低空平台-传感器通信的扫频波束形成技术

×⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）88www.elsevier.com/locate/icte一种用于低空平台-传感器通信的有效扫频波束形成技术亚西尔·阿尔巴戈里埃及梅努菲亚大学电子工程学院通信和电子系沙特阿拉伯塔伊夫大学计算机和信息技术学院计算机工程系接收日期：2020年1月6日;接收日期：2020年3月13日;接受日期：2020年3月23日2020年4月8日网上发售摘要为了提高无线传感器节点的通信性能和能量消耗，提出了一种利用低空无人机平台产生扫频波束的新技术。该技术使用二维阵列加权余弦平方幅度轮廓与线性相移，以提高从传感器的接收信号强度，从而减少了能量消耗相比，在传统的无线传感器网络中的连续传输。对所提出的技术的分析表明，使用14个天线阵列可以在子靶标点处提供200米直径的扫描区域 14个要素， 振幅馈电c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无人机通信;天线阵列;无线传感器网络;波束形成1. 介绍无线传感器网络（WSN）已经受到许多应用的关注，并且被认为是主要的物联网（IOT）基础设施[1-对无线传感器网络及其应用的不断需求要求传感器节点和网络汇聚点之间有效的通信性能和基础设施。提高无线传感器网络的通信性能包括提高接收信号强度、能量消耗或延长电池寿命、接入技术等诸多影响无线传感器网络部署的参数。最近，诸如无人机、比气球轻的无人机、无人驾驶飞行器（UAV）[9]的空中平台的开发作为用于5G系统的新通信基础设施，由于它们在改善通信性能方面的能力而被使用。它还可以与自适应天线阵列一起用作网络广域汇站，如[10]中所述，其中位于平流层中的空中平台，通讯作者：埃及Menoufia大学电子工程学院电子邮件地址：dalbagory@gmail.com。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2020.03.00620公里用作全球汇站，从地面传感器收集数据。在[10]中，通过使用自适应天线阵列在固定覆盖区域上提供成形波束来实现无线电覆盖。地面传感器从平台上以连续传输的方式获得了强大的信号。如果如[11]中那样应用调度传输，则可以进一步降低WSN中消耗的能量，其中使用多信道时分多址（TDMA）调度算法来最小化网络中的总能量在无线传感器网络中使用无人机可以在广泛的覆盖范围内提供视线优势，从而提高与传感器的通信性能。如果在无人机处应用定向天线或天线阵列系统，则可以进一步改善通信性能和能量消耗。在[12]中，使用线性天线阵列来改善利用无人机作为收集器或接收站的WSN中的能耗。本研究中使用的阵列通过水平旋转无人机来扫描虚拟扇区。如果利用二维波束成形，扫描传感器节点和能量消耗可以进一步改善，其中扫描区域以更高的信号功率增益被更多地控制。因此，本文主要研究基于2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Y. Albagory/ICT Express 7（2021）8889（）n且d=（m−1）+（n−1），m，n∅×图1.一、无 人 机 发 出 的 扫描光束用于传感器数据收集。一架无人机作为接收站，监控范围。光束扫描整个对应的无人机区域，其中照明点仅被激活用于传输，而其他未覆盖的传感器处于待机模式。扫描波束的形状对通信性能有着重要的影响2.2. 扫频天线阵系统在这一节中设计了用于扫描覆盖区域的扫描波束的产生。许多天线阵列结构可以用于形成扫描波束，并且在提供一维或二维波束扫描的能力方面不同。二维平面阵列能够进行二维波束形成，并将用于所提出的系统中。图2中描绘了波束成形系统，其中天线元件被均匀地布置并且线性地分开波长的一半。为了控制和跟踪无人机下沉，在无人机处提供全向天线，而来自具有传感器的无人机的通信通过波束形成系统馈送的天线阵列系统来实现。通过一组系数来控制来自阵列元件的信号的幅度和相位，以操纵波束来扫描传感器区域。扫描序列和频率通过周期性地改变元件加权系数来实现，并且应该与无人机的飞行速度和位置在任何方向（θ，φ）上的阵列响应或功率模式可由以下等式描述Gd（θ，θ）MN主瓣增益和旁瓣电平。主瓣=∑∑αm， nexp（j（2π）λdm， nsin（θ） cos（θ−m，n））（1）增益提供改进的传感器信号接收，较低的旁瓣电平避免激活波束外传感器。因此，本文提出了一种有效的技术形式传感器数据按需建立该数据感测所需的通信链路。论文的结构安排如下：第二部分对所提出的技术进行了论证和分析。第三节展示了结果和讨论，最后第四节总结了论文。