無人機飛行自組網(wǎng)通信協(xié)議

付有斌 康巧燕 王建峰 胡海巖

1．空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西西安710077

近年來,無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)憑借其體積小、成本低、不易被發(fā)現(xiàn)、便于部署等優(yōu)勢,在軍事和民用領(lǐng)域的很多方面都得到了廣泛應(yīng)用,比如實時監(jiān)控、自動跟蹤、搜尋與救援、中繼傳輸?shù)萚1].相比于單架無人機的應(yīng)用,多無人機協(xié)同配合的應(yīng)用將更加有效、快速、靈活,已成為當(dāng)前研究熱點.但是,多無人機的協(xié)同配合面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn),其中保證無人機之間快速、可靠的通信是確保多無人機之間相互協(xié)作的重要問題之一.

基于自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出來的飛行自組網(wǎng)(Flying Ad-Hoc Network,FANET)[2],將移動自組網(wǎng)的思想拓展到空天領(lǐng)域,可以為多無人機間提供可靠實時的網(wǎng)絡(luò)通信,以便多無人機之間可以快速協(xié)同完成各種任務(wù),成為解決多無人機間通信問題的一種良好解決方案.無人機FANET 是無人機之間的自組織網(wǎng)絡(luò),無人機之間無需通過基礎(chǔ)設(shè)施,可以直接進行通信.此外,部分無人機可以與有人機(后端控制)、地面控制臺或是衛(wèi)星進行通信.但由于UAV 節(jié)點的高動態(tài)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化等特點,FANET 對多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等組網(wǎng)通信協(xié)議提出了更多挑戰(zhàn),尤其值得關(guān)注與研究.

本文從無人機FANET 組網(wǎng)的角度入手,對FANET 多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等方面的研究成果進行總結(jié)、分析并討論下一步研究方向.

1 飛行自組網(wǎng)性能需求分析

FANET 可以看成是所有節(jié)點均為UAV 的移動自組網(wǎng)(Mobile Ad-Hoc Network,MANET)的一種新形式,UAV 間的通信通過自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),這種新的通信模型也可以看作是由MANET 衍生出來的車載自組網(wǎng)(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)的一個子集[2].事實上,在正式定義FANET 之前,也有不少無人機自組網(wǎng)的相關(guān)研究,只是名稱不一樣,如聯(lián)網(wǎng)空中機器人(Networked Aerial Robots)、無人駕駛航空自組網(wǎng)(Unmanned Aeronautical Ad-Hoc Network,UAANET)、無人機自組網(wǎng)(UAV Ad-Hoc Network)、無人機網(wǎng)絡(luò)(Networks of UAVs)、分布式航空傳感器網(wǎng)絡(luò)(Distributed Aerial Sensor Network)等[3].FANET的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 FANET 的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 The typical structure of FANET

FANET 衍生于MANET、VANET,具有與它們共同的網(wǎng)絡(luò)特點,但作為自組織網(wǎng)絡(luò)新興的研究領(lǐng)域,FANET 也有其獨有的特點,如節(jié)點的移動速度高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快、節(jié)點密度低等,表1從節(jié)點移動性、移動模型、拓?fù)渥兓缘确矫?對FANET 與VANET、MANET 進行了比較[24].

因此,在基于以上區(qū)別的同時,FANET 在通信傳輸相關(guān)技術(shù)上需要達到以下性能要求,具有一定的技術(shù)挑戰(zhàn)[2,4].

1)低時延需求.時延性是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的重要考慮因素之一,FANET 是面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò),其時延性的要求取決于無人機應(yīng)用場景,但大部分的應(yīng)用都要求盡量低的傳輸時延,如搜救工作、災(zāi)害監(jiān)測等.

2)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性需求.無人機在飛行過程中存在多種不斷變化且對FANET 產(chǎn)生影響的因素.首先,FANET 中的無人機節(jié)點高速移動,使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置始終在變化,節(jié)點間的通信距離也在不斷變化,從而帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?其次,FANET 是基于任務(wù)的應(yīng)用,無人機數(shù)量、飛行路線等會根據(jù)任務(wù)需求而改變;再次,飛行環(huán)境的變化,如遇到樓房、山脈等障礙物,會引起無人機鏈路質(zhì)量的變化,部分無人機鏈路可能會失效,導(dǎo)致拓?fù)渥兓?最后,無人機可能在飛行期間發(fā)生故障,造成無人機數(shù)量減少,需要新無人機加入.因此,在設(shè)計FANET 通信協(xié)議時,需要著重考慮FANET 的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性需求.

