海洋自主無人系統(tǒng)跨域通信組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

徐同樂 肖玉杰 何 翼 王 慎 劉 方 毛柳偉 喬永杰

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能與自適應(yīng)控制理論、微型傳感與通信設(shè)備等技術(shù)的推陳出新和無人自主裝備的創(chuàng)新發(fā)展,無人系統(tǒng)集群化、自主化已逐漸成為未來海戰(zhàn)的新模式和新趨勢.海上跨域無人集群是指將無人機(jī)（unmanned aerial vehicle,UAV）、無人艇（unmanned surface vessels,USV）、無人潛航器（unmanned underwater vehicle,UUV）具有顯著功能差異的異構(gòu)無人系統(tǒng),通過空中、水面、水下等不同作戰(zhàn)域之間的協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)集群化作戰(zhàn)[1].作為跨域無人集群實(shí)現(xiàn)互連互通的基礎(chǔ),跨域通信組網(wǎng)技術(shù)早已成為保障無人集群指揮協(xié)同、載荷控制以及其他數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2],其技術(shù)水平直接影響整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮.國內(nèi)外對于無人系統(tǒng)通信組網(wǎng)技術(shù)的重視程度日益提升,相繼開展了很多基于UAV 集群、USV 集群、UUV 集群的組網(wǎng)技術(shù)研究,見文獻(xiàn)[2-6].文獻(xiàn)[7]基于UAV 集群飛行自組網(wǎng)（flying Ad-Hoc networks,FANET）歸納梳理了多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議的應(yīng)用特點(diǎn),并針對性提出了下階段重點(diǎn)研究方向,進(jìn)一步豐富了無人集群通信組網(wǎng)的技術(shù)方案.但上述研究僅局限于單一作戰(zhàn)域,對于橫跨多作戰(zhàn)域的跨介質(zhì)通信研究相對較少,值得深入挖掘.

在眾多公開科研項(xiàng)目和學(xué)術(shù)成果中,可看到美、英、法等國對無人系統(tǒng)跨域協(xié)同領(lǐng)域的高度關(guān)注和技術(shù)革新.早在2005 年,美國海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（Space and Naval Warfare Systems Command,SPAWAR）中心基于UAV、USV、地面無人系統(tǒng)開展了面向“入侵人員”監(jiān)控與打擊的一系列跨域協(xié)作演示;2015 年,多國主導(dǎo)的美國國防高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）跨域海上監(jiān)視和瞄準(zhǔn)項(xiàng)目中,圍繞搭建跨域體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)視瞄準(zhǔn)和敵對力量拒止,構(gòu)建了反應(yīng)迅速、覆蓋面廣的無人作戰(zhàn)能力[8];2017 年,多國主導(dǎo)的OCEAN2020 項(xiàng)目中,開展了一系列無人/有人裝備的指揮協(xié)同和相互配合試驗(yàn),進(jìn)一步檢驗(yàn)了采集信息和整合數(shù)據(jù)的正確性[9].

國內(nèi)外無人系統(tǒng)跨域組網(wǎng)領(lǐng)域的研究多是在數(shù)據(jù)建鏈及傳輸[10]、編隊(duì)控制[11]、任務(wù)規(guī)劃[12]等方面,具體組網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)多是利用多種異構(gòu)通信手段和中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跨域連通,并在2016—2022 年間美國海軍舉辦的“先進(jìn)技術(shù)演習(xí)（advanced naval technology exercise,ANTX）”上均有所論證[13].文獻(xiàn)[14-16]基于遂跳矢量轉(zhuǎn)發(fā)（vector-based forwarding，VBF）協(xié)議以及改進(jìn)型協(xié)議相繼完成了水下-空中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸研究,但該類協(xié)議節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多,沒有合理利用分簇特性進(jìn)行系統(tǒng)簡化,同時VBF 協(xié)議沒有充分利用空中網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢,來彌補(bǔ)水下通信時延過長的自然缺陷.現(xiàn)階段,國內(nèi)外常用的分簇算法（如LEACH、LIC）均忽略了簇首的選擇對各節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)性能的影響差異.

本文從集群跨域通信組網(wǎng)的概述和內(nèi)涵入手,圍繞跨域自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),綜述了集群跨域組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展概況,并就海上跨域無人集群應(yīng)用特點(diǎn)逐一分析了優(yōu)缺點(diǎn),提出了針對不同應(yīng)用場景的無人集群跨域組網(wǎng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方式,并梳理了后續(xù)研究展望,以期為我國海上無人集群跨域組網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展提供一定的理論支撐.

