面向頻譜監(jiān)測的無人機(jī)感知數(shù)據(jù)回傳方法*

劉仕杰，董超，朱小軍，劉青昕，張磊

（1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106；2.南京航空航天大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線用頻設(shè)備不斷增多，為了加強(qiáng)電磁頻譜管理和維護(hù)電磁頻譜安全[1-2]，國家有關(guān)部門利用監(jiān)測設(shè)備對電磁頻譜進(jìn)行了全方位地監(jiān)控和管理。傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)測設(shè)備一般位于地面，如地面監(jiān)測車、監(jiān)測站，頻譜監(jiān)測結(jié)果易受障礙物遮擋、環(huán)境限制、多徑效應(yīng)干擾等不利因素影響[3]。近年來，無人機(jī)憑借其成本低廉、易于部署、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)在危險偏遠(yuǎn)且成本較高的場景中受到廣泛的歡迎，并在軍事和民用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用[1,4-5]。因此，多個軍用、民用場景采用了無人機(jī)搭載頻譜監(jiān)測裝置，從空中進(jìn)行頻譜監(jiān)測，提高頻譜監(jiān)測的機(jī)動性和效率[2]。

為了得到某一地區(qū)無線設(shè)備的用頻信息，將頻譜監(jiān)測設(shè)備裝載在無人機(jī)上作為一個節(jié)點(diǎn)執(zhí)行頻譜監(jiān)測任務(wù)。多架無人機(jī)部署在所監(jiān)測區(qū)域的上方形成多個節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行監(jiān)測，每個節(jié)點(diǎn)都采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的速度恒定。節(jié)點(diǎn)需將采集的頻譜數(shù)據(jù)實時回傳至地面站，地面站作為收集各節(jié)點(diǎn)所采集頻譜數(shù)據(jù)的終端節(jié)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

無人機(jī)將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳至地面站時，當(dāng)無人機(jī)距離地面站較近時傳輸相對容易，而當(dāng)距離較遠(yuǎn)時傳輸比較困難?？梢圆捎梅涓C網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比如4G 網(wǎng)絡(luò)。但是在實踐中發(fā)現(xiàn)，采用此方案時，地面站需要具有公網(wǎng)IP。同時，由于4G 網(wǎng)絡(luò)分配的IP 是私有地址，地面終端無法向無人機(jī)發(fā)送控制及反饋信息，無人機(jī)也無法將采集的頻譜數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站。

此外，還可以采用自組織網(wǎng)絡(luò)的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，學(xué)者們對自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[6]中通過部署一個移動機(jī)器人沿著預(yù)定的路徑移動，在這條路徑上放置三個固定節(jié)點(diǎn)，對BATMAN、OLSR、AODV 和DSR 的平均重路由時間和丟包率進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[7]利用BATMAN、OLSR 和Babel 搭建了一個包含8 個固定無線節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)試驗臺，在該實驗臺上評估了吞吐量、收斂時間、分組投遞率和往返時延。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一個有三個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，即一個地面固定目的地、一個飛行無人機(jī)源節(jié)點(diǎn)和一個飛行無人機(jī)中繼，從數(shù)據(jù)報丟失率方面評估了OLSR 和OLSR 的改進(jìn)版本（P-OLSR）。文獻(xiàn)[9-13]對BATMAN-Adv 路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)的連通性、丟包、時延、抖動、吞吐量等方面的性能進(jìn)行了全面評估。自組織網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

本文針對無人機(jī)遠(yuǎn)距離監(jiān)測得到的頻譜數(shù)據(jù)如何將其回傳到地面站進(jìn)行處理和分析這一問題，提出了兩種回傳方法：基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法和基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方法?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)的回傳方法采用4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將無人機(jī)采集到的頻譜數(shù)據(jù)通過移動4G 回傳到地面站；基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方法將無人機(jī)和地面站形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在自組網(wǎng)中以多跳的形式從無人機(jī)回傳到地面站。下面針對這兩種回傳方法，對其結(jié)果進(jìn)行了對比和分析。

