潘 武，呂 娜，陳柯帆，劉 創(chuàng)，陳 坤

(1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安，710077； 2.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，合肥, 230000)

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)[1]作為鏈接航空平臺的通信基礎(chǔ)設(shè)施，為航空平臺[2]提供業(yè)務(wù)交互服務(wù)，保障作戰(zhàn)任務(wù)的高效實(shí)施。隨著日益復(fù)雜化的戰(zhàn)場環(huán)境對作戰(zhàn)效能要求的不斷提高，受平臺載荷、平臺機(jī)動(dòng)性、平臺隱身性、電磁兼容性等需求限制，令航空平臺本身具備充分滿足任務(wù)需求、靈活適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的多樣化作戰(zhàn)能力已變得愈加困難[3]。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking,SDN)范式的出現(xiàn)為解決這類問題提供了新的契機(jī)。解耦合的控制平面與數(shù)據(jù)平面，為實(shí)現(xiàn)靈活配置多功能的網(wǎng)絡(luò)控制提供了支撐。SDN作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)范式，目前已被廣泛研究并應(yīng)用于各領(lǐng)域，包括互聯(lián)網(wǎng)、航空航天、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)等[4-7]。

控制器作為SDN的“大腦”，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的流量控制和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)配置。針對控制器部署問題，國內(nèi)外相關(guān)研究已陸續(xù)展開，文獻(xiàn)[8]針對控制器放置問題(Controller Placement Problem, CPP)，提出控制器部署的位置和數(shù)量對部署的網(wǎng)絡(luò)性能有直接影響，描述了不同場景為達(dá)到不同的部署需求時(shí)，需考慮優(yōu)化不同的指標(biāo)，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延、控制器控制的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、鏈路的可靠性、部署成本開銷或流部署開銷等。針對控制器部署中的目標(biāo)優(yōu)化問題，目前主要研究分為以下2類：

類型1:對單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[9-15]，此類研究主要解決對單個(gè)功能需求顯著的模型，重點(diǎn)優(yōu)化該指標(biāo)，而其他指標(biāo)只需滿足正常的要求。但其適用范圍限于規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)的功能種類較少。

類型2:對多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化[16-19]，該類型研究主要解決規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)，需要綜合多個(gè)性能指標(biāo)，滿足多樣化的功能需求。

然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)越來越多樣化，需要同時(shí)優(yōu)化多個(gè)性能指標(biāo)，類型2的研究逐漸受到重視。

由于無人機(jī)具有靈活、成本低、易于部署等獨(dú)特優(yōu)勢，考慮利用無人機(jī)搭載控制器構(gòu)成邏輯集中的控制平面，根據(jù)不同任務(wù)需求靈活配置，對任務(wù)編隊(duì)構(gòu)成的數(shù)據(jù)平面進(jìn)行管理和控制，能夠使網(wǎng)絡(luò)在滿足任務(wù)需求的同時(shí)降低部署成本開銷。研究如何在可靠通信的基礎(chǔ)上有效減少部署控制器的數(shù)量從而降低網(wǎng)絡(luò)的部署成本開銷，對網(wǎng)絡(luò)的部署具有重要意義。

針對上述優(yōu)化部署成本開銷問題，本文研究SDN架構(gòu)下的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)[3]，將優(yōu)化機(jī)載網(wǎng)絡(luò)可靠性和部署成本開銷2個(gè)指標(biāo)抽象為多目標(biāo)優(yōu)化問題，設(shè)計(jì)了一種基于冗余刪除的無人機(jī)控制器部署策略(UAV Controller Deployment Strategy Based on Redundant Deletion, UAV-CDSRD)，將多控制器部署問題轉(zhuǎn)化為初始布設(shè)、冗余判定和冗余刪除3個(gè)階段。依據(jù)任務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)，提出了初步部署算法(Preliminary Deployment Algorithm，PDA)；考慮可靠連接和降低網(wǎng)絡(luò)的部署成本開銷的約束條件，提出了基于連接關(guān)系的冗余判定算法(Redundancy Decision Algorithm Based on Connection Relationship, RDCR)；以可靠性和部署成本開銷為優(yōu)化目標(biāo)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法(Redundancy Deletion Algorithm Based on Network Connectivity, RDNC)，刪除冗余無人機(jī)控制器。

