Оптимизация размещения беспилотных летательных аппаратов для покрытия территории в транкинговых системах связи

Аннотация

Введение: значимость размещения БПЛА для беспроводного покрытия территории возрастает в условиях сложного рельефа, влияющего на распространение сигнала. Цель: разработать и провести сравнительный анализ методов минимизации числа БПЛА, гарантирующих покрытие дискретной области с учетом рельефа, на основе комбинирования жадных эвристик и стратегий декомпозиции пространства. Результаты: для каждой клетки сетки высот предварительно вычислен максимальный радиус действия БПЛА по модели Окумуры – Хата. Предложены три жадных алгоритма, отличиями которых являются критерии выбора позиции: максимизация числа покрытых клеток внутри области с минимизацией внешнего покрытия; приоритетная минимизация внешнего покрытия; максимизация радиуса без учета границ. На их основе реализованы три варианта декомпозиции рабочей зоны: вертикальное, горизонтальное и квадрантное разбиение с перекрытием, – при которых каждая подобласть обрабатывается независимо с последующим объединением решений. Эксперименты на случайных картах высот 20×20 показали, что базовый алгоритм с приоритетом покрытия внутренних клеток использует в среднем 42 БПЛА и создает 85,2 внешней точки. Алгоритм, минимизирующий внешнюю площадь, снижает ее до 70,5, но требует 56 БПЛА. Максимизация радиуса дает 42 БПЛА при наибольшем внешнем покрытии (94,4). Квадрантное разбиение показало 42 БПЛА и 82,7 внешней точки, что на 2,5 точки меньше базового при сохранении числа аппаратов. Вертикальное разбиение снизило число БПЛА до 41, но не улучшило внешнюю площадь, горизонтальное оказалось наименее эффективным. Практическая значимость: декомпозиция области с перекрытием и выбор оптимальной стратегии для каждой подобласти повышают качество размещения. Квадрантное разбиение демонстрирует лучший компромисс между числом БПЛА и нежелательным излучением, а также наименьший разброс показателей. Предложенные методы могут служить основой для формирования начальных популяций в генетических алгоритмах с целью поиска глобально оптимальных конфигураций сетей на базе БПЛА.