1-2个基站的情况。用户随机分布在区域中，并进行100次实验，其平均吞吐量如图2所示。很明显，使用协议D的无人机吞吐量比使用协议B要高，相对于传统的转发中继协议至少提高了26.69%。

图 3 无人机部署的位置

第二个实验重点关注无人机的部署问题。30个用户和3个基站随机分布在面积为1km²的正方形内，如图3（a）所示，其中用户用点表示，基站用三角形表示。需要连接的用户和基站用同一种颜色标记了。我们使用 3 架无人机作为中继。 图3（b）说明了无人机的部署。

结论:

本文重点讨论部署无人机时利用网络编码技术增加广播吞吐量。最初，我们基于两个基站、两个用户和一架无人机组成的原型拓扑，提出了NCBC广播方案吞吐量的表达式。基于吞吐量表达式，我们设计了一种启发式算法来生成最佳的无人机部署位置，在给定无人机数量的条件下，确保用户的网络接入需求的同时实现最大的广播吞吐量。我们的实验结果表明网络编码技术可以显着提高广播吞吐量。相对于传统的转发中继协议，其广播吞吐量至少提高了26.69%。我们预计该方案将得到广泛使用，特别是随着紧急通信场景中对增强吞吐量的需求不断扩大。

作者简介:

徐朝农，博士，中国石油大学（北京）信息科学与工程学院/人工智能学院教师，主要研究领域为边缘智能、嵌入式系统、无线网络。