2. 扫描波束系统模型2.1. 系统架构该系统的系统架构如图1所示，其中它由无人机组成，作为飞行接收站以收集地面传感器数据。该无人机站扫描整个服务区域，以通过将扫描发射/接收窄波束定向到所需地点来按需收集传感器数据。扫描光束促使传感器在待机一段时间后传输其存储的数据，以降低能耗，从而延长电池寿命。速度和扫描策略将定义传感器数据收集的发送/接收时隙以及传感器处节省的能量。随着飞行速度的增加，用于传感器传输其数据的时隙将更短，这需要传感器和下沉式无人机之间的通信链路上的高传输速度。因此，传感器能力和通信系统参数将限制无人机的飞行速度和扫描频率。m=1n= 1λ2 22n=tan−1（（n−1）/（m−1）），m=1， 2， 3，，M，n=1，2，3，，N.其中dm，n是从第mn个天线元件到原点处的天线元件的半波长距离，如图11所示。3 .第三章。m， n是第mn个天线元件与x轴的方位角。m和n是天线元件索引，并且阵列大小是M N个元件。系数αm， n表示波束扫描操作所需的幅度和相位响应。2.3. 系统参数该系统的操作是由许多参数，如波束图案，传感器覆盖区域，传感器密度，比特率，数据量可用，并存储在每个传感器，索尔控制。这些参数控制无人机下沉站的飞行速度。如图3、简化分析，我们假设传感器均匀分布在总面积As上，其中传感器密度为Ds。如果每个传感器的数据传输速率为Rs，扫描期间的覆盖区面积Af，因此通信传感器的预期数量由下式给出：Ns=Ds Af（2）扫描将以离散方式执行，其中在时隙Ts期间完成与传感器的通信，然后移动到另一个区域等等。90Y. Albagory/ICT Express 7（2021）88图二、 用于扫描波束生成的波束形成系统。因此，在该时隙期间，每个扫描波束覆盖区的总传感器数据速率由下式给出Rf=Ns Rs（3）每个足迹收集的数据总量由下式给出：Bf=Ts Rf（4）如果以速率Fs定期访问某个足迹传感器区域，并且无人机服务区域中的足迹数量为Nf，则传感器传输时隙Ts由下式给出Ts=1/Fs（5）并且帧持续时间Tf将是：Tf=Nf Ts（6）Ts的值可以根据感测到的数据或传感器数据速率的种类、准备好进行数据传输的活动传感器的预期数量、占用空间（Y. Albagory/ICT Express 7（2021）8891波束面积、总体通信信道容量和无人机飞行持续时间。对于某个总体信道容量和传感器传输数据速率，如果我们减小波束覆盖区的面积以使发送传感器的数量适应于信道容量以适应它们的聚合数据速率，则这导致要扫描的点的数量增加，并且因此需要更多的时间来扫描整个服务区域，这又需要更多的飞行持续时间。无人机有很多实用的无人机模型，使用如[13]，它可以携带5公斤的有效载荷，飞行时间长达4小时，扩展的远程100距离操作员100米。该模型通过使用高质量的摄像机进行远程监控，这些摄像机可以被用于收集WSN数据的通信有效载荷所取代。在使用清扫的因此，对于恒定传输的波束，通过：β=（1/Gd）（Ts+Tsniff）/（Tf）（7）其中Tsniff是在一个帧时间期间感测是否存在可用于传输的宿无人机的总时间。注意到，Eq. （7）表示由于数据的传输而导致的所需消耗能量3. 结果和讨论3.1. 扫描波束产生在这一节中，扫描波束的功率方向图与阵列参数，如阵列尺寸和波束方向检查。还描述了在几个无人机高度处的波束覆盖区。阵列的方向图和占地面积主要取决于阵列的大小和馈电系数。数组的大小由数组中两个方向上的元素数量给出，这两个方向是M和N。对于元件馈电系数αm， n，我们假设相位响应是在所需主波束方向上元件响应的复共轭，或者：αm， n=ρm， nexp（−j<$ dm， nsin（θo）cos（φo−φm， n））（8）其中ρm， n是第mn个天线元件的幅度加权系数，并且被提议为以下函数的形式：ρm，n=（cos（0. 5πrm， n/rM， N））2（9）其中rm，n是从第mn个元件到阵列中心的半波长距离，如图3所示。扫描性能检查的建议阵列，根据方程馈送。（9）用线性相移改变主波束方向。扫描波束覆盖了一个点，中心距离为 dc， 从子靶标点，如图所示。1.一、如果主瓣或波束方向为θo，无人机高度为hd，则该中心距离由下式给出dc=hdtan（θo）（10）图4显示了在不同无人机高度下中心距离随主瓣方向的变化和范围值。一92Y. Albagory/ICT Express 7（2021）88×××图3.第三章。 天线阵元排列和阵元中心距。图五、 对于14个14元件的阵列和波束方向（0 μ m，0 μ m），以dB为单位的归一化功率足迹。见图4。在不同的无人机高度，随着扫描波束方向，足迹中心距离（以米为单位）的变化。