1 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法

1.1 方案描述

在正常區(qū)域網(wǎng)絡(luò)狀況良好的情況下，對于頻譜數(shù)據(jù)的回傳，可以采用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法，如圖1 所示，將無人機(jī)采集到的頻譜數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳到地面站。那么地面站必須得有公網(wǎng)IP 地址，否則無人機(jī)無法準(zhǔn)確無誤地將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站。對于處于局域網(wǎng)內(nèi)部沒有公網(wǎng)IP 的地面站，需要進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透[14]，將地面站映射到具有公網(wǎng)IP 設(shè)備的某一端口上，此時執(zhí)行頻譜采集任務(wù)的無人機(jī)只需將數(shù)據(jù)發(fā)往此具有公網(wǎng)IP 設(shè)備的端口上，即可將數(shù)據(jù)回傳到地面站。

圖1 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法

處于內(nèi)網(wǎng)的地面站無法暴露到互聯(lián)網(wǎng)中，內(nèi)網(wǎng)服務(wù)由于沒有公網(wǎng)IP，不能被非局域網(wǎng)內(nèi)的其他用戶訪問。當(dāng)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳時，無人機(jī)無法正確識別出地面站的地址，給數(shù)據(jù)回傳帶來了困難。如果能將地面站暴露到互聯(lián)網(wǎng)中，無人機(jī)就能直接訪問地面站，實現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的回傳。

首先，需要找到一個具有公網(wǎng)IP 的設(shè)備，云服務(wù)器作為一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計算服務(wù)，是一個不錯的選擇。其次，對于云服務(wù)器上多個可使用的端口，如果能將其映射到內(nèi)網(wǎng)中的主機(jī)，那么發(fā)往云服務(wù)器此端口的數(shù)據(jù)就能被準(zhǔn)確無誤地轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)網(wǎng)中的此主機(jī)中。因此，需要實現(xiàn)一種專注于內(nèi)網(wǎng)穿透的高性能的反向代理應(yīng)用，整體呈現(xiàn)出C/S 架構(gòu)，如圖2 所示。云服務(wù)器為服務(wù)端，需要進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透的主機(jī)為客戶端。服務(wù)端通過socket 與客戶端相連，將服務(wù)器的某個端口映射到內(nèi)網(wǎng)主機(jī)上，然后根據(jù)請求的云服務(wù)器端口或其他信息將請求路由到對應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，將內(nèi)網(wǎng)服務(wù)以安全、便捷的方式通過具有公網(wǎng)IP 節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)暴露到公網(wǎng)，從而實現(xiàn)通過外網(wǎng)能直接訪問到內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，達(dá)到內(nèi)網(wǎng)穿透的目的。針對這一思想，可以選用多種現(xiàn)有工具實現(xiàn)這一功能，比如frp[15]。

圖2 內(nèi)網(wǎng)穿透架構(gòu)圖

為此，在具有公網(wǎng)IP 的云服務(wù)器上部署服務(wù)端，在地面站上部署客戶端，這樣就將地面站上的某一本地端口映射到云服務(wù)器的某一端口上，此時無人機(jī)向云服務(wù)器的這一端口上發(fā)送采集到的頻譜數(shù)據(jù)，即可成功回傳到地面站中。

由于在所監(jiān)測的區(qū)域上方有多架無人機(jī)執(zhí)行頻譜數(shù)據(jù)采集任務(wù)，如果多架無人機(jī)都向云服務(wù)器的一個端口發(fā)送數(shù)據(jù)，那么極有可能由于數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致服務(wù)崩潰。因此，計劃在地面站上執(zhí)行多個內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)。將地面站的多個本地端口一一映射到云服務(wù)器的不同端口上，多個無人機(jī)分別向云服務(wù)器的不同端口上發(fā)送數(shù)據(jù)，即為向地面站的不同端口回傳所采集到的頻譜數(shù)據(jù)，解決了多架無人機(jī)同時向同一端口發(fā)送數(shù)據(jù)造成流量激增而可能導(dǎo)致服務(wù)崩潰的問題。

