一種無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議架構(gòu)分析

張繼永

摘要：無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)都以極高的速度和任意的方向進(jìn)行隨機(jī)移動(dòng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化迅速。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議跨層設(shè)計(jì)可以保證節(jié)點(diǎn)在高速移動(dòng)的情況下路由的可靠性，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。本文對(duì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議套件（AeroTP和AeroNP）進(jìn)行了分析，對(duì)各層信息交互關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的顯式跨層機(jī)制進(jìn)行了探究，提出了跨層信息交換在高移動(dòng)性無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)，可為我軍無人作戰(zhàn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高動(dòng)態(tài);無人機(jī)網(wǎng)絡(luò);協(xié)議;跨層

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0031-03

0 引言

高動(dòng)態(tài)無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，由于其極端惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和不可預(yù)測(cè)的移動(dòng)性，對(duì)端到端數(shù)據(jù)傳輸提出了強(qiáng)烈挑戰(zhàn)。當(dāng)前基于傳輸控制協(xié)議（TCP/IP）的Internet體系結(jié)構(gòu)，是美軍現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)級(jí)通信系統(tǒng)同時(shí)跨越全球信息柵格的基石，但并非專門為了無人機(jī)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。

針對(duì)移動(dòng)無線環(huán)境，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、ad hoc網(wǎng)絡(luò)和容斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。文獻(xiàn)[1]提出了一種領(lǐng)域特定架構(gòu)和協(xié)議套件，包括TCP友好的傳輸協(xié)議AeroTP，IP兼容的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議AeroNP以及地理位置感知路由協(xié)議AeroRP。這個(gè)協(xié)議套件支持跨層優(yōu)化，下面對(duì)其基于跨層優(yōu)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行了梳理，對(duì)其不同操作模式下的性能提升優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)特性

和有線網(wǎng)絡(luò)不同，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境更加復(fù)雜和多變，與傳統(tǒng)移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比亦有許多不同，其獨(dú)有特點(diǎn)可以表述為以下4個(gè)方面[2]。

（1）節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以1200m/s（約3.5馬赫）的速度移動(dòng)，為此，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)可能是高動(dòng)態(tài)的并具有持續(xù)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）資源受限性。由于無人機(jī)體積、重量和功率等的限制，其信息傳輸和處理能力都會(huì)受到限制，因此，需要通過多跳傳輸才能到達(dá)地面站。

（3）通連間斷性。由于無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍有限及其高移動(dòng)性，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的接觸時(shí)長(zhǎng)非常短暫，并且容易受到干擾和擁塞，因此是間斷連通的網(wǎng)絡(luò)。

（4）頻譜有限性。由于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可用頻譜有限，而戰(zhàn)場(chǎng)上有大量數(shù)據(jù)需要傳輸尤其是態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)，因此無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)被帶寬嚴(yán)重限制。

可見，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)是高動(dòng)態(tài)高速多跳的容斷網(wǎng)絡(luò)，不同層次的協(xié)議功能都需要隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化不斷地進(jìn)行自我調(diào)整優(yōu)化，同時(shí)不同層次的協(xié)議需要相互協(xié)同配合才能使得網(wǎng)絡(luò)整體性能最優(yōu)。

2 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議套件

2.1 協(xié)議架構(gòu)概述

針對(duì)其支持飛行試驗(yàn)的遙測(cè)系統(tǒng)無法滿足未來發(fā)展的需求，美國試驗(yàn)中心和項(xiàng)目評(píng)估投資機(jī)構(gòu)（CTEIP）于2004年10月啟動(dòng)了增強(qiáng)遙測(cè)綜合網(wǎng)（Integrated Network Enhanced Telemetry）項(xiàng)目[3]。iNET對(duì)全部飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，可適應(yīng)未來信息化試驗(yàn)環(huán)境下的空地一體化、多機(jī)協(xié)同試飛需求，并且具有遠(yuǎn)程、寬帶組網(wǎng)能力?；谶@個(gè)項(xiàng)目，美國堪薩斯大學(xué)的James P G S、Abdul J等人于2011年對(duì)協(xié)議棧體系進(jìn)行了研究，如圖1所示。