1 控制器部署模型

1.1 場景描述

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)場景中，在戰(zhàn)場區(qū)域(以下稱為任務(wù)區(qū)域)內(nèi)分散著多種類型的有人機(jī)編隊(duì)(以下稱為任務(wù)平臺)，它們依據(jù)多任務(wù)需求，靈活變化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為對高動(dòng)態(tài)的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管控，可以利用無人機(jī)搭載控制器(以下稱為控制平臺)構(gòu)成邏輯集中的控制平面，實(shí)現(xiàn)控制信息的交互與下發(fā)，并且有效降低網(wǎng)絡(luò)部署成本開銷。有人機(jī)編隊(duì)構(gòu)成的數(shù)據(jù)平面，按照控制信息中的流表指令等相關(guān)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的可靠交互以完成相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。

1.2 問題建模

針對部署場景作以下假設(shè)說明：

1)由于平臺間的信號通過無線信道傳輸，本文假設(shè)其信息傳輸?shù)乃ヂ淠Ｐ头先R斯分布，噪聲設(shè)為高斯白噪聲，通過發(fā)送接收到的信號功率和噪聲功率可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的信噪比。

2)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)模型中任務(wù)平臺數(shù)為M，根據(jù)任務(wù)平臺數(shù)量和任務(wù)區(qū)域大小初步部署控制平臺數(shù)為N。

3)a=[ai]1×N表示N個(gè)控制平臺的狀態(tài)，矩陣中的元素用0和1表示，ai=1表示控制平臺i處于活躍狀態(tài)，ai=0表示被刪除；

4)b=[bi,k]N×M表示控制平臺i與任務(wù)平臺k的連接狀態(tài)，bi,k=1表示控制平臺i與任務(wù)平臺k處于連接狀態(tài)，否則bi,k=0；

5)c=[ci,j]N×N表示控制平臺i與控制平臺j間的連接狀態(tài)，ci,j=1表示控制平臺i、j處于能夠連通的范圍內(nèi)，否則ci,j=0。

2 基于冗余刪除的部署策略設(shè)計(jì)

將該策略分為3個(gè)階段：首先，依據(jù)任務(wù)區(qū)域的特點(diǎn)，采用初步部署算法PDA得出無人機(jī)的初步部署數(shù)量和位置；然后，在滿足可靠連接和降低成本開銷的部署約束下，依據(jù)基于連接關(guān)系的冗余判定算法RDCR得出冗余無人機(jī)；最后，以可靠性和降低部署成本開銷為優(yōu)化目標(biāo)，利用基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法RDNC刪除冗余無人機(jī)控制器。

策略算法中所用的符號參數(shù)如下：

M={1,2,…,M}為任務(wù)平臺集合；U={1,2,…,N}為控制平臺集合；Rc為平臺的通信半徑；di,j為平臺i、j間的距離；Qmax為控制平臺的容量閾值；γi,k為平臺i與平臺k間的信噪比；τ為未被覆蓋的任務(wù)平臺比例；Dopt為控制平臺間的最小距離閾值；Ω為控制平臺所控制的任務(wù)平臺集合；θ為任務(wù)平臺所連接的控制平臺集合；Λth為平臺間實(shí)現(xiàn)可靠通信的信噪比閾值；Gf為未滿足部署約束的冗余控制平臺集合；Gr為循環(huán)迭代前未被刪除冗余控制平臺集合。

2.1 部署約束及性能評估參數(shù)

2.1.1 部署約束

部署約束是指在對無人機(jī)控制器進(jìn)行部署時(shí)，控制平臺和任務(wù)平臺需滿足的相應(yīng)約束條件，以優(yōu)化部署結(jié)果的可靠性和部署成本開銷指標(biāo)。

對于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋連接可描述為：假設(shè)控制平臺的通信覆蓋半徑固定為Rs，每個(gè)控制平臺的覆蓋范圍是以控制平臺為圓心，半徑為Rs的圓，如果任務(wù)平臺距該控制平臺的距離小于半徑Rs，則可實(shí)現(xiàn)覆蓋連接。

為使部署結(jié)果能夠在滿足可靠覆蓋的同時(shí)降低部署無人機(jī)的數(shù)量，部署約束如下：

1)約束1：無人機(jī)控制器與任務(wù)平臺間的距離應(yīng)小于無人機(jī)的通信范圍，才能實(shí)現(xiàn)對任務(wù)平臺的覆蓋連接，并表示如下：

di,j≤Rc,?i≠j

(1)

