無人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)綜述與發(fā)展展望*

黃 巍，陳俊良，李猶海

(1.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐成都地區(qū)第二軍事代表室,成都 610041；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局,重慶 400060;3.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室,重慶 400065)

0 引 言

在無人機(jī)系統(tǒng)中，多架無人機(jī)的協(xié)同應(yīng)用相比單個無人機(jī)系統(tǒng)具備生存性和擴(kuò)展性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)可交互等優(yōu)勢，同時也不可避免地存在一些亟待解決的問題，其中最典型的就是無人機(jī)編隊中的協(xié)同通信問題。如何設(shè)計未來發(fā)展中需要的高性能、高可靠性通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)更是當(dāng)前研究的熱點。

美軍在21世紀(jì)初公布的無人系統(tǒng)路線圖中將無人機(jī)規(guī)劃為未來全球信息柵格中的重要節(jié)點，并指出無人機(jī)自組網(wǎng)將會是未來無人作戰(zhàn)的發(fā)展方向[1]。無人機(jī)自組網(wǎng)正是基于此種背景下被提出，它在無人機(jī)協(xié)同通信中引入移動自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)和車載自組網(wǎng)(Vehicle Ad Hoc Network，VANET)的概念[2]，使網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)能夠采集態(tài)勢信息并將其傳遞到主控機(jī)，同時還能傳輸控制指令以提供安全可靠且抗擊打能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信，極大提高了無人機(jī)的應(yīng)用前景。

已有的無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)并非完全依賴地面控制站，而是由無人機(jī)自發(fā)地組織起通信網(wǎng)絡(luò)，將采集到的情報信息、態(tài)勢感知以及數(shù)據(jù)指令等消息相互傳遞共享。在該自組織網(wǎng)絡(luò)中，沒有中心控制節(jié)點，每一個節(jié)點均作為終端節(jié)點和路由節(jié)點，以達(dá)到信息共享的目的。同時，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點均可自由入網(wǎng)和退網(wǎng)，不會對網(wǎng)絡(luò)性能有影響，使得無人機(jī)群有著較強(qiáng)的自修復(fù)能力。

1 無人機(jī)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)自組網(wǎng)是移動自組網(wǎng)在無人機(jī)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用，其不同于普通移動自組網(wǎng)，主要體現(xiàn)在無人機(jī)自組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在移動的過程中不受地形干擾，且其速度一般比傳統(tǒng)的移動自組網(wǎng)節(jié)點要快很多。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用分布式控制，優(yōu)點在于路由選擇是由網(wǎng)絡(luò)中的少量節(jié)點來完成，這樣既減少了節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)信息交換，又克服了路由控制過于集中的缺點。無人機(jī)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)浜吞匦钥梢苑譃槠矫娼Y(jié)構(gòu)和分簇結(jié)構(gòu)。在平面結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)魯棒性和安全性較高，但擴(kuò)展性較弱，適用于小型規(guī)模的自組網(wǎng)；在分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性較強(qiáng)，更適用于大規(guī)模無人機(jī)自組網(wǎng)。

1.1 平面結(jié)構(gòu)

平面結(jié)構(gòu)又稱為對等式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中各個節(jié)點無差別，在能量分配、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由選擇等方面都是相同的，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于該無人機(jī)節(jié)點數(shù)量有限、分布簡單使該網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的魯棒性和較高的安全性，信道間干擾小。然而，隨著節(jié)點的增加，每個節(jié)點存儲的路由表和任務(wù)信息隨之增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨之增加，系統(tǒng)控制開銷陡然增大，使系統(tǒng)難以控制并且容易崩潰。因此，該平面結(jié)構(gòu)無法同時存在大量節(jié)點導(dǎo)致其可擴(kuò)展性差，只適用于小規(guī)模的自組網(wǎng)。

圖1 平面結(jié)構(gòu)

1.2 分簇結(jié)構(gòu)

分簇結(jié)構(gòu)是根據(jù)無人機(jī)節(jié)點功能不同將其劃為若干個不同的子網(wǎng)絡(luò)。在每個子網(wǎng)絡(luò)中，選出一個關(guān)鍵節(jié)點，其功能是作為該子網(wǎng)絡(luò)的指令控制中心，用于連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點。分簇結(jié)構(gòu)內(nèi)各子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點互相連接可互相通信，非關(guān)鍵節(jié)點間的信息交換既可通過關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行也可以直接進(jìn)行通信。整個子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點與非關(guān)鍵節(jié)點共同構(gòu)成了分簇網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)節(jié)點配置不同，可以進(jìn)一步分為單頻分簇和多頻分簇。