相對(duì)于傳統(tǒng)端到端傳輸和路由協(xié)議，高動(dòng)態(tài)、高速和多跳網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)之前的架構(gòu)做出大量?jī)?yōu)化和改變，他們針對(duì)無人機(jī)高動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)提出了一種物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層之間的跨層設(shè)計(jì)方案。圖中的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)分別部署于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)與基于傳統(tǒng)TCP/IP的作戰(zhàn)指揮網(wǎng)絡(luò)以及無人機(jī)載荷之間。

2.2 傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

無人機(jī)傳輸層協(xié)議是一種專門為滿足高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需求而設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議，使用機(jī)會(huì)連接來消除傳統(tǒng)TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三次握手開銷，其數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

“模式”字段根據(jù)作戰(zhàn)指揮業(yè)務(wù)類別可以分為可靠、近可靠、準(zhǔn)可靠和盡力連接以及盡力數(shù)據(jù)報(bào)，第一種是TCP完全兼容、最后一種是UDP完全兼容;“傳輸協(xié)議報(bào)頭錯(cuò)誤校驗(yàn)”字段用于檢測(cè)報(bào)頭完整性，以此可以發(fā)現(xiàn)無線信道傳輸產(chǎn)生的誤碼;只要報(bào)頭沒有損壞，便可以使用前向糾錯(cuò)機(jī)制校正出錯(cuò)的有效載荷。在沒有單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)或鏈路層數(shù)據(jù)CRC的情況下，有效載荷校驗(yàn)CRC可以保護(hù)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，同時(shí)可以測(cè)量誤碼率，以便根據(jù)“模式”來跨層調(diào)整鏈路層的糾錯(cuò)碼強(qiáng)度。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議亦是專門為高動(dòng)態(tài)機(jī)載環(huán)境設(shè)計(jì)的，其數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。

該協(xié)議的一個(gè)顯著特點(diǎn)是對(duì)協(xié)議跨層設(shè)計(jì)提供顯式支持，這里“顯式”有兩方面含義。

一是包括了節(jié)點(diǎn)MAC地址。即通過網(wǎng)關(guān)的高效地址映射[4]，將IP包轉(zhuǎn)換為無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包，計(jì)算出了“源”、“目的地”和“下一跳”三個(gè)MAC地址。這個(gè)數(shù)據(jù)包可以直接插入TDMA時(shí)隙。由于沒有攜帶32位的源和目的IP地址，使得鏈路層的效率顯著提升，因此最大程度地減少了鏈路層開銷;此外還提供了強(qiáng)大的報(bào)頭校驗(yàn)，以便傳輸層可以利用其前向糾錯(cuò)機(jī)制恢復(fù)出錯(cuò)的有效載荷。二是包括了“源”和“目的地?zé)o人機(jī)節(jié)點(diǎn)位置”。它們是可選字段，低速飛行時(shí)可以省略，但在無人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)必須包括進(jìn)來;它們是指節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星定位坐標(biāo)和速度矢量，路由算法可以充分利用無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置和軌跡等獨(dú)特信息來找到更優(yōu)的路徑。

“出錯(cuò)指示符”字段用于顯式通知傳輸層錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生，從而可以利用前向糾錯(cuò)機(jī)制在其準(zhǔn)可靠模式下進(jìn)行糾錯(cuò)。這種錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)和糾錯(cuò)方法區(qū)別于傳統(tǒng)IP轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即不必在中間跳過程中就丟棄出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包。

3 跨層設(shè)計(jì)分析

3.1 跨層設(shè)計(jì)方法

在傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中，協(xié)議棧從上到下由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層組成，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)假設(shè)存在持久穩(wěn)定的通信鏈路，各層功能獨(dú)立，之間的交互遵循固定的接口標(biāo)準(zhǔn)，只注重本層需要解決的問題和完成的功能，一般不會(huì)使用相鄰層或其它層的信息，各層之間存在著清晰的功能界線。這種分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大程度地減少了不同層之間的耦合度，降低了不同層之間的依賴性，使得結(jié)構(gòu)更加靈活，更易于擴(kuò)展和優(yōu)化，是互聯(lián)網(wǎng)中使用最廣泛的端到端傳輸協(xié)議。但這種協(xié)議架構(gòu)未從系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)成可支持全局優(yōu)化的技術(shù)體制，不支持清晰的跨層信息交換，從而無法有效利用無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的諸多獨(dú)特信息[5]。

