淺談無人機集群組網(wǎng)通信方式及其發(fā)展趨勢

周奕捷

【摘 要】無人機集群通信技術(shù)是無人機群組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著無人機作業(yè)自主性、智能化、多任務(wù)等方面要求的提高，無人機從單機作業(yè)發(fā)展到機群組網(wǎng)，組網(wǎng)通信也遇到了數(shù)據(jù)傳輸量劇增、靜態(tài)的頻譜分配效率不高、機群系統(tǒng)性能下降等問題。文章根據(jù)無人機群作業(yè)需求，梳理了星形組網(wǎng)、網(wǎng)狀自組網(wǎng)和分層混合組網(wǎng)等通信組網(wǎng)模式，并根據(jù)無人機群組網(wǎng)的特點總結(jié)出認(rèn)知無人機通信技術(shù)、大規(guī)模高動態(tài)無人機組網(wǎng)路由技術(shù)、物理層安全傳輸技術(shù)、能量有效通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，對無人機群通信的頻譜資源分配、供能受限、物理層通信安全等關(guān)鍵問題歸納了可行的解決方法，并闡述了無人機群通信未來的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】無人機;集群;組網(wǎng)模式;認(rèn)知通信;發(fā)展趨勢

【中圖分類號】V279 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0130-03

近年來，無人機平臺的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了各種性能優(yōu)異的無人機。但是，由于無人機自身尺寸與載重能力有限，無人機難以攜帶一些體積較大、質(zhì)量較重的作業(yè)載荷，這就限制了無人機作業(yè)的精度及范圍。特別是隨著無人機應(yīng)用對自主性、智能化、多任務(wù)等方面的要求越來越高，無人機單機作業(yè)效能和智能水平已逐漸無法滿足任務(wù)應(yīng)用需求?；诖耍霈F(xiàn)了無人機集群作業(yè)的理念，即通過多架無人機攜帶相同的載荷來增大無人機作業(yè)的范圍，通過所攜帶的不同載荷相互配合來提高無人機作業(yè)的精度。無人機集群遙感觀測的另一個作用是選取一部分無人機作為通信中繼無人機。傳統(tǒng)的通信中繼方法有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼、地面基站中繼等，這些方法都存在部署不夠靈活、依賴于現(xiàn)有的通訊工具等缺點。通過無人機集群的方式，部分無人機充當(dāng)通信中繼無人機，部分進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，可提高無人機作業(yè)信息傳輸距離。此外，單機飛行，有限的能量供給限制了飛行距離、作業(yè)范圍，同時容易遭受各種網(wǎng)絡(luò)攻擊，通信可靠性不高。在此背景下，將多架無人機組成無人機群通信網(wǎng)絡(luò)可有效提高無人機通信的可靠性，是未來無人機組網(wǎng)的發(fā)展方向。

無人機集群主要是依賴于先進(jìn)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，無人機之間具備協(xié)同交互能力，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)群體智能性、單節(jié)點具備可替代性。采用無人機群技術(shù)，可以快速有效地完成任務(wù)，同時整個系統(tǒng)具備較強的抗毀性、功能分布化等優(yōu)勢。

1 國內(nèi)外無人機集群組網(wǎng)現(xiàn)狀

無人機集群是目前無人機發(fā)展的一個重要方向，該方法的產(chǎn)生來自對自然界生物集群現(xiàn)象的研究。早在2000年，美國國防部就開始了一個名為無人機集群空中戰(zhàn)役的研究計劃，該計劃通過對蟻群信息素的模擬來實現(xiàn)對無人機行為的控制。美國聯(lián)合部隊司令部于2002年對無人機集群的作戰(zhàn)效率和適合類型進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：無人機集群對一些簡單任務(wù)的作戰(zhàn)效率較高，這些任務(wù)所需行為簡單，但是任務(wù)量大，緊靠單架無人機難以完成，如區(qū)域搜索、攻擊及偵查等任務(wù)。之后，美國空軍通過對生物進(jìn)化理論對無人機集群行為進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真實驗。該研究中，將每架無人機視為生物個體，無人機之間不斷優(yōu)勝劣汰的自然選擇及遺傳變異，使無人機群體結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)化，直到無人機群體能夠適應(yīng)當(dāng)前任務(wù)環(huán)境。

