一种通感一体化网络中多目标协同跟踪方法与流程

1.本发明属于网络通信领域，具体涉及一种通感一体化网络中多目标协同跟踪方法。

背景技术：

2.随着低空开放政策的推进和无人机产业的发展，低空空域的有效利用具有巨大的应用潜力和社会经济价值。而目前对低空活动无人机缺乏有效的跟踪和管控，难以保障低空无人机的正常运行，严重制约了低空空域的有效利用。通过部署感知装备，进行低空空域的全覆盖感知，需要极高的部署成本和运行成本。随着移动通信、目标感知和信息技术的蓬勃发展，未来的移动通信系统将兼具通信、感知等多维度能力。作为移动通信网络最主要的节点，通过在原有基础上增加感知功能，形成通感一体化，在辅助通信性能提升的同时，可以对低空目标进行实时的感知和跟踪，并基于目标感知信息，进行有效的低空空域管控。
3.由于的通信和感知两种模式共享资源，因此在满足通信要求的前提下，分配给感知模式的资源较为有限。同时，的密集部署虽然满足了对低空空域全覆盖的需求，也使得无人机等低空目标可以同时被多个感知跟踪，从而产生多个跟踪相同目标所引起的资源浪费。因此，网络有必要对多个通感一体化的跟踪目标进行协同优化设计，在有限感知资源的约束下，最大化网络整体的跟踪效能，以实现有效的目标跟踪和低空空域管控。
4.目前，尚未有针对通感一体化网络的多目标协同跟踪方法设计研究。