1.2.1 單頻分簇

如圖2所示，在單頻分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中存在簇頭/非簇頭節(jié)點、網(wǎng)關(guān)/分布式網(wǎng)關(guān)節(jié)點共四類節(jié)點，骨干鏈路由簇頭與網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成。各節(jié)點用相同頻率進(jìn)行通信，組網(wǎng)形式簡單、迅速，頻帶利用率也更高。然而，這種網(wǎng)絡(luò)易存在資源受限的情形，比如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點增大時易出現(xiàn)信道間的串?dāng)_。為了避免同頻干擾造成任務(wù)執(zhí)行的失敗，在較大規(guī)模的無人機(jī)自組網(wǎng)中，各簇半徑近似時應(yīng)避免使用該結(jié)構(gòu)。

圖2 單頻分簇結(jié)構(gòu)

1.2.2 多頻分簇

與單頻分簇一層一個簇不同的是，多頻分簇包含若干個層，層內(nèi)包含若干個簇。在分簇網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分為不同的多個簇，簇內(nèi)不同節(jié)點根據(jù)級別的不同分為簇頭節(jié)點和成員節(jié)點，并分配不同通信頻率。在簇內(nèi)，成員節(jié)點承擔(dān)任務(wù)簡單，不會大幅增加網(wǎng)絡(luò)路由開銷，但簇頭節(jié)點需進(jìn)行簇內(nèi)管理，有較復(fù)雜的路由信息需要維護(hù)，消耗能量大。類似地，通信覆蓋能力也是根據(jù)節(jié)點級別不同而有所區(qū)別，級別越高，覆蓋能力越大。另一方面，當(dāng)一個節(jié)點同時屬于兩個級別時，表明該節(jié)點需使用不同頻率來執(zhí)行多個任務(wù)，因此頻率數(shù)與任務(wù)數(shù)相同。

具體的多頻分簇結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)中，簇頭與簇內(nèi)其他成員以及其他層簇內(nèi)節(jié)點通信，各層通信互不干擾。這種結(jié)構(gòu)適用于大規(guī)模無人機(jī)之間的自組網(wǎng)，相比單簇結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性更好，所搭負(fù)載也更高，也可以處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)。然而，因為簇頭節(jié)點需要處理大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能量消耗相比其他簇節(jié)點也更快，故而網(wǎng)絡(luò)壽命比單頻分簇結(jié)構(gòu)更短。此外，分簇網(wǎng)絡(luò)中每一層簇頭節(jié)點的選取不是固定不變的，任何節(jié)點都可以稱為簇頭。對某一節(jié)點而言，能否成為簇頭，需依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來決定是否要啟動分簇機(jī)制。因此，網(wǎng)絡(luò)的分簇算法在分簇網(wǎng)絡(luò)中有著重要作用。

圖3 多頻分簇結(jié)構(gòu)

2 無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議層次模型

2.1 協(xié)議分層模型

無人機(jī)ad hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線移動網(wǎng)絡(luò)相比其工作環(huán)境更加復(fù)雜，因此無人機(jī)組網(wǎng)所選用的技術(shù)也不同，這種不同最直觀的差異在于協(xié)議體系架構(gòu)上。通常開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open Systerm Interconnection Reference Model,OSI)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層這五層協(xié)議棧。然而，現(xiàn)有的不論單機(jī)作戰(zhàn)還是多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式中，無人機(jī)之間信息交互的重點是點到點通信，通信網(wǎng)絡(luò)更多的是采用三層網(wǎng)絡(luò)模式，即應(yīng)用層、鏈路層和物理層[3]。然而，對于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，一方面，無中心和自組織的網(wǎng)絡(luò)特性使得要考慮更為復(fù)雜的組網(wǎng)問題，機(jī)間通信的要求也更高，不能只簡單考慮原有協(xié)議模型，而需要利用更高層次協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)通信；另一方面，由于無人機(jī)的高速移動和不斷變化的通信距離更會引起鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定不能保證點對點的低丟包率、誤碼率的信息傳輸，會使得整個系統(tǒng)開銷增大。為解決上述問題，當(dāng)前無人機(jī)自組網(wǎng)大多采用包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的四層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)[4]，有的還根據(jù)需要仍然在應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間保留傳輸層。其協(xié)議分層模型如圖4所示。

