基于移動自組網(wǎng)絡(luò)的無人機通信設(shè)計

趙 晟

(武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430070)

0 引言

無人機在公共服務(wù)領(lǐng)域扮演著重要的角色,在公共運輸航拍等方面發(fā)揮著重要的作用。無人機在空中組成網(wǎng)絡(luò)形成協(xié)作自治系統(tǒng),在較少的地面干預(yù)下實現(xiàn)自主協(xié)調(diào),可利用無人機組實施評估告警、應(yīng)急空投等功能,充分發(fā)揮協(xié)作自治系統(tǒng)的聯(lián)合行動優(yōu)勢。通信體系結(jié)構(gòu)是無人機相互間協(xié)調(diào)控制的核心,需要研究設(shè)計適合無人機無線網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)。國內(nèi)針對無人機自組網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)的研究較少,而主要是基于地面控制方面的研究。移動自組網(wǎng)(mobile ad hoc network,MANET)采用互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議,該結(jié)構(gòu)不適用于高度動態(tài)多架無人機組網(wǎng)。國內(nèi)外主要對TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)進行了適應(yīng)性改進。因特網(wǎng)采用控制平面精簡重復(fù)操作,無人機自組網(wǎng)要有新型無線通信體系結(jié)構(gòu),本文研究系統(tǒng)采用雙平面設(shè)計,將荷載數(shù)據(jù)傳輸與動態(tài)控制管理功能結(jié)合。

1 無人機自組網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

無人機自組網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(network-centric warfare,NCW)的重要部分,具有很強的抗毀性及自修復(fù)能力,各軍事大國日益重視無人機及作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的研究工作。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,無人機應(yīng)用延伸到民用領(lǐng)域,在地質(zhì)勘探、編隊偵查等諸多場景任務(wù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,無人機通信技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧鹤越M織網(wǎng)絡(luò)通信,路由算法決定無人機組網(wǎng)通信的效率性能[1]。隨著無人機應(yīng)用的擴展,無人機發(fā)展呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化趨勢,無人機自組網(wǎng)受到相關(guān)研究機構(gòu)的關(guān)注,無人機網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)成為其關(guān)鍵技術(shù)。UAVNet的單層和分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 UAVNET的單層和分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

MANET是不依賴固定基礎(chǔ)設(shè)施的移動節(jié)點動態(tài)聯(lián)合體,在災(zāi)害援助等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,MANET具有分布式、自組織與移動性等特點。無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)重要地位,目前地面控制站直接控制無人機執(zhí)行任務(wù),遠(yuǎn)離基站的區(qū)域需要很多無人機協(xié)作執(zhí)行大規(guī)模無人駕駛飛機(unmanned aerial vehicle,UAV)任務(wù),需要通過多跳(multi-hop)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸數(shù)據(jù)[2]。MANET是美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù),而無人機自組網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要針對數(shù)據(jù)鏈技術(shù)方面進行研究。信息數(shù)字化的發(fā)展促使人們對無人機提出更高的要求,利用無人機組網(wǎng)技術(shù)可以滿足人們對信息的需求,其具有增強可控性、提高無人機網(wǎng)絡(luò)可控性、提高協(xié)作能力等作用。各國部隊對無人機提高要求,無人機機載傳感器可增強部隊動態(tài)感知能力,使新的機載傳感器裝備獲得很大發(fā)展。無人機根據(jù)需要安裝不同的傳感器,自組網(wǎng)絡(luò)具有傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織等共性特點,且持續(xù)時間長、數(shù)據(jù)量巨大與結(jié)構(gòu)復(fù)雜。無人機偵查到圖像等多媒體信息數(shù)據(jù)量較大,傳輸前需要進行數(shù)據(jù)處理,處理過程包括壓縮過濾與融合。

