無人機(jī)群自組網(wǎng)方法探析

■ 文/ 公安部第一研究所 張旻南

無人機(jī)群自組網(wǎng)方法探析

■ 文/ 公安部第一研究所 張旻南

無人機(jī)已經(jīng)在軍、民領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文針對(duì)多架無人機(jī)共同執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的情況，提出了一種無人機(jī)群的自主網(wǎng)絡(luò)方案。該方案采用基于位置信息的簇首選舉算法，具有良好的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力和開銷小等特點(diǎn)。文中簡(jiǎn)要介紹了移動(dòng)自主網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及基本結(jié)構(gòu)，給出了基于位置信息的無人機(jī)群自主網(wǎng)方案和簇首選舉算法，分析了方案的主要特點(diǎn)。

無人機(jī)集群 移動(dòng)自組網(wǎng) 分簇

1 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)在各場(chǎng)合的運(yùn)用越來越普遍。軍事上，從早期的偵察無人機(jī)、打擊無人機(jī)到察打一體無人機(jī)，功能逐漸增強(qiáng)和多樣化。同時(shí)，無人機(jī)在遙感、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、搜救等民用領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。按飛行方式，無人機(jī)主要可分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)等類型。固定翼無人機(jī)飛行速度快、巡航高度高、滯空時(shí)間長(zhǎng)，適合于大面積測(cè)繪或長(zhǎng)航時(shí)飛行；旋翼無人機(jī)可以在空中呈懸停狀態(tài)，但滯空時(shí)間較短，適合于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)視和測(cè)量。

隨著功能的增強(qiáng)，無人機(jī)在許多領(lǐng)域發(fā)揮的作用也越來越大。在某些復(fù)雜應(yīng)用的情況下，需要幾十架無人機(jī)協(xié)同工作。無人機(jī)移動(dòng)組網(wǎng)成為未來應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來，美國(guó)開展了多個(gè)無人機(jī)集群的項(xiàng)目研究，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)艦載快速發(fā)射30架無人機(jī)。國(guó)內(nèi)目前在無人機(jī)群的組網(wǎng)方面也展開了相關(guān)的研究工作。據(jù)報(bào)道，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司曾成功對(duì)67架無人機(jī)進(jìn)行了組網(wǎng)編隊(duì)飛行。本文設(shè)計(jì)了一種基于無人機(jī)位置信息的雙簇首無人機(jī)自主網(wǎng)方案，介紹了方案的特點(diǎn)及選舉算法，并利用軟件對(duì)該方法進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。

2 移動(dòng)自主網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

移動(dòng)自主網(wǎng)是指由不斷移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)和固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相比動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。在組成網(wǎng)絡(luò)過程中，需要采用必要的技術(shù)，來提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。自組網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：

2.1 快速的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)間的空間位置不斷發(fā)生變化，因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成也在不斷改變，需要快速的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能，以便及時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 多跳的通信方式

由于無線通信距離受限，自主網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有時(shí)必須依靠鄰近節(jié)點(diǎn)的中繼才能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，這種多跳的通信需要在功率和通信距離間進(jìn)行折中。

2.3 快速入網(wǎng)、退網(wǎng)機(jī)制

節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)組成隨時(shí)發(fā)生改變。節(jié)點(diǎn)需要在短時(shí)間內(nèi)建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、搜索網(wǎng)絡(luò)、入網(wǎng)和退網(wǎng)。

2.4 動(dòng)態(tài)分配中心節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)位置的不斷變化需引入中心節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分配算法，以便在原中心節(jié)點(diǎn)不滿足要求時(shí)，快速、優(yōu)化地從群內(nèi)節(jié)點(diǎn)中分配新的中心節(jié)點(diǎn)。這就要求網(wǎng)絡(luò)能隨時(shí)掌握自己的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從中心區(qū)域優(yōu)化出新的中心節(jié)點(diǎn)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)安全性脆弱