1.2 瓶頸分析

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法，無人機(jī)采集的頻譜數(shù)據(jù)需要由云服務(wù)器中轉(zhuǎn)到地面站，因此云服務(wù)器的帶寬及同時進(jìn)行頻譜任務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)決定了每個節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)的最大速率。如圖3 所示，若云服務(wù)器的帶寬為1 Mbps，有五架無人機(jī)同時進(jìn)行頻譜采集任務(wù)，那么每架無人機(jī)所能回傳數(shù)據(jù)的最大速率約為200 kbps。當(dāng)任務(wù)需求需要進(jìn)一步擴(kuò)大無人機(jī)覆蓋范圍、需要投入更多的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)時，由于云服務(wù)器的帶寬一定，隨著無人機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，每個節(jié)點(diǎn)所能回傳數(shù)據(jù)的速率也將降低，這也就降低了頻譜數(shù)據(jù)采集的效率。

圖3 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法瓶頸

另外，用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳成本較高。首先需要在云服務(wù)器端部署內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端，此外在地面站和無人機(jī)上部署內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端需要4G 網(wǎng)卡的支持，租賃滿足服務(wù)要求的帶寬的云服務(wù)器和購買一定數(shù)量的4G 網(wǎng)卡需要一定的費(fèi)用。再者，節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的速率還與基站信號強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)處于戰(zhàn)場、災(zāi)后現(xiàn)場、野外等地區(qū)時，基站信號強(qiáng)度微弱甚至沒有信號，這時基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方法將失效。

2 基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方法

2.1 路由協(xié)議選擇

偏遠(yuǎn)、受災(zāi)地區(qū)或戰(zhàn)場等地基礎(chǔ)設(shè)施缺乏或遭到破壞，失去了良好的通信條件。此時蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法使用，數(shù)據(jù)傳輸采用基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方法，如圖4 所示。無人機(jī)自組網(wǎng)[16-18]不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，支持動態(tài)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)的任意移動，不需要一個集中的控制基站。路由協(xié)議是自組織網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的一部分，主要分為反應(yīng)式路由協(xié)議（如AODV）和主動式路由協(xié)議（如BATMAN-Adv、OLSR 等）。對于反應(yīng)式路由協(xié)議，只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生流量時才會形成路由路徑，因此其網(wǎng)絡(luò)開銷較低，但同時也帶來了較高的時延。對于主動式路由協(xié)議，不管網(wǎng)絡(luò)中是否有流量的產(chǎn)生，都會形成路由路徑，因此需要較高的維護(hù)開銷，但會有較低的時延[19]。對于拓?fù)淇焖僮兓臒o人機(jī)自組網(wǎng)，決定采用主動式路由協(xié)議將無人機(jī)采集的頻譜數(shù)據(jù)回傳到地面站。

圖4 基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方法

當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)過多或在戰(zhàn)場、野外等4G 信號質(zhì)量較差的區(qū)域時，使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，無論是從成本考慮還是從頻譜數(shù)據(jù)采集的效率來看，都不是一個明智的選擇。因此不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的自組織網(wǎng)絡(luò)成為了更好的選擇方案，將無人機(jī)節(jié)點(diǎn)和地面站配置在同一個自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)采集的頻譜數(shù)據(jù)以多跳的形式回傳到地面站中。

無人機(jī)可攜帶輕型的嵌入式設(shè)備，因此在硬件選型上選用樹莓派4B 作為機(jī)載計算機(jī)。樹莓派4B 體積小、功耗低、成本低，適合裝載在無人機(jī)上。樹莓派4B 內(nèi)置支持2.4 GHz 和5 GHz 信道的無線網(wǎng)卡，可作為系統(tǒng)的物理層和MAC 層實現(xiàn)。每臺樹莓派的網(wǎng)卡被配置為工作在IBSS 模式（或Ad Hoc 模式），由此將所有無人機(jī)節(jié)點(diǎn)和地面站配置在同一個自組網(wǎng)中。對于路由協(xié)議的選擇，如上所述，選擇主動式路由協(xié)議BATMAN-adv。