在完成無人機群體行為的理論研究后，美國對無人機集群的研究逐漸向?qū)嶒炥D(zhuǎn)變。通過無人機編隊飛行來實現(xiàn)無人機群體的控制。2008年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員成功實現(xiàn)了16～20架小型四旋翼無人機的室內(nèi)編隊飛行，該編隊隊形可變化，并可以實現(xiàn)無人機協(xié)同飛行，航跡規(guī)劃，以及避障等行為。在完成室內(nèi)無人機群體飛行后，研究人員開始探索室外無人機集群飛行的能力。2011年，Hauert等研究人員通過對Boids模型進(jìn)行研究，在其基礎(chǔ)的3條規(guī)則上增加遷移控制，從而實現(xiàn)了無人機集群自主室外飛行。但是，為了簡化模型，該實驗中無人機通過控制飛行高度不同來實現(xiàn)相互之間的規(guī)避，未能完全實現(xiàn)無人機個體之間的避障。Timothy Chung團(tuán)隊設(shè)計無人機之間利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，通過領(lǐng)航—跟隨者模式進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)了50架無人機的集群飛行。

除美國外的其他國家也對無人機集群進(jìn)行了一定的研究。2014年，匈牙利一些研究人員對無人機集群分布式控制進(jìn)行了研究，設(shè)定四旋翼無人機與鄰近無人機之間進(jìn)行信息交換，最終實現(xiàn)10架無人機的自主飛行。

我國在無人機集群的研究上也取得了一定的進(jìn)展，2016年11月在珠海航展上，中國電子科技集團(tuán)公司公布了67架規(guī)模的無人機集群編隊飛行原理驗證測試，2017年6月，中國電子科技集團(tuán)通過現(xiàn)場實驗實現(xiàn)了數(shù)量高達(dá)119架固定翼無人機的集群飛行。2018年5月，1 374架無人機從西安古城墻起飛，在空中編隊進(jìn)行燈光秀表演出現(xiàn)問題，這說明我國無人機集群的研究還存在許多問題，并不能達(dá)到實際應(yīng)用的程度。

雖然無人機集群組網(wǎng)作業(yè)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但也存在著一些關(guān)鍵的具有挑戰(zhàn)性的問題。無人機集群組網(wǎng)通信有效解決傳統(tǒng)的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的問題，但是組網(wǎng)模式需要根據(jù)具體環(huán)境和作業(yè)條件進(jìn)行選擇;無人機集群組網(wǎng)通信作業(yè)時，數(shù)據(jù)傳輸量劇增，靜態(tài)的頻譜分配效率不高，導(dǎo)致機群系統(tǒng)性能下降;在為了保證通信安全的條件下，一味增加發(fā)射功率可獲得一定的通信可靠性，但是竊聽者也會獲得高質(zhì)量的竊聽信號，會降低通信的安全性;此外，在機型多樣化、小型化的趨勢下，本身能量受限的無人機將會受到更嚴(yán)峻的供能續(xù)航的挑戰(zhàn)，對多樣化任務(wù)長時間作業(yè)產(chǎn)生重要影響。以上存在的組網(wǎng)、頻譜分配、通信安全及能量供給等問題，都是值得深入研究。

2 無人機集群組網(wǎng)通信模式

無人機群組網(wǎng)通信是實現(xiàn)無人機群間實時信息傳輸?shù)耐ㄐ攀侄?，特殊的?yīng)用環(huán)境要求通信網(wǎng)絡(luò)必須保證穩(wěn)定可靠的信息交互，同時盡可能減少通信時延，保障無人機之間的實時通信。無人機群在執(zhí)行任務(wù)時，單機節(jié)點受到破壞，退出機群，使得無人機群自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓?fù)浒l(fā)生變化，無人機群自組網(wǎng)在滿足機群間正常通信需求的同時，還要完成無人機群網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)。同時，涉及一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的授權(quán)和認(rèn)證，需要無人機群能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確響應(yīng)這些指令。

