无人机通信中基于短包传输的能_谱效折中优化.pdf

第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：基金项目：国家自然科学基金（）；空军工程大学校长基金（）资助课题通讯作者引用格式：韩蕙竹，黄仰超，胡航，等无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化系统工程与电子技术，（）：犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋：，（）：无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化韩蕙竹，黄仰超，胡航，安琪，刘世豪（空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 ）摘要：在基于认知物联网的无人机（，）辅助通信中，频谱效率（，）和能量效率（，）的优化问题备受关注。针对低延迟高可靠性的通信需求，分析认知通信中的短包传输问题。与传统认知网络相比，基于短包传输的通信存在不可忽视的包错误率。通过研究包错误率、感知时间和发射功率对和的影响，证明了和关于感知时间和发射功率的最大值无法同时获得。在此基础上，提出高效的联合优化算法实现了的折中优化。数值和仿真结果证明了理论分析的正确性，并验证了所提算法的有效性。关键词：无人机；认知；短包通信；频谱效率；能量效率中图分类号：文献标志码：犇犗犐：犈狀 犲 狉 犵 狔 狊 狆 犲 犮 狋 狉 狌犿犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 犮 狔狋 狉 犪 犱 犲 狅 犳 犳狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狊 犺 狅 狉 狋狆 犪 犮 犽 犲 狋狋 狉 犪 狀 狊犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀犻 狀犝犃犞犮 狅犿犿狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 ，（犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犪 狀犱犖犪 狏 犻 犵犪 狋 犻 狅 狀，犃 犻 狉犉狅 狉 犮 犲犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犡犻犪 狀 ，犆犺 犻 狀 犪）犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（），（）（）（），（），犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊：（）；（）；（）；（）引言随着物联网技术的飞速发展，数据业务急剧增长，对网络的需求量也越来越高，这也为无线通信网络的发展带来严峻的挑战。高能量效率（，）和高频谱效率（，）是物联网的发展趋势。近年来，无线通信传输中的用户数量增长迅速，且未被充分利用的授权频谱较多，导致频谱资源的利用率不高。物联网的应用包括工业自动化、无线传感器网络、智能交通、智慧医疗等。当前，第代移动通信具有三大应用场景，分别是大规第期韩蕙竹等：无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化 模的机器通信、超可靠低时延通信及增强移动宽带通信，在前两种通信场景下，数据通常以短包形式进行传输。无人机（，）是一种可自主操控的飞行器，因其操作简单、适用范围广，在军事和民用场景下备受关注。与传统的地面通信系统相比，凭借其高机动特性，在部署和配置方面更加迅速和灵活，具有更高的成本效益。近年来，用移动代替传统基站可以有效降低建设成本。空中基站不仅可以控制与地面接收机之间的距离，还可以最大限度地利用有限的无线电资源。因此，当前对的需求越来越迫切。然而，因其电池能量受限，工作时间和通信能力降低，故提升的是物联网通信研究的热点。与静态频谱分配不同，动态频谱接入策略通过感知技术，充分利用空闲频谱资源，有效地提高频谱利用率。