BATMAN_Adv（Better Approach To Mobile Ad Hoc Networking Advanced）[20]源自于對BATMAN（Better Approach To Mobile Ad Hoc Networking）路由協(xié)議的增強(qiáng)和改進(jìn)，其理念是在以太網(wǎng)層（即ISO/OSI 模型的第二層）上實現(xiàn)路由，這導(dǎo)致使用虛擬網(wǎng)絡(luò)接口和MAC 地址來替代使用UDP 數(shù)據(jù)包實現(xiàn)的路由表。BATMAN_Adv 已經(jīng)成為現(xiàn)在主要使用的BATMAN 版本，并且是在第2 層完全工作的路由協(xié)議之一。由于它是在以太網(wǎng)層實現(xiàn)的，這里的網(wǎng)絡(luò)就好像每個節(jié)點(diǎn)都有一個直接的單跳連接到另一個節(jié)點(diǎn)一樣，因此，數(shù)據(jù)包使用原始的以太網(wǎng)幀發(fā)送，直到它到達(dá)目的地。它與OLSR 等其他主動式路由協(xié)議不同，每個節(jié)點(diǎn)無需知道全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪慝@得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，只需要知道通過哪些鄰居節(jié)點(diǎn)能到達(dá)目的地，并從中選出一個最佳的鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?。這樣就使得協(xié)議輕量化，減少了每個節(jié)點(diǎn)要處理的數(shù)據(jù)量，從而解決了OLSR 等之前的主動式路由算法在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時對節(jié)點(diǎn)處理能力要求增加、處理時延增大的問題。

在BATMAN_Adv 中，一個重要的概念叫做TQ（Transmission Quality），TQ 值的高低代表了鏈路傳輸質(zhì)量的好壞。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)周期性地傳播OGM（Originator Message）幀，鄰居節(jié)點(diǎn)通過對接收到的OGM 幀進(jìn)行統(tǒng)計和分析后，計算得到鏈路的TQ 值。每個節(jié)點(diǎn)針對每一個鄰居節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個TQ 值，節(jié)點(diǎn)從鄰居節(jié)點(diǎn)中獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的TQ 值后，從中選取TQ 值最大的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱惶?，也就是到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最佳下一跳節(jié)點(diǎn)。

2.2 瓶頸分析

雖然當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多或處于野外、戰(zhàn)場區(qū)域時，基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方案成為替代基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的回傳方案的不二選擇，但也存在一定的缺點(diǎn)。由于無線網(wǎng)卡及芯片等其他因素的限制，自組網(wǎng)中可使用的帶寬有限。另外，由于無線環(huán)境的不穩(wěn)定性，鏈路不穩(wěn)定的情況時有發(fā)生，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什▌虞^大，由此導(dǎo)致的后果是網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)丟包、數(shù)據(jù)丟失，從而對后續(xù)數(shù)據(jù)的分析造成影響。

3 實驗驗證

3.1 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳

將樹莓派和頻譜采集設(shè)備裝載在無人機(jī)上作為頻譜采集客戶端，在地面站上進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透作為服務(wù)端接收頻譜采集數(shù)據(jù)。每臺樹莓派計算機(jī)都運(yùn)行Raspberry Pi 操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核版本為5.10.17。為了測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝恳约皶r延，在樹莓派上編寫java 程序，在客戶端與服務(wù)端建立TCP/UDP Socket 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析。

（1）吞吐量分析

針對不同個數(shù)的采樣節(jié)點(diǎn)，對每個采樣節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)的吞吐量進(jìn)行統(tǒng)計和分析，并對各個節(jié)點(diǎn)的吞吐量取平均值。實驗中，樹莓派外接無線4G 網(wǎng)卡已連接到互聯(lián)網(wǎng)，連接示意圖如圖5 所示，采用的云服務(wù)器帶寬為8 Mbps。實驗結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖5 樹莓派外接無線4G網(wǎng)卡