移動自組網(wǎng)絡(luò)是無線移動通信網(wǎng)絡(luò),是眾多無線收發(fā)信息裝置的移動終端構(gòu)成,MANET中的節(jié)點可以隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化自由隨機移動。MANET以獨立方式運行,通過在節(jié)點間配備多個不同收發(fā)器形成高度動態(tài)自治拓?fù)?可用于基礎(chǔ)設(shè)施不可用的環(huán)境,MANET具有動態(tài)拓?fù)?、行為自主與帶寬受限等特性。無人機自組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要包括區(qū)域覆蓋與擴展應(yīng)用等[3]。MANET特性導(dǎo)致建立路由協(xié)議需要面臨更多問題,設(shè)計路由協(xié)議需要考慮其傳輸帶寬有限和安全性低等因素。飛行自組網(wǎng)(flying ad-hoc network,FANET)運行機制為基于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)使無人機節(jié)點間實現(xiàn)信息分享傳遞,網(wǎng)內(nèi)對信息共享不會出現(xiàn)延時顯著增加的情況,FANET設(shè)計遵循思維是節(jié)點對信息共享不應(yīng)依靠地面指揮基站,成員可針對收集情報情況作出交流?？赏ㄟ^多跳完成信息傳送,FANET本質(zhì)是構(gòu)建MANET,構(gòu)建無人機自組網(wǎng)具有拓?fù)渥兓l繁,具備較強搭載能力,任務(wù)場景和動模型特殊性等特點。

2 無人機移動自組網(wǎng)通信系統(tǒng)需求分析

無人機是利用獨立自動化程序控制飛行器的,近年來無人機技術(shù)不斷發(fā)展[4]。由于單架無人機攜帶的傳感器種類受限難以獨立完成復(fù)雜任務(wù),而多架無人機協(xié)同任務(wù)分配是完成任務(wù)的基礎(chǔ)。無人機的任務(wù)分配是為提高系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力,協(xié)同系統(tǒng)多以自組網(wǎng)方式通信,并采用合同網(wǎng)算法,通過多架無人機協(xié)同完成提高工作效率。Ad Hoc(點對點)環(huán)境具有安全性差、鏈路帶寬不對稱等特點,導(dǎo)致無人機通信發(fā)生全局擁塞降低攔路吞吐量,提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能成為無線通信領(lǐng)域的研究重點。

無人機自組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)想場景是在地震受災(zāi)上空部署多個無人機,以簇群為主要形式組成智能無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)想場景中無人機分類分為偵查成像等傳感器無人機、數(shù)據(jù)中繼等通信無人機、應(yīng)急空投等主動型無人機[5]。傳感器無人機數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鲃有蜔o人機,主動型無人機進行搜救等自主行動,可通過指揮協(xié)調(diào)無人機合理分配主動型無人機任務(wù)。主動權(quán)接收判別啟動相應(yīng)程序離開再入簇群。機簇群間交換數(shù)據(jù)集定位信息,中繼機承擔(dān)簇群間聯(lián)絡(luò)任務(wù),預(yù)警機自主接收傳感器無人機信息向簇群發(fā)送指令。要求通信系統(tǒng)具有高度動態(tài)性,較強生存能力滿足不同需求。應(yīng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)無人機高度動態(tài)性,體系結(jié)構(gòu)上有利于隱藏終端問題解決。結(jié)構(gòu)方便網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)維修等有效管理。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮支持任務(wù)用于及環(huán)境網(wǎng)絡(luò)功能性能需求。

3 無人機移動自組網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

無人機技術(shù)隨著生產(chǎn)需求得到了廣泛應(yīng)用,現(xiàn)階段主流無人機工作方式是單機控制,存在受到外界干擾與地面控制臺間通信鏈路斷裂的弊端[6]。研究人員在多無人機通信網(wǎng)絡(luò)中采用MANET方式使無人機與地面控制站通過自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)作,使無人機自組織網(wǎng)絡(luò)生存性更強,多無人機間戰(zhàn)術(shù)協(xié)同可有效減少單無人機節(jié)點的能量開銷。路由協(xié)議是FANET中無人機互相通信的基礎(chǔ),如何合理高效尋找最佳鏈路使無人機相互通信是評價路由協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 認(rèn)知層面