無人機的通信方案，由單機控制的點對點地空通信方案，發(fā)展到一站多機的點對多點的地空通信組網(wǎng)方案，再到滿足無人機群節(jié)點間各種任務(wù)信息協(xié)同協(xié)調(diào)自組網(wǎng)寬帶通信組網(wǎng)方案。無人機群組網(wǎng)通信主要有以下3種組網(wǎng)模式。

2.1 星形組網(wǎng)

星形組網(wǎng)是以地面中心站為中心基站，空中無人機通信終端為節(jié)點，所有節(jié)點直接鏈接到地面中心站，實現(xiàn)地面中心站與所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間直通;無人機間以地面站為中心進(jìn)行交互通信。當(dāng)無人機群組網(wǎng)節(jié)點數(shù)目相對較少、無人機執(zhí)行任務(wù)作業(yè)的覆蓋區(qū)域較小，且無人機任務(wù)作業(yè)相對簡單時，星形組網(wǎng)模式比較合適。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，采用較簡單的路由算法，且規(guī)模較小，信息傳輸?shù)臅r延小，能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信道資源，降低能源消耗。

2.2 網(wǎng)狀自組網(wǎng)

無人機群網(wǎng)狀自組網(wǎng)以地面控制站和空中無人機節(jié)點組成，所有節(jié)點設(shè)備功能相同，都具備終端節(jié)點和路由功能?？罩袩o人機節(jié)點不能一跳鏈接到地面中心站時，通過多跳路由到中心站，實現(xiàn)全網(wǎng)所有節(jié)點的互聯(lián)互通。當(dāng)作戰(zhàn)任務(wù)較為復(fù)雜，無人機群規(guī)模比較大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?，任?wù)復(fù)雜，機間協(xié)調(diào)通信頻繁、作業(yè)半徑大，自主協(xié)同完成任務(wù)為主時，適合采用網(wǎng)狀自組網(wǎng)。由于無人機群網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，節(jié)點間相互通信較為頻繁，路由時延要求很小，在遠(yuǎn)距離節(jié)點間進(jìn)行通信時采用按需路由技術(shù)，能有效降低路由維護(hù)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)魯棒性。

2.3 分層混合組網(wǎng)

分層組網(wǎng)采用地面站為星形網(wǎng)絡(luò)中心站，無人機機載通信終端具備與地面中心站直通和無人機間自組網(wǎng)功能。當(dāng)無人機群作業(yè)任務(wù)非常復(fù)雜時，執(zhí)行任務(wù)的無人機數(shù)量龐大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?，無人機節(jié)點之間通信頻繁、信息量大，此時比較適合采用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的無人機數(shù)量發(fā)生變化時，分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速完成無人機節(jié)點的退出或增加，快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，無人機節(jié)點維護(hù)的路由表相對簡單，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 無人機集群組網(wǎng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 認(rèn)知無人機通信技術(shù)

無人機群組網(wǎng)作業(yè)時，高速的移動性和任務(wù)實時的變化，無人機群內(nèi)部和外部之間通信鏈路和質(zhì)量會發(fā)生劇烈變化，需要解決隱藏、暴露終端和協(xié)調(diào)多節(jié)點有限頻譜共享的問題。認(rèn)知無線電就是頻譜共享的關(guān)鍵技術(shù)之一，無人機群可自我學(xué)習(xí)周圍無線電環(huán)境，感知并利用周圍空閑的頻譜資源，節(jié)點間認(rèn)知信息的共享可以有效解決隱藏、暴露終端的問題。同時，認(rèn)知無線電本身具有可重構(gòu)性的功能，在組網(wǎng)環(huán)境發(fā)生變化的條件下，可進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，動態(tài)的頻譜共享為功率受限的無人機群網(wǎng)絡(luò)提供更高的系統(tǒng)容量、更寬的覆蓋范圍。

3.2 大規(guī)模高動態(tài)無人機組網(wǎng)路由技術(shù)