2千米高的单个无人机可以与距离其中心子无人机点12千米远本研究考虑了在1公里高飞行的无人机在几个方向上的归一化功率模式，根据地面传感器的分布，扫掠区域可能延伸到几公里。所提出的元件振幅的馈送导致减少的束外辐射，这对于不激活其他相邻传感器来传输它们的数据是非常重要的。另一方面，朝向传感器区域的边缘生成的波束具有更宽的波束宽度，这可以通过增加元件的数量来缓解，以在整个区域上几乎生成均匀的波束。 图5到8个显示标准化轮廓扫描波束在不同方向和阵列尺寸。波束主通信区域可以通过调整阵列尺寸来控制，特别是在覆盖边界处。这些图中最亮的区域对应于4.6dB边界，其适合传感器单元的传输极限。在该边界周围，存在不影响其他相邻传感器的非常低的响应区域。深能级（变暗区域）是由于如等式2中所述的锥形振幅系数性能（九）、由于天线阵列的重量和尺寸对无人机的能力有很大影响，因此可以使用较小尺寸的阵列。见图6。 14 14个元件阵列的标准化功率足迹（dB） 和波束方向（40°，0°）。见图7。 20 20个元件阵列的标准化功率足迹（dB） 和波束方向（40°，40°）。尤其优选在低工作频率下。例如，工作传感器发射频率为868 MHz，波长为34.5 cm，14× 14单元的正方形阵列的尺寸约为2.25× 2.25 m。的Y. Albagory/ICT Express 7（2021）8893××=××∅∅表1系统参数。系统参数值无人机高度1000米传感器天线增益（dBi）0 dBi传感器发射功率mW 1 mW、0.1 mW、0.01 mW光束主瓣方向（50°、45°）无人机覆盖面积1500 1500平方米发射频率868 MHz，2.4 GHz，5 GHz传输比特率38.4 kb/s，250 kb/s，1 Mb/s玻尔兹曼 J K−1噪声温度290 K无人机阵列大小14 14元素遮蔽损失2 dB图八、3 0 ×30个元件的阵列和波束方向（40 Ω，40 Ω）的标准化功率足迹（dB）。最小Eb/No（误码率10−6）单个梁11.1 dB（BPSK）主瓣增益见图9。在不同的频率下，在覆盖范围中，Eb/N的%尺寸可以在更高的频率下减小，2.4 GHz到大约81厘米，5 GHz到只有42厘米，适合小型无人机。3.2. 每比特能量与噪声功率谱密度比性能在无线传感器网络中使用无人机的关键性能改进特征之一是视距传播的可用性，其中传播损耗的特征在于自由空间类信道。具有全向天线方向图的常规无人机天线以非常有限的容量提供宽覆盖。单一的宽覆盖波束方向图不能服务于该区域中存在的大量传感器。因此，在本节中，我们将检查相对于噪声功率谱密度（Eb/No）的每比特能量性能。Eb/N0的增加可以被解释为能量消耗的减少或通信链路性能的改善，因为该比率与误码率直接相关。Eb/No（单位：dB）可写为：Eb/ No=Ps+Gs+Gd（θ，θ）−L（θ，θ）−No−Rb（11）其中Ps是传感器发射功率（单位：dBW），Gs是传感器发射天线增益（单位：dB），Gd（θ，）是无人机天线阵列增益（单位：dB），L（θ，）是总通信信道损耗（单位：dB），No是噪声功率谱密度（单位：dBWHz），Rb是数据速率（单位：dB）。总损耗L（θ，θ）可表示如下：L （ θ ， λ ） =20 log （ （ 4πhd ） / （ λcos （ θ ） +x（ 12）其中x是由于阴影损失引起的额外衰减。可以利用WSN的几个工作频率，例如315、433、868和915 MHz以及2.4和5 GHz。比特率取决于WSN的应用，其范围可以从几kb/s到几Mb/s [14]。当量（11）涉及无人机上的天线阵列对由于传感器与无人机之间的通信而引起的能量消耗的影响。在下面的案例研究中，使用表1中所示的系统参数来检查无人机和传感器之间的能量消耗和通信链路质量：图9显示了Eb/No的分布质量，其中Eb/No的百分比小于特定水平γ（dB）在不同的载波频率和250 kb/s的比特率下。该图中的最差情况发生在频率为5 GHz但占用空间最小为38 dB时，与11.1dB的最小值相比具有非常高的裕度，并且即使在严重的衰落条件下也提供非常好的通信质量。另外两种较低频率的情况由于在较低频率下较低的传播损耗而提供甚至更好的性能。过量提供的Eb/No值有利于降低传感器发射功率，如图1所示。10，其中使用1 Mb/s数据速率，5 GHz频率，不同传感器发射功率。所提供的Eb/N0的范围仍然落在最小所需值之上，尤其是当将功率降低到0.1mW时，其仍然提供22.5dB的最小值，但是在0.01mW时可能遭受尤其严重的衰落损耗（大于20 dB）。当传感器工作在较低的比特率，如38.4 kb/s时，系统性能在5 GHz载波上有很大提高，在最坏的情况下，0.01 mW的传感器发射功率可以提供最小的Eb/N o42 dB，如图所示。 