無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

姚榮彬 李曉歡 唐欣

摘? 要：無人機即時快速自組網(wǎng)已經(jīng)成為多無人機協(xié)作應用的瓶頸問題，本文設(shè)計了一種大范圍、連續(xù)覆蓋的無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Batman-adv路由協(xié)議，通過混頻器將無線信號進行上下變頻，實現(xiàn)了多無人機即時快速自組網(wǎng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)發(fā)射信號質(zhì)量良好，具備多個無人機節(jié)點的自組網(wǎng)與通信能力，驗證了自組網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：無人機;自組網(wǎng);batman-adv;TCP/IP;緊急通信

中圖分類號：TN929.5;V279? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）10-0060-03

Abstract：In order to solve of the problem of unmanned aerial vehicles（UAVs）failing to establish ad hoc network，this paper proposes an extensive and continuous covered UAV ad-hoc network system which bases on the Batman-adv routing protocol and shifts the entire wireless signal to a new frequency range（either up or down in spectrum）through a mixer to realize real-time and fast ad hoc network for multi-UAV. The results of the experiment show that the radio signal of the system is strong enough to enable the nodes of UAVs to establish an ad hoc network and communicate with each other，which indicate that the system is feasible.

Keywords：unmanned aerial vehicle;ad hoc network;batman-adv;TCP/IP;emergency communication

0? 引? 言

當前，無人機在航拍、農(nóng)業(yè)、災難救援、觀察野生動物、測繪、電力巡檢等領(lǐng)域應用廣泛，但單一無人機無法實現(xiàn)一些大范圍、不適宜人直接參與的臨時性應用部署，需要設(shè)計若干個具有無線收發(fā)裝置的機載自組網(wǎng)節(jié)點組成的多跳、對等的無中心節(jié)點的臨時性無線自組網(wǎng)，以完成在特殊應用情景下無人機即時快速組網(wǎng)，實現(xiàn)大范圍、無人直接參與的信息采集與傳輸。而無線自組網(wǎng)是無人機自組網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡及智慧城市等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]，無線節(jié)點之間采用動態(tài)網(wǎng)狀連接，任何一個節(jié)點的離開或消失不會影響整個網(wǎng)絡的運行，網(wǎng)絡魯棒性好[4]。因此，為了滿足大范圍、連續(xù)的且不適宜人直接參與的信息采集與傳輸需求，本文設(shè)計了一種無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)，通過軟硬件集成設(shè)計，并驗證該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多個無線節(jié)點的開機組網(wǎng)與通信，基本滿足應急快速自動組網(wǎng)的通信業(yè)務需求。

1? 無人機自組網(wǎng)硬件設(shè)計

無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)硬件主要由WLAN模塊、混頻器、LNA/PA模塊、處理器模塊及其附屬接口模塊組成。自組網(wǎng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

硬件系統(tǒng)主要利用混頻原理將WLAN模塊發(fā)射的2426～2448MHz射頻信號下變頻到1438～1460MHz;同時，WLAN模塊將接收到的1438～1460MHz頻段信號上變頻至2426～2448MHz頻段。由于混頻器輸入為差分信號，因此在輸入前端加入一顆阻抗比率為1：4的巴倫，將單端信號轉(zhuǎn)化為差分信號輸入到混頻器中。另外，為提高整個系統(tǒng)的信號發(fā)射功率，在混頻模塊后設(shè)計了一個PA模塊，采用雙PA級聯(lián)的方案放大混頻后的中頻信號，以增加無人機自組網(wǎng)節(jié)點單跳覆蓋范圍。

2? 無人機自組網(wǎng)軟件設(shè)計

根據(jù)無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)的功能需求，其軟件系統(tǒng)主要由Linux、TCP/IP協(xié)議、路由協(xié)議以及無線網(wǎng)卡驅(qū)動組成。圖2對自組網(wǎng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)進行說明，列出所需要的軟件組件。