無人機集群的高速移動性使得組網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)多變，單個無人機自由接入或退出通信子網(wǎng)導(dǎo)致通信質(zhì)量因頻繁組網(wǎng)而不斷波動，給無人機集群組網(wǎng)技術(shù)帶來了更高的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)針對固定和機動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的組網(wǎng)路由技術(shù)難以滿足大規(guī)模、高動態(tài)無人機組網(wǎng)需求，在組網(wǎng)路由的設(shè)計方面需要克服網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多、移動速度快、多跳遠(yuǎn)距離傳輸?shù)仍斐傻牟焕绊?，能適應(yīng)拓?fù)鋭×易兓?、鏈路壽命短暫等問題，建立具有快速組網(wǎng)、抗摧毀、自愈合、安全可靠等特點的路由機制，這對有效支撐無人機多樣化任務(wù)起到了關(guān)鍵作用。

3.3 物理層安全傳輸技術(shù)

無線信道的開放性及衰落特性，容易受到不利因素的影響，無人機通信安全受到威脅。目前用于改善物理層安全的常見方法主要包括多輸入多輸出技術(shù)、人工噪聲技術(shù)及中繼協(xié)同技術(shù)。這些方法比較成熟，可以有效運用到無人機群組網(wǎng)通信中去。

3.4 能量有效通信技術(shù)

無人機的能量主要供給是依靠自身攜帶的電池，盡管在過去一段時間內(nèi)電池技術(shù)有了明顯的增長，但無法解決能量受限的問題。為此，采用能量有效通信技術(shù)提高能量使用效率，其主要包括以下2種方法：優(yōu)化功率分配及能量采集技術(shù)。在系統(tǒng)硬件組成大部分采用輕量化、低功耗設(shè)計的條件下，在無人機間節(jié)點間選擇最佳的數(shù)據(jù)傳輸軌跡對功率進(jìn)行合理分配，文獻(xiàn)[5]給出了在節(jié)點設(shè)備功率一定和高信噪比情況下，通過協(xié)調(diào)源節(jié)點和中繼路由節(jié)點的發(fā)射功率，使得系統(tǒng)性能提升的方案。另外，能量采集可以緩解無人機能量供給緊張的問題，能量的來源可以是太陽能、風(fēng)能或周圍無線電信號中的能量。

4 無人機集群通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展趨勢

無人機通信技術(shù)，主要是單機飛行的點對點通信已經(jīng)有了多年的研究積累，但是無人機群通信網(wǎng)絡(luò)的研究還處于起步階段，無人機群通信網(wǎng)絡(luò)將成為無人機和無線通信領(lǐng)域的研究熱點。

4.1 無人機群通信技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）安全化趨勢。無人機群組網(wǎng)規(guī)模越來越大、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)越來越重要，通過利用物理信道的物理特征，有望從根本上解決無人機通信過程中遭受非法攻擊的問題。

（2）小型化和低功耗趨勢。無人機因其作業(yè)需要，會采用外形尺寸較小的機體，限制了自身攜帶能量，采用能量有效的通信方式可以有效緩解功耗問題，為機群續(xù)航和功能多樣化提供保障。

（3）通用化和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢。無人機群需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制和作業(yè)載荷多樣化，需要無人機具備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口和兼容的系統(tǒng)體制，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高通用性。

（4）智能化趨勢。無人機群引入認(rèn)知通信技術(shù)，在機群系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)的能力大大增強，認(rèn)知周圍復(fù)雜環(huán)境能力的構(gòu)建，增強了系統(tǒng)的自適應(yīng)及抗毀性能力。在測控通信一體化上，通信組網(wǎng)能融合多種類型、多種功能的傳輸手段，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，形成一體化、綜合性的信息處理體系，實現(xiàn)一體化協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的目標(biāo)。

4.2 無人機群通信系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

未來，無人機群通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)會形成以地面基站、空中無人機節(jié)點、衛(wèi)星鏈路等立體寬帶通信體系，兼容公共網(wǎng)絡(luò)、無線通信專網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)空天一體化，滿足未來無人機群組網(wǎng)通信需求，通過對無人機集群組網(wǎng)模式和主要關(guān)鍵技術(shù)的闡述，分析了無人機集群組網(wǎng)的發(fā)展趨勢，為無人機集群組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了建設(shè)性的意見。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]