無人機(jī)集群作戰(zhàn)通信自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)探討

徐義桂 陳維義 呂玉萍

摘 要：在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，集群無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)以其高度的自適應(yīng)性、抗毀性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可變性等的巨大優(yōu)勢(shì)成為未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)的研究熱點(diǎn)。文章闡述了無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的基本概念，分析了無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的研究目的、面臨的問題，探討了集群無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：集群無人機(jī)；Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)

隨著無人機(jī)技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的迅速發(fā)展，無人機(jī)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，無人機(jī)執(zhí)行情報(bào)偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、目標(biāo)打擊、電子對(duì)抗、中繼通信等任務(wù)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯[1]。但同時(shí)單架無人機(jī)執(zhí)行上述任務(wù)面臨著監(jiān)視范圍窄、監(jiān)視角度小、殺傷半徑小、工作效率低、毀傷能力弱等諸多方面的限制，制約了整體無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的提高。因此，無人機(jī)集群作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)場(chǎng)的主流趨勢(shì)。

1 無人機(jī)自組網(wǎng)簡(jiǎn)介

1.1 無人機(jī)自組網(wǎng)基本概念

無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)（無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)）是在無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)中，無人機(jī)間的通信不完全依賴于地面控制站或衛(wèi)星等固定基礎(chǔ)通信設(shè)施，而是將無人機(jī)作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間依靠無線通信設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)無線通信的自主管理的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)[2]。其具備無線多跳路由、節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高動(dòng)態(tài)變化性、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的異構(gòu)性、非集中和自組織性、抗毀傷及抗干擾、智能性強(qiáng)等特點(diǎn)[3-5]。

1.2 無人機(jī)自組網(wǎng)研究的主要目的

（1）提高無人機(jī)集群的作戰(zhàn)效能。由于單個(gè)無人機(jī)攜帶模塊的限制，只能完成特定作戰(zhàn)任務(wù)，要想其完成其他作戰(zhàn)任務(wù)得由其他無人機(jī)完成，或者通過更換模塊然后重新升空完成任務(wù)，這樣使得無人機(jī)整體的作戰(zhàn)效能低[6]。但當(dāng)無人機(jī)集群形成自組網(wǎng)絡(luò)時(shí)，此時(shí)的無人機(jī)集群就是一個(gè)完整的有機(jī)系統(tǒng)，可以同時(shí)完成多種作戰(zhàn)任務(wù)，這樣便可大幅度提高無人機(jī)集群的作戰(zhàn)效能。

（2）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可控性。無人機(jī)自組網(wǎng)是由所有無人機(jī)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)后所形成的，因此，地面站控制中心或衛(wèi)星等設(shè)備既可以對(duì)每個(gè)終端直接控制，還通過自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的控制。

（3）提高無人機(jī)系統(tǒng)抗干擾的能力。通過自組網(wǎng)絡(luò)使得無人機(jī)集群間不再是簡(jiǎn)單的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，即使在鏈中的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，無人機(jī)整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)也不會(huì)癱瘓，這就意味著無人機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力得到了大幅提高[7]。

2 無人機(jī)自組網(wǎng)面臨的問題

這幾年來無人機(jī)自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)研究一直都是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群作戰(zhàn)的核心方向之一，而且美國(guó)的研究報(bào)告《無人機(jī)路線圖》和《無人系統(tǒng)一體化路線圖》都重點(diǎn)指明無人機(jī)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)是未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的研究方向，但是目前依然面臨著許多問題。

2.1 路由協(xié)議與MAC層協(xié)議問題

集群無人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)移動(dòng)較快，且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，勢(shì)必導(dǎo)致分組數(shù)據(jù)的丟失和路由的重新選擇，這將會(huì)增加集群無人機(jī)自組網(wǎng)的開銷，造成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩氯蓙y，降低了信道的利用率[7]，這就需要依靠路由協(xié)議與MAC層協(xié)議去解決。