技术实现要素：

5.为克服现有技术中的不足，本发明针对通感一体化网络，提出了一种多目标协同跟踪方法，实现了在感知工作模式下，对跟踪资源的有效协同优化，达到和跟踪目标之间的合理匹配，极大提升了网络整体的跟踪效能。具体包括以下步骤：
6.(10)的通信感知资源分配：通过对环境的感知，基于终端用户数目及信息，将资源进行划分，其中一部分用于满足通信业务需求，另一部分资源用于目标感知；将分配好的资源上报至中心控制器；
7.(20)中心控制器设定跟踪策略：中心控制器根据上传的无人机目标的位置以及各个所分配的跟踪资源，设定间的多目标协同跟踪方案，并将该方案下发至各个；
8.(30)各进行通信感知：在复用相同的硬件资源的基础上，基于分配好的通感资源分别进行通信和感知服务进行；其中，目标感知包括搜索和跟踪两种模式，在搜索模式下，对其所覆盖空域进行周期性搜索；在跟踪模式下，根据中心控制器所下发的跟踪方案，对相应的无人机目标进行跟踪，并将目标的感知信息上传至中心控制器，进行集中处理。
9.本发明的有益效果在于
10.本发明与现有技术相比，其显著优点如下：根据不同目标的跟踪价值不同，以及不同跟踪相同目标所产生的冲突情况，通过间的协同跟踪方案设计，有效的解决了多跟踪相同目标所造成资源浪费的问题，实现了对高价值目标的有效跟踪，有效的提升了网络整体的跟踪效能，增强了对低空空域的管控能力。
附图说明
11.图1是本发明的整体工作处理流程框图。
12.图2是本发明的网络系统模型示意图。
13.图3是步骤中心控制器设计跟踪策略的算法流程图。
14.图4是本发明方法与两种启发式方法在不同感知范围下的性能对比图。
具体实施方式
15.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.如图1所示，本发明的整体流程包括如下步骤：
17.(10)的通信感知资源分配：通过对环境的感知，基于终端用户数目等信息，将时间等资源进行划分，其中一部分用于满足通信业务需求，另一部分资源用于目标感知；将分配好的资源上报至中心控制器。其网络系统模型图如图2所示。具体为：
18.(11)网络中每一个m对环境进行感知，根据终端数目及业务需求等信息，给通信需求的服务分配相应的资源，记为t
m,c
。m一个通感周期内所包含的资源记为tm，则用于感知的资源为：t
m-t
m,c
。
19.(12)在感知模式下，采用跟踪加搜索(track and search,tas)方案，其中m搜索需要的资源记为t
m,s
，则可以用于跟踪目标的资源为：t
m,t
＝t
m-t
m,c-t
m,s
。
20.(13)m将其可用于跟踪目标的资源t
m,t
上传至中心控制器。
21.(20)中心控制器设定跟踪策略：中心控制器根据上传的无人机目标的位置以及各个所分配的跟踪资源，设计间的多目标协同跟踪方案，并将该方案下发至各个。具体为：
22.(21)将上一个通感周期，中心控制器所获取的无人机目标集合{1,2,...u}和区域内集合{1,2,...m}之间的连接矩阵定义为：c∈{0,1}m×u，其中元素c
m,u
＝1表示无人机u在m的感知范围内，c
m,u
＝0则表示人机u不在m的感知范围内。
23.(22)不同无人机具有不同的跟踪价值，其中pu表示无人机u的跟踪价值。同时，不同无人机具有不同的跟踪数据率要求，因此所消耗的感知资源也不相同，其中wu表示一个通感周期内跟踪无人机u所需要消耗的感知资源。
24.(23)中心控制器需要在跟踪资源的约束下，通过设计优化协同跟踪策略，最大化网络总的跟踪效能。该优化问题可以写成如下形式：
[0025][0026][0027][0028]
其中a
m,u
为m对无人机u的跟踪方案，a
m,u
＝1表示m跟踪无人机u，a
m,u
＝0则表示m不跟踪无人机u。优化问题p1的目标函数为网络总的跟踪效能，第二个约束为m的跟踪资源约束。
[0029]
(24)中心控制器通过求解优化问题p1获得协同感知方案，流程图如图3所示，具体步骤如下：
[0030]
(241)中心控制器初始化自己的跟踪方案{a
m,u
}：
[0031]
(242)对于每个m可以跟踪的无人机目标u，将跟踪价值和跟踪资源之比即单位跟踪价值按降序排列。
[0032]
(243)对于所有和无人机，在感知资源足够的情况下，选择最大的单位跟踪价值进行和无人机的匹配，即选择满足c
m,u
＝1,a
m,u
＝0且最大的一个-无人机对(m,u)，令m跟踪无人机u，即a
m,u
＝1，并更新m剩下的感知资源及网络的感知方案{a
m,u
}。
[0033]
(244)中心控制器重复步骤(243)，直至所有的感知资源不足以再对任意一个尚未被跟踪的目标进行跟踪，获得最终的跟踪方案{a
m,u
}。
[0034]
(30)各进行通信感知：在复用相同的硬件资源的基础上，基于分配好的通感资源分别进行通信和感知服务进行。其中，目标感知包括搜索和跟踪两种模式。在搜索模式下，对其所覆盖空域进行周期性搜索；在跟踪模式下，根据中心控制器所下发的跟踪方案，对相应的无人机目标进行跟踪。并将目标的感知信息上传至中心控制器，进行集中处理。具体为：
[0035]
(31)根据分配好的通信资源和感知资源，分别进行通信服务和感知服务。
[0036]
(32)在感知模式下，将收到的回波信号进行传统目标感知中的信号处理和数据处理，获得目标的信息，如位置信息等。
[0037]
(33)将感知获取的目标信息上传至中心控制器，中心控制器将上传的信息进行融合处理，形成对附近空域的基础态势，并进行相应的空域管控。
