无人机辅助物联网信息年龄最小化研究

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无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)凭借其灵活性、机动性和低成本等优势,在物联网(Internet of Things,Io T)网络实时应用中发挥关键作用。在智能交通,灾难救助等应用中,要求将Io T设备生成的实时数据尽可能新鲜地传递给接收器,因此,保证接收数据的及时性对无人机辅助物联网系统是一个巨大挑战。本文利用信息年龄(Age of Information,Ao I)来衡量无人机从物联网设备接收到的数据的新鲜度。本文分别研究了无人机能源受限和无人机对Io T设备无线供电情况下的信息采集问题,通过最小化信息年龄,以保证采集信息的新鲜度。具体工作如下:(1)本文提出一种物联网系统中无人机能源受限的信息采集问题。现有研究在无人机采集信息问题上只考虑Io T设备信息年龄最小化,并没有考虑无人机的能耗问题或无人机的能量并没有得到充分利用,这使得Io T设备中总体的Ao I过高。本文通过联合优化无人机轨迹和无人机与物联网设备的关联策略以最小化信息年龄加权和,并保证无人机累积飞行能量消耗满足预算要求。由于上述问题同时受短期和长期约束条件的限制,本文将问题建模为受约束的马尔可夫决策过程,并利用Safe Actor-Critic来求解。大量仿真结果表明,与其他强化学习(RL)算法相比,本文所提算法在有效地保证UAV能量预算的同时,实现信息年龄最小化。(2)在新兴的IoT网络中,由于电池容量有限,能源受限设备的寿命无法得到保证。本文研究了一种基于无人机的多用户无线电能传输系统,该系统利用一个安装在UAV上的能量发射器,为地面上的多个Io T设备进行充电,同时无人机向地面Io T设备采集信息,为保证信息的及时性,本文利用信息年龄来衡量无人机接收数据的新鲜度。通过联合优化无人机轨迹,能量传输以及资源分配策略以最小化地面所有Io T设备的信息年龄,本文将问题建模为马尔可夫决策过程,并利用Soft Actor-Critic来求解。仿真结果表明,本文所提算法在性能方面具有更高收益。
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