圖4 無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議分層模型

2.2 網(wǎng)絡(luò)各層功能描述

結(jié)合無人機(jī)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代戰(zhàn)場中的實際應(yīng)用，下面將針對圖4介紹各層的主要功能。

作為無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議分層模型的最高層，應(yīng)用層將直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。比如，在無人機(jī)通信系統(tǒng)中，將會根據(jù)當(dāng)前各作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)任務(wù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息、遙控、遙測等具有實際意義的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的通信需求使得協(xié)議棧在各層網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)調(diào)工作[5]。

傳輸層實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的端到端投遞，其封裝信息的基本單位是報文段。傳輸層協(xié)議可以進(jìn)一步分為無連接和面向連接兩類:前者簡單地通過端口區(qū)分不同的應(yīng)用；后者通過三次握手建立連接，并通過擁塞控制、流量控制、自動重傳等差錯控制策略實現(xiàn)報文段的有序、可靠投遞。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由轉(zhuǎn)發(fā)與網(wǎng)絡(luò)管理。具體而言，該層將數(shù)據(jù)打包、封裝，并以數(shù)據(jù)包或者分組形式在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)節(jié)點進(jìn)行分發(fā)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸目的節(jié)點。同時，還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行分簇，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否同步以及安全，完成節(jié)點的入退網(wǎng)管理。

數(shù)據(jù)鏈路層將上層傳輸下來的信息封裝成幀，對信道進(jìn)行公平分配，在相鄰節(jié)點的鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來完成整個網(wǎng)絡(luò)的通信[6]。數(shù)據(jù)鏈路層可對網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)中的重要信息進(jìn)行實時監(jiān)測，以滿足網(wǎng)絡(luò)的傳輸需求。

物理層通過對信道傳輸信息進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)以及信號的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，并完成數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點間的信號傳輸[7]。

3 自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 介質(zhì)訪問控制(MAC)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 MAC協(xié)議

MAC層對自組網(wǎng)的性能有著決定性作用，它通過對信道上分組進(jìn)行收發(fā)來解決多數(shù)自組網(wǎng)中普遍存在的終端暴露、隱藏以及公平性問題[8]。然而，對于無人機(jī)自組網(wǎng)而言，無人機(jī)節(jié)點具有高速的移動性，并且通信距離時常變化，這些容易造成鏈路頻繁波動，不利于無人機(jī)間通信組網(wǎng)，尤其是網(wǎng)絡(luò)中存在優(yōu)先級高、需要實時傳輸?shù)男畔r，更是給MAC層控制帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，無人機(jī)主要根據(jù)不同信道的接入方法可以分為兩大類，即基于競爭類MAC協(xié)議和基于調(diào)度類MAC層協(xié)議[9]，具體如圖5所示。

圖5 無人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議分類

(1)基于競爭類MAC協(xié)議

包括隨機(jī)競爭以及預(yù)留競爭在內(nèi)的這兩種競爭方式都是以競爭類為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議的主要組成部分。但是采用隨機(jī)競爭這種方式的MAC協(xié)議會導(dǎo)致在傳輸時產(chǎn)生碰撞概率很高的問題，這會使得在傳輸過程中，傳輸?shù)某晒β室约皩π诺赖睦眯蕰S著流量的增長而下降，因此往往會選擇以IEEE 802.11 DCF為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議。在無人機(jī)自組網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中，最先采用的是 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)[10]。這個標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常用于 MANET 的 MAC 層設(shè)計；此外，它也是大部分無人機(jī)自組網(wǎng)在研究路由協(xié)議時的首選。不過，雖然隱藏終端的問題可以使用RTS/CTS機(jī)制進(jìn)行解決，但是該協(xié)議的性能卻受到航空環(huán)境中傳播延遲的嚴(yán)重影響。文獻(xiàn)[11]設(shè)計了一個可自行重構(gòu)的IEEE 802.11s mesh無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由兩個無人機(jī)節(jié)點和一個地面節(jié)點共同組成，并且通過實際的人機(jī)飛行軌道實驗證明了IEEE 802.11s這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案完全是合理的。文獻(xiàn)[12]在單跳無人機(jī)自組網(wǎng)絡(luò)的MAC層將每個節(jié)點都進(jìn)行建模后成為一個以IEEE 802.11 DCF模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分組排隊系統(tǒng)，從而可以獲得平均衰落時延，并且在衰落信道的條件下對非飽和流量數(shù)據(jù)分組的平均時延性進(jìn)行了數(shù)值統(tǒng)計和測量分析。

