無人機自組網典型場景構建及路由協議性能分析*

董強健，趙海濤，鄭超軼，王海軍

（國防科技大學 電子科學學院，湖南 長沙 410073）

0 引 言

無人機相對于有人機具有性能優越、造價低廉和減少傷亡等優點，在民用和軍事領域得到了高度重視。多架無人機組成無人機集群協同執行任務是未來軍用無人機的重要發展方向，可以完成滲透偵查、誘騙干擾、察打一體以及協同攻擊等任務[1]。

無人機集群通信方式為移動自組織網絡（移動Ad Hoc網絡）。作為移動網絡節點，無人機之間通信無需基礎通信設施，具有網絡獨立工作和健壯性高的優點。路由協議是移動Ad Hoc網絡的應用難點和研究熱點，平面結構的路由協議可分為表驅動路由協議和按需路由協議2大類。對于表驅動路由協議，每個節點存儲到本網絡中其他所有節點的路由表，周期性地交換路由信息更新路由表，典型的表驅動路由協議有DSDV、WRP和OLSR等。按需路由協議只有節點需要通信時才建立路由，典型的路由協議有AODV、DSR和TORA等。

大量無人機自組織網絡的關鍵技術已經突破，但其評價準則還不夠成熟?，F存的路由協議有數十種，不同協議適用于不同場景，在具體應用場景中選擇最佳協議需要進行仿真評估。文獻[2]對2類路由協議在不同節點數量和移動速度的場景中進行了仿真分析。文獻[3]采用隨機路點運動模型對4種路由協議6類項參數進行仿真分析。但是，這些仿真分析側重于理論研究，仿真場景缺少實戰化特征。本文對戰場環境進行建模，將戰場環境分為友好型、障礙型和對抗型，通過OPNET網絡仿真軟件設置相應場景，對AODV、DSR以及OLSR共3種典型路由協議進行仿真，分析不同場景中每種協議的性能，對裝備研發具有借鑒意義。

1 無人機集群發展現狀

2015年以來，我國和美國進行了一系列無人機集群飛行試驗。這些無人機集群項目直接面向未來戰場，經過了反復論證和實驗，其參數設置對場景建模具有借鑒意義[4]。

2015年8月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布啟動“小精靈”（Gremlins）項目，計劃從敵方防御范圍外大型飛機上發射可回收的小型無人機集群，發射平臺具備發射超過20架無人機的能力。2018年4月，DARPA宣布該項目已經進入飛行試驗階段。

2015年5月，美國海軍研究辦公室（ONR）開展了LOCUST項目研究，使用“郊狼”（Coyote）小型無人機進行試驗，其巡航速度約為111 km/h。這種變體無人機由管狀裝置發射，在空中展開機翼自主飛行。2016年2月在陸上完成30 s內發射30架“郊狼”無人機的試驗。

美國國防部戰略能力辦公室（SCO）主導“山鶉”（Perdix）微型無人機高速發射演示項目，2017年1月，美國海軍3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰斗機投放了103架山鶉無人機。

2018年5月，中國電子科技集團公司完成200架固定翼無人機集群飛行試驗。2018年1月，國防科技大學試驗了20架固定翼無人機自主作戰。

2 3種代表性路由協議

無人機自主網已經由理論研究進入裝備研制試驗階段，其中路由協議選擇是必須面對的問題。IETF工作組提出了多種移動自組網路由算法草案，但是沒有任何一種路由算法能夠很好地適用于所有的應用環境。每種路由算法僅僅是在算法機制本身所提出的情況下達到一種局部最優。根據路由協議的研究，選擇具有代表性的AODV、DSR以及OLSR共3種路由協議進行仿真。

AODV協議是按需路由協議，當發現多條路由時，源節點選擇跳數最少的路由。AODV協議采用逐跳轉發分組的方式，數據分組不需要攜帶完整的路由信息，通過中間節點實現對路由表的建立與維護。

DSR協議也是按需路由協議，每個報文分組都攜帶從源節點到目的節點的完整路由信息。當發送分組無法到達目的節點時，分組將被保存在轉發節點的發送緩存中；當緩存時間大于規定的時間，該分組將會被丟掉。

OLSR協議是表驅動路由協議，每個節點只選擇必要的中繼節點，鏈路狀態信息只描述與中繼節點之間的鏈路，減小了由于信息泛洪帶來的路由開銷。

3 無人機集群應用場景構建

為了選擇實戰環境中性能最佳的路由協議，需要建立符合實戰特征的仿真場景。文獻[5]對節點移動模型進行仿真研究，選取的3種移動模型體現了隨機性，側重于理論研究。受到自然規律和執行任務的限制，無人機集群運動有特定的規律。本文對戰場特征進行抽象分析，將戰場環境分為友好型、障礙性以及對抗型3類典型場景。其中，友好型場景為理想化場景，障礙型場景為存在障礙的真實自然環境，對抗型場景為同敵方發生交戰存在敵我對抗的環境。

3.1 3類典型場景

友好型場景對應情景為無人機發射后保持間距飛行。場景為理想環境，地形平坦開闊地，沒有突出障礙物，沒有敵我對抗。

障礙型場景對應情景為野戰自然環境，地形復雜，存在自然或人工障礙。無人機躲避障礙時機群拓撲結構會發生變化，障礙兩側無人機通信鏈路會斷開。

對抗型場景對應情景為無人機集群到達敵方陣地變換隊形執行偵察或攻擊任務，遭到敵方反擊后部分無人機損毀。無人機變換隊形時，網絡拓撲會發生變化，在部分無人機損毀后節點數量減少。這些情景會對無人機通信產生影響。