互聯(lián)網(wǎng)重要的TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)模塊化分層帶來多方面的靈活性,MANET通信體系結(jié)構(gòu)堅持縱橫向處理設(shè)計原則[7]。認(rèn)知平面用于MANET動態(tài)信息控制無人機網(wǎng)絡(luò)動態(tài)參數(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)協(xié)議主要功能是建立本地可達性,如識別建立鄰居協(xié)商狀態(tài)找出錄鏈路狀態(tài)錄入信息庫等,維護管理有關(guān)物理參數(shù)等。UAV通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 UAV通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MANET建立后網(wǎng)絡(luò)無人機節(jié)點受限廣播更新信標(biāo),高度動態(tài)無人機網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量狀態(tài)評估可以確保通信順暢[8]。認(rèn)知平面與數(shù)據(jù)平面信道頻率要合理選擇,應(yīng)考慮干擾能量有效問題。單一路徑失效導(dǎo)致原路徑失效,路徑建立時應(yīng)考慮負(fù)載平衡優(yōu)化路徑選擇。直接鏈路重新定義為比較后乘性結(jié)果。無人機組網(wǎng)具有高機動等要求,拓?fù)淇刂瓢w行控制保持。無人機以相同固定功率允許導(dǎo)致接收功率高于不需的SINR浪費發(fā)送端無人機能量,數(shù)據(jù)流量不均勻分布導(dǎo)致不均勻能量消耗。針對特定無人機進行流量規(guī)劃,調(diào)節(jié)通信距離提高網(wǎng)絡(luò)信道利用率與整體吞吐量。通信距離控制適當(dāng)?shù)脑试S多路徑傳輸,通信距離過小會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割。選擇合適的功率滿足網(wǎng)絡(luò)連接線是功率控制的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)單一平面五層體系結(jié)構(gòu)中功率控制歸結(jié)存在爭議,公路控制引起網(wǎng)絡(luò)層與多址接入信道(multiple access channel,MAC)層交互作用。碰撞避免信息及相關(guān)協(xié)議可以發(fā)揮認(rèn)知平面的作用,預(yù)期接收機計算合適發(fā)射功率等級明確承受干擾閾量。細(xì)粒度是鏈路路徑持續(xù)時間等與路由選擇緊密相關(guān)的參數(shù)測量,移動測量關(guān)聯(lián)目的是預(yù)知無人機拓?fù)渥兓?使無人機在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中保持?jǐn)?shù)據(jù)通信正常進行。超寬帶通信的MANET可利用UWB納秒級非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。信道監(jiān)控是對無線信道狀態(tài)監(jiān)視預(yù)知,與數(shù)據(jù)平面的指南物理層實現(xiàn)對信道感知分配進行管理,使頻譜移動相對平滑。建立路由因無人機運動性改變,信道監(jiān)控可提供適應(yīng)于頻譜波動下的路由選擇,信道頻譜動態(tài)性引起分組丟失率變化,影響網(wǎng)絡(luò)層和組播層面的性能。信道監(jiān)控與數(shù)據(jù)平面發(fā)生關(guān)聯(lián),是實現(xiàn)MANET智能化的基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)層面

數(shù)據(jù)平面適應(yīng)無人機節(jié)點高度動態(tài)性,網(wǎng)絡(luò)層融化MAC曾考慮將網(wǎng)絡(luò)層部分功能下降到物理層,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有靈活性,便于三層硬件實現(xiàn)提高處理速度,并考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容。傳統(tǒng)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層,重傳推避接入排隊等帶來時延,提出物理層中繼結(jié)合路徑接入超低時延體系結(jié)構(gòu)。MANET網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與PHY層交叉便于高效兼容。組播是MANET傳輸主要模式,無人機可進行雙重?zé)o線電配置,轉(zhuǎn)發(fā)無人機同時收發(fā)數(shù)據(jù)分組,比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)快捷高效數(shù)量級。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