表1 FANET、VANET 和MANET 的比較Table 1 Comparison of FANET,VANET and MANET

3)高可靠性需求.UAV 以及FANET 的可靠性決定了系統(tǒng)的負(fù)載能力和接入能力.在敏感的軍事和監(jiān)視應(yīng)用中,要求FANET 具有可靠的數(shù)據(jù)傳送能力.在FANET 中需要在UAV 之間建立足夠可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò),以至于如果一個UAV 的傳輸鏈路損壞后,仍可以通過其他UAV 來進行集群間相互通信或者與后端基站進行數(shù)據(jù)傳輸.

4)網(wǎng)絡(luò)可擴展性需求.不同的任務(wù),所需要的無人機數(shù)量不一樣,當(dāng)任務(wù)改變時,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模隨之改變,而隨著任務(wù)和地形的復(fù)雜化,FANET 中的UAV 數(shù)量大量增加;且在許多情況下,無人機的任務(wù)完成情況與無人機的數(shù)量有關(guān)系,例如更多的無人機可以更加快速地完成搜索和救援的任務(wù).因此,FANET 通信協(xié)議的設(shè)計要滿足網(wǎng)絡(luò)的可擴展性需求.

5)高帶寬需求.多數(shù)FANET 應(yīng)用的目的是從外界收集數(shù)據(jù),并且將數(shù)據(jù)傳遞給地面控制臺.當(dāng)前隨著對高清晰圖像和視頻需求的增加,及對低時延傳輸?shù)钠惹幸?很多情況下,無人機的數(shù)據(jù)傳遞需要高帶寬.但是無人機的帶寬受到多種因素限制,如通信信道容量、無人機飛行速度等原因.FANET 在設(shè)計時必須滿足帶寬容量需求,以便于滿足對帶寬要求較高的實時圖像或視頻的傳輸需求.

6)低網(wǎng)絡(luò)開銷需求.由于無人機網(wǎng)絡(luò)帶寬受限,降低網(wǎng)絡(luò)開銷,可提高帶寬的使用效率.另外,在微小型和小型無人機網(wǎng)絡(luò)中,能耗受到一定限制[5],通過降低網(wǎng)絡(luò)開銷,可減小能量消耗,延長UAV 和網(wǎng)絡(luò)壽命,降低由于能量耗盡的無人機離開或毀掉而導(dǎo)致鏈路中斷的概率.因此,在不降低網(wǎng)絡(luò)性能的情況下盡量減少網(wǎng)絡(luò)開銷是必要的.

2 飛行自組網(wǎng)通信協(xié)議研究進展

鑒于FANET 相比于其他無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的高動態(tài)及多變性,在協(xié)議設(shè)計方面集中在上層專用通信協(xié)議的研究上,主要是基于MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議設(shè)計與優(yōu)化.因此,本節(jié)從組網(wǎng)的角度出發(fā),對FANET 多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等方面的研究成果進行總結(jié)和分析.

2.1 飛行自組網(wǎng)的MAC 協(xié)議

2.1.1 FANET MAC 協(xié)議的設(shè)計挑戰(zhàn)

媒體接入控制協(xié)議(Medium Access Control,MAC)決定了無線信道的使用方式,在UAV 節(jié)點之間分配有限的無線通信資源,用以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).由上節(jié)中FANET 的特點及傳輸性能需求分析可知,FANET MAC 協(xié)議的設(shè)計具有如下挑戰(zhàn):

1)對于大部分FANET 應(yīng)用來說,高移動性是FANET 最顯著的特性之一,給MAC 層帶來了新的問題.由于高移動性和節(jié)點間距離的變化,FANET 中的鏈路質(zhì)量經(jīng)常發(fā)生波動.鏈路質(zhì)量的變化和鏈路中斷直接影響FANET MAC 的設(shè)計.

2)分組延時是FANET MAC 設(shè)計中的一個重要問題.特別是對于實時應(yīng)用,數(shù)據(jù)包延時必須是有限制的,有的應(yīng)用甚至要求達到毫秒級的節(jié)點接入時延,這大大增加了FANET MAC 設(shè)計的難度.