1 集群跨域通信組網(wǎng)概述

1.1 集群通信組網(wǎng)概念及內(nèi)涵

無人集群實(shí)現(xiàn)通信主要依靠無線自組網(wǎng)（如“Ad-Hoc”）,目前國內(nèi)學(xué)者對于集群通信組網(wǎng)尚未形成成熟完備、高度統(tǒng)一的認(rèn)識[6].集群通信組網(wǎng)可依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同,將其劃分為指揮控制組網(wǎng)、平臺決策組網(wǎng)、導(dǎo)航基準(zhǔn)組網(wǎng)等,通過查閱近年來集群通信領(lǐng)域文獻(xiàn)資料和研究成果,對集群通信組網(wǎng)概念及內(nèi)涵的相關(guān)描述進(jìn)行了梳理歸納,如表1 所示.

表1 典型關(guān)于集群通信組網(wǎng)相關(guān)概念及內(nèi)涵的描述Table 1 Typical description of related concepts and connotations of cluster communication networking

國內(nèi)對于集群通信組網(wǎng)的原理研究主要集中于空中、水面或水下的同構(gòu)作戰(zhàn)域,而對基于橫跨多作戰(zhàn)域的跨域組網(wǎng)研究較少.本文通過綜合文獻(xiàn)資料,對集群跨域通信組網(wǎng)提出如下概念:集群跨域通信組網(wǎng)是指跨域集群各終端間在Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,利用無線自組網(wǎng)特性結(jié)合空中、水面、水下等作戰(zhàn)域之間的復(fù)雜環(huán)境特征,實(shí)現(xiàn)指揮信息、任務(wù)載荷、平臺控制等數(shù)據(jù)信息的連同入網(wǎng)及應(yīng)用.

1.2 無線自組網(wǎng)的特性

無線自組網(wǎng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兼具發(fā)送和接收功能,可充分利用多跳特性實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組建.主要具備如下特性[17]:

1）獨(dú)立性.Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)能夠通過路由協(xié)議和分簇算法（又稱分布式算法）獨(dú)立、自主地完成通信網(wǎng)絡(luò)的組建.

2）動態(tài)性.節(jié)點(diǎn)可因環(huán)境變化獲得移動性,致使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路有效性隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動動態(tài)變化,從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)拓?fù)?進(jìn)一步強(qiáng)化無線自組網(wǎng)的動態(tài)適應(yīng)性.

3）對等性.為保證網(wǎng)絡(luò)在不同情況下的運(yùn)行安全,Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)可以通過分簇算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,實(shí)現(xiàn)“去中心化”組網(wǎng).“去中心化”是指各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有同等權(quán)限和地位,具有“平等化、開源化、扁平化”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

4）多跳性.當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署完成后,可能存在部分節(jié)點(diǎn)沒有被對方通信覆蓋的現(xiàn)象,源節(jié)點(diǎn)將按照路由協(xié)議以多跳形式向通信范圍外的目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)多跳是指各節(jié)點(diǎn)兼具發(fā)包、收包等功能,相互之間均可實(shí)現(xiàn)直接通信、轉(zhuǎn)發(fā).

通信組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分簇算法（分布式算法）、路由協(xié)議作為無線自組網(wǎng)充分發(fā)揮自身特點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù),是其有效進(jìn)行通信連通的關(guān)鍵因素.

2 集群跨域組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概況

2.1 無線自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡介

無線自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括平面結(jié)構(gòu)、單頻分級結(jié)構(gòu)、多頻分級結(jié)構(gòu)[18],下面依次扼要介紹結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

1）平面結(jié)構(gòu).平面結(jié)構(gòu),如圖1 所示,又稱對等式結(jié)構(gòu),是最為普遍的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中,每個節(jié)點(diǎn)均兼具發(fā)送和接收功能,還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā).它的全局節(jié)點(diǎn)對等結(jié)構(gòu),使得網(wǎng)絡(luò)對于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動性更強(qiáng)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)有更好的適應(yīng)性.這種全局節(jié)點(diǎn)對等結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)信息傳輸負(fù)載較大,網(wǎng)絡(luò)能耗激增,會使生命周期縮短.

圖1 平面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of planar structure

2）單頻分級結(jié)構(gòu).在單頻分級結(jié)構(gòu)中,如圖2 所示,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用相同頻率實(shí)施組網(wǎng),簇首與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò).單頻分級結(jié)構(gòu)可以在一定程度上規(guī)避節(jié)點(diǎn)擾動.多跳路由策略可以在不增加帶寬消耗的前提下提高系統(tǒng)吞吐量.但若分簇算法不考慮簇首節(jié)點(diǎn)的輪換機(jī)制或負(fù)載均衡,將使一些充當(dāng)簇首角色的節(jié)點(diǎn)提前消耗能量,使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遭到破壞.

