無人機協(xié)同組網(wǎng)的車載自組網(wǎng)方案研究

張鵬 朱敏 高興榮

摘? 要：目前國內(nèi)外研究人員均未能就車載自組織網(wǎng)絡丟包率較高這一問題提出有效的解決方案，鑒于此，文章探索了一種基于無人機協(xié)同組網(wǎng)的地空一體式車載自組網(wǎng)框架，并對網(wǎng)絡性能進行分析。仿真結果表明，通過無人機協(xié)同組網(wǎng)可以大大降低VANET網(wǎng)絡丟包率，對未來無人駕駛場景中VANET網(wǎng)絡的構建具有一定的參考價值。

關鍵詞：車載自組織網(wǎng)絡;無人機;協(xié)同組網(wǎng)

中圖分類號：TP391.4? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2021）18-0061-04

Abstract： At present， researchers at home and abroad have failed to put forward an effective solution to the problem of high packet loss rate of on-board self-organizing network. In view of this， this paper explores a ground air integrated on-board self-organizing network framework based on UAV cooperative networking， and analyzes the network performance. The simulation results show that the packet loss rate of VANET network can be greatly reduced through UAV cooperative networking， which has a certain reference value for the construction of VANET network in the future unmanned driving scene.

Keywords： on-board self-organizing network; UAV; cooperative networking

0? 引? 言

隨著信息技術的飛速發(fā)展，無人駕駛將成為新一代智能交通系統(tǒng)的核心技術[1]。在無人駕駛的場景中，車輛具有更高的機動性和不確定性，這就要求車輛等之間時刻保持高度的通信穩(wěn)定性[2]。

移動自組織網(wǎng)絡通信技術可以為車輛之間的穩(wěn)定通信提供了技術支持。車輛采用移動自組織網(wǎng)絡的通信架構，構建車載自組織網(wǎng)絡（Vehicular Ad-hoc Network， VANET）[3]。VANET網(wǎng)絡無需預置基礎設施，具備動態(tài)可重構性，是面向未來無人駕駛的新型網(wǎng)絡方案[4]。

VANET網(wǎng)絡具有其本身獨特的性質(zhì)，主要表現(xiàn)為：（1）車輛的快速移動以及頻繁的變換位置導致網(wǎng)絡拓撲結構變化比傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡更頻繁;（2）VANET網(wǎng)絡不僅需要及時傳遞信息，還要實現(xiàn)無人駕駛等功能，故VANET實時性要求比移動自組織網(wǎng)絡更高;（3）信號干擾和網(wǎng)絡拓撲結構快速變化導致VANET比傳統(tǒng)移動自組織網(wǎng)絡丟包率更高，影響網(wǎng)絡的實時連通性能。因此，如何降低VANET丟包率是目前研究的熱點[5]。

隨著無人機技術的飛速發(fā)展，人們逐漸把目光轉向可以靈活部署、自由移動的無人機。無人機與VANET結合，能夠取長補短，在自組網(wǎng)通信發(fā)揮出較大優(yōu)勢。無人機移動靈活、體積小、能夠輕易擺脫地形的束縛，保障視距通信質(zhì)量。這些都使得無人機成為降低VANET丟包率的可能途徑。

國內(nèi)外針對無人機在VANET中的研究主要集中在資源分配、能源優(yōu)化和路由算法上。例如文獻[6]采用發(fā)送端自主決策的分布式策略，提出了干擾感知的節(jié)點接入機制。文獻[7]利用移動節(jié)點輔助位置管理策略引入到無線自組網(wǎng)的GPSR協(xié)議中，提出基于地理位置信息的高可靠性路由算法GPSR-HRU。文獻[8]提出了適用于VANET網(wǎng)絡的三維GPSR路由算法。文獻[9]考慮低復雜度需求，提出了空地協(xié)作組網(wǎng)下的無人機位置部署及能量優(yōu)化機制。這些文獻對無人機協(xié)同VANET組網(wǎng)的資源分配和路由算法提出了新思路，但未能針對丟包率較高的問題提供解決方案。

