蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)*

劉宏波，孟 進(jìn)，趙 奎

（1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

無(wú)人機(jī)平臺(tái)集群具有數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)、協(xié)同與情報(bào)優(yōu)勢(shì)、速度優(yōu)勢(shì)和智能優(yōu)勢(shì)，具有極佳的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和任務(wù)完成能力，可以用來(lái)完成復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下的協(xié)同搜索、協(xié)同干擾、協(xié)同攻擊、協(xié)同察打、集群對(duì)抗等任務(wù)，這一切都離不開適合無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)的數(shù)據(jù)鏈支撐。無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈不但具有傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈的功能，還要具有無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部信息共享的全新能力。

2014年4月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目研究，使偵查和攻擊無(wú)人機(jī)在電子干擾、通信降級(jí)以及其他惡劣運(yùn)行環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可協(xié)同工作。2015年4月，美國(guó)海軍研究辦公室測(cè)試了無(wú)人機(jī)的集群能力。代號(hào)“蝗蟲”項(xiàng)目（LOCUST：Low-Cost UAV Swarming Technology，低成本無(wú)人機(jī)集群技術(shù)）是美國(guó)海軍一項(xiàng)研究從發(fā)射管發(fā)射起飛的無(wú)人機(jī)集群項(xiàng)目，計(jì)劃發(fā)射上限為30架艦載自主集群的無(wú)人機(jī)，最本質(zhì)也最核心的技術(shù)——自主集群飛行技術(shù)。2015年8月，美國(guó)海軍研究生院先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室在野外演習(xí)中，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)放飛50架自主無(wú)人機(jī)的目標(biāo)，這些無(wú)人機(jī)在蜂群操作界面操作下實(shí)施了主從協(xié)同行動(dòng)，并通過(guò)無(wú)線鏈路在彼此之間實(shí)現(xiàn)了信息交換。2015年8月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）計(jì)劃研發(fā)“小精靈”（Gremlins）無(wú)人機(jī)，目標(biāo)是在C-130運(yùn)輸機(jī)上發(fā)射小型無(wú)人機(jī)蜂群并進(jìn)行回收。2016年5月，美國(guó)空軍正式提出《2016年～2036年小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，計(jì)劃構(gòu)建航空、太空、網(wǎng)空三大作戰(zhàn)領(lǐng)域的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，并計(jì)劃在2036年實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集群作戰(zhàn)，將以較低成本實(shí)現(xiàn)在多樣作戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。2016年珠海航展上，中國(guó)電子科技集團(tuán)披露了我國(guó)第1個(gè)固定翼無(wú)人機(jī)集群試驗(yàn)原型，實(shí)現(xiàn)了67架規(guī)模的集群原理驗(yàn)證，打破之前由美國(guó)海軍保持的50架固定翼無(wú)人機(jī)集群的世界紀(jì)錄。

無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈不但具有傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)地空數(shù)據(jù)鏈的功能，還具有無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部信息共享的全新能力。目前無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)應(yīng)用時(shí)也面臨諸多問(wèn)題，如信息采集、分發(fā)、處理問(wèn)題以及集群內(nèi)部無(wú)人機(jī)之間的智能協(xié)同問(wèn)題。本文圍繞蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行探索，研究?jī)?nèi)容包括集群自組網(wǎng)MAC協(xié)議與路由協(xié)議等無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制站操控多架無(wú)人機(jī)執(zhí)行自主協(xié)同集群飛行，解決無(wú)人機(jī)蜂群組網(wǎng)、蜂群編隊(duì)、復(fù)雜電磁環(huán)境應(yīng)用的協(xié)同通信問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)蜂群應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈總體技術(shù)方案

蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈總體技術(shù)方案如圖1所示。

多架低成本無(wú)人機(jī)具有類似的機(jī)載平臺(tái)框架，但是不同無(wú)人機(jī)的載荷配備可以不同，以應(yīng)對(duì)不同的戰(zhàn)術(shù)需求。集群內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自組網(wǎng)，進(jìn)行信息共享和交換。根據(jù)自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)，控制站會(huì)從無(wú)人機(jī)集群中選出一架作為臨時(shí)的群首節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)與集群控制站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的任務(wù)。若該群首節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或根據(jù)技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，可以重新選取群首節(jié)點(diǎn)。