(2)基于調(diào)度類MAC協(xié)議

基于調(diào)度協(xié)議類型的MAC協(xié)議主要可以分為基于輪替節(jié)點接入和基于固定節(jié)點接入這兩類，通過對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)調(diào)度資源的預(yù)先規(guī)劃來有效的確保每個節(jié)點的實時通信調(diào)度需求。由于系統(tǒng)使用了沖突避免的預(yù)規(guī)劃處理方式，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載負(fù)擔(dān)較重時依然能夠保證一定的數(shù)據(jù)吞吐量和高速時延處理性能，但是卻無法滿足高優(yōu)先級突發(fā)事件業(yè)務(wù)的高速實時數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)需求。

令牌環(huán)作為輪替接入的一種常用方式，在眾多研究中得到了應(yīng)用。在文獻(xiàn)[13]中，一類MAC層令牌協(xié)議被提出，該協(xié)議采用全雙工和多分組方式可有效消除信息碰撞；此外，在不完全信道信息狀態(tài)下驗證了MAC層協(xié)議的有效性。在文獻(xiàn)[14]中，針對具有感知能力的無人機(jī)自組網(wǎng)節(jié)點，作者為解決隱藏節(jié)點的協(xié)調(diào)傳輸、碼元分配等問題，提出了使用令牌循環(huán)的方法。該方法經(jīng)過理論分析與驗證后，表明在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載較大時依舊可以解決相關(guān)問題。針對無線通信的無人機(jī)編隊，韓海艷等[15]為了使協(xié)議性能提高，在固定的TDMA協(xié)議中引入競爭機(jī)制以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級，然而這種引入機(jī)制仍然存在一定的優(yōu)化空間。

3.1.2 MAC層中優(yōu)先級隊列的分類管理

無人機(jī)自組網(wǎng)中通常是通過簇內(nèi)一個簇頭節(jié)點進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸與處理，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)間通信。在無人機(jī)間通信中，無人機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型可以根據(jù)優(yōu)先程度劃分為N個等級；同時，在此過程中，每個無人機(jī)間數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率是隨機(jī)的，服從泊松分布。進(jìn)而整個網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流實現(xiàn)了從應(yīng)用層到MAC層的傳輸，然后按照優(yōu)先級因子的排序?qū)I(yè)務(wù)流進(jìn)行分類和幀封裝來等待傳輸。等待的過程實際上就是時隙分配過程，圖6給出了具體的優(yōu)先級隊列調(diào)度圖。另一方面，由圖7可知，當(dāng)優(yōu)先級隊列傳輸?shù)組AC層時，會優(yōu)先進(jìn)入隊列調(diào)度緩存去，然后設(shè)置信道為單通道傳輸模式。緩存區(qū)的容量通常設(shè)置為K，該容量包含由緩存區(qū)A和B兩部分組成，這樣緩存區(qū)中的隊列模式將為M/M/1/K模型，利用此種模型來實現(xiàn)業(yè)務(wù)流的傳輸。

圖6 隊列調(diào)度模塊圖

圖7 M/M/1/K 排隊模型

3.2 路由關(guān)鍵技術(shù)

由于無人機(jī)自組網(wǎng)存在能量受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、鏈路易斷裂等問題，早期的路由協(xié)議已難以滿足無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的各種性能需求。針對這個問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了各種優(yōu)化方案。