由于自組網(wǎng)都是臨時(shí)組成且快速變化，甚至?xí)艿綈阂飧蓴_，因此需要可靠的算法，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能在干擾的環(huán)境下安全工作。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的等級(jí)和作用的不同，包括平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)兩種。前者各節(jié)點(diǎn)的等級(jí)相同，為對(duì)等式結(jié)構(gòu)，總的來看這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為健壯，但覆蓋范圍有限，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)安全性高；然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)很多，且大部分處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開銷會(huì)很大，這是由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致路由中斷，需要不斷地重復(fù)建立路由，從而使數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，因此可擴(kuò)展性較差。

分級(jí)結(jié)構(gòu)適合于大型網(wǎng)絡(luò)，通常根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)劃分為若干個(gè)簇，這些簇再和網(wǎng)關(guān)一起組成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)簇由一個(gè)稱為簇首的節(jié)點(diǎn)和若干稱為簇內(nèi)成員的節(jié)點(diǎn)組成，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)還可以定義備用簇首。簇首負(fù)責(zé)本簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的通信，大部分使用分簇算法選舉出來，而簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇外節(jié)點(diǎn)之間的通信，則通過簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，簇首之間的通信則借助網(wǎng)關(guān)或直接通信。圖1為移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

圖 1 移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)分級(jí)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)自組網(wǎng)使用的硬件配置不同，分為單信道分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多信道分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在多信道分級(jí)結(jié)構(gòu)中，如果存在兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)，則較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)涵蓋范圍大，故通信范圍大，而較低級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信范圍小，其中簇首節(jié)點(diǎn)之間使用較高頻率進(jìn)行通信，簇首與簇成員通信則使用較低頻率?？紤]到每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以當(dāng)簇首，因此如何選舉簇首就需要適當(dāng)?shù)拇厥走x舉算法，而且為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓惴ㄟ€要及時(shí)更新簇首重新分簇。

對(duì)于分級(jí)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)自組網(wǎng)，分簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)由于功能較為單一，可不需要經(jīng)過路由而進(jìn)行直接通信，無形中減少很多開銷，因此可以更容易擴(kuò)展形成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。簇首節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)需要隨時(shí)選舉，具備很強(qiáng)的抗毀性。但分級(jí)結(jié)構(gòu)也有缺陷：首先簇首需要通過合適的選舉方法產(chǎn)生，并建立相應(yīng)的簇維護(hù)機(jī)制以保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；其次，簇首節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)簇與簇之間以及簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的通信，因而負(fù)載較重，能量損耗較快，從而成為限制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的瓶頸；最后，簇內(nèi)成員借助簇首進(jìn)行通信時(shí)，不一定能選擇到最佳的路由。

4 基于位置信息的移動(dòng)自主網(wǎng)方案

無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中所處位置會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，可以根據(jù)無人機(jī)所處位置信息組成網(wǎng)絡(luò)。本文提出的移動(dòng)自主網(wǎng)方案就是基于無人機(jī)位置信息的雙簇首組網(wǎng)方案。本方案的基本思路是：首先，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置加權(quán)值、節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目、參考最優(yōu)分簇方法事先設(shè)置的簇大小的期望值、節(jié)點(diǎn)能量的消耗時(shí)間等參數(shù)，來計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為簇首的總的權(quán)重，然后根據(jù)結(jié)果選取具有最小權(quán)重的節(jié)點(diǎn)作為簇首，次小的可選舉為備用簇首。在簇首通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不再參與簇首的選舉，最后重復(fù)上述步驟到所有的節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行分簇簇首選舉結(jié)束。

考慮到節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)，為維護(hù)簇結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別記錄自己的一跳和兩跳鄰居位置信息并列表，在維護(hù)過程中節(jié)點(diǎn)通過查看鄰居節(jié)點(diǎn)信息列表先確定是否有鄰居節(jié)點(diǎn)移出。如果發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)移出，則由此節(jié)點(diǎn)決定是自己移出加入其它分簇還是將鄰居節(jié)點(diǎn)移走。節(jié)點(diǎn)若要加入其它簇則必須確定要加入分簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)信息都已經(jīng)位于本節(jié)點(diǎn)位置信息列表中。

