支持蜂群應用的無人機網(wǎng)絡設(shè)計

儲含露，陳鳴，金程皓，竇曉磊

（南京航空航天大學計算機科學與技術(shù)學院，江蘇南京 211106）

1 引言

基于無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的各種應用是一個近年來得到飛速發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域[1]。由于單架UAV存在能力受限、可靠性不高等缺點，由多UAV協(xié)作構(gòu)成多UAV蜂群可以更高效、更可靠、更低代價地支持完成各種任務，而支撐蜂群（Swarm）應用的UAV網(wǎng)絡面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)[2]。UAV網(wǎng)絡是一種發(fā)展中的新興網(wǎng)絡，人們對其技術(shù)特征莫衷一是[3]，例如它是一種空中飛行網(wǎng)絡，可以根據(jù)需求在指定地點迅速部署并提供服務；它是一種面向任務的網(wǎng)絡，可能根據(jù)任務目標配置資源和優(yōu)化設(shè)置；它是一種節(jié)點間通常采用無線自組織技術(shù)的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡性能不夠穩(wěn)定；它是一種既受地面控制系統(tǒng)指揮，又可受UAV自身自主決策控制的網(wǎng)絡；它是一種時而連通，時而分裂的動態(tài)網(wǎng)絡等。顯然，UAV網(wǎng)絡是涉及到航空、無線通信、傳感、控制、人工智能等多個學科領(lǐng)域的復雜系統(tǒng)，技術(shù)錯綜復雜，研發(fā)UAV網(wǎng)絡技術(shù)難度極高[4]。需要針對UAV網(wǎng)絡的核心功能設(shè)計適合的體系結(jié)構(gòu)，以協(xié)調(diào)處理好各種主要功能之間的關(guān)系，本文的首要目標是研究支持蜂群應用的UAV網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)。

在各種軍事、民事應用中，UAV蜂群已經(jīng)被廣泛用于環(huán)境和自然災害監(jiān)測、邊境監(jiān)視、突發(fā)事件援助、搜索和救援、貨物傳遞和建筑等任務[5]。盡管這些應用可能對UAV網(wǎng)絡有某些特定的需求，但它們對無人機蜂群通常也具有核心的需求和一些共性的需求。通過分析這些核心需求和共性需求，能夠設(shè)計無人機網(wǎng)絡所具有特定的組織結(jié)構(gòu)。這是本文的第二個目標。

2 相關(guān)工作

目前，已有文獻對無人機網(wǎng)絡的特性進行了分析，?lker Bekmezci等人將無人機網(wǎng)絡定義為飛行自組網(wǎng)（Flying Ad Hoc Networks，F(xiàn)ANETs），認為FANETs是一種特殊類型的MANET和VANET，F(xiàn)ANETs與現(xiàn)有的MANET和VANET等自組織網(wǎng)絡的區(qū)別主要包括移動性更強、拓撲變化頻率更高、需要支持用于節(jié)點間協(xié)作的點到點通信及節(jié)點與控制中心間的融合數(shù)據(jù)的通信、節(jié)點間距離較遠、載荷多樣化等[6]。Gupta L 等人從移動性、拓撲、拓撲變化、能源約束等方面對MANET、VANET和UAV網(wǎng)絡進行了比較，認為無人機節(jié)點的移動速度與任務相關(guān)，其拓撲可能是慢動態(tài)（緩慢變化）或動態(tài)變化的[7]。Hayat S等認為無人機網(wǎng)絡是一種面向任務的網(wǎng)絡，根據(jù)不同應用場景的通信需求將應用分成了搜救、覆蓋、運輸、建造等四個領(lǐng)域，并且分析了現(xiàn)有通信技術(shù)在這些領(lǐng)域的應用及其不足[8]。下面從節(jié)點特性、移動性、拓撲變化、面向任務等幾個角度分析無人機網(wǎng)絡的特征。