文獻(xiàn)[16]結(jié)合了貪婪轉(zhuǎn)發(fā)以及泛洪路由這兩種策略，并在利用兩種常見的自組網(wǎng)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種新的自組網(wǎng)路由協(xié)議。該協(xié)議利用混沌粒子群優(yōu)化算法對因為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)而產(chǎn)生的次優(yōu)選擇問題進(jìn)行了有效的優(yōu)化，并且采用了基于距離的有限泛洪算法，對能耗問題以及網(wǎng)絡(luò)擁堵問題進(jìn)行了處理。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，該協(xié)議有著明顯的優(yōu)勢。

由于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議的性能會隨著無人機(jī)的節(jié)點數(shù)目增加而降低，因此針對這種情況，文獻(xiàn)[17]設(shè)計了一種分層路由協(xié)議ENC-AODV(Energy and Node degree Weighted Clustering AODV)。考慮節(jié)點和節(jié)點的剩余能量這兩方面的因素，選擇穩(wěn)定性最好的節(jié)點作為簇頭，并周期性地進(jìn)行節(jié)點簇頭維護(hù)，使網(wǎng)絡(luò)中的能量維持在一個均衡狀態(tài)，防止大量的路由控制消息擴(kuò)散，從而減小路由開銷，并且可以增加網(wǎng)絡(luò)的生存時間。仿真結(jié)果表明提出的協(xié)議面對大規(guī)模無人機(jī)組網(wǎng)有更好的性能。

Leonov等人[18]以蟻群和蜂群算法為參考，提出了聚類算法來完成高負(fù)載無人機(jī)之間的組網(wǎng)和通信。實驗結(jié)果表明，在高負(fù)載的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，提出的聚類算法的性能要明顯優(yōu)于現(xiàn)有的各種算法。但由于該算法對無人機(jī)計算能力要求高，實際應(yīng)用場景范圍非常有限。

文獻(xiàn)[19]考慮了鏈路的壽命、相鄰節(jié)點的數(shù)目以及路由的開銷等因素，對AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，并且可以尋找剩余能量最高的節(jié)點進(jìn)行路由修復(fù)。文獻(xiàn)[20]考慮了節(jié)點的方向以及速度等方面，提出了AOMDV路由協(xié)議優(yōu)化算法，可以增加節(jié)點的平均剩余能量并且有效降低路由的成本和延遲。不過由于該模型對無人機(jī)的飛行速度要求太高，而且要求無人機(jī)的計算能力很強(qiáng)，因此不符合無人機(jī)的實際應(yīng)用場景。

文獻(xiàn)[21]利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Wavelet Neural Netwok,WNN)預(yù)測模型對鏈路的性能進(jìn)行了預(yù)測，通過綜合考慮節(jié)點的擁塞情況對AODV協(xié)議進(jìn)行了有效的改進(jìn)，并且利用有效的預(yù)測降低了網(wǎng)絡(luò)中的延遲，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸效率，減少了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響。但是由于該算法的預(yù)測模型十分復(fù)雜，而且沒有考慮到節(jié)點能量方面的因素，無法實際應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域中，所以其實用性很差。

文獻(xiàn)[22]采用高斯馬爾科夫模型對相鄰節(jié)點的速度以及節(jié)點的位置進(jìn)行了預(yù)測，并且提出了MP-GPSR協(xié)議；此外，為了提高鏈路的穩(wěn)定性，還考慮了LLT因素。文獻(xiàn)[23]針對GPSR協(xié)議無法精確預(yù)測相鄰節(jié)點位置的問題，提出了一種自適應(yīng)的信標(biāo)方案ABPP，不僅可以準(zhǔn)確地預(yù)測無人機(jī)所在位置，還可以對信標(biāo)的頻率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

3.3 無線資源管理

目前，無人機(jī)自組網(wǎng)規(guī)模日漸增大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速變化，導(dǎo)致了信道帶寬資源嚴(yán)重受限、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題。傳統(tǒng)的資源管理協(xié)議不能滿足無人機(jī)自組網(wǎng)的需求，因此進(jìn)行合理的資源分配提高信道利用率變得至關(guān)重要。針對無人機(jī)自組網(wǎng)的資源管理技術(shù)，許多機(jī)構(gòu)與學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究與實驗。