在动态频谱接入策略下，主用户（，）或授权用户对频谱具有优先使用权，次级用户（，）可对的忙闲状态进行频谱感知（，），在不影响授权用户性能的条件下，也可利用授权频段进行数据传输 。物联网通信的一个重要特点是采用短包进行信息传输，因此可有效降低数据传输的通信时延。在无线信号的传输过程中，信道和噪声都会对其产生影响。此外，数据的最大传输速率将受到数据包长度的影响。首先，当选择长度足够大的数据包进行通信传输时，由信道和噪声带来的差错影响可忽略不计；相反，当数据包长度较小时，信号接收端会产生相应的包错误率，此时由信道和噪声带来的影响不能忽略，故数据的通信容量比香农容量小 。与传统无线网络中的长包传输（即无限块长的编码通信）不同，采用短包进行数据通信会使信道编码的增益降低，但由于传输的低时延和高可靠性，短包通信（，）在近年来受到广泛应用。当以短包进行数据传输时，由于包长有限，不能忽略其在接收端的误码率。短包传输中，通信有效性指标和可靠性指标分别由最大传输速率和包错误率表示 。值得注意的是，当包长趋近于无穷大时，数据传输的误码率便可忽略不计。此时，的通信容量等效为传统的香农容量 。在文献 中，通过联合优化的发射功率、计算资源分配和分组，使地面基站的通信能量和的发射能量之和最小。由于通常受到尺寸的限制，因而电池容量的大小会使的能量受到约束。文献 利用迭代算法得到能量效率的最大值。在文献 中，通过联合优化发射功率和感知时间，得到最优的和。文献 在认知物联网通信场景下，通过联合优化感知时间和包错误率，使其有效吞吐量最大。文献 提出了在基于的半双工中继通信系统中，通过联合优化传输功率和数据包长，最大限度地提高系统传输的有效信息量。文献 提出了一种交替迭代优化（，）算法，通过优化传输功率和频谱感知时间进行资源分配。文献 分析了机器式通信（，）在传统协议和自动重复请求协议下的性能差异。文献 研究了满足阈值时的优化问题，文献 研究了约束下的最大化问题。以往大量研究都是基于优化或者展开的，通常情况下提升可能会使降低。针对此问题，在得到最大或者的前提下，的折中问题是本文研究的重点。在保护授权用户未受影响的前提下，通过感知其忙闲状态，确定是否与建立数据传输。首先，分别求得最大化和最大化下的包错误率、频谱感知时间和发射功率的局部最优解；然后，通过联合优化算法，得到最大化的和。在此基础上，根据两者的特性关系，求得折中问题的最优解。仿真结果验证了所提算法的有效性。系统模型基于的辅助通信系统模型如图所示。为了保证信息传输的低延迟和高可靠性，采用向次级用户接收机（，）传递信息。该模型包括一个主用户发射机（，）、多个主用户接收机（，）、一个旋翼和一个。在该通信系统中，假定与间以视距链路（，）进行数据通信，与间以非（，）进行交互，并且系统中的具有认知功能，在不影响的条件下，择机利用空闲频谱，为提供服务。图通信系统模型 本文考虑一个三维空间的笛卡尔坐标系，在以为中心的圆形区域边界飞行，飞行半径为犱狋，均匀分布在半径为犱狌的圆形区域内。通过实时监测授权用户的状态，动态利用授权频谱，在次级认知通信网络间进 系统工程与电子技术第 卷行信息传输。定义犎为避开实际地形或建筑物所需的最小飞行高度，飞行速度为狏。可对任意边界区域上的授权用户进行局部感知，为了充分利用时变信道，假设采用时分多址接入（，）协议为提供服务。与之间的水平距离为犱狋，因此，两者间的欧氏距离为犱狋 狌犎犱槡狋（）与之间的欧式距离为犱狌 狊 犱狋（）犎槡（）式中：表示在平面投影的飞行弧度。在只考虑信道中大尺度衰落影响的条件下，传输信道遵循自由空间路径损耗模型，故对的感知信道增益可表示为犺狋 狌犱狋 狌（）与之间的信道增益可表示为犺狌 狊犱狌 狊（）式中：表示单位距离下的信道增益。作为认知通信网络中的，通过实时监测授权用户的忙闲状态，避免对其造成干扰。采用频谱感知方法可有效提高频谱资源的利用率，的帧结构如图所示。通信时间为犖个符号周期，其中感知时间为犖狊个符号周期。在感知阶段对授权用户的状态进行感知，通过感知结果判断其是否接入的授权频谱并进行数据传输。图帧结构 犛犈优化虚警概率犘犳的定义为错误感知授权频带上存在的概率，检测概率犘犱表示正确感知授权频带上存在的概率。犘犳的值越大，表示频带利用率越低；犘犱的值越大，正确感知的概率越大，对产生的干扰越小。通过调整犘犳和犘犱的大小，不仅可以提高频谱利用率，还能减少对授权用户的干扰。