無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)典型場(chǎng)景構(gòu)建及路由協(xié)議性能分析*

董強(qiáng)健，趙海濤，鄭超軼，王海軍

（國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引 言

無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人機(jī)具有性能優(yōu)越、造價(jià)低廉和減少傷亡等優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍事領(lǐng)域得到了高度重視。多架無(wú)人機(jī)組成無(wú)人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)是未來(lái)軍用無(wú)人機(jī)的重要發(fā)展方向，可以完成滲透?jìng)刹?、誘騙干擾、察打一體以及協(xié)同攻擊等任務(wù)[1]。

無(wú)人機(jī)集群通信方式為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)）。作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)之間通信無(wú)需基礎(chǔ)通信設(shè)施，具有網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立工作和健壯性高的優(yōu)點(diǎn)。路由協(xié)議是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議可分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議2大類。對(duì)于表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)到本網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點(diǎn)的路由表，周期性地交換路由信息更新路由表，典型的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議有DSDV、WRP和OLSR等。按需路由協(xié)議只有節(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)才建立路由，典型的路由協(xié)議有AODV、DSR和TORA等。

大量無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，但其評(píng)價(jià)準(zhǔn)則還不夠成熟。現(xiàn)存的路由協(xié)議有數(shù)十種，不同協(xié)議適用于不同場(chǎng)景，在具體應(yīng)用場(chǎng)景中選擇最佳協(xié)議需要進(jìn)行仿真評(píng)估。文獻(xiàn)[2]對(duì)2類路由協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量和移動(dòng)速度的場(chǎng)景中進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[3]采用隨機(jī)路點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型對(duì)4種路由協(xié)議6類項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。但是，這些仿真分析側(cè)重于理論研究，仿真場(chǎng)景缺少實(shí)戰(zhàn)化特征。本文對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行建模，將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境分為友好型、障礙型和對(duì)抗型，通過OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件設(shè)置相應(yīng)場(chǎng)景，對(duì)AODV、DSR以及OLSR共3種典型路由協(xié)議進(jìn)行仿真，分析不同場(chǎng)景中每種協(xié)議的性能，對(duì)裝備研發(fā)具有借鑒意義。

1 無(wú)人機(jī)集群發(fā)展現(xiàn)狀

2015年以來(lái)，我國(guó)和美國(guó)進(jìn)行了一系列無(wú)人機(jī)集群飛行試驗(yàn)。這些無(wú)人機(jī)集群項(xiàng)目直接面向未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，經(jīng)過了反復(fù)論證和實(shí)驗(yàn)，其參數(shù)設(shè)置對(duì)場(chǎng)景建模具有借鑒意義[4]。

2015年8月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）宣布啟動(dòng)“小精靈”（Gremlins）項(xiàng)目，計(jì)劃從敵方防御范圍外大型飛機(jī)上發(fā)射可回收的小型無(wú)人機(jī)集群，發(fā)射平臺(tái)具備發(fā)射超過20架無(wú)人機(jī)的能力。2018年4月，DARPA宣布該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入飛行試驗(yàn)階段。

2015年5月，美國(guó)海軍研究辦公室（ONR）開展了LOCUST項(xiàng)目研究，使用“郊狼”（Coyote）小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，其巡航速度約為111 km/h。這種變體無(wú)人機(jī)由管狀裝置發(fā)射，在空中展開機(jī)翼自主飛行。2016年2月在陸上完成30 s內(nèi)發(fā)射30架“郊狼”無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)。

美國(guó)國(guó)防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）主導(dǎo)“山鶉”（Perdix）微型無(wú)人機(jī)高速發(fā)射演示項(xiàng)目，2017年1月，美國(guó)海軍3架F/A-18F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)投放了103架山鶉無(wú)人機(jī)。

2018年5月，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司完成200架固定翼無(wú)人機(jī)集群飛行試驗(yàn)。2018年1月，國(guó)防科技大學(xué)試驗(yàn)了20架固定翼無(wú)人機(jī)自主作戰(zhàn)。

