無人機(jī)測(cè)控通信自組網(wǎng)技術(shù)綜述

張偉 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所

引言：無人機(jī)UAV（UnmannedAerialVehicle）起源于軍事領(lǐng)域，用于偵察、監(jiān)視、測(cè)繪、空中打擊等任務(wù)。伴隨無人機(jī)開放式架構(gòu)的發(fā)展，有效載荷已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化，無人機(jī)在發(fā)揮ISR（情報(bào)、監(jiān)視、偵察）功能的同時(shí)，可發(fā)揮打擊作用。隨著無線電技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)集成了飛控、測(cè)控通信、發(fā)射回收、電源等功能系統(tǒng)。其中，測(cè)控通信系統(tǒng)用于保障無人機(jī)與地面站之間控制信令和應(yīng)用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，其傳輸速率滿足一般戰(zhàn)術(shù)偵察和監(jiān)視的需求。隨著合成孔徑、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)和高分辨、多光譜、多組合傳感器設(shè)備在無人機(jī)上的應(yīng)用，機(jī)載數(shù)據(jù)速率將會(huì)更高，這對(duì)無人機(jī)測(cè)控通信的傳輸速率和容量提出了更高的要求。美軍及北約國(guó)家研發(fā)了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、寬帶數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)以及戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）等多型組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，并通過制定STANAG4586等互操作標(biāo)準(zhǔn)將大量相互獨(dú)立的“煙囪式”強(qiáng)耦合方式的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈改造成為符合全球柵格（GIG）標(biāo)準(zhǔn)的柵格節(jié)點(diǎn)。

1 無人機(jī)自組網(wǎng)簡(jiǎn)介

無人機(jī)自組網(wǎng)，也稱無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)（networkofUAV）或無人航空自組網(wǎng)（unmannedaeronauticalAdHocnetwork，UAANET），基本思想是：多無人機(jī)間的通信不完全依賴于地面控制站或衛(wèi)星等基礎(chǔ)通信設(shè)施，而是將無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢(shì)、健康情況和情報(bào)搜集等數(shù)據(jù)，自動(dòng)連接建立起一個(gè)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)兼具收發(fā)器和路由器的功能，以多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)。無人機(jī)自組網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、無線中繼等技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)間的互聯(lián)互通，具備自組織、自修復(fù)的能力和高效、快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，可滿足無人機(jī)在特定條件下的應(yīng)用需求，是對(duì)現(xiàn)有無人機(jī)通信體系的補(bǔ)充和完善，具有重要的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 路由技術(shù)

①能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。因?yàn)闊o線自組網(wǎng)需要進(jìn)行多跳通信,所以路由協(xié)議必須確保路徑中的鏈路具有很強(qiáng)的連接性。無線自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)必須知道它的周圍環(huán)境和可以與它直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)。無線自組網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)連接的方法主要有2種：平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分層路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,所有的節(jié)點(diǎn)都是平級(jí)的,分組的路由是基于對(duì)等的連接。但是在分層路由結(jié)構(gòu)中,較低層至少要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為與高層聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)；②維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B接。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置都可以隨時(shí)改變,所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫穷l繁變化的。路由協(xié)議為了維持節(jié)點(diǎn)之間的鏈路具有較強(qiáng)的連接性,必須動(dòng)態(tài)更新鏈路狀態(tài)和對(duì)自己重新配置。如果采用中心控制的路由算法,為把節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)的改變傳送到所有的節(jié)點(diǎn),就會(huì)消耗過多的時(shí)間和精力,顯然是不適合的。所以要采用一種全分布式的智能路由算法；③高度自適應(yīng)的路由。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)里的靜態(tài)節(jié)點(diǎn),無線自組網(wǎng)要求一個(gè)高度自適應(yīng)的路由機(jī)制,來處理快速的拓?fù)渥兓６鴤鹘y(tǒng)的路由協(xié)議,如距離矢量和鏈路狀態(tài)算法,要求在指定路由器間交換大量路由信息,因此在無線自組網(wǎng)里都不能有效地工作。所以針對(duì)無線自組網(wǎng)的特點(diǎn),提出了新的路由算法。總地來說,這些路由算法可以分為3種類型：表驅(qū)動(dòng)算法、需求驅(qū)動(dòng)算法、表驅(qū)動(dòng)和需求驅(qū)動(dòng)算法相混合的算法。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議采用周期性的路由分組廣播,來交換路由信息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由；需求驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議是根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的需要,按需進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容也是按需建立的,所以其內(nèi)容可能僅僅是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。

2.2 路由協(xié)議設(shè)計(jì)

①分布式操作。對(duì)于集中式路由協(xié)議,通常存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn),收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),計(jì)算全網(wǎng)的最短路由,并將結(jié)果分發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)。這種機(jī)制難于適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的移動(dòng)自組網(wǎng),且開銷過大。其次,作為移動(dòng)自組網(wǎng)的重要應(yīng)用背景,無人機(jī)系統(tǒng)要求很高的魯棒性,所以理想路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)采用分布式操作；②提供無環(huán)路由。這一點(diǎn)是路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)具備的基本特征。路由協(xié)議主要通過以下機(jī)制保證這一點(diǎn)：使用有目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的路由序號(hào)機(jī)制,反映路由狀態(tài)的新舊程度；使用路徑發(fā)現(xiàn)算法；使用源路由機(jī)制；使用面向目標(biāo)的算法；③可擴(kuò)展性。無線自組網(wǎng)本身具有組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。在該網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過程中,隨時(shí)可能有新節(jié)點(diǎn)加入和推出。為適應(yīng)無線自組網(wǎng)的發(fā)展,對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其可擴(kuò)展性進(jìn)行適當(dāng)考慮；④對(duì)單向信道的支持。在無線自組網(wǎng)絡(luò)中可能存在單向信道,對(duì)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)僅滿足雙向鏈路的需求是不切實(shí)際的。要全面考慮該環(huán)境下路由協(xié)議的應(yīng)用,所設(shè)計(jì)的路由協(xié)議應(yīng)能支持單向鏈路。

結(jié)語：無線自組網(wǎng)作為一種實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),許多領(lǐng)域都在研究和應(yīng)用,特別是在飛行器領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。文章討論自組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)的思想和關(guān)鍵技術(shù),為無人機(jī)系統(tǒng)做出了有益的探討,并提出了一種比較理想的路由協(xié)議。