（1）節(jié)點特性。無人機是一種能力受限的低成本、小型化無人機。無人機通?？煞譃楣潭ㄒ砗托韮煞N類型，固定翼無人機通常具有較高的速度和更大的載荷，但不能懸停，不適合靜態(tài)應用。與之相對的，旋翼無人機的移動性和載荷有限，但具有更強的靈活性，可以向任意方向移動也可在空中懸停[9]。根據(jù)應用需求，無人機網(wǎng)絡中可能存在不同類型的無人機，通過相互協(xié)作來完成任務目標。協(xié)作是多無人機系統(tǒng)工作良好的前提，無人機網(wǎng)絡中節(jié)點間協(xié)作的信息量較大，因此節(jié)點間通常選擇WiFi或4G等寬帶通信技術(shù)進行互聯(lián)。由于無人機的載荷和續(xù)航時間之間成反比關(guān)系[10]，因此每架無人機攜帶的載荷種類和數(shù)量有限。而根據(jù)任務的不同，網(wǎng)絡中可能存在攜帶不同載荷的無人機。無人機網(wǎng)絡的資源不僅包括TCP/IP網(wǎng)絡的通信、計算、存儲等傳統(tǒng)資源，而且包括支持面向任務的機動性、應用服務等所需的軟硬件資源。總體來說，無人機節(jié)點具有能力受限、異構(gòu)、資源多樣化等特點。無人機節(jié)點間的協(xié)作、節(jié)能、延長網(wǎng)絡生存時間、無人機節(jié)點失效的檢測和響應等是無人機網(wǎng)絡設(shè)計所必須考慮要的問題。

（2）移動性。無人機具有良好的機動性，在很多場景中，無人機的高移動性可以顯著提升時效性[11]。高移動性也是VANET的特征，然而VANET節(jié)點只能在二維空間內(nèi)移動。而無人機可以靈活的在三維空間內(nèi)運動，適應地形的變化、避障等需求。隨著無人機的飛行高度的升高，無人機的視野隨之變大，但無人機所搭載的傳感器對地面的感知精度會隨之下降，因此無人機通常會有飛行高度的限制。無人機網(wǎng)絡與MANET、VANET等自組織網(wǎng)絡的另一個重要區(qū)別在于無人機網(wǎng)絡節(jié)點的可控移動性。MANET中的節(jié)點通常是隨機移動，熱門區(qū)域的節(jié)點密度較高。VANET節(jié)點的移動受限于道路布局、車流量及交通規(guī)則。無人機網(wǎng)絡節(jié)點不僅可以在三維空間移動，而且可以根據(jù)任務需求預先規(guī)劃無人機網(wǎng)絡節(jié)點的運動軌跡并根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境進行動態(tài)調(diào)整。因此靈活、可控的移動是設(shè)計無人機網(wǎng)絡時需要考慮的一個重要因素。

（3）拓撲變化。無人機的高移動性是無人機網(wǎng)絡拓撲快速變化的重要原因，而應用需求是決定無人機網(wǎng)絡拓撲變化頻率的關(guān)鍵因素。如在災害救援應用中，無人機網(wǎng)絡用于提供臨時的網(wǎng)絡覆蓋時，無人機需要懸停在作業(yè)區(qū)域，網(wǎng)絡拓撲保持相對穩(wěn)定。而在戰(zhàn)場環(huán)境下，無人機網(wǎng)絡可能會根據(jù)不同的作戰(zhàn)目標對網(wǎng)絡拓撲進行不斷的重組，無人機網(wǎng)絡節(jié)點也可能隨時被擊毀，網(wǎng)絡拓撲呈現(xiàn)高動態(tài)性。無人機網(wǎng)絡的拓撲變化可分為慢動態(tài)和動態(tài)變化兩種情形[3]。懸停的多架旋翼無人機或多個并行高速飛行的固定翼無人機均可形成相對靜態(tài)的網(wǎng)絡，但鏈路性能會因障礙物遮擋、天線位置、能源大小、距離漂移甚至溫度濕度變化而發(fā)生緩慢變化（慢動態(tài)）。由于任務再分配、節(jié)點失效或設(shè)備故障等原因，無人機節(jié)點子集之間會發(fā)生網(wǎng)絡拓撲不斷變化、通信鏈路時通時斷的情形（動態(tài)）。