2)約束2：考慮復(fù)雜戰(zhàn)場條件下信道的質(zhì)量，要求平臺間的信噪比γi,k需大于設(shè)定的信噪比閾值Λth，并且閾值大小的設(shè)定需要衡量場景的實(shí)際需求，表示如下：

γi,k≥Λth

(2)

3)約束3：由于無人機(jī)控制器的狀態(tài)分為有效和無效，并且無效的無人機(jī)最終要被刪除，因此任務(wù)平臺需要與有效的無人機(jī)連接才能接收可靠的控制信息，表示如下：

bi,k≤ai,?i,k

(3)

4)約束4：無人機(jī)控制器所能連接的任務(wù)平臺數(shù)量受限于多方面因素[20]；如果所連接的任務(wù)平臺數(shù)量過多，則可能導(dǎo)致信息交互數(shù)量劇增而造成損壞的情況，因此每個(gè)控制平臺服務(wù)任務(wù)平臺的數(shù)量應(yīng)小于控制平臺的容量閾值Qmax，并表示如下：

(4)

5)約束5：控制平面的連通是確保控制信息一致性的基礎(chǔ)，為增強(qiáng)控制平面的可靠性，設(shè)定每個(gè)控制平臺至少與另外2個(gè)控制平臺保持一跳連接(雙連接關(guān)系)，并且不能使機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的控制平面出現(xiàn)孤立的分區(qū)，表示如下：

(5)

6)約束6：任務(wù)平臺只需與控制平面保持一條連接，通過該條鏈路接收控制信息。此約束能避免多個(gè)控制平臺同時(shí)控制一個(gè)任務(wù)平臺，減少控制資源的浪費(fèi)，表示如下：

(6)

2.1.2 部署性能評估參數(shù)

在本文中，可靠性指標(biāo)用部署結(jié)果中未被覆蓋的任務(wù)平臺比例進(jìn)行評定，部署成本開銷指標(biāo)用最終部署無人機(jī)控制器的數(shù)量進(jìn)行評定。

1)可靠性。由于在進(jìn)行部署的過程中，少數(shù)任務(wù)平臺與控制平臺會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的斷開，因此設(shè)定如果部署過程中未被覆蓋的任務(wù)平臺比例小于閾值τ，則滿足可靠性要求，并用式(7)評判部署結(jié)果的可靠性性能：

(7)

2)部署成本開銷。本文采用部署控制平臺數(shù)量評判網(wǎng)絡(luò)的部署成本開銷指標(biāo)，即部署結(jié)果中處于活躍狀態(tài)的控制平臺數(shù)量，用式(8)表示：

(8)

2.2 初步部署算法PDA

根據(jù)任務(wù)平臺的分布特征，可以得出初步的部署結(jié)果以及各平臺的連接關(guān)系，算法1描述如下：

輸入：任務(wù)平臺分布特征

輸出：矩陣a、b、c，集合Ω、θ

1)根據(jù)任務(wù)平臺的分布特征放置控制平臺

2)初始化各平臺的狀態(tài)及相應(yīng)的參數(shù)符號值

3)Ωi=0，ai=1，?i∈U

4)θk=0，?k∈M，Gr=U，Gf=?

5)for?i∈Uand ?j∈Udo

6)計(jì)算控制平臺i與控制平臺j間的距離di,j

7)ifdi,j≤Rc

8)ci,j=1

9) elseci,j=0

10) end if

11)end for

12)for ?i∈U and ?k∈Mdo

13) 計(jì)算控制平臺i與任務(wù)平臺k間的γi,k

14) ifγi,k≥Λth

15)bi,k=1，Ωi=Ωi+1，θk=θk+1

16) elsebi,k=0

17) end if

18)end for

算法第1～4行表示根據(jù)任務(wù)平臺的分布特征，在任務(wù)子區(qū)域的中心初步部署控制平臺，初始化最初部署的所有控制平臺均為有效狀態(tài)，各任務(wù)平臺所連接的控制平臺數(shù)為0，循環(huán)迭代前未被刪除的冗余控制平臺集合Gf為空集。

第5～10行通過計(jì)算控制平臺間的距離，根據(jù)約束1中的相鄰控制平臺間的距離應(yīng)在其通信范圍內(nèi)，得出矩陣c=[ci,j]N×N。

第11～17行表示控制平臺與任務(wù)平臺間的信噪比γi,k并與閾值Λth對比，根據(jù)約束6中使任務(wù)平臺連接的控制平臺數(shù)量最少，可以得出矩陣b=[bi,k]N×M，并且可以得出控制平臺所控制的任務(wù)平臺集合Ω和任務(wù)平臺所連接的控制平臺集合θ。