PHY層采用認(rèn)知無線技術(shù)具有頻譜感知和切換功能。MANET信道資源有限,需要MAC層協(xié)調(diào)解決沖突問題。物理層在通信無人機間建立點到點的數(shù)據(jù)傳輸鏈路,MAC適應(yīng)MANET雙重?zé)o線電環(huán)境下接入模式,無人機MAC層協(xié)議要支持組播與基于優(yōu)先級的業(yè)務(wù)。聚合數(shù)量通用的應(yīng)用程序執(zhí)行某具體任務(wù)命令,任務(wù)分層分為使命令層與應(yīng)用層,使命令層包括目標(biāo)搜索識別等命令,突出無人機組網(wǎng)任務(wù)關(guān)鍵性目標(biāo),便于網(wǎng)內(nèi)無人機間協(xié)調(diào)控制。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)在不同使命模式可進行靈活的QoS保證。應(yīng)用子層提供特性任務(wù)的應(yīng)用程序,確定應(yīng)用程序進程間通信性質(zhì),選擇無人機節(jié)點實現(xiàn)對RM組播通信層服務(wù)動態(tài)定制。使命層完成具體任務(wù)使命必需特定應(yīng)用程序集合,確定完成使命所需應(yīng)用程序,將數(shù)據(jù)按任務(wù)使命轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的有用信息。

4 無人機移動自組網(wǎng)通信系統(tǒng)仿真實驗

MANET網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是在高空中運動的無人機,具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點遷移率高、無人機分布稀疏、通信時延要求高等特點。FANET設(shè)計目的是無人機集群在不同任務(wù)環(huán)境中進行良好通信,路由協(xié)議是FANET中無人機相互通信的基礎(chǔ),路由協(xié)議相應(yīng)算法應(yīng)考慮通信與安全性能。按需距離矢量協(xié)議AODV結(jié)合目的序列矢量路由機制的優(yōu)點,應(yīng)用于無人機場景中存在一些問題需要改進。提出基于位置輔助自適應(yīng)廣播與鏈路斷裂預(yù)測算法,保障通信性能同時提高網(wǎng)絡(luò)的安全性,滿足相應(yīng)場景下的通信需求。

目前有很多先進的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建模軟件,研究通過離散事件模擬仿真技術(shù)進行仿真。實驗需要對包格式重新定義,其他參數(shù)需在底層源碼中修改已有變量完成算法中新機制。重新設(shè)計確認(rèn)分組格式與原有模型庫結(jié)合,對進程層進行代碼編譯。研究利用OPNET仿真演示認(rèn)知平面認(rèn)知功能,仿真節(jié)點模型中APP模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能,節(jié)點全雙工通信,采用加性高斯白噪聲無線信道模型,分組大小為512 byte,仿真移動測量中利用工具節(jié)點測距定位功能組合,距離超過通信范圍后節(jié)點A認(rèn)知將數(shù)據(jù)平面路由表切換到使用點C。認(rèn)知平面不斷感知判斷鏈路狀態(tài),切換時吞吐量產(chǎn)生12 kB/s較小抖動后趨穩(wěn),網(wǎng)絡(luò)吞吐量起伏平穩(wěn)。提出系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)通信體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真需要建立合理環(huán)境測試平臺。

5 結(jié)語

綜上所述,MANET是各國移動通信領(lǐng)域重點發(fā)展方向,近年來無人機向自主控制智能化方向發(fā)展,無人機通信技術(shù)研究是相關(guān)技術(shù)研究熱點,研究無人機MANET具有很高的工業(yè)價值。本文研究分析了無人機自組網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用需求設(shè)計架構(gòu),認(rèn)知控制與無人機緊密相關(guān)的動態(tài)參數(shù)。雙平面設(shè)計使無人機網(wǎng)絡(luò)滿足多媒體實時傳輸需求。智能融合物理層具有高效轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組能力,任務(wù)層設(shè)計提出按應(yīng)用分類操作原則,組播管理子層單元并行可靠性設(shè)計降低軟件運行OS開銷花費延時。研究創(chuàng)新是利用深度強化學(xué)習(xí)借鑒分層無人機網(wǎng)絡(luò)的簇頭選擇問題,使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)使訓(xùn)練出模型具有泛化能力;關(guān)注分簇的均衡度,基于傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法提出Bubble分簇框架可以減少簇間通信流量。設(shè)計基于認(rèn)知平面的具體信道切換策略,進一步對MAC高效介入等技術(shù)進行研究。