（4）面向任務。無人機網(wǎng)絡的流量類型、時延敏感性、通信半徑、拓撲變化頻率、節(jié)點間的協(xié)作需求、網(wǎng)絡密度、能量限制等因素與應用密切相關(guān)[5]。如搜救應用中，無人機需要搜索和檢測單個或多個靜止或移動的目標，并且跟蹤目標的狀態(tài)從而使得救援人員可以快速的到達目標位置[12]。時間和空間約束是搜救應用的重要約束[13]。搜救應用中需要盡可能快的找到生命正在受到威脅的受害者，同時需要在飛行中盡可能有效地擴大搜索區(qū)域，這將影響無人機類型及數(shù)量的選擇，同時要求設(shè)計的無人機網(wǎng)絡具有低的網(wǎng)絡時延和大的通信范圍。此外，無人機網(wǎng)絡中的任務可能是動態(tài)變化的。如搜救應用中，無人機在定位到目標位置后，無人機網(wǎng)絡的任務將從搜索受害者轉(zhuǎn)為建立救援人員和受害者之間的通信。無人機網(wǎng)絡的面向任務的特征使得不能僅將其視為一種通信網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡設(shè)計時應針對特定任務的需求，在節(jié)點的數(shù)量、關(guān)系和資源配置以及應用支持等方面進行優(yōu)化設(shè)計，充分考慮應用對網(wǎng)絡特征和通信需求的約束。

綜上所述，無人機網(wǎng)絡應當定義為無人機節(jié)點能夠自然形成穩(wěn)定的群體結(jié)構(gòu)，如果因擾動破壞了原結(jié)構(gòu)，新群體能夠自適應的形成新的穩(wěn)定優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

3 無人機蜂群體系結(jié)構(gòu)

本文將無人機蜂群定義為：一種基于開放式體系架構(gòu)綜合集成覆蓋有限區(qū)域、執(zhí)行特定任務的大量自主節(jié)點的集合。它以高速運動的無人機為載體，能夠迅速將節(jié)點部署到優(yōu)勢位置。以無線寬帶自組織網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，以節(jié)點協(xié)同交互為支撐，自適應地形成體系生存率高、效費交換比高、功能分布、具有規(guī)模優(yōu)勢的支撐體系，以高效支撐完成應用任務。由此，認識到無人機蜂群具有三個主要功能。

（1）特定的蜂群應用是無人機蜂群存在的目的。

（2）蜂群應用需要UAV網(wǎng)絡提供節(jié)點之間的協(xié)同支持，而在動態(tài)、高速運動環(huán)境下使無人機網(wǎng)絡提供有服務質(zhì)量（QoS）保證的網(wǎng)絡服務面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）網(wǎng)絡節(jié)點通常承載在無人機之上。借鑒互聯(lián)網(wǎng)的研究經(jīng)驗，定義了如圖1所示的無人機節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)，將各主要功能組織成為其他功能提供服務的形式并通過層間接口加以提供，以屏蔽層內(nèi)的技術(shù)細節(jié)。

圖1 UAV節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)

該UAV節(jié)點自下而上分為三個層次：飛行層、智能體層和應用層。其中，飛行層具有傳統(tǒng)UAV所具有的功能（如飛行、控制和傳感等）；智能體層具有Ad Hoc網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡群集控制等功能；應用層則包括支持蜂群應用功能的設(shè)備和程序。