所有無(wú)人機(jī)都要參與集群內(nèi)部自組網(wǎng)，群首節(jié)點(diǎn)還要參與和控制站之間的遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)控。群首節(jié)點(diǎn)是集群與遠(yuǎn)端控制站之間的橋梁，負(fù)責(zé)接收控制站發(fā)來(lái)的任務(wù)信息，“帶領(lǐng)”編隊(duì)內(nèi)其他所有無(wú)人機(jī)向控制站指定的目的坐標(biāo)飛行。其他無(wú)人機(jī)則“跟隨”當(dāng)前群首，由群首分配編隊(duì)內(nèi)位置和變換隊(duì)形。

無(wú)人機(jī)蜂群編隊(duì)內(nèi)部通過(guò)窄帶數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)充分交換指令和協(xié)同信息，完成任務(wù)分配、隊(duì)形變換等動(dòng)作，并將每個(gè)無(wú)人機(jī)的態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)回送給控制站，控制站從而能夠展示出戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)并作出調(diào)整。

無(wú)人機(jī)蜂群通過(guò)寬帶數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)將偵察、監(jiān)視等實(shí)時(shí)圖像視頻等大容量業(yè)務(wù)匯聚到群首節(jié)點(diǎn)，由后者回送至無(wú)人機(jī)集群控制站，控制站進(jìn)行圖像拼接、增強(qiáng)等信息融合工作，從而展示出一幅較之單架無(wú)人機(jī)更加全面和精確的戰(zhàn)場(chǎng)視圖。

2 蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議棧設(shè)計(jì)

2.1 集群數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

集群數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)協(xié)議棧通信實(shí)體如圖2所示，包括高層數(shù)據(jù)收發(fā)接口、集群自組網(wǎng)路由協(xié)議算法、集群自組網(wǎng)MAC協(xié)議算法、無(wú)線收發(fā)器芯片、射頻前端電路和天線。其中，無(wú)線收發(fā)器芯片、射頻前端電路和天線需要基于成熟可靠的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)是集群數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)MAC協(xié)議、路由算法的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

2.2 集群數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈的傳輸延時(shí)在100 n mile=185.2 km處是619（200 n mile、300 n mile對(duì)應(yīng)的傳播延時(shí)分別是 1 238 μs和 1 857 μs）。假定最小數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是400比特=50字節(jié)，以2 Mb/s=2 b/μs數(shù)據(jù)速率發(fā)射時(shí)，400 b需要200 μs發(fā)射時(shí)間。假設(shè)沒(méi)有時(shí)鐘偏差，最小時(shí)隙也要 619 μs+200 μs=819 μs。

假設(shè)數(shù)據(jù)包無(wú)法在當(dāng)前時(shí)隙發(fā)射，就只能等待下一個(gè)發(fā)射時(shí)隙。假設(shè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送給距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)。那么源端節(jié)點(diǎn)接收延時(shí)就達(dá)到了400 μs+1 238 μs=1 638 μs，這還未考慮發(fā)射消息處理延時(shí)、消息加密、FEC、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)、消息解密以及接收消息延時(shí)。即使是這些延時(shí)可以縮短到363 μs，還需要等待下一個(gè)發(fā)射時(shí)隙（幾個(gè)毫秒），時(shí)分多址（TDMA）系統(tǒng)無(wú)法滿足集群數(shù)據(jù)鏈的延時(shí)要求。

通過(guò)對(duì)集群數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，傳統(tǒng)航空數(shù)據(jù)鏈采用的TDMA思想無(wú)法提供集群數(shù)據(jù)鏈所需的2 ms信道訪問(wèn)延時(shí)。集群數(shù)據(jù)鏈的傳播延時(shí)很大（相對(duì)于較短的消息包而言），無(wú)法采用載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)（CSMA）來(lái)控制業(yè)務(wù)占用信道的數(shù)量。集群數(shù)據(jù)鏈要求的信道訪問(wèn)延時(shí)很短（≤2 ms），無(wú)法采用TDMA方法，有中心控制系統(tǒng)更不能應(yīng)用到集群數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)中，可以采用統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)多址接入（SPMA）來(lái)實(shí)現(xiàn)集群數(shù)據(jù)鏈信道訪問(wèn)控制。