3)通常FANET 節(jié)點密度非常低,節(jié)點間的通信距離較長,全向MAC 協(xié)議有效通信范圍較小,不能滿足需求,需要考慮定向MAC 協(xié)議,而定向MAC 協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵問題在于節(jié)點的位置估計及共享,這對于具有高速移動節(jié)點的FANET 來說,更具挑戰(zhàn)性.

因此,結(jié)合FANET 組網(wǎng)性能需求設(shè)計符合高動態(tài)、低時延等特性的MAC 層協(xié)議是FANET 的關(guān)鍵技術(shù)之一.

2.1.2 現(xiàn)有MAC 協(xié)議的適用性研究進展

無人機之間通信可以在現(xiàn)有的通信協(xié)議中選擇可適用的協(xié)議.在FANET 中,將每一架無人機看作是一個移動節(jié)點,無人機之間的相互通信可以使用開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI)模型.物理層和數(shù)據(jù)鏈路層一般被認(rèn)為是底層的網(wǎng)絡(luò),可以使用IEEE 802.11 協(xié)議[6],這一協(xié)議的有效通信范圍是幾百米的視距通信.而IEEE 802.11n 已經(jīng)具有更長的通信范圍和相對高的數(shù)據(jù)速率(物理層吞吐量可高達600 Mb/s).由于無人機之間一般距離較遠,802.11n 協(xié)議更適宜于無人機之間的相互通信[7].

802.11 MAC 協(xié)議主要是分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function,DCF)機制,該機制是節(jié)點共享無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕窘尤敕绞?它把帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)技術(shù)和確認(rèn)(Acknowledge,ACK)技術(shù)結(jié)合起來,采用二進制指數(shù)回避策略來避免沖突,當(dāng)數(shù)據(jù)長度較長時,可以選擇采用RTS/CTS(Relay To Send/Clear To Send)機制來有效減小沖突發(fā)生的概率,且RTS/CTS 可以解決暴露終端和隱藏終端問題.CSMA/CA 是一種載波檢測沖突避免技術(shù),主要通過載波信號檢測來判斷某一信道中的信號能量是否達到一個基準(zhǔn)點,如果信號的強度在這基準(zhǔn)點之下,就表示該信道未被占用,因此,節(jié)點就可使用該信道來傳輸.但是,CSMA/CA 在數(shù)據(jù)分組接入前,有一個提前對信道的偵聽過程,該過程會使得信道的利用率降低,且多次握手過程也導(dǎo)致了端到端時延的增加,難以滿足實時應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)時延的要求.此外,802.11 MAC 協(xié)議耗費了相當(dāng)多效率用作鏈路的維護,從而大大降低了系統(tǒng)的吞吐量.802.11n 通過增加幀聚合技術(shù)和塊確認(rèn)技術(shù)改善MAC 層,來減少固定的開銷及擁塞造成的損失,但也仍然存在其基本協(xié)議CSMA/CA 本身存在的問題.

文獻[8]提出把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種低速率、低功耗、低成本的無線通信協(xié)議IEEE 802.15.4 MAC應(yīng)用到分簇FANET 的簇間和簇內(nèi)通信,該協(xié)議在非信標(biāo)使能模式下采用無時隙CSMA/CA 協(xié)議簡單的傳輸數(shù)據(jù),適用于業(yè)務(wù)傳輸實時性要求較低的應(yīng)用場合;在信標(biāo)使能模式下,采用確保傳輸時隙(Guaranteed Time Slot,GTS)機制,具有較小的數(shù)據(jù)傳輸延遲;仿真結(jié)果表明,該機制適用于傳輸帶寬不足、數(shù)據(jù)速率較低的FANET 應(yīng)用.

文獻[9] 針對航空網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議端到端時延大、網(wǎng)絡(luò)容量小、靈活性差、可擴展性不強等特點,提出一種基于信道狀態(tài)感知的多優(yōu)先級多信道MAC 協(xié)議,該協(xié)議可根據(jù)信道實時占用狀態(tài),通過調(diào)度機制和退避算法控制不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)接入信道.仿真結(jié)果表明,該協(xié)議可以為航空網(wǎng)絡(luò)中的各類業(yè)務(wù)傳輸提供QoS 保障,而且提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率.