在低信噪比（，）的场景下，为保护授权用户免受干扰带来的影响，目标检测概率犘犱的值应尽量接近。假设授权频谱的带宽为犅（单位：），根据文献 ，在给定的犘犳和犘犱下，犘犳和犘犱可以表示为犘犳犙狆槡犙（犘犱）狆犖狊犳狊槡（）犅（）犘犱犙狆槡犙（犘犳）狆犖狊犳狊槡烄烆烌烎犅（）式中：犳狊表示采样频率；狆为的感知；犙（狓）狓犲（狋）狋槡为标准正态分布的右尾函数；犘犳和犘犱均与犖狊有关。在一帧犖个符号周期时长内，感知时间为犖狊个符号周期，传输时间为犖犖狊个符号周期。根据文献 可知，在给定包错误率的条件下，数据的最大传输速率可以表示为（单位：）犚狓 （狓）犙（）犖犖槡狊犞槡烅烄烆烍烌烎狓（）式中：，；狓为处的接收；犞狓（狓）表示信道散度，狓，。在短包传输中，包错误率随机产生且严格大于。因此，用香农容量描述数据最大传输速率的性能指标不再合适。本文在同时考虑最大传输速率和包错误率的条件下，将吞吐量定义为：犜狓（）犚狓（犖犖犛）犖，狓，。当检测到为空闲状态时，到链路的数据传输速率为犚 （）犙（）犖犖槡狊犞槡（）当检测到为工作状态时，到链路的数据传输速率为犚 （）犙（）犖犖槡狊犞槡（）因此，当正确检测的空闲状态时，其到链路的吞吐量为犚（）（犖犖狊）犖，该情形发生的概率为（犘犳）犘（犎）；当错误检测的空闲状态时，其到链路的吞吐量为犚（）（犖犖狊）犖，该情形发生的概率为（犘犱）犘（犎）。其中，犘（犎）表示授权用户处于空闲状态时的概率，犘（犎）表示授权用户处于工作状态时的概率。综上所述，当处于工作状态时，通信链路的为 犖犖狊犖犚（）（犘犱）犘（犎）（）当处于空闲状态时，通信链路的为 犖犖狊犖犚（）（犘犳）犘（犎）（）结合式（）和式（），通信链路的平均为 。在 中，目标检测概率犘犱的值要大于。同时，为了使更好地利用授权频谱，避免干扰，犘（犎）的取值要足够小，即犚（犘犱）犘（犎）犚（犘犳）犘（犎）。因此，平均可近似表示为 犜（犘犳）犘（犎）（）式中：犜犖犖狊犖 （）犙（）犖犖槡狊槡（）犞（）（）式中：表示处的接收，犘狌犺狌 狊；犘狌表示的发射功率；表示平均噪声功率。第期韩蕙竹等：无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化 犈犈 犛犈模型优化考虑旋翼的通信模型，定义的感知功率为犘狊，悬停功率为犘犺，飞行功率为犘 ，犘 犘 ，其中犘 表示以最大速度狏 移动时的飞行功率。根据文献 可知：犘犺（犿狋犵）犱狀槡式中：犿狋表示旋翼的质量；犵表示重力加速度；犱和狀分别表示旋翼的半径和数量；表示空气密度，故的功耗可表示为犘犘犘犘（）式中：犘犖狊（犘狊犘犺犘 ）犖犘（犖犖狊）（犘 犘犺犘狌）犖犘犘（犎）（犘犳）（犘犱）（犘（犎）结合式（）和式（），可以表示为犘（）为了平衡与之间的关系，定义（），则折中的一般性问题可表示为：（，犖狊，犘狌）犘狌犘 犖狊犖犘犱犘犱犘犳犘烅烄烆犳（）式中：，犖狊和犘狌为目标函数（）的优化变量，犘 表示的最大发射功率，为平衡因子，满足。当时，（）为能效最大化问题；当时，（）为谱效最大化问题。优化问题求解本文通过联合优化包错误率，感知时间犖狊和发射功率犘狌来解决（）中的最优化问题。第一步，理论证明分别存在最优的，犖狊和犘狌使和最大；第二步，通过最优求解算法分别得到相应的最优解；最后，通过本文所提算法得到折中问题的最优解。下面将（）划分为（）、（）、（）并逐一求解，分别研究相应的单调性和凹凸特性。包错误率优化在给定感知时间犖狊和发射功率犘狌下，分析包错误率对（）的影响，将问题描述为（），即（）：（）犘犱犘犱犘犳犘烅烄烆犳（）式中：犙（）犖犖槡犛槡犞，当且仅当 时，目标函数（）有解。结合式（）和式（），分别对（）和（）关于求导，分析对（）产生的影响。定义犜（犘犳）犘（犎）（犖犖狊）（犖），犜（），犜槡犞犖犖槡狊，则（）的表达式可重写为（）犜（）犜犙（）犜（）结合式（）分析，（）关于的一阶偏导数和二阶偏导数可分别表示为（）犜犜（）（）犜犜（）其中，犜犜（犜犙（）犜）；犜犜（）（犙（）；犜犜（犙（）；犜犜（）（犙（）犜；（犙（）表示犙（）的一阶导函数；（犙（）表示犙（）的二阶导函数。当，时，（犙（），（犙（），结合式（）得到（）成立，故（）是关于包错误率的凸函数。在此基础上，研究函数（）在可行域上的单调性。