為了解決無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)間斷連通性等固有特性帶來的開銷問題，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多可以改善無線網(wǎng)絡(luò)整體性能、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)變化、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)資源分配的跨層設(shè)計(jì)方法?？傮w上可以分為新增層間接口、合并相鄰層和聯(lián)合設(shè)計(jì)三類[6]。根據(jù)信息的傳遞方向，跨層信息共享又可以細(xì)分為信息上行、信息下行和兼具信息上行與下行。例如，在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，一種跨層設(shè)計(jì)是物理層將信道特性變化上傳至鏈路層，用于調(diào)整優(yōu)化鏈路層的資源預(yù)留參數(shù)，同時(shí)，鏈路層將資源預(yù)留信息下傳至物理層，用于調(diào)整優(yōu)化數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

3.2 跨層設(shè)計(jì)解析

James P.G.S.等學(xué)者在圖1所示的協(xié)議棧中，利用新增層間接口的方法，設(shè)計(jì)了通過跨層有效利用可用信息的機(jī)制，以便在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)發(fā)策略，支持在高動(dòng)態(tài)物理拓?fù)渖系目煽客ㄐ?，如圖4所示。

在協(xié)議棧內(nèi)部數(shù)據(jù)下行過程中，應(yīng)用層的丟包率和服務(wù)規(guī)范傳遞至鏈路層，用來調(diào)整前向糾錯(cuò)的強(qiáng)度;傳輸層通過轉(zhuǎn)發(fā)基于服務(wù)質(zhì)量的轉(zhuǎn)發(fā)模式影響網(wǎng)絡(luò)層的路徑選擇，從而要求給定數(shù)據(jù)流具有一定的可靠性;傳輸層的轉(zhuǎn)發(fā)模式信息，還可以傳遞至網(wǎng)絡(luò)層，影響路由選擇，傳遞至鏈路層，改變前向糾錯(cuò)的強(qiáng)度，傳遞至物理層，調(diào)整編碼強(qiáng)度。在協(xié)議棧內(nèi)部數(shù)據(jù)上行過程中，網(wǎng)絡(luò)層的路徑特性（如錯(cuò)誤率等），傳遞至傳輸層以適應(yīng)前向糾錯(cuò)FEC的強(qiáng)度。

該協(xié)議架構(gòu)不僅在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間，而且在鏈路層和物理層也采用跨層優(yōu)化。這包括物理層將信道條件和誤碼率傳輸至鏈路層從而優(yōu)化其前向糾錯(cuò)FEC的類型的強(qiáng)度，以及根據(jù)傳輸層的轉(zhuǎn)發(fā)模式和網(wǎng)絡(luò)層的QoS參數(shù)（優(yōu)先級(jí)和服務(wù)類型）優(yōu)化TDMA參數(shù)和時(shí)隔分配。

值得注意的是，物理層的節(jié)點(diǎn)位置和速度信息，顯式地傳遞至網(wǎng)絡(luò)層（圖3的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式可以清晰地看出），該協(xié)議架構(gòu)利用網(wǎng)絡(luò)層提供的顯式跨層支持來計(jì)算數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳，實(shí)現(xiàn)了高效預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，特別適合高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的路徑發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)語

由于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有高速率以及不可預(yù)測(cè)移動(dòng)性的高動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議并不是專門為這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，為此，需要研究特別適用于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)并可跨層使用的協(xié)議。James P.G.S.等學(xué)者提出的這種支持跨層設(shè)計(jì)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議套件，可以基于共享軌跡信息預(yù)測(cè)鏈路何時(shí)可用，從而有效利用可用的網(wǎng)絡(luò)帶寬。該協(xié)議套件對(duì)跨層信息提供顯式支持，極大地減少了網(wǎng)絡(luò)開銷，跨層的信息交換能夠在高移動(dòng)性的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中顯著降低開銷并且提升性能。這種設(shè)計(jì)思路可為我軍無人機(jī)參與聯(lián)合作戰(zhàn)、有人與無人協(xié)同作戰(zhàn)以及無人蜂群作戰(zhàn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究提供很好的借鑒。下一步我們將對(duì)該協(xié)議套件中路由協(xié)議的安全性和協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制作進(jìn)一步分析探究。

參考文獻(xiàn)

[1] JUSTIN P.ROHRER，ABDUL JABBAR，EGEMEN K.CETINKAYA，ERIK PERRINS，JAMES P.G.STERBENZ.Highly-Dynamic Cross-Layered Aeronautical Network Architecture.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，47（4）：2742-2765，October 2011.