軟件系統(tǒng)采用的是Linux-4.1.13，自組網(wǎng)路由協(xié)議采用Batman-adv的2018.1版本，需要在現(xiàn)有Linux-4.1.13內(nèi)核上進行編譯并放至文件系統(tǒng)中。Batman-adv默認添加名為bat0的MESH網(wǎng)絡接口設(shè)備，那么就需要把通信設(shè)備添加到該網(wǎng)絡中才能實現(xiàn)路由。另外，由于Batman-adv會在以太網(wǎng)幀中添加32字節(jié)的控制信息，所以MTU需要設(shè)置為1532。系統(tǒng)啟動需要運行以下初始化命令：

? ifconfig wlan0 mtu 1532

? batctl if add wlan0

? ifconfig bat0 up

3? 系統(tǒng)測試

3.1? 信號質(zhì)量測試

機載自組網(wǎng)節(jié)點發(fā)射的信號經(jīng)過混頻放大之后，其中心頻率為1.449GHz，再將該頻段信號接上40dB的衰減器，得到信號的平均功率、頻譜與星座圖如圖3所示。

3.2? 點對點測試

點對點通信測試結(jié)果如圖4所示，在TCP模式下，使用Iperf工具測試兩個節(jié)點（約2000米）之間的帶寬，持續(xù)測試100秒，測試結(jié)果平均帶寬22Mbps，速度穩(wěn)定，說明經(jīng)過混頻之后信號還原度好。

3.3? 無人機組網(wǎng)測試

無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)測試如圖5所示，A，B，C分別表示三臺無人機搭載自組網(wǎng)通信模塊，懸?？罩邢鄬o止組網(wǎng)，IP地址分別為10.1.10.2、10.1.10.3和10.1.10.4。其中A和C均不在彼此1跳通信范圍內(nèi)，A發(fā)送的數(shù)據(jù)需經(jīng)節(jié)點B路由轉(zhuǎn)發(fā)至C節(jié)點，實現(xiàn)A、B、C三個節(jié)點互通，進而測試節(jié)點A到節(jié)點C的帶寬，測試的平均帶寬為8.93Mbps，驗證了該自組網(wǎng)系統(tǒng)具備組網(wǎng)通信能力。無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)測試結(jié)果如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計了一種無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了在無基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下的大范圍、連續(xù)的臨時組網(wǎng)信息傳輸。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備多個無線自組網(wǎng)節(jié)點的開機快速組網(wǎng)和通信功能，數(shù)據(jù)傳輸帶寬基本滿足無人機組網(wǎng)需求，具有良好的實際應用價值。

參考文獻：

[1] Yahiaoui S，Belhoul Y，F(xiàn)aoudi F，et al. TopCoF：A Topology Control Framework for Wireless Ad Hoc Networks[C]// Mobile Ad-hoc and Sensor Networks（MSN），2010 Sixth International Conference on. S.l.：s.n.，2010：222-225.

[2] Landolsi T，Sagahyroon A，Mirza M.Pollution Monitoring System using Position-Aware Drones with 802.11 Ad-Hoc Networks [C]. Malaysia：IEEE Conference on Wireless Sensors（ICWiSe），2018.

[3] Kim B S ，Kim K I ，Roh B S ，et al. Hierarchical Routing for Unmanned Aerial Vehicle Relayed Tactical Ad Hoc Networks [C]// 2018 IEEE 15th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems（MASS）. IEEE，2018.

[4] Zhang J，Liu K. Survey of Ad-Hoc Network Technology for UAV [C]. Chongqing，China.2018 IEEE 18th International Conference on Communication Technology（ICCT），2018.

作者簡介：姚榮彬（1984.04-），男，漢族，廣西玉林人，實驗師，碩士，主要研究方向：自組網(wǎng)通信與嵌入式系統(tǒng);通訊作者：李曉歡（1982.06-），男，漢族，重慶人，副研究員，博士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、儀器聯(lián)網(wǎng)、智慧實驗室。