经推导计算可知，当时，（）；当 时，（），故存在唯一最优的包错误率，定义为 ，使最优。最优包错误率可由表中的参数计算得到。表仿真参数犜 犪 犫 犾 犲犛 犻 犿狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狆 犪 狉 犪犿犲 狋 犲 狉 狊参数名称数值接收 旋翼半径 全速飞行功率飞行速度（）飞行高度 发射功率 重力加速度（）飞行半径 重量 旋翼数量噪声方差 目标检测概率 采样频率感知功率 存在概率 光速（）结合式（），（）关于包错误率的一阶偏导数和二阶偏导数分别为（）犘（）（）犘犘（）（）犘（）（）犘犘（）因包错误率只影响而对功耗犘无影响，故犘关于包错误率的一阶导函数恒为。经计算可知，当时，（）；当 时，（），即存在最优的包错误率 系统工程与电子技术第 卷 ，使最大。经分析可知，等式犘成立。联立式（）和式（），关于包错误率的二阶导函数恒小于，即当，时，函数（）单调递增；当 ，时，函数（）单调递减，因此存在唯一最优的包错误率 ，使最大。最优包错误率 可由表中的参数计算得到。通过对和的分析可知，和是关于包错误率的单峰函数，使最大的包错误率为 ，使最大的包错误率为 。由（）（）（）（）可知，（）关于包错误率的一阶偏导数和二阶偏导数分别为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）结合上述，对和单调性及凹凸性的分析，当时，（）；当 时，（），故存在最优的包错误率，使其一阶导函数的值为。结合式（）和式（），得到（）。也就是说，（）是关于包错误率的凸函数。因此，存在唯一最优的包错误率 。使（）最大。当，时，函数（）单调递增；当 ，时，函数（）单调递减。最优包错误率 可由表中的参数计算得到。感知时间优化在给定包错误率和发射功率犘狌下，分析犖狊对（）的影响，将问题描述为（），即（）：（犖狊）犖狊 犖狊犖狊 犘犱犘犱犘犳犘烅烄烆犳（）式中：犖狊 和犖狊 的值分别为犖狊 犅犳狊狆犙（犘犳）和犖狊 犖犙（）（）槡犞，式中 犘槡犙（犘犱）。与第 节包错误率分析类似，本节将简化感知时间的优化推导步骤。首先，分别研究和关于感知时间的单调性和凹凸性。在此基础上，研究折中问题的最优解。结合式（），分析关于感知时间变化的单调性。经分析可知，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊；当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，因此存在极值点犖狊 使其一阶导函数为。在此基础上经分析可知，在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，即存在感知时间犖犿使其二阶导函数为。在给定条件下，经推导计算可得犖狊 犖犿。因此，当犖狊犖犿，犖狊 时，（犖狊）犖狊。即在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上单调递增，在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上单调递减，即存在唯一最优的感知时间犖狊 ，使最大。通过表参数可得到使最大化的最优感知时间。其次，根据式（）的表达式分析随感知时间变化的单调性。经推导计算可知，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊；当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，故存在极值点犖狊 ，使关于感知时间的一阶导函数为。在此基础上分析可知，当犖狊犖狊 ，犖狊 时，其二阶导函数的取值恒小于，即在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上单调递增，在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上单调递减，犖狊 为唯一最优解。最优的感知时间可由表求得。通过对和的分析可知，和是关于感知时间的单峰函数，使最大的感知时间为犖狊 ，使最大的感知时间为犖狊 。