2.1.3 針對FANET 設(shè)計的MAC 協(xié)議研究進展

基于統(tǒng)計優(yōu)先級的多址接入?yún)f(xié)議(Statistical Priority-based Multiple Access Protocol,SPMA)[10]是美軍新型數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的MAC 層接入?yún)f(xié)議.SPMA 協(xié)議借鑒了CSMA 協(xié)議的運行機制,并對其進行改進,運用了數(shù)據(jù)優(yōu)先級排隊、突發(fā)拆分技術(shù)、Turbo 編碼、信道狀態(tài)統(tǒng)計等技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包到達時統(tǒng)計信道占用率,通過將信道占用率與數(shù)據(jù)包進行比較,來決定業(yè)務(wù)分組是否接入信道.該協(xié)議中高優(yōu)先級業(yè)務(wù)分組的發(fā)送成功率不低于99%,且端到端時延不超過2 ms,能很好地適應(yīng)無人機FANET 的高動態(tài)、低時延等需求.

由于SPMA 的低時延優(yōu)勢,研究者借鑒其基本思想提出了一些優(yōu)化協(xié)議.如基于多信道統(tǒng)計優(yōu)先級概念的MAC 協(xié)議(Priority Statistics Based on Multichannel Access,PSMC)[11],該協(xié)議通過統(tǒng)計某一段時間內(nèi)收到的脈沖數(shù)來預(yù)測信道的忙閑程度,沒有了對信道偵聽的過程,從而降低了時延.而基于Turbo編碼的多信道MAC協(xié)議(Turbo_MAC)[12]和基于突發(fā)技術(shù)的多信道MAC協(xié)議(BT-MAC)[13]都是在發(fā)送分組前先進行Turbo 編碼,通過增加冗余信息來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯掏铝?同時避免了多次握手過程帶來的時延.優(yōu)先級與公平性協(xié)作的多信道MAC 協(xié)議(PBLL/HL)[14]提出SPMA 協(xié)議會給低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)造成較大的延遲,該協(xié)議降低了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)由于被截流而導(dǎo)致的時延,使得網(wǎng)絡(luò)不會迅速擁塞.這些協(xié)議在SPMA 協(xié)議的基礎(chǔ)上針對不同的需求作出了一些改進.各協(xié)議對比如表2所示.

表2 基于SPMA 優(yōu)化協(xié)議的比較Table 2 Comparison of optimized protocols based on SPMA

目前實現(xiàn)全向天線的MAC 協(xié)議可能不適用于無人機執(zhí)行的某些任務(wù).這是由于節(jié)點之間的距離等不同因素造成的.無人機節(jié)點的高機動性和物理約束會對無線鏈路的性能造成影響,飛行器的姿態(tài)變化可能也會對數(shù)據(jù)傳輸造成一定影響.而定向天線可以解決這些問題,與傳統(tǒng)的全向天線相比,使用定向天線更好地保障了鏈路的魯棒性.現(xiàn)有的基于定向天線的MAC 層大多是針對MANET 和VANET 提出的,對于采用定向天線的FANET MAC層設(shè)計的研究還很少.文獻[15]提出了無人機的自適應(yīng)MAC 協(xié)議(Adaptive MAC Protocol Scheme for UAVs,AMUAV).AMUAV 使用全向天線發(fā)送其控制包(RTS、CTS 和ACK),而數(shù)據(jù)包則通過定向天線發(fā)送.實驗證明,基于定向天線的AMUAV 協(xié)議可以提高多無人機系統(tǒng)的吞吐量、端到端時延和誤碼率,性能指標(biāo)優(yōu)于IEEE802.11.

FANET 中節(jié)點的高移動性增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,為了處理這種高移動環(huán)境,研究者提出了基于令牌的信息更新技術(shù),也就是一種基于令牌的協(xié)議[16].該協(xié)議工作的環(huán)境是無人機具有全雙工無線電和多包接收能力.使用基于令牌的信息更新技術(shù)來更新信道的狀態(tài)信息和鏈路的狀態(tài),使用基于令牌的結(jié)構(gòu)消除了代碼的沖突.全雙工無線電技術(shù)有效地降低了時延,而多包接收能力提高了系統(tǒng)的吞吐量.在知道完全信道信息的前提下,該協(xié)議在吞吐量和時延這兩個性能指標(biāo)上的表現(xiàn)都是最優(yōu)的.