文獻(xiàn)[24]針對基于OFDMA的無人機(jī)群通信鏈路資源分配中系統(tǒng)容量與用戶公平度之間的矛盾，提出了一種新的資源分配算法。該算法主要由子載波分配和功率分配兩部分組成：在子載波分配過程中，每個子載波等功率分配，通過設(shè)置公平度門限確保在最大化系統(tǒng)容量時兼顧用戶公平度；在用戶功率分配過程中，采用基于灰狼算法的功率尋優(yōu)策略，通過全局搜索實現(xiàn)用戶間的功率分配。仿真結(jié)果表明，該方法具有較好的穩(wěn)健性與尋優(yōu)能力，即使在用戶數(shù)較多的情況下仍然能夠在最大化系統(tǒng)容量的同時具有較高的用戶公平度，并且還可通過設(shè)置公平度門限的大小靈活地調(diào)整系統(tǒng)容量與用戶公平度之間的關(guān)系。

文獻(xiàn)[25]通過考慮無線網(wǎng)絡(luò)中的不確定傳輸速率問題，采用魯棒優(yōu)化求解，基于不同的不確定集提出了三種資源調(diào)度魯棒優(yōu)化模型，并通過實例驗證了所提模型的有效性。文獻(xiàn)[26]研究了信道不確定狀態(tài)下的分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的無線資源分配方案，提出了一種分布式魯棒資源分配方案，可以有效抑制不確定信道狀態(tài)下用戶收益減少的問題，具有較快的收斂速度與較好的性能。文獻(xiàn)[27]研究了保密無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題，通過考慮不確定信道狀態(tài)的影響，提出了一種魯棒資源分配方案，該方案在最壞情況下可以實現(xiàn)保密性能的最優(yōu)化。

文獻(xiàn)[28]提出了一種3D無人機(jī)部署和資源分配優(yōu)化算法，分別對3D無人機(jī)的部署位置、用戶的關(guān)聯(lián)情況以及無人機(jī)的傳輸功率進(jìn)行了優(yōu)化，使得關(guān)聯(lián)用戶數(shù)目以及傳輸功率的網(wǎng)絡(luò)實際效益最大化，同時確保用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)可以滿足閾值。

文獻(xiàn)[29]研究了無人機(jī)輔助時延敏感的無線傳感數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，為了讓無線傳感節(jié)點可以自主和分布式地選擇信道，設(shè)計了分布式信道選擇算法；同時建立了隨機(jī)信道選擇博弈模型，最小化系統(tǒng)時延。仿真證明了分布式信道選擇算法可以確保收斂到隨機(jī)信道選擇博弈的純策略納什均衡點。

文獻(xiàn)[30]為了在無人機(jī)總功率有限的情況下使得無人機(jī)節(jié)點到無線用戶終端節(jié)點以及控制中心節(jié)點的總信道容量最大，綜合考慮了用戶調(diào)度和功率分配這兩方面的因素，在此基礎(chǔ)上提出了一種聯(lián)合優(yōu)化算法，并且利用用戶調(diào)度算法選擇最佳用戶進(jìn)行接入。

3.4 擁塞控制關(guān)鍵技術(shù)

TCP擁塞控制技術(shù)保證了通信節(jié)點端到端穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收發(fā)，其中流量控制保證了發(fā)送速率的大小不會超過接收方的接受能力，擁塞控制保證了網(wǎng)絡(luò)不會發(fā)生擁塞，超時重傳、確認(rèn)應(yīng)答、檢驗和、序列號等機(jī)制為TCP的可靠傳輸提供了保障。但當(dāng)鏈路質(zhì)量不佳、路由切換頻繁、誤碼率高等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失也會被誤認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，從而導(dǎo)致發(fā)送窗口不必要的減小?；谝陨蠁栴}，當(dāng)前擁塞控制技術(shù)主要包括基于帶寬估計的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制、跨層優(yōu)化機(jī)制和多路傳輸控制機(jī)制。

3.4.1 基于帶寬估計的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制

基于帶寬估計的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制是在傳統(tǒng)的TCP擁塞控制中針對物理層誤碼率高造成的數(shù)據(jù)丟失而提供的一種避免機(jī)制。該機(jī)制通過計算信道帶寬可知當(dāng)前帶寬利用率，在擁塞避免階段可動態(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)送速率，使窗口在更長的時間內(nèi)保持在擁塞避免階段。如圖8所示，在擁塞避免階段發(fā)送窗口較大，即在這個階段發(fā)送速率較大，同時不會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，窗口保持在這個階段時長越大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大。