因此，本文針對VANET存在高丟包率的問題，引入無人機協(xié)同組網(wǎng)方式，探索了一種基于無人機協(xié)同組網(wǎng)的地空一體的車載自組網(wǎng)架構。該網(wǎng)絡架構充分利用無人機移動靈活、體積小等特點，用于提高VANET網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和靈活性。網(wǎng)絡性能分析表明，基于無人機協(xié)同組網(wǎng)的車載自組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構具有良好的性能。

1? 網(wǎng)絡架構方案及飛行策略

1.1? 車輛

車輛攜帶有支持自組網(wǎng)無線通信的設備，行駛在區(qū)域內(nèi)不同位置。

1.2? 無人機

區(qū)域內(nèi)部署兩類無人機：自動飛行無人機（Automatic Flight UAV， AFU）、巡航無人機（Circular Flight UAV， CFU）。無人機在通信距離范圍內(nèi)，能夠與車輛組建自組網(wǎng)。

1.3? 基于分層的無人機部署方案

空中部署的無人機分成兩層架構，在第一層部署AFU無人機。AFU無人機隨機在區(qū)域內(nèi)飛行。第二層部署CFU無人機。CFU無人機根據(jù)區(qū)域的范圍和通信距離，提前規(guī)劃航跡巡航，保障區(qū)域內(nèi)的通信。兩類無人機部署在不同的高度，如圖1所示。

1.4? CFU無人機協(xié)同組網(wǎng)的飛行策略

如何規(guī)劃CFU無人機的航跡，將決定網(wǎng)絡架構的穩(wěn)定性和有效性。假設區(qū)域為正方形區(qū)域，邊長為R。無人機最大通信距離為Rd，飛行高度為h，無人機按照圓形航跡飛行。投影到地面后，無人機的航跡在地面投影為以半徑r的圓形。

為了保證巡航無人機之間航跡互不干擾，并且能夠最大程度保障通信，假設無人機圓形航跡的數(shù)量為k，k需要滿足式（1）中的要求，

通過式（1），解得k≥5。取k=5，得到飛行航跡為5個圓形，航跡部署圖如圖2所示。

在一個圓形航跡上部署2架無人機，處于圓心對角位置，保持相對速度一致，繞著航跡運動，航跡部署方案如圖3所示。

為了保證圓形航跡區(qū)域內(nèi)的車輛都在它的通信范圍內(nèi)，航跡半徑需滿足式（3）要求：

根據(jù)式（2）得到：

最終，得到第二層無人機部署方案如圖4所示，共規(guī)劃5個航跡，每個航跡上同時由兩架無人機處于對角位置沿著逆時針飛行。

通過圖4方案部署CFU無人機，利用無人機保證車輛之間的連通性，同時連接盡可能多的車輛。與傳統(tǒng)平面結構相比，分層的網(wǎng)絡結構能夠減輕網(wǎng)絡局部的拓撲結構變化對整個網(wǎng)絡的影響。在路由的計算和生成過程中，只需要部分節(jié)點參與，有效減少了路由和控制開銷。此外，分層結構能實現(xiàn)對網(wǎng)絡的有效控制和管理，提高了網(wǎng)絡的擴展性。

2? 仿真實驗和結果分析

2.1? 仿真環(huán)境

采用OPNET Modeler 14.5網(wǎng)絡仿真工具模擬自組網(wǎng)通信過程，仿真參數(shù)為：場景區(qū)域大小為10 km×10 km，車輛最大通信距離為2 500米。車輛移動速度范圍為0 km/h～ 80 km/h。無人機最大通信距離為2 500米，無人機移動速度范圍為0 km/h～100 km/h，每個設備發(fā)射功率為5 W，MAC層采用802.11p協(xié)議。車輛的運動模型選擇為隨機運動模型。