2 3種代表性路由協(xié)議

無(wú)人機(jī)自主網(wǎng)已經(jīng)由理論研究進(jìn)入裝備研制試驗(yàn)階段，其中路由協(xié)議選擇是必須面對(duì)的問題。IETF工作組提出了多種移動(dòng)自組網(wǎng)路由算法草案，但是沒有任何一種路由算法能夠很好地適用于所有的應(yīng)用環(huán)境。每種路由算法僅僅是在算法機(jī)制本身所提出的情況下達(dá)到一種局部最優(yōu)。根據(jù)路由協(xié)議的研究，選擇具有代表性的AODV、DSR以及OLSR共3種路由協(xié)議進(jìn)行仿真。

AODV協(xié)議是按需路由協(xié)議，當(dāng)發(fā)現(xiàn)多條路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)選擇跳數(shù)最少的路由。AODV協(xié)議采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組的方式，數(shù)據(jù)分組不需要攜帶完整的路由信息，通過中間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)路由表的建立與維護(hù)。

DSR協(xié)議也是按需路由協(xié)議，每個(gè)報(bào)文分組都攜帶從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的完整路由信息。當(dāng)發(fā)送分組無(wú)法到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，分組將被保存在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送緩存中；當(dāng)緩存時(shí)間大于規(guī)定的時(shí)間，該分組將會(huì)被丟掉。

OLSR協(xié)議是表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只選擇必要的中繼節(jié)點(diǎn)，鏈路狀態(tài)信息只描述與中繼節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，減小了由于信息泛洪帶來(lái)的路由開銷。

3 無(wú)人機(jī)集群應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建

為了選擇實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中性能最佳的路由協(xié)議，需要建立符合實(shí)戰(zhàn)特征的仿真場(chǎng)景。文獻(xiàn)[5]對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型進(jìn)行仿真研究，選取的3種移動(dòng)模型體現(xiàn)了隨機(jī)性，側(cè)重于理論研究。受到自然規(guī)律和執(zhí)行任務(wù)的限制，無(wú)人機(jī)集群運(yùn)動(dòng)有特定的規(guī)律。本文對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)特征進(jìn)行抽象分析，將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境分為友好型、障礙性以及對(duì)抗型3類典型場(chǎng)景。其中，友好型場(chǎng)景為理想化場(chǎng)景，障礙型場(chǎng)景為存在障礙的真實(shí)自然環(huán)境，對(duì)抗型場(chǎng)景為同敵方發(fā)生交戰(zhàn)存在敵我對(duì)抗的環(huán)境。

3.1 3類典型場(chǎng)景

友好型場(chǎng)景對(duì)應(yīng)情景為無(wú)人機(jī)發(fā)射后保持間距飛行。場(chǎng)景為理想環(huán)境，地形平坦開闊地，沒有突出障礙物，沒有敵我對(duì)抗。

障礙型場(chǎng)景對(duì)應(yīng)情景為野戰(zhàn)自然環(huán)境，地形復(fù)雜，存在自然或人工障礙。無(wú)人機(jī)躲避障礙時(shí)機(jī)群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，障礙兩側(cè)無(wú)人機(jī)通信鏈路會(huì)斷開。

對(duì)抗型場(chǎng)景對(duì)應(yīng)情景為無(wú)人機(jī)集群到達(dá)敵方陣地變換隊(duì)形執(zhí)行偵察或攻擊任務(wù)，遭到敵方反擊后部分無(wú)人機(jī)損毀。無(wú)人機(jī)變換隊(duì)形時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)發(fā)生變化，在部分無(wú)人機(jī)損毀后節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少。這些情景會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)通信產(chǎn)生影響。