隨著人工智能的興起,人工智能技術(shù)中的一些方法被應(yīng)用到MAC 協(xié)議的設(shè)計中,以優(yōu)化MAC 協(xié)議的性能.如,基于位置預(yù)測的定向MAC 協(xié)議[17](Position-Prediction-based Directional MAC Protocol,PPMAC),該協(xié)議可以根據(jù)節(jié)點狀態(tài)變化和環(huán)境變化開發(fā)不同的通信操作,保證了通信鏈路的快速建立和數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)牡蜁r延,而且克服了可能出現(xiàn)的定向接收失敗的問題,具有較高的魯棒性和可靠性.

為了提高MAC 協(xié)議在FANET 中的性能,研究者提出了一種自適應(yīng)容錯同步切換的MAC 協(xié)議[18](Adaptive MAC Protocol with Fault-Tolerant Synchronous Switching,FS-MAC).該協(xié)議提出了一種基于Q 學(xué)習(xí)的分布式MAC 切換方案,支持在FANET中的CSMA/CA 和TDMA 協(xié)議之間自適應(yīng)地互相切換.該協(xié)議包括MAC 預(yù)選操作過程和一個實用的基于拜占庭容錯(PBFT)的一致性決策來生成MAC 切換決策.通過MAC 預(yù)選操作,FANET 中的每架UAV節(jié)點可以準(zhǔn)確評估自身性能,從而確定最適合自身的MAC 協(xié)議;而后在基于PBFT 的一致決策的輔助下,每個節(jié)點可以根據(jù)實時情況的變化實行容錯同步切換.仿真結(jié)果表明,FS-MAC 協(xié)議在平均吞吐量、時延和分組重傳率等方面都明顯優(yōu)于基準(zhǔn)協(xié)議.

2.2 飛行自組網(wǎng)的路由協(xié)議

2.2.1 FANET 路由協(xié)議的設(shè)計挑戰(zhàn)

為了實現(xiàn)高效可靠的組網(wǎng),必須設(shè)計合適的路由協(xié)議.路由的好壞很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)的性能,路由技術(shù)是FANET 中的一個核心[19],也是FANET最具挑戰(zhàn)性的問題之一.

1)由于應(yīng)用的不同,無人機或高速飛行或低速飛行.對于大部分的FANET 應(yīng)用來說,其高移動性導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速變化,網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)也在不斷地變化,如此頻繁的變化必然導(dǎo)致路由頻繁更新或者是節(jié)點位置的頻繁更新,這些更新過程不僅會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷的增大,同時也會造成路由收斂困難,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲增大,丟包嚴(yán)重,甚至導(dǎo)致協(xié)議失效等問題[20].

2)由于干擾或自然條件限制,鏈路可能會出現(xiàn)高誤碼率.無人機網(wǎng)絡(luò)具有各種可靠性需求,而話音、數(shù)據(jù)和視頻對帶寬的要求也不同.

由于FANET 特有的挑戰(zhàn),現(xiàn)有的MANET、VANET 路由協(xié)議不能完全適用于FANET.FANET的路由設(shè)計,除發(fā)現(xiàn)最有效路由、允許網(wǎng)絡(luò)擴展、控制延遲、保證可靠性等一般MANET 的要求外,還要求位置感知、能量感知、網(wǎng)絡(luò)分割、間歇鏈路強健、拓?fù)淇焖僮兓约胺?wù)質(zhì)量需求變化等,需要根據(jù)UAV 及FANET 特點設(shè)計快速、準(zhǔn)確、高效、擴展性好、自適應(yīng)能力強的路由算法.

2.2.2 現(xiàn)有路由協(xié)議及優(yōu)化協(xié)議的適用性研究進展

傳統(tǒng)的路由協(xié)議大都是基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議,這類路由協(xié)議通過IP 地址來定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,使用網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)存的鏈路狀態(tài)信息,選擇合適的路徑進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).這類路由協(xié)議可以分為主動路由協(xié)議和被動路由協(xié)議.