2.2? 仿真結果分析

首先，仿真無人機協(xié)同組網(wǎng)的VANET網(wǎng)絡場景（30輛車輛和15架UAV）。無人機規(guī)劃航跡及分布如圖5所示。

為了評估無人機協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡性能，設置第一個無協(xié)同組網(wǎng)的VANET網(wǎng)絡場景中，車輛為30輛。為了評估空中無人機節(jié)點替代地面車輛協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡性能，設置第二個無協(xié)同組網(wǎng)的VANET網(wǎng)絡場景中車輛為45輛，搭建的仿真場景圖如圖6所示。

無人機協(xié)同組網(wǎng)的VANET網(wǎng)絡場景中，設置車輛數(shù)量為30輛，同時部署無人機15輛，第一層AFU無人機數(shù)量為5，飛行高度設置為50米。第二層CFU無人機數(shù)量為10，飛行高度設置為100米，飛行航跡設置為5個圓形軌跡，每個圓形航跡上有兩架無人機。仿真時間為15分鐘，使用相同的aodv協(xié)議。三種場景下平均丟包率仿真結果如圖7所示。

首先，分析在地面車輛數(shù)量相同情況下，有無人機協(xié)同組網(wǎng)和沒有無人機協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡性能。紅線和綠線分別為無協(xié)同組網(wǎng)的VANET（車輛30輛）和有無人機協(xié)同組網(wǎng)的VANET的網(wǎng)絡（車輛30輛，無人機15架）平均丟包率曲線圖。通過對比可以看出，在地面車輛數(shù)量相同的時候，沒有無人機協(xié)同組網(wǎng)情況下，網(wǎng)絡平均丟包率達到了13%。通過無人機協(xié)同組網(wǎng)，組建分層空中網(wǎng)絡架構中，平均丟包率降低了約7%。無人機參與協(xié)同組網(wǎng)后，能夠起到很好的中繼效果，建立起地—空—空—地的有效傳輸路徑，使得網(wǎng)絡架構更加穩(wěn)定，因此能夠降低了丟包率。

其次，分析在總數(shù)量固定時候，利用相同數(shù)量的無人機替代車輛進行協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡性能。藍線和綠線分別為無協(xié)同組網(wǎng)的VANET（車輛45輛）和有無人機協(xié)同組網(wǎng)的VANET的網(wǎng)絡（車輛30輛，無人機15架）平均丟包率曲線圖。通過對比可以看出，總數(shù)量固定時候，利用相同數(shù)量的無人機替代車輛，平均丟包率降低了約2%。通過對無人機搭建空中分層架構，并合理規(guī)劃航跡，充分利用無人機機動靈活、速度快的特點，在較短時間部署完成空域通信網(wǎng)基礎。因此，能夠降低網(wǎng)絡的丟包率，提高網(wǎng)絡的抗毀性。

綜上，通過無人機協(xié)同組網(wǎng)，可以有效降低丟包率，對VANET網(wǎng)絡穩(wěn)定性和連通性方面性能均具有提升。

3? 結? 論

本文充分利用無人機移動靈活、體積小等特點，提出了一種基于無人機協(xié)同組網(wǎng)的車載自組網(wǎng)VANET網(wǎng)絡架構。仿真結果表明，通過無人機協(xié)同組網(wǎng)，可大大降低VANET網(wǎng)絡丟包率，對VANET網(wǎng)絡穩(wěn)定性和連通性方面性能均具有提升，對未來無人駕駛場景中VANET網(wǎng)絡的構建具有一定參考價值。

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作者簡介：張鵬（1982—），男，漢族，安徽阜陽人，副教授，博士，主要研究方向：無線自組網(wǎng)、網(wǎng)絡通信;通訊作者：朱敏（1988—），男，漢族，福建莆田人，助教，碩士，主要研究方向：無線自組網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡;高興榮（1982—），男，漢族，安徽合肥人，講師，碩士，主要研究方向：無線通信、數(shù)據(jù)通信。