初始選舉分簇時(shí)所有的節(jié)點(diǎn)通過信息廣播自身身份信息，其它節(jié)點(diǎn)在收到此廣播后將其記錄到鄰居信息列表中。設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過分析接收到鄰居節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度來判斷出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，使節(jié)點(diǎn)在收到鄰居節(jié)點(diǎn)信息后可以得到其身份信息并計(jì)算出兩者相對(duì)距離。一旦鄰居列表構(gòu)建完畢，運(yùn)行分簇算法進(jìn)行簇首選擇，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息表可以知道各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀況。該方案的主要特點(diǎn)包括：

（1）自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓{(diào)整簇首而不是周期性地進(jìn)行選舉，因此，簇首更新頻率較小，相應(yīng)也就減少了計(jì)算和通信開銷；

（2）可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，參照不同的設(shè)定參數(shù)通過優(yōu)化分簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)來提高系統(tǒng)吞吐量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，增加網(wǎng)絡(luò)壽命；

（3）考慮限制簇首節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍來節(jié)省擔(dān)任簇首節(jié)點(diǎn)的能量以穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

（4）節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)要么移出原簇重新加入另外一個(gè)簇，此時(shí)簇維護(hù)開銷較小，節(jié)點(diǎn)只要找到對(duì)應(yīng)的簇首交換信息加入即可；要么是簇首節(jié)點(diǎn)移出分簇覆蓋范圍，此時(shí)可立即啟用備用簇首節(jié)點(diǎn)作為簇首，此時(shí)簇的運(yùn)行并沒有受到影響，選舉另一個(gè)備用簇首節(jié)點(diǎn)的過程也不影響整個(gè)簇的數(shù)據(jù)的通信。

5 選舉算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述移動(dòng)自主網(wǎng)絡(luò)方案，設(shè)計(jì)選舉算法的軟件實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地向主節(jié)點(diǎn)匯報(bào)自己的位置信息；

（2）主節(jié)點(diǎn)收到所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息后根據(jù)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)匯報(bào)的位置信息計(jì)算出最佳位置點(diǎn)如下：

找到與這個(gè)最佳點(diǎn)距離最近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為新的主節(jié)點(diǎn)；找到與這個(gè)最佳點(diǎn)距離第二近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為新的備用節(jié)點(diǎn)；

（3）主節(jié)點(diǎn)周期性地將新計(jì)算出的簇首和備用簇首向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，并且通知所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)刻新的簇首和備用簇首開始生效；

（4）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須在上述周期內(nèi)至少監(jiān)聽廣播消息一次，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)新的廣播消息里有新的簇首信息時(shí)做如下判斷和處理：如果新的簇首不是本節(jié)點(diǎn)的話，準(zhǔn)備在指定時(shí)刻，變更到新的簇首；如果新的簇首是本節(jié)點(diǎn)的話，準(zhǔn)備在指定時(shí)刻，變成簇首；如果本節(jié)點(diǎn)之前是備用節(jié)點(diǎn)，而新的簇首或者備用簇首均不是本節(jié)點(diǎn)，則在指定時(shí)刻，不再是備用節(jié)點(diǎn)；

（5）當(dāng)新的主節(jié)點(diǎn)不再是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)須在指定時(shí)刻退出主節(jié)點(diǎn)模式，根據(jù)是否是新的備用節(jié)點(diǎn)，成為備用節(jié)點(diǎn)或者成為一般節(jié)點(diǎn)；

（6）新的主節(jié)點(diǎn)生效后，繼續(xù)周期性的進(jìn)行上述過程。

利用上述算法針對(duì)以十架無人機(jī)為一組，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十架無人機(jī)自組網(wǎng)的軟件仿真。

6 結(jié)語

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)群協(xié)同工作越來越重要。本文提出了一種無人機(jī)群的自主網(wǎng)絡(luò)方案。該方案采用基于位置信息的雙簇首選舉算法，具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓赃m應(yīng)能力強(qiáng)，節(jié)省信息開銷等特點(diǎn)。雖然我們通過組網(wǎng)算法的仿真，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)群的組網(wǎng)，但在網(wǎng)絡(luò)無線通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等方面還需要開展相應(yīng)的研究工作，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)一步細(xì)化和完善自主網(wǎng)方案和實(shí)現(xiàn)方式。

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