十一岁94Y. Albagory/ICT Express 7（2021）88见图10。在5GHz和1 Mb/s传感器数据速率的不同传感器发射功率下，Eb/N的 %见图11。在5GHz和38.4kb/s传感器数据速率下，在不同传感器发射功率下，Eb/N的 %4. 结论提出了一种在无线传感器网络中建立传感器和sink之间有效通信链路的技术，该技术 对所提出的技术进行了分析，并对扫描波束的阵列归一化功率足迹进行了解释和讨论。扫描会干扰地面传感器发送数据，而其他传感器不受影响以减少与连续传输情形相比所消耗的能量。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作CRediT作者贡献声明概念化，方法论，软件，数据管理，写作-初稿，可视化，调查，监督，验证，写作-评论编辑.引用[1] O.说，Y. Albagory，M. Nofal ，F. Al Raddady，IoT-RTP和IoT-RTCP： 互 联 网 上 多 媒 体 传 输 的 自 适 应 协 议IEEE Access 5（2017）16757[2] F. Meneghello，M. Calore，D. Zucchetto，M. Polese，A. Zanella，物联网：威胁的互联网？一项关于真实物联网设备中实际安全漏洞的调查，IEEE Internet Things J。6（5）（2019）8182[3] A.H. Ngu ， M. Gutierrez ， V. Metsis ，S. 尼 泊尔 ，Q.Z. Sheng ，IoTmiddleware ： A survey on issues and enabling technologies ，IEEEInternetThings J. 4（1）（2017）1[4] A.富卡哈先生吉扎尼，M。穆罕默迪，M。Aledhari，M. Ayyash，物联网：关于使能技术，协议和应用的调查，IEEE Commun。监视器家教17（4）（2015）2347[5] B.E.H. Annaidh等人， 适用于5G系统实现的设备和传感器，在：2018年IEEE MTT-S 5G硬件和系统技术国际微波研讨会系列（IMWS-5G），都柏林，2018年，第100页。一比三[6] S.D. Assimonis，V. Fusco，使用密集整流天线的RF能量收集-使用适用于物联网5G嵌入式传感器节点的电小型整流天线阵列，在：2018 IEEE MTT-S国际微波工作室系列5G硬件和系统技术（IMWS-5G），都柏林，2018年，第100页。一比三[7] D. Moongilan，5G物联网（IOT）近场和远场以及监管合规性的复杂性，在：2019年IEEE第五届世界物联网论坛（WF-IoT），爱尔兰利默里克，2019年，pp.894-898[8] J.M. Khurpade，D. 拉奥警察局 Sanghavi，关于物联网和5G网络，在：2018年智能城市和新兴技术国际会议（ICSCET），孟买，2018年，pp。一比三[9] B. Li，Z.费，Y. Zhang，5G及以后的无人机通信：最新进展和未来趋势，IEEE Internet Things J. 6（2）（2019）2241-2263。[10] 杨文，李文，等.基于同心圆阵列的无线传感器网络性 能 分 析 . 北京 ： 清华大 学 出 版 社 ， 20 0 3 . J. 电子学。Commun. 69（1）（2015）382[11] S.库马尔，H. Kim，用于周期性数据收集的无线传感器网络中的节能调度，IEEE Access 7（2019）11410-11426。[12] H.伦班托鲁安湾Adachi，Array antenna for power saving of sensornodes in UAV-BS enabled WSN，in：2019 International Conferenceon Computing ， Networking and Communications （ ICNC ） ，Honolulu，HI，USA，2019，pp. 1024-1028[13] https：//skyfront. com/product-list/.[14] Dan Popescu，Florin Stoican，Grigore Stamatescu，Oana Chenaru，Loretta Ichim ， 协 作 式 UAV-WSN 系 统 有 效 监 控 的 调 查http://dx.doi.org/10.3390/