無人機網(wǎng)絡與智能體層功能有關(guān)，其Ad Hoc通信功能利用自組織協(xié)議將無線通信半徑內(nèi)的節(jié)點自主成網(wǎng)，群集控制功能利用群集技術(shù)[14]，每個節(jié)點分布式地計算并通過南向接口與飛行層通信，以控制自身位于網(wǎng)絡中的位置，使得無人機網(wǎng)絡具有Boid三原則。（1）聚合：試圖與鄰居保持聯(lián)系；（2）分離：與鄰居實體保持距離；（3）對齊：試圖保持與鄰居相同的速度的整體行為。群集控制功能通過與飛行層通信既可以實時獲取本機的飛行狀態(tài)、位置和傳感等信息，又能夠根據(jù)自主智能決策或協(xié)同智能決策控制UAV的飛行。

圖2 一種UAV蜂群的體系結(jié)構(gòu)

應用層通過北向接口與智能體層通信，使得各種UAV應用可根據(jù)各自任務需求調(diào)用智能體層提供的功能接口。應用層主節(jié)點的優(yōu)化決策程序依據(jù)應用任務和全局資源進行優(yōu)化，并發(fā)布給各個節(jié)點進行分布式實施。UAV節(jié)點之間通過UAV網(wǎng)絡的東西向接口進行通信，以實現(xiàn)應用協(xié)同操作。

如圖2所示，定義了一種無人機蜂群的體系結(jié)構(gòu)，其中位于UAV節(jié)點之上的分布式軟件系統(tǒng)形成了虛擬覆蓋網(wǎng)絡。協(xié)同應用都是運行在該邏輯網(wǎng)絡上的應用軟件及其相應的機載應用設(shè)備，它們通過API與UAV分布式軟件系統(tǒng)進行交互，并且屏蔽了下層無人機網(wǎng)絡的技術(shù)細節(jié)。

4 無人機網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 無人機網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)

假定UAV蜂群具有如下特點：數(shù)以百計（數(shù)量≤100），低成本（每節(jié)點價格≤$1萬），密集排列（節(jié)點間距≤100m），協(xié)作信息量大（通信帶寬>20Mbps），自組織聯(lián)網(wǎng)。

為滿足上述要求，設(shè)計的無人機網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)包括1個地面控制站（GCS）和多個無人機節(jié)點。位于地面的GCS可以與蜂群采用WiFi或4G網(wǎng)絡進行通信，使無人機蜂群即可受地面人員的遙控，也可用系統(tǒng)程序控制。其中包括三種網(wǎng)絡通信方式。

（1）空地通信：GCS與空中無人機網(wǎng)絡中的某無人機通過4G技術(shù)進行點到點通信。例如，UAV1具有4G LTE通信功能，它能夠與地面GCS進行實時通信。

（2）空空通信：無人機蜂群基于WiFi Ad Hoc模式通信，為蜂群應用提供寬帶、短時延。

圖3 一種支持蜂群應用的無人機網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)

（3）中轉(zhuǎn)通信：某節(jié)點同時具有4G LTE和WiFi功能，CGS能夠通過該節(jié)點與蜂群其他節(jié)點進行通信。

4.2 無人機網(wǎng)絡的安全設(shè)計

無人機網(wǎng)絡是由許多U A V節(jié)點構(gòu)成的，UAV自身面臨著許多安全威脅。例如，UAV飛行控制系統(tǒng)具有大量復雜功能，存在著許多已知或未知的安全隱患；控制UAV所使用的無線通信鏈路是一個易于入侵的薄弱環(huán)節(jié)；UAV涉及大量機械、機電結(jié)合、電子、通信等器件，系統(tǒng)可靠性較低；U A V是新應用領(lǐng)域，管理水平亟待提高。因此，與其他形式的計算機網(wǎng)絡相比，無人機網(wǎng)絡面臨著更為嚴峻的安全威脅。除了要提升UAV的安全性外，還需要為無人機網(wǎng)絡設(shè)置如下安全機制。