3.2 仿真場(chǎng)景設(shè)置

使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET14.5進(jìn)行仿真，對(duì)應(yīng)3類典型場(chǎng)景設(shè)置了5個(gè)仿真場(chǎng)景。為了使場(chǎng)景設(shè)置更貼近實(shí)戰(zhàn)，仿真參數(shù)設(shè)置綜合考慮了任務(wù)需要和無(wú)人機(jī)性能，并借鑒了“小精靈”“郊狼”和“山鶉”等相關(guān)無(wú)人機(jī)集群試驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)公開的參數(shù)。表1為仿真場(chǎng)景參數(shù)。

表1 仿真場(chǎng)景參數(shù)

OPNET仿真設(shè)置的5個(gè)仿真場(chǎng)景依次為一路依次發(fā)射、三路并行發(fā)射、兩組繞飛避障、搜索合圍目標(biāo)和部分飛行損毀，分別對(duì)應(yīng)圖1（a）至圖1（e）。其中，前兩個(gè)場(chǎng)景為友好型場(chǎng)景，“兩組繞飛避障”為障礙型場(chǎng)景，最后兩個(gè)場(chǎng)景為對(duì)抗型場(chǎng)景。

圖1 OPNET仿真場(chǎng)景

4 路由協(xié)議仿真與結(jié)果分析

仿真統(tǒng)計(jì)量選取端到端時(shí)延、投遞率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，每種場(chǎng)景進(jìn)行10次仿真取平均值。投遞率為接收數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包比值，取值在0到1之間。圖2～圖6是3種路由協(xié)議在5個(gè)場(chǎng)景中的仿真結(jié)果。

4.1 一路依次發(fā)射

圖2為“一路依次發(fā)射”場(chǎng)景的仿真結(jié)果。第5分鐘至第6分鐘為依次發(fā)射階段，30架無(wú)人機(jī)間隔2 s逐架發(fā)射，拓?fù)浒l(fā)生變化；第6分鐘至仿真介紹為平穩(wěn)飛行階段，等間距勻速飛行，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定。從圖2可以看出，在依次發(fā)射階段，3種協(xié)議端到端時(shí)延都在增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也在增加，DSR協(xié)議和OLSR協(xié)議投遞率在下降，AODV協(xié)議投遞率在上升，顯示了AODV對(duì)拓?fù)渥兓h(huán)境的良好適應(yīng)性。在平穩(wěn)飛行階段，統(tǒng)計(jì)量趨于穩(wěn)定，端到端時(shí)延OLSR協(xié)議最小，AODV協(xié)議相對(duì)較大，OLSR協(xié)議和DSR協(xié)議投遞率接近于1，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載OLSR協(xié)議最小，AODV協(xié)議較大。綜合判斷，在依次發(fā)射階段應(yīng)采用AODV協(xié)議，在平穩(wěn)飛行階段應(yīng)采用OLSR協(xié)議。

圖2 “一路依次發(fā)射”場(chǎng)景仿真結(jié)果

4.2 三路并行發(fā)射

圖3為“三路并行發(fā)射”場(chǎng)景的仿真結(jié)果，發(fā)射過程同“一路依次發(fā)射”場(chǎng)景相似，但是每次同時(shí)發(fā)射3架無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)數(shù)量增多帶來(lái)協(xié)議性能發(fā)生變化。

圖3 場(chǎng)景“三路并行發(fā)射”仿真結(jié)果

在并行發(fā)射階段，DSR端到端時(shí)延急劇上升，投遞率迅速下降。對(duì)于DSR協(xié)議，拓?fù)浒l(fā)生變化，數(shù)據(jù)包無(wú)法到達(dá)目的地時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存中。數(shù)據(jù)在緩存中排隊(duì)會(huì)增加延時(shí)，超過重傳次數(shù)數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄，導(dǎo)致投遞率下降。在平穩(wěn)飛行階段性能也很差。在整個(gè)仿真過程中，AODV協(xié)議端到端時(shí)延非常大，投遞率很低，已經(jīng)無(wú)法滿足正常通信要求。綜上，無(wú)人機(jī)數(shù)量較多、密度較大時(shí)，DSR協(xié)議和AODV協(xié)議性能惡化，OLSR協(xié)議性能較好。