2.3 基于連接關(guān)系的冗余判定算法RDCR

針對約束2中的平臺間信噪比γi,k須大于閾值Λth、約束3中的任務(wù)平臺須與有效控制平臺連接、約束4中的控制平臺連接數(shù)須小于容量閾值Qmax，對2.2節(jié)得出的控制平臺所控制的任務(wù)平臺集合Ω、任務(wù)平臺所連接的控制平臺集合θ進(jìn)行分析；對于θ>1的任務(wù)平臺則認(rèn)為其存在冗余連接，設(shè)計(jì)冗余判定算法得出冗余控制平臺，算法2如下：

輸入：集合Ω、θ

輸出：冗余控制平臺(矩陣a)

1)while(θ>1)do

2) 找出Ω值最大的控制平臺并標(biāo)記為μ

3) 找到所有與控制平臺μ相連的任務(wù)平臺，并用集合A表示

4) 記錄A中所有任務(wù)平臺的θ值，并用集合B表示

5) while(A中包含的任務(wù)平臺個(gè)數(shù)大于Qmax)do

6) 尋找與控制平臺μ相連中

θ值最大的任務(wù)平臺并刪除

7) 更新A和B

8) end while

9) 刪除A中任務(wù)平臺與其他控制平臺的連接

只保留其與控制平臺μ的連接

10) 更新b=[bi,k]N×M，Ω和θ

11)end while

12)依據(jù)b=[bi,k]N×M得出a=[ai]1×N

算法第1～4行表示首先找出Ω值最大的控制平臺并標(biāo)記為μ，將其與容量閾值Qmax比較。

第5～8行表示如果Ωμ大于Qmax，則說明控制平臺μ所控制的任務(wù)平臺數(shù)超出了容量閾值Qmax，需要?jiǎng)h除其中部分連接。本文考慮刪除與控制平臺μ相連中θ值最大的任務(wù)平臺(認(rèn)為θ值越大的任務(wù)平臺，與其他控制平臺相連的選擇更多)，循環(huán)刪除直到Ωμ小于Qmax。

第9行表示針對Ωμ小于Qmax，對控制平臺μ連接的任務(wù)平臺作如下處理：只保留其與控制平臺μ的連接，刪除其與其他控制平臺的連接，這將使任務(wù)平臺只與1個(gè)控制平臺連接，控制器資源得到充分利用。

第10～12行表示在刪除過程中及時(shí)更新矩陣b=[bi,k]N×M、c=[ci,j]N×N、Ω、θ，直到所有平臺均滿足約束2、3、4，得出初步部署中存在的冗余控制平臺。

2.4 基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法RDNC

針對約束5中網(wǎng)絡(luò)模型中的控制平臺應(yīng)滿足雙連接關(guān)系、不能出現(xiàn)孤立的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)情況，對得出的冗余控制平臺進(jìn)行循環(huán)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法，得出部署結(jié)果。算法3如下：

輸入：控制平臺數(shù)N，控制平臺i，矩陣c、a

輸出：條件變量z

1)初始化：z=1

2)根據(jù)c和a得出控制平臺i與

其他控制平臺的所有連接集合Γ

3)for ?p∈Γdo

4) 根據(jù)矩陣c，在Γ中尋找出除p之外的連接

5) if存在除p之外的連接

6) 遍歷Γ，重復(fù)此過程

7) else

8)z=0 and break

9) end if

10)end for

11)if冗余控制平臺q滿足雙連接關(guān)系

12) 令控制平臺q的發(fā)射功率為零

13)aq=0,ci,q=cq,i=0

14) if網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)孤立分區(qū)

15)aq=1

16) else if其他冗余控制平臺能被刪除

17) 刪除控制平臺q

18) 更新未被刪除冗余控制平臺集合Gr

19) else

20)aq=1

21) end if

22) end if

23) if未覆蓋率大于τ

24)aq=1

25) elseaq=0

26) end if

27)end if

算法第1～10行表示對于經(jīng)過上述兩階段得出的a=[ai]1×N和c=[ci,j]N×N，針對約束5中的雙連接關(guān)系約束，對每個(gè)控制平臺進(jìn)行遍歷搜索，確定可以被刪除的控制平臺。