（1）身份鑒別。這是一種某個UAV經(jīng)過無人機網(wǎng)絡向另一個無人機證明其身份的機制。每個UAV進入系統(tǒng)時，都需要用該機制來驗證其身份的真實可信。系統(tǒng)采用公開秘鑰密碼來鑒別每個UAV的真實可信，每個UAV可以利用自己唯一具備的私鑰來表明自己的身份，并用對方的公鑰來加密此后用于與對方會話所用的對稱秘鑰。

（2）報文加密。這是一種保證僅有發(fā)送UAV和接收UAV能夠理解傳輸報文內(nèi)容的機制。所有報文在經(jīng)過無線通信鏈路傳輸前，發(fā)送方采用對稱秘鑰密碼進行加密，而接收方利用只有雙方知道的對稱秘鑰對報文解密，以保證無人機網(wǎng)絡通信內(nèi)容的機密性。

（3）報文完整性。這是一種確保UAV通信內(nèi)容在傳輸過程中未被改變，或惡意篡改或者意外改動的機制。系統(tǒng)采用數(shù)字簽名技術(shù)利用發(fā)送UAV的私鑰對通信報文的指紋進行簽名，而接收UAV只要能夠用對方的公鑰解開報文指紋的簽名，就表明該報文是完整的。

（4）反重放攻擊。重放攻擊是防止攻擊者通過竊聽發(fā)送方并記錄下報文的拷貝，并向接收方回放該拷貝，假冒它是發(fā)送方的一種攻擊方法。系統(tǒng)在發(fā)送報文加上一個不重數(shù)，使得每次發(fā)送的報文都是唯一的。

5 無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)

根據(jù)本文定義的無人機蜂群和無人機節(jié)點體系結(jié)構(gòu)以及無人機網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)。

5.1 無人機節(jié)點的物理組成

無人機節(jié)點包括：大疆M100無人機，一塊具有WiFi Ad Hoc模式、AP模式和4G LTE功能的嵌入式網(wǎng)絡板卡以及一塊嵌入式計算機，此外還有其他傳感器單元、供電單元以及天線單元等，無人機節(jié)點網(wǎng)絡協(xié)議如圖4所示。

圖4 蜂群無人機節(jié)點

5.2 無人機節(jié)點功能模塊

無人機網(wǎng)絡功能主要位于智能體層中，如圖5所示給出了支持蜂群應用的無人機網(wǎng)絡的節(jié)點結(jié)構(gòu)。具體而言，它的網(wǎng)絡通信功能由嵌入式網(wǎng)絡板及其相關(guān)軟件提供。群集控制功能運行在嵌入式計算機上，其根據(jù)群集控制模型和多種傳感器信息進行運算，運算得到的指令經(jīng)串口輸出至無人機飛控系統(tǒng)，以控制無人機實際飛行航線。

圖5 支持蜂群應用的無人機網(wǎng)絡的節(jié)點結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信功能由基于高通QCA9563+QCA9880芯片的無線主板提供，集成了2.4/5GHz WiFi和4G LTE網(wǎng)絡通信模塊，嵌入128MB的內(nèi)存以及16MB的閃存，能夠為多模式無線通信提供平臺。4G LTE網(wǎng)絡通信功能主要用于支持地空通信，地面控制站可以利用電信公司的4G基礎(chǔ)設(shè)施與任何具有4G通信功能的無人機進行通信，并且該無人機能夠?qū)⑼ㄐ判畔⒅修D(zhuǎn)給空中網(wǎng)絡的其他無人機節(jié)點。

分布式群集控制功能可以分為群集控制程序和驅(qū)動程序兩個部分。所謂群集是指具有鳥群或魚群那樣群體性行為的特性，這里指無人機自主跟隨一臺領(lǐng)航無人機（Leader）飛行的行為。具有群集特征的無人機網(wǎng)絡將不會出現(xiàn)無人機節(jié)點的失聯(lián)、碰撞或混亂等現(xiàn)象，使得網(wǎng)絡通信QoS有保證。如圖6所示，給出了Leader節(jié)點與普通節(jié)點ni(i=1,2,…)間的關(guān)系模型。