主動路由協(xié)議也稱先驗式路由協(xié)議,該協(xié)議在節(jié)點之間可以定期更新和共享路由表,一定程度上確保了路徑選擇的實時性.但是FANET 中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化相對頻繁,而這類協(xié)議對變化頻繁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的反應(yīng)較為遲鈍,這就會使得連接失敗情況發(fā)生.主動路由協(xié)議中,典型的有鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Optimized Link State Routing,OLSR).

OLSR 協(xié)議中,網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點能夠維護一個或者多個路由表,用以表示整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該協(xié)議在需要的時候能夠快速提供合適的路由.OLSR協(xié)議有兩個特點:一是選擇網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點,將其作為其鄰居節(jié)點的多點中繼(Multi-Point Relay,MPR)選擇器來減小控制包的大小;二是通過MPR節(jié)點,可以不用將消息分散到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點.該協(xié)議通過使用MPR,可以減少整個網(wǎng)絡(luò)的流量,也可以減少網(wǎng)絡(luò)中的洪流.該協(xié)議可用于FANET,但隨著節(jié)點的移動速度增高,網(wǎng)絡(luò)的包傳輸速率、平均吞吐量和端到端時延等指標(biāo)性能將惡化,文獻[21] 提出通過采用追逐移動模型對OLSR 進行優(yōu)化.文獻[22]在OLSR 協(xié)議上應(yīng)用鏈路估計質(zhì)量和速度加權(quán)ETX 兩個參數(shù),改變了Hello 信息和拓?fù)淇刂菩畔?改進后的i_OLSR 協(xié)議相對于OLSR 協(xié)議端到端時延有明顯的降低,而且吞吐量和數(shù)據(jù)包傳輸速率也有明顯的提高.文獻[23]提出一種具有定向天線的OLSR 協(xié)議,稱為定向OLSR 協(xié)議(DOLSR).DOLSR可減少帶定向天線的MPR 數(shù)目,降低端到端的延遲.

被動路由協(xié)議也稱反應(yīng)式路由協(xié)議,主要是針對主動路由協(xié)議的濫用帶寬消耗問題,對于FANET這一類高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個合適的解決方案,典型的協(xié)議有按需距離矢量路由協(xié)議(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)[24]、動態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing,DSR)[25].

AODV 路由協(xié)議有3 個步驟,分別是路由發(fā)現(xiàn)、傳輸數(shù)據(jù)和路由維護.路由發(fā)現(xiàn)的作用是為了尋找從源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路由,正是由于路由發(fā)現(xiàn)過程的存在,從而導(dǎo)致該協(xié)議會產(chǎn)生較大的時延.但是AODV 協(xié)議在需要進行通信時才會按照其需求尋找路徑,可減少控制開銷,且只會保留下一跳的路徑,可以使得FANET 網(wǎng)絡(luò)中的帶寬最大化.經(jīng)證明,DSR 協(xié)議可以應(yīng)用在FANET 中,但是并不容易實現(xiàn)[25].文獻[24] 將AODV 協(xié)議和DSR 協(xié)議應(yīng)用到FANET 中,并進行性能比較,仿真結(jié)果表明,在包傳輸率、端到端時延和平均吞吐量3 個指標(biāo)上,AODV協(xié)議均優(yōu)于DSR 協(xié)議,說明AODV 協(xié)議比DSR 協(xié)議更適用于FANET 網(wǎng)絡(luò).文獻[26]利用Hopfiel 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對DSR 協(xié)議進行優(yōu)化,優(yōu)化后的協(xié)議CHNNDSR 可以適應(yīng)FANET 節(jié)點的高速運動,極大改善了端到端平均時延、吞吐量和包傳輸率,同時提高了路由的穩(wěn)定性.

2.2.3 針對FANET 設(shè)計的路由協(xié)議研究進展

隨著當(dāng)前人工智能的迅速發(fā)展,人們開始將智能算法和一些新的方法應(yīng)用到路由協(xié)議上來,使得路由協(xié)議能夠更全面地適應(yīng)FANET 網(wǎng)絡(luò).文獻[17] 提出了基于強化學(xué)習(xí)的自學(xué)習(xí)路由協(xié)議(Self-learning Routing Protocol Based on Reinforcement Learning,RLSRP)該協(xié)議通過強化學(xué)習(xí)優(yōu)化了路由協(xié)議的計算速度,從而提高了靈活性和實用性,也提高了FANET 中節(jié)點的自主控制能力.