集群數(shù)據(jù)鏈的MAC協(xié)議采用以CSMA和異步跳頻機(jī)制為基礎(chǔ)的SPMA協(xié)議，不需要為節(jié)點(diǎn)預(yù)先分配時(shí)隙或預(yù)約時(shí)隙，只需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)忙閑程度決定分組是否接入網(wǎng)絡(luò)，可將100 nm范圍內(nèi)的分組端到端時(shí)延控制在2 ms內(nèi)，可以減少多路信道接入訪問(wèn)延時(shí)。與其他帶控制信道的多信道MAC協(xié)議相比，SPMA由于不需要預(yù)約信道和時(shí)隙，確保了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，符合戰(zhàn)術(shù)通信的要求。

集群數(shù)據(jù)鏈的MAC協(xié)議技術(shù)難點(diǎn)包括：

1）無(wú)法采用各類TDMA及其變種的信道接入控制思想，因其無(wú)法滿足低延時(shí)特性。

2）CSMA通常用于窄帶系統(tǒng)，信道分為空閑和繁忙兩種狀態(tài)。集群數(shù)據(jù)鏈無(wú)法采用載波偵聽多路訪問(wèn)（CSMA）的設(shè)計(jì)思路，因其距離太遠(yuǎn)，傳播延時(shí)很大，無(wú)法滿足CSMA的作用條件。

3）SPMA類似于CSMA，也需偵聽信道狀態(tài)，但是其偵聽結(jié)果不能直接用于判斷占用信道發(fā)送的判據(jù)。SPMA信道根據(jù)業(yè)務(wù)種類和數(shù)量呈現(xiàn)出更多不同的狀態(tài)。

4）SPMA用于和一發(fā)多收的物理層波形聯(lián)合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以2 Mb/s速率發(fā)射的同時(shí)，還能夠接收多路獨(dú)立的2 Mb/s數(shù)據(jù)流。

SPMA是一種分布式信道訪問(wèn)控制協(xié)議，目的是確保網(wǎng)絡(luò)全局負(fù)載維持在足夠低，使得最弱信號(hào)的接收成功率不會(huì)低于期望值。若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載突然劇增，突破了該維持水平并過(guò)載，SPMA必須首先對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)限速截流。這就避免了最弱信號(hào)發(fā)射重傳信號(hào)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。也保證了高優(yōu)先級(jí)、低延時(shí)業(yè)務(wù)的錯(cuò)包率≤1%。

無(wú)線媒介訪問(wèn)沖突概率和解調(diào)門限惡化間的關(guān)系如下頁(yè)圖3所示。當(dāng)無(wú)線媒介訪問(wèn)沖突概率為60%時(shí)，接收靈敏度會(huì)降低3.6 dB，此時(shí)通信距離會(huì)減小25%，而這一缺點(diǎn)完全可以通過(guò)增大發(fā)射功率、降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)和多跳中繼來(lái)補(bǔ)償。

集群數(shù)據(jù)鏈采用的跳時(shí)+跳頻+擴(kuò)頻體制思想，有效地減小了不同用戶間的干擾，可以使接收節(jié)點(diǎn)的碰撞區(qū)域以外，即50 km以外的發(fā)射節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的正常通信產(chǎn)生明顯的影響，避免了無(wú)線媒介訪問(wèn)碰撞，其仿真結(jié)果如圖4所示。

采用常規(guī)協(xié)議半雙工模式和集群數(shù)據(jù)鏈一發(fā)多收波形與SPMA協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)這兩種情況下，在發(fā)送一路較低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的同時(shí)接收多路較高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流時(shí)（AWGN背景），錯(cuò)包率（PER）和信噪比（SNR）的關(guān)系如圖5所示。上曲線為常規(guī)半雙工模式下的錯(cuò)包率很高。下曲線為一發(fā)多收波形+SPMA條件下，解調(diào)門限較之半雙工提高了5 dB。SNR≥6 dB時(shí)，就能夠保證PER≤1%。

傳統(tǒng)自組網(wǎng)過(guò)載時(shí)，只有最強(qiáng)信號(hào)才能被成功接收。該過(guò)載將導(dǎo)致單次發(fā)送成功率降低，從而增加重傳次數(shù)，而且一旦數(shù)據(jù)包發(fā)射，沒(méi)有優(yōu)先級(jí)區(qū)分。優(yōu)先級(jí)僅僅在待發(fā)隊(duì)列中才有意義，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，已發(fā)射高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包也會(huì)隨著其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包一起丟失。集群數(shù)據(jù)鏈在信道很忙時(shí)將對(duì)低優(yōu)先級(jí)截流。更加過(guò)載時(shí)，就拒絕更高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包。

2.3 集群數(shù)據(jù)鏈路由協(xié)議設(shè)計(jì)