经分析推导可知，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，当犖狊犖狊 时，（犖狊）犖狊，故存在极值点犖狊 ，使（犖狊）关于感知时间的一阶导函数为。在此基础上分析可知，在犖狊犖狊 ，犖狊 区间上，其二阶导函数的取值恒小于。即函数（犖狊）在区间犖狊犖狊 ，犖狊 上单调递增，在区间犖狊犖狊 ，犖狊 上单调递减，犖狊 为唯一最优解。最优的感知时间可由表中的参数计算求得。犝犃犞发射功率优化在给定包错误率和感知时间犖狊下，分析的发射功率对（）的影响，优化问题可表示为（），即（）：（犘狌）犘狌犘 犘犱犘犱犘犳犘烅烄烆犳（）与第 节包错误率分析类似，本节将简化发射功率的优化推导步骤。首先，分别研究和关于发射功率的单调性和凹凸性，在此基础上，研究折中问题的最优解。根据式（），首先分析关于发射功率的单调性，因其一阶导函数恒大于，故在犘狌，犘 区间上单调递增，即当犘狌犘 时，最大。其次，结合式（）研究随发射功率变化的单调性。经分析可知，当发射功率犘狌时，有（犘狌）犘狌，犘犘狌犘（犖犖狊）犖，即（犘狌）犘狌；而当发射功率犘狌犘 时，犘（犘狌）犘狌（犘狌）犘犘狌。在此基础上分析可得，等式（犘狌）犘狌成立，故存在极值点犘狌 ，使关于发射功率的一阶导函数为。在此基础上研究该极值点的唯一性。经推导计算可知，当犘狌，犘 时，关于发射功率的二阶导函数恒小于，即在区间犘狌，犘狌 上单调递增，在犘狌犘狌 ，犘 上单调递减，犘狌 为唯一最优解。最优发射功率可由表中的参数计算得到。通过对和的分析可知，和是关于感知时间的单峰函数，使最大的发射功率为犘狌 ，使最大的发射功率为犘。通过计算（犘狌）关于发射功率犘狌的一阶偏导数可知，当发射功率犘狌时，（犘狌）犘狌，当发射功率犘狌犘 时，（犘狌）犘狌，即存在使其一阶第期韩蕙竹等：无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化 导函数为的极值点犘狌 。通过对和的凹凸性研究可知，当犘狌，犘 时，函数（犘狌）关于犘狌的二阶导函数恒小于，即（犘狌）在犘狌，犘狌 上单调递增，在犘狌犘狌 ，犘 上单调递减，因此存在唯一最优的发射功率犘狌 ，使（犘狌）最大。最优发射功率的计算如算法所示。算法最优，犖狊，犘狌求解算法初始化分别初始化（，犖狊，犘狌），其区间范围为犪，犫，令 犪，犫，误差精度值，最大迭代次数为犖。（）为所求目标函数，其中，。循环（），（）犐 犳（）（），犈 犾 狊 犲，犲 狀 犱狌 狀 狋 犻 犾 输出：联合优化分析为了以较低的复杂度实现最优的折中问题，本文提出一种联合优化算法，其中包错误率，感知时间犖狊和发射功率犘狌交替迭代，直至所有变量均收敛。因此，对于每一次迭代，单调不减，有：（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）（）假设最大迭代次数为犻，联合优化算法具体设计如算法所示。算法联合优化算法初始化精度，犻，感知时间最小值为犖狊 ，最大值为犖狊，犖（犻）狊犖狊 ，犘（犻）狌；循环将犖（犻）狊，犘（犻）狌代入最优求解算法，得到 ；（犻）；将犘（犻）狌，（犻）代入最优求解算法，得到犖 狊；犖（犻）狊犖 狊；将（犻），犖（犻）狊代入最优求解算法，得到犘 狌；犘（犻）狌犘 狌；（犻）（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）；犻犻；狌 狀 狋 犻 犾（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌）输出（犻），（犻），犖（犻）狊，犘（犻）狌。仿真结果与分析本节通过数值与实验结论来证明所提优化算法的有效性。其他仿真参数的具体数值如表所示。归一化能效与谱效随包错误率的变化关系如图所示。从图可以看出，和除了受包错误率影响，还受到数据包长犖的影响。在一定包长取值范围内，犖越大，最优的值越小，信息传输速率越大，和的值越大。对于给定的犖值，存在唯一的 使最大，唯一的 使最大。由于包错误率只影响通信传输速率，故和取得最大值时的最优包错误率是相同的，这与第 节的分析一致。因此，通过合理设置包错误率的大小，可使的折中达到最优性能。图归一化能效与谱效随包错误率变化的曲线 归一化能效与谱效随感知时间的变化关系如图所示。从图可以看出，存在唯一最优的感知时间犖狊 使最大，唯一的犖狊 使最大，由于感知时间对和功耗的作用不同，故最大的和不能同时得到。