由于FANET 網(wǎng)絡(luò)中有大量的UAV 節(jié)點,蜂群和蟻群算法等群體智能算法可以應(yīng)用到FANET 中,以改善路由協(xié)議相關(guān)指標(biāo).文獻[27] 提出了一種基于蜂群算法的FANET 路由協(xié)議BeeAdHoc,和基于蟻群的路由協(xié)議AntHocNet,BeeAdHoc 協(xié)議的主要特點是各節(jié)點作為蜂群中的一份子,通過各節(jié)點的局部尋優(yōu)行為,最終在全局中獲得最優(yōu)值,收斂速度較快;AntHocNet 協(xié)議將各節(jié)點作為群體中的一個個體,用各節(jié)點的行走路徑表示待優(yōu)化問題的可行解,路徑較優(yōu)的節(jié)點釋放較多的信息素,信息素最多的路徑便是最優(yōu)解.研究表明[27?28],AntHocNet、BeeAdHoc 協(xié)議相對于AODV、DSDV 和DSR 協(xié)議而言,性能有很大提高,可更有效地運用于FANET 中.

除了人工智能算法在FANET 路由協(xié)議的應(yīng)用外,當(dāng)前,發(fā)展前景較好的是地理位置路由協(xié)議.在這一類協(xié)議中,選取最佳路由只取決于節(jié)點的位置信息,而且不需要維護路由表.但是FANET 中節(jié)點的高速運動會導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化需要頻繁地發(fā)送信標(biāo)信息來保證路由選擇的正確性.高信標(biāo)發(fā)送頻率會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的碰撞和信息傳輸?shù)母哐舆t.為了解決這些問題,提出了基于地理路由的自適應(yīng)信標(biāo)方案[29](Adaptive Beacon and Position Prediction,ABPP).ABPP 協(xié)議能夠自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整信標(biāo)頻率,并且能夠預(yù)測UAV 節(jié)點未來的位置,從而能提高該地理位置路由協(xié)議的性能.仿真結(jié)果表明,ABPP 協(xié)議可以有效降低網(wǎng)絡(luò)開銷,也可以提高數(shù)據(jù)包的信息傳輸率.

為了解決FANET 中的實時路由、功率分配和功率控制問題,提出了一種異步的分層式跨層優(yōu)化(Asynchronous Distributed Cross-layer Optimization,ADCO)方法[30].該方法首先設(shè)計了一個時延約束的跨層優(yōu)化框架,然后將聯(lián)合優(yōu)化問題分解為幾個復(fù)雜度較低的子問題.在ADCO 方法中,網(wǎng)絡(luò)中的每一個中繼節(jié)點都可以通過局部信息來完成對不同子問題的優(yōu)化,同時可以用異步更新機制實現(xiàn)對偶變量更新.仿真結(jié)果表明,該方法可以有效提高系統(tǒng)吞吐量,也可以減少數(shù)據(jù)分組的超時率和功率消耗.

現(xiàn)有的FANET 系統(tǒng)中節(jié)點之間的通信主要依賴于數(shù)據(jù)傳輸速率較低、通信范圍有限的未授權(quán)頻段,給節(jié)點之間以及節(jié)點和地面控制站之間的通信帶來了很大的不便.于是有研究者提出了一種高效低成本的混合通信方案.該方案將Wi-Fi 和Bluetooth5 兩種通信方式混合,結(jié)合Wi-Fi 的高數(shù)據(jù)傳輸率和Bluetooth5 的低功耗的特點,使得系統(tǒng)在吞吐量和時延方面的性能均得到了很大的提升[31].但是該混合方案對于FANET 系統(tǒng)的回程鏈路的信息傳輸不太適用,為了解決該問題,可以考慮將WIMAX、LTE 和5G 通信方式結(jié)合或者單獨應(yīng)用到FANET 系統(tǒng)的回程鏈路中.

3 問題及未來展望

3.1 研究問題分析

對于FANET 而言,節(jié)點的高速運動導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題就是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的低時延高效通信,現(xiàn)有的大多數(shù)對于FANET 的研究都集中于FANET 的通信協(xié)議上,在現(xiàn)有的協(xié)議上對其進行改進,使得現(xiàn)有的協(xié)議變得更具優(yōu)勢.研究重點主要集中在以下方面:

1)對現(xiàn)有的MAC 協(xié)議進行改進.基于現(xiàn)有的MAC 協(xié)議及其存在的不足,針對性地提出一些新的MAC 協(xié)議,使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間能夠快速建立可靠的通信鏈路,降低信息傳輸時延,提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性.