圖6 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳時節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量

圖7 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳總采集節(jié)點(diǎn)個數(shù)為5時各節(jié)點(diǎn)的吞吐量

從圖6 可以看出，節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量與采樣的節(jié)點(diǎn)數(shù)之間呈現(xiàn)出反比的關(guān)系。當(dāng)只有一架無人機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜收集任務(wù)時，其所能回傳數(shù)據(jù)的速率與云服務(wù)器帶寬基本保持一致。隨著采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，每個無人機(jī)可用的帶寬不斷減小。由此可以預(yù)見的是，當(dāng)無人機(jī)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目增大到一定程度時，其向地面站回傳數(shù)據(jù)的速率將達(dá)不到頻譜數(shù)據(jù)收集的速率，因此會導(dǎo)致數(shù)據(jù)積壓在本地，無法及時地將數(shù)據(jù)回傳到地面站進(jìn)行處理和分析。

從圖7 可以看出，當(dāng)總采集節(jié)點(diǎn)個數(shù)為5 時，各節(jié)點(diǎn)間的吞吐量分布較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大的差異，且基本等于云服務(wù)器帶寬的1/n，其中n為同時進(jìn)行頻譜采集任務(wù)節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。可以看出，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳的方案穩(wěn)定性較強(qiáng)。

（2）時延分析

為了更好地了解網(wǎng)絡(luò)狀況，對數(shù)據(jù)從無人機(jī)發(fā)送到地面站的時間進(jìn)行了統(tǒng)計和分析。由于發(fā)送端與接收端時鐘不一致，因此統(tǒng)計的是往返時延，將發(fā)送時間封裝在數(shù)據(jù)包中，當(dāng)數(shù)據(jù)包從無人機(jī)發(fā)送到地面站后，地面站立刻將此數(shù)據(jù)包回送到無人機(jī)，記錄此數(shù)據(jù)包由地面站回送到無人機(jī)的時間，計算得出數(shù)據(jù)包的往返時延。實驗中一次發(fā)送10 個數(shù)據(jù)包，對每個數(shù)據(jù)包的往返時延進(jìn)行統(tǒng)計與分析，實驗進(jìn)行多次取平均值，實驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳時數(shù)據(jù)包的往返時延

從實驗結(jié)果可以看到，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)回傳的方案網(wǎng)絡(luò)狀況較好，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較高。各個數(shù)據(jù)包的往返時延較低，且比較穩(wěn)定，在60 ms 附近上下小幅浮動，沒有出現(xiàn)較大的波動。

3.2 基于自組織網(wǎng)絡(luò)回傳

在自組網(wǎng)模式下，樹莓派無線網(wǎng)卡被配置為在IBSS 模式（或Ad Hoc 模式）下工作，路由協(xié)議選擇BATMAN-Adv，版本號為2020.4。MAC 層協(xié)議選擇802.11，無線信道設(shè)置為channel 8，頻率為2.447 GHz，發(fā)送功率為31.0 dBm。實驗拓?fù)浼罢鎸崍鼍皥D如圖9 所示，節(jié)點(diǎn)3、4、5 作為源節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)的采集，節(jié)點(diǎn)2 作為潛在的中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1 作為終端節(jié)點(diǎn)對所采集的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。橫向及縱向相鄰無人機(jī)間距為20 m，飛行高度為10 m。

圖9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼罢鎸崍鼍皥D

為了對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，采用iperf3[21]——一個使用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)測量工具。但是，iperf3 用于在客戶端（發(fā)送方）和服務(wù)器（接收方）之間持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)流，它不能測量多對一的通信。為此，在服務(wù)器的不同端口上同時運(yùn)行多個iperf 服務(wù)器進(jìn)程，并讓客戶端連接到不同的服務(wù)器進(jìn)程，接收來自不同節(jié)點(diǎn)的頻譜數(shù)據(jù)。