4.3 兩組繞飛避障

圖4為“兩組繞飛避障”場(chǎng)景仿真結(jié)果。第5分鐘至第7分鐘為繞飛避障階段，30架無(wú)人機(jī)分為兩組在障礙兩側(cè)飛過，兩組無(wú)人機(jī)之間不能通信。第7分鐘至仿真結(jié)束為合并飛行階段。在繞飛避障階段，兩組無(wú)人機(jī)之間不能通信，發(fā)送給另外一組的數(shù)據(jù)包無(wú)法收到，投遞率較低。在DSR協(xié)議中，當(dāng)數(shù)據(jù)包不能到達(dá)發(fā)送目標(biāo)時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)會(huì)將發(fā)送數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在緩存中，導(dǎo)致端到端時(shí)延迅速增加，中間節(jié)點(diǎn)反復(fù)重傳緩存數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大。在合并飛行階段，無(wú)人機(jī)為準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，OLSR協(xié)議性能較好。整體而言，在該場(chǎng)景中應(yīng)使用OLSR協(xié)議。

圖4 場(chǎng)景“兩組繞飛避障”仿真結(jié)果

4.4 搜索合圍目標(biāo)

圖5為“搜索合圍目標(biāo)”場(chǎng)景仿真結(jié)果。

第5分鐘至第6分鐘為隊(duì)形變換階段，30架無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)搜索到目標(biāo)后由橫隊(duì)變換為正六邊形，第6分鐘至仿真結(jié)束為合圍飛行階段。在隊(duì)形變換階段，3種協(xié)議投遞率均有下降，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有上升。相較而言，OLSR性能更好。在合圍飛行階段，無(wú)人機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，DSR協(xié)議與OLSR協(xié)議端到端時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相近，但DSR協(xié)議投遞率更大。整體而言，在隊(duì)形變換階段應(yīng)采用OLSR協(xié)議，在合圍飛行階段應(yīng)采用DSR協(xié)議。

4.5 部分飛行損毀

圖6為“部分飛行損毀”場(chǎng)景仿真結(jié)果。第3分鐘至第5分鐘為完好飛行階段，30架無(wú)人機(jī)編為4路縱隊(duì)勻速飛行，從第5分鐘至第8分鐘為損毀飛行階段，6架無(wú)人機(jī)損毀停止飛行和通信。

圖6 場(chǎng)景“部分飛行損毀”仿真結(jié)果

在完好飛行階段，無(wú)人機(jī)處于正常通信狀態(tài)，協(xié)議性能類似于無(wú)人機(jī)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。在損毀飛行階段，損毀的無(wú)人機(jī)不能接收數(shù)據(jù)包并回復(fù)源節(jié)點(diǎn)，DSR協(xié)議對(duì)不能找到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存并不斷重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，端到端時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速上升。相對(duì)而言，OLSR協(xié)議性能較好。綜上，在該場(chǎng)景中應(yīng)采用OLSR協(xié)議。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)人機(jī)集群應(yīng)用的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分類，在OPNET仿真軟件中設(shè)置無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的5個(gè)場(chǎng)景，對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的3種典型路由協(xié)議進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。從仿真結(jié)果可以看出，在無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的不同階段，3種路由協(xié)議有不同表現(xiàn)，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)場(chǎng)景類型特點(diǎn)選擇相適應(yīng)的路由協(xié)議。總體上看，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化場(chǎng)景中用AODV協(xié)議性能較好，在無(wú)人機(jī)間相對(duì)位置固定時(shí)用OLSR協(xié)議性能較好。無(wú)人機(jī)集群決策系統(tǒng)在改變飛行狀態(tài)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時(shí)切換相適應(yīng)的路由協(xié)議，為無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)提供了更好的通信保障。