2.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）問題

集群無人機(jī)自組網(wǎng)的重要功能之一便是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可靠高速傳輸，服務(wù)質(zhì)量控制算是無人機(jī)集群作戰(zhàn)自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于無人機(jī)自組網(wǎng)具備路由多跳性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變性、帶寬有限性等，使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量難以得到保證。

2.3 安全性及信息處理能力問題

自身無線鏈路因固有的開放特性而存在無線信道傳送的數(shù)據(jù)信息容易被竊聽、篡改及干擾等安全漏洞[8]；由于無人機(jī)自組網(wǎng)傳輸?shù)男诺缼捰邢?，如果這些數(shù)據(jù)信息不進(jìn)行過濾、融合、壓縮等預(yù)處理，會(huì)直接影響無線信道傳輸?shù)男剩菀自斐尚诺赖淖枞?/p>

3 無人機(jī)自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 路由協(xié)議

由于無人機(jī)集群作戰(zhàn)的自組網(wǎng)中的無線通信是通過無人機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的，網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)都可以作為路由器，向其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此，開發(fā)一種良好的路由協(xié)議是建立可靠、高效、擴(kuò)展性好的無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵[9]。一種理想的路由協(xié)議通常要能實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）能動(dòng)態(tài)感知自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；（2）能自主維護(hù)自組網(wǎng)拓?fù)涞倪B接；（3）高度自適應(yīng)的路由；（4）提供安全機(jī)制等。目前的無人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議通常分為反應(yīng)式路由、先應(yīng)式路由、混合式路由、靜態(tài)路由、基于地理位置路由等，如表1所示[2]。所以，開發(fā)一種適合無人機(jī)集群作戰(zhàn)自組網(wǎng)的路由協(xié)議是解決實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自組網(wǎng)可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。

3.2 MAC協(xié)議

MAC層協(xié)議直接管理著無線信道上分組的收發(fā)，它直接決定非常有限的無線通信資源的效率高低，對(duì)無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能起著關(guān)鍵性的作用。高效的MAC協(xié)議應(yīng)該具備更高的信道重用能力、避免信道數(shù)據(jù)沖突能力、有效解決數(shù)據(jù)沖突的能力等。針對(duì)信道接入策略的不同，目前的無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議通常可分為3類：（1）基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MAC協(xié)議；（2）基于調(diào)度機(jī)制的MAC協(xié)議；（3）混合類MAC協(xié)議。

3.3 服務(wù)質(zhì)量

由于無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有無線多跳路由、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、帶寬有限等特性，使得傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量控制協(xié)議不能滿足無人機(jī)集群Ad hoc網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)信息的可靠高速傳輸要求，所以，急需研究設(shè)計(jì)一款高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制協(xié)議，使得無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能協(xié)同工作，共同高效完成作戰(zhàn)任務(wù)。目前無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量控制協(xié)議主要有：QoS信令協(xié)議、系統(tǒng)QoS模式、QoS-MAC訪問控制及QoS路由算法等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全策略與認(rèn)證技術(shù)

由于無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通過在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無線信道通信，易受到被動(dòng)竊聽、敵方入侵、信息攔截、篡改偽造等攻擊。當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)上高速移動(dòng)時(shí)，由于移動(dòng)終端與無線網(wǎng)絡(luò)之間缺乏固定的物理連接，網(wǎng)絡(luò)易被其他用戶占用，也使得受到攻擊的風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)前可用的網(wǎng)絡(luò)安全策略主要有[9]：（1）基于密碼的認(rèn)證協(xié)議，是指所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都參與對(duì)話密鑰的生成，因此，攻擊者無法阻止密鑰的生成。（2）“復(fù)活節(jié)鴨”安全模型，“復(fù)活節(jié)鴨”安全模型基于鴨子在孵化時(shí)將第一個(gè)移動(dòng)物體視為其母親的原則。（3）異步分布式密鑰管理，該方法使用加密機(jī)制來保護(hù)路由信息和數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，集群無人機(jī)依托Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)同通信作戰(zhàn)是未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)的主流趨勢(shì)，因此，無人機(jī)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究具有廣泛的前景，其中，通信網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議、MAC協(xié)議、QoS協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)是未來無人機(jī)集群Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)研究方向。