（1）吞吐量分析

客戶端節(jié)點(diǎn)3、4、5 分別以TCP 連接到服務(wù)端節(jié)點(diǎn)1 進(jìn)行吞吐量的測試，每次測量時間為15 s，實驗進(jìn)行多次取平均值，iperf3 報告結(jié)果如圖10 所示。

圖10 基于自組織網(wǎng)絡(luò)回傳時節(jié)點(diǎn)的路由表和吞吐量

從圖中可以看出，各節(jié)點(diǎn)間吞吐量差異顯著。節(jié)點(diǎn)4的吞吐量達(dá)到了8.24 Mbps，而節(jié)點(diǎn)5 僅為0.1 Mbps。通過查看路由表發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)4 的數(shù)據(jù)的路由為4-1，節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)的路由為3-4-1，節(jié)點(diǎn)5 的數(shù)據(jù)的路由為5-4-1。也就是說，節(jié)點(diǎn)3 和5 到達(dá)節(jié)點(diǎn)1 的數(shù)據(jù)比節(jié)點(diǎn)4 到達(dá)節(jié)點(diǎn)1 的數(shù)據(jù)多了一跳，且節(jié)點(diǎn)4 到達(dá)節(jié)點(diǎn)1 的TQ 值比節(jié)點(diǎn)3和5 的顯著提高，因此多跳降低了路由協(xié)議的性能。而都是兩跳的節(jié)點(diǎn)3 和5 吞吐量差距也較大，實驗發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)3到節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)5 到節(jié)點(diǎn)1 的TQ 值分別是132 和66。TQ值在一定程度上可反應(yīng)出丟包率的大小，TQ 值越大，丟包率越小。由于節(jié)點(diǎn)5 發(fā)往節(jié)點(diǎn)1 的數(shù)據(jù)丟包較為嚴(yán)重，導(dǎo)致其吞吐量顯著低于節(jié)點(diǎn)3 的吞吐量。

（2）時延分析

客戶端節(jié)點(diǎn)3、4、5 分別以UDP 連接到服務(wù)端節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行時延的測試。由于iperf3 不報告時延，因此仍采用上述java 程序使用UDP 數(shù)據(jù)包測量往返時延，節(jié)點(diǎn)3、4、5 同時向節(jié)點(diǎn)1 發(fā)送數(shù)據(jù)包，對每個數(shù)據(jù)包的往返時延進(jìn)行統(tǒng)計與分析，實驗進(jìn)行多次取平均值。實驗結(jié)果如圖11 所示：

圖11 基于自組織網(wǎng)絡(luò)回傳時節(jié)點(diǎn)的往返時延

從圖中可以看出，基于自組織網(wǎng)絡(luò)的回傳方案時延較低，最低的往返時延以毫秒為單位并達(dá)到了個位數(shù)級別，最高的往返時延也僅為10 ms。由此可見，此方案用于數(shù)據(jù)的傳輸延遲較低，實時性較強(qiáng)。

4 結(jié)束語

當(dāng)無人機(jī)距地面站超過數(shù)據(jù)鏈路的傳輸距離時，為了將無人機(jī)執(zhí)行頻譜監(jiān)測任務(wù)時采集的數(shù)據(jù)回傳至地面站，提出了兩種方案：一種是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸，此方案各節(jié)點(diǎn)的吞吐量較為穩(wěn)定，不易受到外界環(huán)境的影響，但其大小受到同時進(jìn)行采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)目及云服務(wù)器帶寬大小的影響，適用于蜂窩信號強(qiáng)且存在高帶寬云服務(wù)器的場景，成本較高；另一種是基于自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，此方案波動較大，各節(jié)點(diǎn)吞吐量大小差異顯著，容易受到無線環(huán)境的干擾，但其時延較低，適用于對實時性較高的場景，成本較低。在未來的工作中，可考慮將兩種方案進(jìn)行結(jié)合來傳輸數(shù)據(jù)。