2)對現(xiàn)有的路由協(xié)議進行改進.在基礎(chǔ)路由協(xié)議上提出一些優(yōu)化的路由協(xié)議,在系統(tǒng)端到端時延、平均吞吐量和網(wǎng)絡(luò)開銷等指標(biāo)上有一定程度的提升.隨著人工智能和生物仿真技術(shù)的發(fā)展,更多的生物仿真智能算法(如蜂群算法、蟻群算法)被應(yīng)用到路由協(xié)議中,使得網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅提升.

3)FANET 中的UAV 節(jié)點的體積限制了節(jié)點的能量,節(jié)點的能耗決定了網(wǎng)絡(luò)的工作時長,因此,節(jié)能也是一個研究重點.比如自適應(yīng)Hello 消息間隔方案[32](Adaptive Hello Interval),該方案能夠降低系統(tǒng)中不必要的開銷,從而提高系統(tǒng)的能量效率,降低能量消耗.除此之外,還有基于能量感知的集群的方法[34],該方法的目的也是在有限的能量內(nèi)產(chǎn)生最大的效益,包括低丟包率、大吞吐量和低時延等.該方法提出了一個EALC 模型,在該模型內(nèi)限制節(jié)點的傳輸范圍,對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行聚類,優(yōu)化了路由,從而節(jié)約了資源.該方法與ACO 和GWO 算法分析比較后得知,其集群構(gòu)建時間和集群能耗上都更具優(yōu)勢.

3.2 未來研究方向展望

未來對FANET 的研究,主要還是集中于提高其各項性能指標(biāo),其目的還是提高FANET 的有效性和可靠性,使其能夠更廣泛地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域.現(xiàn)有的各項研究大都集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提高吞吐量、降低時延、降低網(wǎng)絡(luò)開銷等方面,但是還有其他的相關(guān)領(lǐng)域值得進一步研究,具體如下:

1)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).當(dāng)前SDN 技術(shù)和NFV 技術(shù)發(fā)展迅猛,有研究者將SDN 技術(shù)應(yīng)用在車輛的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中[34],通過SDN 技術(shù)建立了一個安全的車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性,提高系統(tǒng)的吞吐量,節(jié)點的移動性得到了增強,節(jié)點的自主控制也變得更加自動化了.因此,將SDN 技術(shù)應(yīng)用到FANET 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,構(gòu)建一個更加安全高效的網(wǎng)絡(luò),將會成為一個研究的熱點.

2)節(jié)點的連接性.也可以稱作通信鏈路的可靠性.對于一個高效的FANET,不僅要求能夠快速建立起通信鏈路,鏈路的穩(wěn)定性和可靠性也很重要.利用壓縮感知方法可以優(yōu)化FANET 中節(jié)點的連接性[35],該方法可以快速重新配置節(jié)點的位置,高效利用帶寬來保持連接,從而優(yōu)化FANET 架構(gòu)中鏈路的穩(wěn)定性和可靠性.

3)通信的安全性.FANET 是一個面向任務(wù)的自組織網(wǎng)絡(luò),其通信安全性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的可靠性和任務(wù)的成敗.因此,通信的安全性是否能得到保障是一個很重要的問題.現(xiàn)有的對FANET 中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恳脖容^少,文獻[36] 主要考慮的就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?

4 結(jié)論

多無人機協(xié)同已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點,多無人機間的通信問題是設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時必須考慮的問題,也是極具挑戰(zhàn)性的一個問題.基于自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛行自組網(wǎng)FANET 可有效解決無人機間的通信問題,但由于UAV 節(jié)點的高動態(tài)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化等特點,FANET 對多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等組網(wǎng)通信協(xié)議提出了更多挑戰(zhàn).本文從無人機FANET的特點入手,重點分析了FANET 組網(wǎng)的各種通信協(xié)議,并基于此對FANET 的當(dāng)前重點研究問題和未來主要研究方向,以期對下一步FANET 組網(wǎng)通信協(xié)議的研究提供參考.