集群數(shù)據(jù)鏈內(nèi)聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議需要確保產(chǎn)生端到端多跳拓?fù)淝闆r下，不會(huì)因?yàn)槁酚捎?jì)算過(guò)程導(dǎo)致丟包率上升與延時(shí)增大。集群數(shù)據(jù)鏈的K跳路由路徑的端到端總延時(shí)應(yīng)該成比例增大為≤2K ms，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的端到端丟包率還應(yīng)控制在≤1%。

集群數(shù)據(jù)鏈的路由協(xié)議技術(shù)難點(diǎn)包括：

1）除了一般的自組網(wǎng)路由需要考慮的因素以外，由于空基機(jī)載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快，信道穩(wěn)定性較差，所以需要引入魯棒性設(shè)計(jì)來(lái)保證路由轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性。

2）端到端的極低延時(shí)條件要求尋徑延時(shí)幾乎為零。這就要求采用主動(dòng)路由思想，但是同時(shí)要在動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓途W(wǎng)絡(luò)路由開銷之間達(dá)到某種折衷，所以需要采用信源和信道自適應(yīng)路由的思想。

3）在路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)暫時(shí)不可用時(shí)應(yīng)立即切換到備份路由，或直接采用多徑路由并發(fā)傳輸高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。

4）由于集群數(shù)據(jù)鏈速率自適應(yīng)（200 Kb/s～2 Mb/s），所以需要考慮信源對(duì)傳輸條件的要求，如高清戰(zhàn)損視頻偵查業(yè)務(wù)就無(wú)法采用200 Kb/s速率進(jìn)行單跳傳輸，而只能采用2 Mb/s速率進(jìn)行多跳路由中繼。

3 集群數(shù)據(jù)鏈協(xié)議實(shí)現(xiàn)與仿真模擬

3.1 集群數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)收發(fā)流程

集群數(shù)據(jù)鏈的實(shí)現(xiàn)流程，包括無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈發(fā)射流程和無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈接收流程等。其中，無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈端機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)射流程圖如下頁(yè)圖6所示。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)數(shù)據(jù)接收流程圖如圖7所示。

3.2 集群數(shù)據(jù)鏈的仿真驗(yàn)證平臺(tái)

基于QualNet和STK的通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議和路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真性能評(píng)估。無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈仿真采用的軟件平臺(tái)配置如表1所示。

QualNet和STK聯(lián)合仿真系統(tǒng)原理框圖如下頁(yè)圖8所示。在STK里面調(diào)用QualNet計(jì)算引擎，對(duì)

表1 無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈軟件仿真平臺(tái)

STK中的作戰(zhàn)想定進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信仿真計(jì)算，得到陸、海、空、天、網(wǎng)（絡(luò)）、電（磁）全維的作戰(zhàn)仿真結(jié)果。該聯(lián)合仿真的好處在于，能夠充分發(fā)揮這兩種業(yè)界頂尖級(jí)仿真軟件的各自優(yōu)勢(shì)，包括STK信道傳播損失模型、天線模型、平臺(tái)姿態(tài)等工業(yè)界認(rèn)可的通信模型，以及在QualNet中開發(fā)的應(yīng)用層業(yè)務(wù)模型、路由協(xié)議模型、介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議算法模型、物理層收發(fā)器模型等。

無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈仿真性能評(píng)估示例如圖9所示，其中1號(hào)仿真節(jié)點(diǎn)代表地面站，2號(hào)-81號(hào)仿真節(jié)點(diǎn)代表蜂群無(wú)人機(jī)，通過(guò)1號(hào)地面站控制80架蜂群無(wú)人機(jī)，驗(yàn)證了統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)多址接入（SPMA）協(xié)議的可行性，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)之間不需要預(yù)約信道和時(shí)隙進(jìn)行自組網(wǎng)通信。

4 結(jié)論

蜂群無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議設(shè)計(jì)主要考察MAC層和路由協(xié)議對(duì)集群自組網(wǎng)的支持能力，研究成果可以推廣到已有和未來(lái)不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)，也可推廣到有人機(jī)與無(wú)人機(jī)混合系統(tǒng)，以及地面無(wú)人車、水面無(wú)人船等編隊(duì)作戰(zhàn)，預(yù)期裝備了集群數(shù)據(jù)鏈的無(wú)人編隊(duì)，能夠以極低成本遂行高價(jià)值作戰(zhàn)任務(wù)，變革未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)方式。