圖6 Leader與普通節(jié)點的關(guān)系模型

為了避免Leader與附近普通節(jié)點ni(i=1,2,…)發(fā)生碰撞沖突，每個節(jié)點應該有一個安全距離r3。當節(jié)點和Leader之間的距離小于r2時，節(jié)點可以具有較高的通信質(zhì)量，而如果該距離大于r1，則節(jié)點間將中斷通信。根據(jù)圖6中Leader與節(jié)點的關(guān)系模型，需要遵循的Boid三原則可具體化：（1）分離：節(jié)點與Leader以及與其他節(jié)點之間的距離應大于安全半徑r3，以防止相互碰撞；（2）聚合：節(jié)點與Leader之間的距離應小于等于理想通信半徑r2；當節(jié)點與Leader之間的距離大于r1，會因信號太弱而中斷通信；（3）對齊：節(jié)點應與Leader運動的方向和速度一致。

設(shè)節(jié)點ni距Leader的距離為ri，則對于ni有三種情況：

（1）當r2≤ri≤r1時，它必須迅速調(diào)整速度和方向，使其迅速向Leader靠攏，以防它落入大于r1的區(qū)域而失聯(lián)；

（2）當ri≤r3時，它必須迅速調(diào)整速度和方向，使其迅速遠離Leader，以防它與Leader之間發(fā)生碰撞；

（3）節(jié)點需周期性的調(diào)整其速度和方向以保持與Leader一致。

群集控制功能根據(jù)本文模型和傳感器感知的信號進行計算，該模塊運行在嵌入式計算機系統(tǒng)上，這些節(jié)點只需經(jīng)過自主計算就能決定無人機自身的動作，無需進行復雜的集中式優(yōu)化，就能實施高效地驅(qū)動無人機群集飛行。

為了使上述群集控制功能能夠適用于不同類型的無人機如大疆飛控DJI、Pixhawk、APM等，本文在群集控制模塊之間設(shè)計了一個驅(qū)動程序，用于進行群集控制行為與無人機飛控指令之間的轉(zhuǎn)換。群集控制程序傳達指令后，該驅(qū)動程序通過檢測當前無人機對應的平臺，將集群控制程序的統(tǒng)一指令轉(zhuǎn)換為無人機飛控自身的控制指令。

5.3 網(wǎng)絡配置及其性能測試

為了驗證上述無人機網(wǎng)絡的架構(gòu)與通信過程，搭建了一個原型系統(tǒng)。如圖7所示，無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)包括1個GCS（節(jié)點D）和3個無人機節(jié)點（節(jié)點A、B、C）組成。其中，GCS是1臺運行地面控制程序的便攜機，它可以通過電信公司的4G網(wǎng)絡與具有4G LTE通信功能無人機節(jié)點或通過WiFi系統(tǒng)進行空地之間通信。無人機節(jié)點之間采用基于OLSR的Ad Hoc模式通信。

（1）原型系統(tǒng)配置

圖7 無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)組成

由于嵌入式網(wǎng)絡板具有Openwrt（一種嵌入式Linux發(fā)行版），便于用戶進行網(wǎng)絡設(shè)置。整個網(wǎng)絡板配置過程可以包括編譯openwrt系統(tǒng)、將系統(tǒng)刷入網(wǎng)絡板、在圖形界面設(shè)置網(wǎng)絡板參數(shù)和配置OLSR等四步。某些關(guān)鍵的步驟包括：1）在編譯OpenWrt時加入Ad Hoc路由選擇協(xié)議OLSR的相關(guān)包；2）將編譯好的刷入網(wǎng)絡板；3）為每個無人機節(jié)點設(shè)置IP地址，要求各WLAN地址設(shè)置在同一網(wǎng)段，LAN的地址與WLAN不在同一網(wǎng)段；所有節(jié)點的Mode、Channel、Width以及Transmit Power和ESSID保持一致，Mode選擇Ad Hoc；4）OLSR組網(wǎng)：Interface的Network選擇WLAN，HNA選擇LAN口的網(wǎng)段，比如192.168.2.0。