圖8 TCP擁塞控制

3.4.2 跨層優(yōu)化機(jī)制

TCP擁塞控制方案通過減小發(fā)送窗口避免大量數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)從而發(fā)生擁塞。該方案認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞所導(dǎo)致，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)丟失是由何種原因引起，源端立即減小發(fā)送窗口，降低發(fā)送速率。但在無人機(jī)自組網(wǎng)絡(luò)中，鏈路失效和節(jié)點高速移動導(dǎo)致的路由頻繁切換等非擁塞因素都會導(dǎo)致丟包。因此，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的具體原因則會導(dǎo)致頻繁降低發(fā)送窗口，增大傳輸時延?？鐚觾?yōu)化機(jī)制實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層次之間信息的交互，定位網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的真正原因，避免發(fā)送速率長期處于低速狀態(tài)。

3.4.3 多路傳輸控制機(jī)制

多路傳輸控制機(jī)制結(jié)合了當(dāng)前主流的分布式思想，發(fā)送方通過分流的方式將發(fā)送的數(shù)據(jù)切割為多個子流，每一個子流都有著相同的任務(wù)——將應(yīng)用層傳遞的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。同理，接收方采用同樣的方式進(jìn)行分流接收，接收的子流和發(fā)送的子流相對應(yīng)。每一個子流都配有檢測模塊，該模塊的作用是實時監(jiān)測切割的子流的收發(fā)性能，根據(jù)收發(fā)情況計算出當(dāng)前子流的狀態(tài)，并將該狀態(tài)作為評估信息反饋到發(fā)送方，發(fā)送方根據(jù)該評估信息針對性地對一些子流進(jìn)行限流，以達(dá)到擁塞控制的目的。

4 研究展望

最近幾年，美軍在無人機(jī)領(lǐng)域取得了重大突破，取得了諸多成功[31]。特別是軍用無人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭，無人機(jī)在戰(zhàn)場上雖然大放異彩，但是也暴露了許多不足之處：無人機(jī)的通信抗干擾能力較弱，尤其是同頻干擾無法避免；無人機(jī)定位巡航精度達(dá)到米級，但是受地形、天氣等客觀影響，其精度穩(wěn)定性不足；無人機(jī)安全尚未完全解決，只能在被批準(zhǔn)的隔離空域飛行，限制了其應(yīng)用多樣性。由于無人機(jī)節(jié)點經(jīng)常進(jìn)行高速移動需要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更嚴(yán)格，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓莿討B(tài)的且通信鏈路的質(zhì)量經(jīng)常處于波動狀態(tài)，最重要的是 MAC 協(xié)議和旋轉(zhuǎn)協(xié)議設(shè)計。為了克服高速運(yùn)動和長距離傳輸?shù)呢?fù)面影響，MAC層需要多個節(jié)點的高效協(xié)調(diào)以共享有限的組織。為了確保安全可靠的周轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡(luò)層必須適應(yīng)拓?fù)涞目焖僮兓?。它在支持不同無人機(jī)任務(wù)的不同分發(fā)請求以及在靈活的高機(jī)動性結(jié)構(gòu)中支持不同服務(wù)的不同 QoS 要求方面發(fā)揮著重要作用。總而言之，在未來無人機(jī)發(fā)展的方向主要有以下幾個方面。

4.1 更加智能的控制技術(shù)

近年來，人工智能相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展，而軍用無人機(jī)方面人工智能算法的控制技術(shù)也得到了大幅度進(jìn)步，控制技術(shù)包括自主導(dǎo)航技術(shù)、旋翼軍用無人機(jī)和使用固定翼無人機(jī)的越障技術(shù)。穩(wěn)定控制和軍用飛機(jī)控制技術(shù)增加了戰(zhàn)場的重要性，提高了隱藏的便利性，更加利于后勤援助任務(wù)的實現(xiàn)，例如導(dǎo)航、軍械支援和被困人員的醫(yī)療救治等。智能控制還包括控制多個無人機(jī)，這些無人機(jī)能夠協(xié)調(diào)創(chuàng)建并根據(jù)敵人情況快速自動改變隊列。

4.2 更加先進(jìn)的通訊技術(shù)