第11～15行表示對于滿足約束5中雙連接關(guān)系約束的平臺，對約束5中不能出現(xiàn)孤立分區(qū)約束進(jìn)行驗(yàn)證。

第16～22行表示對于出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)孤立分區(qū)的情況，考慮刪除順序?qū)ψ罱K刪除結(jié)果的影響，循環(huán)驗(yàn)證能被刪除的控制平臺，使得最終未滿足部署約束的冗余控制平臺集合Gr=?。

第23～27行表示對刪除過程中未被覆蓋的任務(wù)平臺比例進(jìn)行判定，如果一個(gè)冗余控制平臺被刪除后，導(dǎo)致未被覆蓋的任務(wù)平臺比例超過閾值τ，則將其保留不予刪除。

為了更好地解釋刪除過程，對照圖1進(jìn)行說明。假設(shè)依據(jù)a=[ai]1×N得出控制平臺1、2、3、4、5均為冗余控制平臺，其余均為有效控制平臺。對于實(shí)際刪除過程中可能出現(xiàn)的情況，說明如下：

情況1：如果控制平臺4或6被刪除，將導(dǎo)致控制平臺5或7只能與一個(gè)控制平臺保持一跳連接，不滿足約束5中的雙連接關(guān)系約束；

情況2：如果控制平臺3被刪除，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)部署出現(xiàn)孤立的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，不滿足約束5中避免出現(xiàn)孤立分區(qū)約束；

情況3：對于相連接的冗余控制平臺，則存在刪除順序的影響。如果考慮先刪除控制平臺2，則將導(dǎo)致控制平臺1只能與一個(gè)控制平臺保持一跳連接，不滿足約束5中的雙連接關(guān)系約束，導(dǎo)致無法刪除；然而如果考慮先刪除控制平臺1，則控制平臺2也可以被順利刪除。

圖1 刪除冗余控制平臺的舉例說明

3 仿真結(jié)果與分析

基于1.1節(jié)中的場景描述，將本文策略與基于全域覆蓋的控制器部署策略CDSGC進(jìn)行仿真對比分析。由于平臺間的信噪比與平臺間實(shí)際接收的功率和噪聲功率有關(guān)。為簡化研究，本文認(rèn)為如果任務(wù)平臺與在控制平臺的通信范圍內(nèi)，則認(rèn)為兩平臺間的信噪比大于閾值Λth，即能夠保證正常的可靠通信。仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

3.1 初步部署

首先在1 000 km×1 000 km的任務(wù)區(qū)域中，隨機(jī)部署200個(gè)任務(wù)平臺(圖2～4)，根據(jù)任務(wù)平臺的主要分布特征，結(jié)合無人機(jī)控制平臺的通信半徑，在任務(wù)子區(qū)域的中心(即小正方形區(qū)域的中心)初步部署16個(gè)控制平臺，以實(shí)現(xiàn)對任務(wù)平臺的全面覆蓋連接。

圖2表示將機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行任務(wù)的多個(gè)編隊(duì)類比為隨機(jī)產(chǎn)生的200個(gè)點(diǎn)，即為任務(wù)平臺構(gòu)成數(shù)據(jù)平面。圖3表示根據(jù)任務(wù)區(qū)域的大小和任務(wù)平臺的分布特征，考慮在任務(wù)區(qū)域中的任務(wù)子區(qū)域中心(即小正方形區(qū)域的中心)初步部署無人機(jī)。圖4表示各控制平臺連接各自子區(qū)域內(nèi)的任務(wù)平臺，形成初步的網(wǎng)絡(luò)連接部署關(guān)系。

圖2 隨機(jī)分布的任務(wù)平臺

圖3 初步部署控制平臺

圖4 初步連接部署圖

3.2 判定冗余控制平臺

對于初步部署的控制平臺，通過2.3節(jié)中的基于連接關(guān)系的冗余判定算法RDCR進(jìn)行求解，可以判定得出網(wǎng)絡(luò)中存在的冗余控制平臺。

根據(jù)UAV-CDSRD的思想，逐步求解并判定初步部署中的冗余控制平臺，迭代判定過程如圖5所示。

1)首先依據(jù)控制平臺與任務(wù)平臺間的距離和平臺的通信范圍確定平臺間的連接關(guān)系，得出控制平臺i與任務(wù)平臺k的連接狀態(tài)關(guān)系矩陣b=[bi,k]N×M和控制平臺i與控制平臺j間的連接狀態(tài)關(guān)系矩陣c=[ci,j]N×N；