[0038]
本发明提出的多目标协同跟踪方法，与随机跟踪方法和分布式跟踪方法相比，可以极大的提升网络整体的跟踪效能，提高感知资源的利用率。其中随机跟踪方法是指随机选择其覆盖空域内的无人机进行跟踪，分布式跟踪方法指分布式的选择其覆盖空域内累积跟踪价值最高的无人机进行跟踪。
[0039]
图4对比了本发明提出的多目标协同跟踪方法与其它两种启发式跟踪算法在不同感知范围下的性能比较。可以看出，本发明提出的多目标协同跟踪方法性能始终优于其它两种跟踪方法。尤其是在感知范围增大的情况下，本发明提出的多目标协同跟踪方法
性能要远优于其它两种跟踪方法。这是因为随着感知范围增大，之间感知空域的范围重叠增加，耦合性变强。此时由于协同跟踪方法可以避免冲突，提高跟踪资源利用率，因此性能要远优于其它两种方法。
[0040]
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种通感一体化网络中多目标协同跟踪方法，其特征在于：包括如下步骤：(10)的通信感知资源分配：通过对环境的感知，基于终端用户数目及信息，将资源进行划分，其中一部分用于满足通信业务需求，另一部分资源用于目标感知；将分配好的资源上报至中心控制器；(20)中心控制器设定跟踪策略：中心控制器根据上传的无人机目标的位置以及各个所分配的跟踪资源，设定间的多目标协同跟踪方案，并将该方案下发至各个；(30)各进行通信感知：在复用相同的硬件资源的基础上，基于分配好的通感资源分别进行通信和感知服务进行；其中，目标感知包括搜索和跟踪两种模式，在搜索模式下，对其所覆盖空域进行周期性搜索；在跟踪模式下，根据中心控制器所下发的跟踪方案，对相应的无人机目标进行跟踪，并将目标的感知信息上传至中心控制器，进行集中处理。2.根据权利要求1所述的一种通感一体化网络中多目标协同跟踪方法，其特征在于：所述步骤(10)的通信感知资源分配具体包括：(11)网络中每一个m对环境进行感知，根据终端数目及业务需求及信息，给通信需求的服务分配相应的资源，记为t
m,c
，m一个通感周期内所包含的资源记为t
m
，则用于感知的资源为：t
m-t
m,c
；(12)在感知模式下，采用跟踪加搜索方式，其中m搜索需要的资源记为t
m,s
，则可以用于跟踪目标的资源为：t
m,t
＝t
m-t
m,c-t
m,s
；(13)m将其可用于跟踪目标的资源t
m,t
上传至中心控制器。3.根据权利要求1所述的一种通感一体化网络中多目标协同跟踪方法，其特征在于：所述步骤(20)中心控制器设定跟踪策略具体包括：(21)将上一个通感周期，中心控制器所获取的无人机目标集合{1,2,...u}和区域内集合{1,2,...m}之间的连接矩阵定义为：c∈{0,1}
m
×
u
，其中元素c
m,u
＝1表示无人机u在m的感知范围内，c
m,u
＝0则表示人机u不在m的感知范围内；(22)不同无人机具有不同的跟踪价值，p
u
表示无人机u的跟踪价值，同时，不同无人机具有不同的跟踪数据率要求，因此所消耗的感知资源也不相同，w
u
表示一个通感周期内跟踪无人机u所需要消耗的感知资源；(23)中心控制器在跟踪资源的约束下，优化协同跟踪策略，获得最大化网络总的跟踪效能：p1:p1:p1:其中a
m,u
为m对无人机u的跟踪方案，a
m,u
＝1表示m跟踪无人机u，a
m,u
＝0则表示m不跟踪无人机u；优化问题p1的目标函数为网络总的跟踪效能，第二个约束为m的
跟踪资源约束；(24)中心控制器通过求解优化问题p1获得协同感知方案。4.根据权利要求1所述的通感一体化网络中多目标协同跟踪方法，其特征在于：所述步骤(30)通信感知时分工作具体包括：(31)根据分配好的通信资源和感知资源，分别进行通信服务和感知服务；(32)在感知模式下，将收到的回波信号进行传统目标感知中的信号处理和数据处理，获得目标的信息；(33)将感知获取的目标信息上传至中心控制器，中心控制器将上传的信息进行融合处理，形成对附近空域的基础态势，并进行相应的空域管控。5.根据权利要求3所述的通感一体化网络中多目标协同跟踪方法，其特征在于：所述步骤(24)中心控制器通过求解优化问题p1获得协同感知方案，具体包括：(241)中心控制器初始化自己的跟踪方案(242)对于每个m可以跟踪的无人机目标u，将跟踪价值和跟踪资源之比即单位跟踪价值按降序排列；(243)对于所有和无人机，在感知资源足够的情况下，选择最大的单位跟踪价值进行和无人机的匹配，即选择满足c
m,u
＝1,a
m,u
＝0且最大的一个-无人机对(m,u)，令m跟踪无人机u，即a
m,u
＝1，并更新m剩下的感知资源及网络的感知方案{a
m,u
}；(244)中心控制器重复步骤(243)，直至所有的感知资源不足以再对任意一个尚未被跟踪的目标进行跟踪，获得最终的跟踪方案{a
m,u
}。

技术总结

由于的通信和感知两种模式共享资源，因此在满足通信要求的前提下，分配给感知模式的资源较为有限。同时，的密集部署虽然满足了对低空空域全覆盖的需求，也使得无人机等低空目标可以同时被多个感知跟踪，从而产生多个跟踪相同目标所引起的资源浪费。为克服现有技术中的不足，本发明针对通感一体化网络，提出了一种多目标协同跟踪方法，实现了在感知工作模式下，对跟踪资源的有效协同优化，达到和跟踪目标之间的合理匹配，极大提升了网络整体的跟踪效能。极大提升了网络整体的跟踪效能。极大提升了网络整体的跟踪效能。