圖2 單頻分級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Single frequency hierarchical structure map

3）多頻分級結(jié)構(gòu).在多頻分級結(jié)構(gòu)中,如圖3 所示,網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步被劃分為多層級或簇,屬于同一層級或者簇的節(jié)點(diǎn)之間采用同一通信頻率,在不同的層級或者簇的節(jié)點(diǎn)之間又采用不同通信頻率.高層級節(jié)點(diǎn)可訪問不同級別,使節(jié)點(diǎn)通信可以采用多種頻率來實(shí)現(xiàn),進(jìn)而完成數(shù)據(jù)發(fā)送與轉(zhuǎn)發(fā).多頻分級結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)擾動,提高傳輸效率,但要占用更多頻寬資源,不適合頻寬資源短缺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).

圖3 多頻分級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Multi-frequency hierarchical structure map

圖4 靜態(tài)二維?？站W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of static 2-D sea and air network structure

2.2 海空網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)

?？窄h(huán)境下,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與陸上網(wǎng)絡(luò)相比,最大差異在于由介質(zhì)特點(diǎn)造成的水下網(wǎng)絡(luò),水下網(wǎng)絡(luò)通信方式主要有電磁波通信、光通信、量子通信以及水聲通信,前三者相對于水聲通信均有一定劣勢,如表2 所示,因此,水聲通信日益成為水下通信的主導(dǎo)技術(shù)[18].但水聲通信中節(jié)點(diǎn)能量不便補(bǔ)給,且在設(shè)備性能受限的情況下,節(jié)點(diǎn)通信距離、傳輸效率均落后于水上傳輸.?？站W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可劃分為靜態(tài)二維?？站W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),靜態(tài)三維?？站W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及動態(tài)三維?？站W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3 種[19].

表2 水下網(wǎng)絡(luò)通信主要方式特點(diǎn)分析Table 2 Analysis of main mode and characteristics of underwater network communication

2.2.1 靜態(tài)二維海空網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)固定于同一平面,同時傳感器節(jié)點(diǎn)使用纜繩固定于同一海洋深度平面或直接固定于海底.在這種情況下,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般不被賦予動態(tài)性,故較多應(yīng)用于長時間監(jiān)測任務(wù),如反潛、反水雷等.靜態(tài)二維?？站W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布放方便,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng),所應(yīng)用的算法與協(xié)議更容易實(shí)現(xiàn),效率更高,但適用范圍一般只限于長時間低動態(tài)的任務(wù)環(huán)境,并且檢測范圍受限.

2.2.2 靜態(tài)三維海空網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)中各水下節(jié)點(diǎn)具備不同的深度范圍,并且可以在水下環(huán)境立體分布,如圖5 所示.其中,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要通過海底纜線或浮標(biāo)懸掛等方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布放.由于節(jié)點(diǎn)采用立體分布,因此,能夠采集到整個區(qū)域內(nèi)的海洋數(shù)據(jù),常用于多層次、大面積的數(shù)據(jù)采集任務(wù)環(huán)境,比如海戰(zhàn)場勘察等,在一定程度上填補(bǔ)了二維靜態(tài)海空網(wǎng)絡(luò)的不足.另外由于采用動態(tài)路由機(jī)制,該系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性,可靠性與可擴(kuò)展性,同時降低了通信能耗.但在節(jié)點(diǎn)布防上,需從多個方面綜合考慮匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),造成布防難度和費(fèi)用的增加.

圖5 靜態(tài)三維?？站W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of static 3-D sea and air network

2.2.3 動態(tài)三維海空網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)主要通過新增水下移動網(wǎng)關(guān)的方式使水下網(wǎng)絡(luò)更加適應(yīng)動態(tài)任務(wù)的需要,如圖6 所示.動態(tài)三維?？站W(wǎng)絡(luò)能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)對動態(tài)任務(wù)需求的適應(yīng)能力,跨域無人集群遂行作戰(zhàn)行動即可采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).但其需要節(jié)點(diǎn)具有更高性能,一般用于高成本?？站W(wǎng)絡(luò)中.