2)然后考慮使有效控制平臺所控制的任務(wù)平臺集合Ω達(dá)到最大，且不超過設(shè)定的控制器容量閾值Qmax，此做法目的是使控制器的資源利用率達(dá)到最大以盡可能減少部署控制器的數(shù)量；

3)對于任務(wù)平臺所連接的控制平臺集合θ，考慮每個(gè)任務(wù)平臺至多只能被一個(gè)控制平臺連接，使控制器資源利用率盡可能達(dá)到最大，以減少最終部署的控制平臺數(shù)量；

經(jīng)過上述步驟依次得出了冗余控制平臺6、7、9、15。

圖5 判定冗余控制平臺過程示意圖

3.3 刪除冗余控制平臺

對于3.2中的冗余控制平臺，有些能夠進(jìn)行簡單的刪除(圖6)，而有些則需要考慮2.4節(jié)描述中可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行循環(huán)驗(yàn)證刪除。

圖6 刪除冗余控制平臺部署圖

圖6表示依據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法RDNC，循環(huán)驗(yàn)證部署結(jié)果是否滿足部署約束，得出刪除結(jié)果。對于上述判斷得出的冗余控制平臺，需要考慮刪除過程中可能出現(xiàn)的3種情況(鄰居控制該平臺數(shù)、出現(xiàn)通信孤立分區(qū)、刪除順序的影響)，并通過循環(huán)驗(yàn)證判斷其是否能夠刪除，直到滿足算法3中的Gr=??？梢钥闯觯瑢τ诮?jīng)過上述過程判定得出的冗余控制平臺，將其全部刪除后，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)孤立分區(qū)的連接，并且能被順利刪除。

3.4 策略對比分析

由于目前針對此類問題的相關(guān)部署策略和算法研究較少，很難進(jìn)行多個(gè)策略的對比分析。因此，為說明本文策略的有效性及實(shí)用性，將本文策略得出的部署結(jié)果與基于全域覆蓋的控制器部署策略CDSGC得出的部署結(jié)果進(jìn)行對比見圖7。

圖7 不同策略得出的網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)果對比圖

圖7(a)表示通過本文UAV-CDSRD得出的部署結(jié)果；圖7(b)表示通過CDSGC得出的部署結(jié)果。CDSGC根據(jù)任務(wù)區(qū)域的特征以及控制平臺的通信半徑，考慮控制平面的可靠連接和控制容量等因素，在合適位置部署一定數(shù)量的控制平臺，實(shí)現(xiàn)對所有任務(wù)平臺可靠覆蓋連接，優(yōu)化機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的可靠性性能(圖8)。

圖8為針對1.1節(jié)中的場景，2種策略在部署過程中，任務(wù)平臺的覆蓋率對比和最終部署無人機(jī)數(shù)量對比圖。對比圖反應(yīng)了2種策略的部署可靠性和部署成本開銷性能指標(biāo)的關(guān)系，通過對比可以看出：CDSGC能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)平臺全面可靠連接，但未能使控制器的資源利用率盡可能最大以降低部署成本開銷。本文的UAV-CDSRD，雖然在迭代過程中造成對少數(shù)任務(wù)平臺的暫時(shí)斷開，但均未超出閾值，滿足可靠性指標(biāo)；并且其控制器的資源利用率有較大的提升，使部署的無人機(jī)控制器數(shù)量減少了25%，有效降低了部署成本開銷。因此，本文所提策略更能降低高動(dòng)態(tài)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的部署成本，有效提升作戰(zhàn)性能。

圖8 2種策略的部署性能對比圖

4 結(jié)語

本文將靈活易部署的無人機(jī)引入機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的控制器部署問題，使其搭載控制器構(gòu)成邏輯集中的控制平面，對有人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行可靠管控；綜合衡量可靠性和部署成本開銷指標(biāo)，將其抽象為多目標(biāo)優(yōu)化問題，提出了一種基于冗余刪除的無人機(jī)控制器部署策略。通過設(shè)計(jì)的初步部署算法PDA、基于連接關(guān)系的冗余判定算法RDCR和基于網(wǎng)絡(luò)連通的冗余刪除算法RDNC，對初始布設(shè)的控制平臺進(jìn)行冗余刪除，從而減少部署無人機(jī)控制器的數(shù)量。仿真結(jié)果證明了冗余刪除策略的有效性和實(shí)用性。