3.2 仿真場景設置

使用網絡仿真軟件OPNET14.5進行仿真，對應3類典型場景設置了5個仿真場景。為了使場景設置更貼近實戰，仿真參數設置綜合考慮了任務需要和無人機性能，并借鑒了“小精靈”“郊狼”和“山鶉”等相關無人機集群試驗項目已經公開的參數。表1為仿真場景參數。

表1 仿真場景參數

OPNET仿真設置的5個仿真場景依次為一路依次發射、三路并行發射、兩組繞飛避障、搜索合圍目標和部分飛行損毀，分別對應圖1（a）至圖1（e）。其中，前兩個場景為友好型場景，“兩組繞飛避障”為障礙型場景，最后兩個場景為對抗型場景。

圖1 OPNET仿真場景

4 路由協議仿真與結果分析

仿真統計量選取端到端時延、投遞率和網絡負載，每種場景進行10次仿真取平均值。投遞率為接收數據包與發送數據包比值，取值在0到1之間。圖2～圖6是3種路由協議在5個場景中的仿真結果。

4.1 一路依次發射

圖2為“一路依次發射”場景的仿真結果。第5分鐘至第6分鐘為依次發射階段，30架無人機間隔2 s逐架發射，拓撲發生變化；第6分鐘至仿真介紹為平穩飛行階段，等間距勻速飛行，拓撲結構穩定。從圖2可以看出，在依次發射階段，3種協議端到端時延都在增加，網絡負載也在增加，DSR協議和OLSR協議投遞率在下降，AODV協議投遞率在上升，顯示了AODV對拓撲變化環境的良好適應性。在平穩飛行階段，統計量趨于穩定，端到端時延OLSR協議最小，AODV協議相對較大，OLSR協議和DSR協議投遞率接近于1，網絡負載OLSR協議最小，AODV協議較大。綜合判斷，在依次發射階段應采用AODV協議，在平穩飛行階段應采用OLSR協議。

圖2 “一路依次發射”場景仿真結果

4.2 三路并行發射

圖3為“三路并行發射”場景的仿真結果，發射過程同“一路依次發射”場景相似，但是每次同時發射3架無人機，無人機數量增多帶來協議性能發生變化。

圖3 場景“三路并行發射”仿真結果

在并行發射階段，DSR端到端時延急劇上升，投遞率迅速下降。對于DSR協議，拓撲發生變化，數據包無法到達目的地時，中間節點會將數據包存儲在數據緩存中。數據在緩存中排隊會增加延時，超過重傳次數數據包會被丟棄，導致投遞率下降。在平穩飛行階段性能也很差。在整個仿真過程中，AODV協議端到端時延非常大，投遞率很低，已經無法滿足正常通信要求。綜上，無人機數量較多、密度較大時，DSR協議和AODV協議性能惡化，OLSR協議性能較好。

4.3 兩組繞飛避障

圖4為“兩組繞飛避障”場景仿真結果。第5分鐘至第7分鐘為繞飛避障階段，30架無人機分為兩組在障礙兩側飛過，兩組無人機之間不能通信。第7分鐘至仿真結束為合并飛行階段。在繞飛避障階段，兩組無人機之間不能通信，發送給另外一組的數據包無法收到，投遞率較低。在DSR協議中，當數據包不能到達發送目標時，中間節點會將發送數據包存儲在緩存中，導致端到端時延迅速增加，中間節點反復重傳緩存數據包，網絡負載增大。在合并飛行階段，無人機為準靜止狀態，OLSR協議性能較好。整體而言，在該場景中應使用OLSR協議。

圖4 場景“兩組繞飛避障”仿真結果

4.4 搜索合圍目標

圖5為“搜索合圍目標”場景仿真結果。

第5分鐘至第6分鐘為隊形變換階段，30架無人機執行任務搜索到目標后由橫隊變換為正六邊形，第6分鐘至仿真結束為合圍飛行階段。在隊形變換階段，3種協議投遞率均有下降，網絡負載有上升。相較而言，OLSR性能更好。在合圍飛行階段，無人機拓撲結構穩定，DSR協議與OLSR協議端到端時延及網絡負載相近，但DSR協議投遞率更大。整體而言，在隊形變換階段應采用OLSR協議，在合圍飛行階段應采用DSR協議。

4.5 部分飛行損毀

圖6為“部分飛行損毀”場景仿真結果。第3分鐘至第5分鐘為完好飛行階段，30架無人機編為4路縱隊勻速飛行，從第5分鐘至第8分鐘為損毀飛行階段，6架無人機損毀停止飛行和通信。

圖6 場景“部分飛行損毀”仿真結果

在完好飛行階段，無人機處于正常通信狀態，協議性能類似于無人機準靜止狀態。在損毀飛行階段，損毀的無人機不能接收數據包并回復源節點，DSR協議對不能找到目的節點的數據包進行緩存并不斷重復發送數據包，端到端時延和網絡負載迅速上升。相對而言，OLSR協議性能較好。綜上，在該場景中應采用OLSR協議。

5 結 語

本文對無人機集群應用的戰場環境進行分類，在OPNET仿真軟件中設置無人機集群執行任務的5個場景，對移動自組織網絡的3種典型路由協議進行仿真，并對仿真結果進行分析。從仿真結果可以看出，在無人機集群執行任務的不同階段，3種路由協議有不同表現，應該根據當時場景類型特點選擇相適應的路由協議?？傮w上看，在拓撲結構變化場景中用AODV協議性能較好，在無人機間相對位置固定時用OLSR協議性能較好。無人機集群決策系統在改變飛行狀態或拓撲結構的同時切換相適應的路由協議，為無人機集群執行任務提供了更好的通信保障。