圖6 動態(tài)三維?？站W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic 3-D sea and air network structure

3 集群跨域組網(wǎng)分簇算法概況

過于繁雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生碰撞或沖突,造成全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸效率和吞吐量的驟減,而過于簡單稀疏將會減少可行鏈路數(shù)量,造成孤立節(jié)點(diǎn)或者割裂網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),致使網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性降低.為解決這類問題,引入前文提到的分簇算法來優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).分簇算法又稱為層次型拓?fù)淇刂扑惴?其主要概念和理論由BAKER 等在1981 年提出,主要內(nèi)容是通過選舉簇首、簇成員對網(wǎng)絡(luò)等級進(jìn)行劃分,使簇首成為匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)的主要節(jié)點(diǎn)[20].分簇算法的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠使得網(wǎng)絡(luò)冗余降低,有助于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功耗,實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡控制,從而提高網(wǎng)絡(luò)壽命,自提出以來一直成為無線自組網(wǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).本文簡要介紹幾種常見的分簇算法,并逐一分析其特點(diǎn),如表3 所示[21-25].

表3 常見的分簇算法及其特點(diǎn)分析Table 3 Common clustering algorithm and analysis of its characteristics

海洋自主無人集群所屬環(huán)境橫跨水上水下,勢必要重點(diǎn)考量水下網(wǎng)絡(luò)性能的受限性、可靠性,因此,無需全局信息、具有較低計(jì)算開銷特性的LEACH 分簇算法適用性相對較高.

4 集群跨域組網(wǎng)路由協(xié)議概況

本文簡要介紹幾種常見類型的路由協(xié)議,并逐一分析其特點(diǎn),如表4 所示.

表4 常見的路由協(xié)議及其特點(diǎn)分析Table 4 Common routing protocols and analysis of their characteristics

通過對不同種類路由協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)用性的研究分析,主動式與反應(yīng)式路由協(xié)議通常被應(yīng)用在具有良好性能的水上網(wǎng)絡(luò),而基于地理位置路由通常被應(yīng)用在性能不佳的水下網(wǎng)絡(luò).

5 集群跨域組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 跨域傳輸技術(shù)

跨域無人集群由于需橫跨多類通信域,對其跨域連通和數(shù)據(jù)傳輸提出了更高要求.常見的跨域傳輸技術(shù)主要有: 1）動態(tài)頻譜感知與接入技術(shù).主要通過人工智能算法,確定頻譜資源接入方法,實(shí)現(xiàn)空閑資源的尋找和連接,例如基于支持向量機(jī)的頻譜感知算法、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知算法[26].2）多模態(tài)自主鏈路接入技術(shù).主要是引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù),動態(tài)選取最佳接入方法,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)接入.3）大規(guī)模集群仿生智能組網(wǎng)技術(shù).主要是結(jié)合仿生技術(shù),使其在個體感知和行為的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)集體仿生行為,如鳥群、狼群等[27],實(shí)現(xiàn)“自組織”組網(wǎng).

5.2 安全防護(hù)技術(shù)

無人集群所面臨的電磁環(huán)境更為惡劣,要求通信網(wǎng)絡(luò)具有低截獲概率、抗欺騙能力、高安全性以及足夠的抗干擾能力.常見的安全防護(hù)技術(shù)主要有:1）無線網(wǎng)絡(luò)輕量級認(rèn)證技術(shù)[28].可以針對寬帶受限的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境,通過輕量級認(rèn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證,防止非法接入.2）無人集群分布式密鑰管理技術(shù)[29].可以針對實(shí)戰(zhàn)場景中,人員動態(tài)調(diào)整、密鑰易遺失的需求,采用基于證書、身份ID 的等密鑰管理方法,如基于Blom 算法設(shè)計(jì)的密鑰分配方案采用組內(nèi)和組間雙空間密鑰管理機(jī)制,可以最大程度減少計(jì)算,提高效率.

5.3 自主智能化技術(shù)

無人系統(tǒng)相比有人系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是無人化、智能化,與其相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)具備自主化、智能化能力.常見的無人運(yùn)行管理技術(shù)主要是面向任務(wù)流程的網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù).主要是通過深入分析任務(wù)背景需求,采用基于圖論的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模,針對帶寬、時延、抖動需求以及無人平臺間的信息交互關(guān)系,快速設(shè)計(jì)生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

5.4 通信抗干擾技術(shù)

無人系統(tǒng)集群化后,由于平臺數(shù)量增多,致使相互之間通信擾動增強(qiáng),因此，需要大力推進(jìn)通信抗干擾技術(shù),常用通信抗干擾技術(shù)主要有擴(kuò)頻、功率控制、間斷傳輸、多用戶檢測等技術(shù).近年來興起了一些新技術(shù),諸如多輸入多輸出技術(shù),該技術(shù)在數(shù)據(jù)發(fā)射端、接收端均部署多根天線,通過增大信道容量,使其適應(yīng)更大范圍的數(shù)據(jù)速率變化.此外,結(jié)合正交頻分復(fù)用（(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)）等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)時域、頻域、空域多維抗干擾.