在人工智能算法下運(yùn)行的小型軍用無人機(jī)可用于執(zhí)行偵察任務(wù)，通過使用更安全和加密的通信方式，能夠在城市和森林等復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行操作。此外，以“螳螂”與“翼龍”等為代表的典型無人機(jī)作戰(zhàn)平臺之間需要更高效的實時通信鏈共享，同時對無人機(jī)的電子設(shè)備的可靠性及雷達(dá)系統(tǒng)的要求越來越高，以確保各種天氣條件下無人機(jī)都可以在戰(zhàn)場上發(fā)揮指揮作用。不同單位之間的情報支持和通信在小規(guī)模本地作戰(zhàn)中參與小型作戰(zhàn)任務(wù)時，衛(wèi)星也可以代替導(dǎo)航。

4.3 多用途化和專業(yè)化

在功能和執(zhí)行任務(wù)等方面，未來軍用無人機(jī)將向兩個方向演進(jìn)。

一是多用途。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的成本也在不斷下降，因此無人機(jī)的通用性會越來越強(qiáng)，無人機(jī)的參與率也會提高。無人機(jī)易于維護(hù)，出勤率高，隨著多機(jī)型平臺的發(fā)展，功能強(qiáng)大、隱身、遠(yuǎn)程集成檢測的無人機(jī)是未來的發(fā)展趨勢。此外，無人機(jī)還要滿足航母起降要求，兼容多種情報、電子戰(zhàn)、平臺等設(shè)備，提供可滿足的模塊化設(shè)計。與此同時，執(zhí)行特殊任務(wù)的軍事人員需求也在不斷增長。

二是專業(yè)化。如果說多用途是滿足應(yīng)用需求的寬度，那么專業(yè)化就是滿足應(yīng)用需求的深度。它可以向各個方向進(jìn)化，包括微型無人機(jī)、超耐用太陽能偵察無人機(jī)、高超音速無人機(jī)和兩棲無人機(jī)等。

5 研究建議

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的研究大部分為針對某一層的機(jī)制或協(xié)議進(jìn)行有效的算法優(yōu)化，如對傳輸層的TCP擁塞控制與流量控制方法提出新的改進(jìn)，使網(wǎng)絡(luò)在工作過程中不易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，但可能由于鏈路質(zhì)量不佳或路由不穩(wěn)定等問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)頻繁丟失，發(fā)送方多次重發(fā)，通信時延大大增加。同理，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的改進(jìn)方案使得路由穩(wěn)定性有一定的提升，但若出現(xiàn)高移動性和隨機(jī)性的節(jié)點，則網(wǎng)絡(luò)路由構(gòu)建的頻率會大大提高，使數(shù)據(jù)在該過程中頻繁丟失等。通過對無人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)的探討，筆者建議下一步可以從任務(wù)調(diào)度和不同網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通兩方面進(jìn)行更加深入的研究。

5.1 任務(wù)調(diào)度

任務(wù)調(diào)度是無人機(jī)協(xié)作的基礎(chǔ)，目前多無人機(jī)的協(xié)同任務(wù)往往出現(xiàn)阻塞和排隊等待的情況，限制了無人機(jī)的分布式任務(wù)分配。隨著無人機(jī)在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中地位的不斷提升，如何對無人機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度，使得其能高效且低耦合銜接成為未來無人機(jī)快速發(fā)展的前提。任務(wù)調(diào)度包括任務(wù)分配和路徑規(guī)劃，任務(wù)分配根據(jù)優(yōu)先級和隊列進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，路徑規(guī)劃防止同一區(qū)域內(nèi)無人機(jī)的相互等待。

5.2 不同網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通

無人機(jī)組網(wǎng)一般用于軍用網(wǎng)絡(luò)，與民用網(wǎng)絡(luò)一般不出現(xiàn)互聯(lián)互通，然而大數(shù)據(jù)下的任務(wù)分配往往涉及到民用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分析，因此需要與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通才能高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時，無人機(jī)需要與其他民用設(shè)備、衛(wèi)星、雷達(dá)等進(jìn)行態(tài)勢交換，才能使得覆蓋面積進(jìn)一步增大，數(shù)據(jù)精度進(jìn)一步提高，從而提高無人機(jī)的任務(wù)精準(zhǔn)度和執(zhí)行能力。