節(jié)點A、B、C和D所配置的地址參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)點IP地址設(shè)置

配置成功后，通過查看OLSR viz能夠出現(xiàn)如圖8所示無人機網(wǎng)絡拓撲圖。其中，節(jié)點對應了原型系統(tǒng)中的網(wǎng)絡板，節(jié)點間連線代表兩個網(wǎng)絡板間的無線鏈路，連線上的數(shù)字表示了該鏈路的開銷。

圖8 基于OLSR的無人機網(wǎng)絡原型路由

（2）無人機網(wǎng)絡性能測試

如圖7所示的無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)中，需要測試這些節(jié)點之間的通信質(zhì)量。

作為GCS的節(jié)點D通過電信公司的4G信道與節(jié)點A相連。為此，節(jié)點D通過4G芯片將信號發(fā)送給電信公司的4G基站，再進入因特網(wǎng)中的FRP服務器（該服務器運行在阿里云服務器上），借助于FRP服務器的內(nèi)網(wǎng)穿透功能，再與無人機網(wǎng)絡的節(jié)點A通信。在節(jié)點D與節(jié)點A之間分別運行Iperf程序。如圖9所示，為基于4G網(wǎng)絡的節(jié)點D與節(jié)點A之間測量到的TCP通信帶寬。

圖9 節(jié)點D與節(jié)點A之間的4G通信帶寬

節(jié)點A與節(jié)點B、C利用OLSR路由協(xié)議建立了Ad Hoc模式的WiFi網(wǎng)絡。為了測量這幾個節(jié)點之間的帶寬，在節(jié)點D通過Putty軟件SSH遠程登錄A節(jié)點上，以Server模式啟動Iperf程序，端口為5001。登錄節(jié)點C，以Client模式啟動Iperf程序，測量節(jié)點A與C之間的TCP帶寬如圖10所示。其中A與C之間的距離為3m，帶寬最大值為39.6Mbps，帶寬最小值為28.1Mbps。

圖10 單跳通信(AC間隔3m)

節(jié)點A與節(jié)點C之間的距離增大為30m，測量節(jié)點A與C之間的TCP帶寬如圖11所示。其中，A與C之間的距離為30m，帶寬最大值為18.3Mbps，帶寬最小值為9.23Mbps。

最后，還進行了多跳通信的試驗。讓節(jié)點A與節(jié)點B間隔30m,節(jié)點B與節(jié)點C間隔30m。以節(jié)點A作為Iperf的Server端，節(jié)點C作為Iperf的Client端，實際測試結(jié)果如圖12所示。其中帶寬最大值為1.39Mbps，帶寬最小值為0.653Mbps。

圖11 單跳通信(AC間隔30m)

圖12 多跳通信(AB間隔30m,BC間隔30m)

6 結(jié)束語

無人機網(wǎng)絡需要采用多種先進的通信方式，才能支撐帶寬、短時延的無人機蜂群應用。本文給出了一種無人機網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)，將無人機網(wǎng)絡分為基于4G技術(shù)的地空網(wǎng)絡和基于Ad Hoc的寬帶空空網(wǎng)絡兩部分。為了支持復雜的系統(tǒng)功能，提出了一種支持蜂群應用的無人機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)自底向上具有飛行層、智能層和應用層三個層次。本文實現(xiàn)了無人機網(wǎng)絡原型系統(tǒng)并進行試驗測試。試驗結(jié)果，表明了該無人機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)的可行性和有效性，下一步將優(yōu)化無人機網(wǎng)絡的動態(tài)環(huán)境下的通信性能。