6 集群跨域組網(wǎng)發(fā)展趨勢分析

6.1 探究多通信手段以實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)

在今后的海上聯(lián)合作戰(zhàn)中,無人系統(tǒng)支持下的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)跨域協(xié)同,見圖7,必然要和天基、岸基、空中、水面、水下多類型有人/無人平臺合作,實(shí)施預(yù)警探測、態(tài)勢共享、火力打擊,以及其他各種作戰(zhàn)任務(wù)需要經(jīng)常和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信連接,同時兼顧體積,功耗等因素，在布局和其他要素的情況下,集成水聲和光學(xué)、電磁和其他各種通信手段,實(shí)現(xiàn)與其他作戰(zhàn)平臺/作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的有效信息通聯(lián).

圖7 跨域無人集群聯(lián)合作戰(zhàn)概念圖Fig.7 Joint operations concept diagram of across-domain unmanned clusters

6.2 改善現(xiàn)有技術(shù)以提高傳輸速率

增強(qiáng)分簇算法對網(wǎng)絡(luò)移動的適應(yīng)性.傳統(tǒng)分簇算法如LEACH 等,這是一種以“輪”概念為基礎(chǔ)的周期維護(hù)分簇算法,但現(xiàn)實(shí)無人集群系統(tǒng)移動性過強(qiáng),部分節(jié)點(diǎn)常常移動到通信覆蓋范圍之外,造成節(jié)點(diǎn)失去簇首.以下研究中,要求分簇算法能夠使簇首維護(hù)和更新機(jī)制得到改善,從而提高對網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)高移動性的適應(yīng)能力.

提高鏈路時延估計(jì)的準(zhǔn)確性.現(xiàn)階段路由協(xié)議主要是根據(jù)距離和節(jié)點(diǎn)通信范圍,通過鏈路預(yù)估時延算法進(jìn)行跳數(shù)預(yù)估,從而進(jìn)行選擇和決策,但實(shí)際鏈路會造成實(shí)際距離與相對距離存在偏差.以下研究中,要求分簇算法引入較多參數(shù)進(jìn)行鏈路時延預(yù)估,以此來提高精度,確保網(wǎng)絡(luò)在選擇低時延鏈路時能夠做到更科學(xué)、準(zhǔn)確.

6.3 推行模塊化、小型化,以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化發(fā)展

相較于有人平臺,無人裝備小巧輕便,搭載能力受限,且大多采用電池供電,要求通信模塊必須能夠保證性能要求,即減小模塊體積,降低功耗,提高可完成任務(wù)的時間.現(xiàn)有各類型無人裝備種類多樣,生產(chǎn)廠家繁多,外形、尺寸、載荷能力均有較大差異,所以現(xiàn)階段不同平臺的通信載荷共用性較差.以跨域無人集群聯(lián)合作戰(zhàn)為例,每一個無人平臺都必然會按照不同的平臺規(guī)格,逐漸走向規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,因此,通信模塊還應(yīng)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的方向發(fā)展,以提高通信載荷適裝性與可維護(hù)性.

7 結(jié)論

海上跨域無人集群正在呈現(xiàn)出智能化、自主化的發(fā)展趨勢,從作戰(zhàn)運(yùn)用的角度來看,集群跨域組網(wǎng)技術(shù)的更新迭代,對進(jìn)一步深化貫穿各作戰(zhàn)域的無人作戰(zhàn)新質(zhì)能力,全面構(gòu)建無人系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)跨域協(xié)同作戰(zhàn)體系有著極為關(guān)鍵的推動作用.介紹了國內(nèi)外無人集群跨域組網(wǎng)領(lǐng)域研究成果和發(fā)展概況,圍繞跨域自組網(wǎng)技術(shù)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分簇算法、路由協(xié)議3 個方面,闡述了集群跨域組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展概況,并就海上跨域無人集群應(yīng)用特點(diǎn)逐一分析了優(yōu)缺點(diǎn),選取了較為適用的集群跨域組網(wǎng)設(shè)計(jì)方式.從探究多通信手段、改善現(xiàn)有技術(shù)、推行標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展等方面提出了后續(xù)研究展望,以期為我國海上無人集群跨域組網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展提供一定的理論支撐.