通过合理设置感知时间的大小，可最大化的折中问题。此外，和的最佳感知时间随着包长的增加而增加，这表明数据包的长度对最佳感知时间及其对应的和均有很大影响。因此，传统认知网络中对长包通信 的优化设计不再适用于以短包进行传输的认知物联网通信。图归一化能效与谱效随感知时间变化的曲线 归一化能效与谱效随发射功率的变化关系如图所示。从图可以看出，的发射功率越大，接收信号 系统工程与电子技术第 卷的信噪比越高，此时谱效越大。此外，随着发射功率的增大，的功耗也会随之增大。从图可以看到，存在最优的发射功率，使得能效最大，这与第 节中的理论分析一致。从图中同时也可发现，随包长的变化而变化，使取得最大值的犘狌 也会随之改变。通过分析可知，当发射功率最大时，最大，即和的最优值不能同时获得。因此，可以通过改变发射功率值的大小实现的最佳折中权衡。图归一化能效与谱效随发射功率变化的曲线 最优包错误率条件下，对感知时间和发射功率的变化关系如图所示。从图可以看出，平行于犖狊轴的切面表示归一化能效随感知时间的变化曲线，平行于犘狌轴的切面表示归一化能效随发射功率的变化曲线。从图可以看出，分别是关于感知时间和发射功率的单峰函数。在此基础上分析可知，同时存在最优的感知时间和发射功率，使最大，该点为三维图像的最高峰值，这与上述分析结果一致。图最优包错误率条件下归一化能效随犖狊与犘狌变化的三维图（）犖狊 犘狌（）归一化能效随归一化谱效的变化关系如图所示。从图可以看出，通过联合优化包错误率、感知时间和发射功率，可以得到相应的折中变化关系。对应的是最大化情形，对应的是最大化情形。此外，观察曲线可知，不能同时得到和的最大值，随的增大而减小，因此可以通过适当调整平衡因子的大小，得到折中问题的最优解。图归一化能效随谱效变化的曲线 归一化能效与谱效随的变化关系如图所示。在认知物联网系统中，研究当和同时存在时的通信性能变化十分重要，故在条件下选取一个合适的折中点是解决该类问题的关键。从图可以看出，和随的变化曲线是非平滑的。这是因为不同的值对应不同的包错误率、感知时间和发射功率。随着的增大，逐渐降低，逐渐上升。因此，在不同的场景需求下，通过选择合适的值，可以得到最佳的折中关系。图归一化能效与谱效随变化的曲线 结论本文研究了基于的折中优化问题。在辅助通信的认知网络中，和有时是相互矛盾第期韩蕙竹等：无人机通信中基于短包传输的能谱效折中优化 的两个指标。和之间存在折中关系，平衡因子的取值越小，特性越突出；平衡因子的取值越大，特性越突出。在给定包错误率、感知时间和发射功率的可行区间下，分别存在唯一最优解使和最优，进而通过确定合适的平衡因子使的折中最优。在保护授权用户不被影响的前提下，通过联合优化包错误率、感知时间和发射功率实现的折中。数值和仿真结果验证了优化模型的正确性，分析得到数据包长的选择对最佳包错误率、感知时间和发射功率及其对应的和均有很大影响。本文所提算法能较好地解决通信中基于短包传输的折中优化问题，实用价值较高。参考文献董若南基于短包的无线通信性能研究北京：华北电力大学，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：陈志勇面向无人机通信的频谱资源利用与优化杭州：浙江理工大学，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：孙钢灿，赵少柯，郝万明基于短包通信的下行链路安全传输方法通信学报，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：系统工程与电子技术第 卷，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：张宏伟，达新宇，胡航，等基于多机协作的认知无人机网络能效联合优化航空学报，（）：，（）：作者简介韩蕙竹（），女，硕士研究生，主要研究方向为认知无人机网络、短包通信。黄仰超（），男，副教授，博士，主要研究方向为软件无线电、认知无线电、数据链技术。胡航（），男，副教授，博士，主要研究方向为认知无人机网络、绿色通信、认知数据链。安琪（），女，硕士研究生，主要研究方向为认知无人机网络、无人机中继。刘世豪（），男，硕士研究生，主要研究方向为空天通信与网络。