一種無人機網絡跨層協議架構分析

張繼永

摘要：無人機網絡各節點都以極高的速度和任意的方向進行隨機移動，導致網絡拓撲結構變化迅速。網絡協議跨層設計可以保證節點在高速移動的情況下路由的可靠性，降低網絡時延，提高數據轉發效率。本文對無人機網絡協議套件（AeroTP和AeroNP）進行了分析，對各層信息交互關系和網絡層協議的顯式跨層機制進行了探究，提出了跨層信息交換在高移動性無人機網絡環境中的優勢，可為我軍無人作戰通信網絡傳輸設計提供借鑒。

關鍵詞：高動態;無人機網絡;協議;跨層

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0031-03

0 引言

高動態無人機戰術級網絡，由于其極端惡劣戰場環境和不可預測的移動性，對端到端數據傳輸提出了強烈挑戰。當前基于傳輸控制協議（TCP/IP）的Internet體系結構，是美軍現代戰術級通信系統同時跨越全球信息柵格的基石，但并非專門為了無人機作戰網絡而設計。

針對移動無線環境，國內外已經有很多學者進行了研究并設計了無線網狀網絡、ad hoc網絡和容斷網絡協議等。文獻[1]提出了一種領域特定架構和協議套件，包括TCP友好的傳輸協議AeroTP，IP兼容的網絡層協議AeroNP以及地理位置感知路由協議AeroRP。這個協議套件支持跨層優化，下面對其基于跨層優化的數據轉發機制進行了梳理，對其不同操作模式下的性能提升優勢進行了分析總結。

1 無人機網絡特性

和有線網絡不同，無人機網絡的通信環境更加復雜和多變，與傳統移動Ad hoc網絡相比亦有許多不同，其獨有特點可以表述為以下4個方面[2]。

（1）節點移動性。無人機網絡中的節點以1200m/s（約3.5馬赫）的速度移動，為此，無人機網絡可能是高動態的并具有持續變化的拓撲結構。

（2）資源受限性。由于無人機體積、重量和功率等的限制，其信息傳輸和處理能力都會受到限制，因此，需要通過多跳傳輸才能到達地面站。

（3）通連間斷性。由于無人機節點的傳輸范圍有限及其高移動性，任何兩個節點間的接觸時長非常短暫，并且容易受到干擾和擁塞，因此是間斷連通的網絡。

（4）頻譜有限性。由于無人機網絡的可用頻譜有限，而戰場上有大量數據需要傳輸尤其是態勢感知數據，因此無人機網絡經常會被帶寬嚴重限制。

可見，無人機網絡是高動態高速多跳的容斷網絡，不同層次的協議功能都需要隨著網絡環境的變化不斷地進行自我調整優化，同時不同層次的協議需要相互協同配合才能使得網絡整體性能最優。

2 無人機網絡協議套件

2.1 協議架構概述

針對其支持飛行試驗的遙測系統無法滿足未來發展的需求，美國試驗中心和項目評估投資機構（CTEIP）于2004年10月啟動了增強遙測綜合網（Integrated Network Enhanced Telemetry）項目[3]。iNET對全部飛行數據實時處理，可適應未來信息化試驗環境下的空地一體化、多機協同試飛需求，并且具有遠程、寬帶組網能力。基于這個項目，美國堪薩斯大學的James P G S、Abdul J等人于2011年對協議棧體系進行了研究，如圖1所示。

相對于傳統端到端傳輸和路由協議，高動態、高速和多跳網絡需要對之前的架構做出大量優化和改變，他們針對無人機高動態戰術網絡提出了一種物理層、MAC層、網絡層和傳輸層之間的跨層設計方案。圖中的兩個網關分別部署于無人機網絡與基于傳統TCP/IP的作戰指揮網絡以及無人機載荷之間。

2.2 傳輸層協議數據包格式

無人機傳輸層協議是一種專門為滿足高動態網絡環境需求而設計的傳輸協議，使用機會連接來消除傳統TCP網絡協議的三次握手開銷，其數據包格式如圖2所示。

“模式”字段根據作戰指揮業務類別可以分為可靠、近可靠、準可靠和盡力連接以及盡力數據報，第一種是TCP完全兼容、最后一種是UDP完全兼容;“傳輸協議報頭錯誤校驗”字段用于檢測報頭完整性，以此可以發現無線信道傳輸產生的誤碼;只要報頭沒有損壞，便可以使用前向糾錯機制校正出錯的有效載荷。在沒有單獨的網絡層數據或鏈路層數據CRC的情況下，有效載荷校驗CRC可以保護無人機網絡節點間數據傳輸的完整性，同時可以測量誤碼率，以便根據“模式”來跨層調整鏈路層的糾錯碼強度。

2.3 網絡層協議數據包格式

無人機網絡層協議亦是專門為高動態機載環境設計的，其數據包格式如圖3所示。

該協議的一個顯著特點是對協議跨層設計提供顯式支持，這里“顯式”有兩方面含義。

一是包括了節點MAC地址。即通過網關的高效地址映射[4]，將IP包轉換為無人機網絡層數據包，計算出了“源”、“目的地”和“下一跳”三個MAC地址。這個數據包可以直接插入TDMA時隙。由于沒有攜帶32位的源和目的IP地址，使得鏈路層的效率顯著提升，因此最大程度地減少了鏈路層開銷;此外還提供了強大的報頭校驗，以便傳輸層可以利用其前向糾錯機制恢復出錯的有效載荷。二是包括了“源”和“目的地無人機節點位置”。它們是可選字段，低速飛行時可以省略，但在無人機高速運動時必須包括進來;它們是指節點的衛星定位坐標和速度矢量，路由算法可以充分利用無人機網絡節點的位置和軌跡等獨特信息來找到更優的路徑。

“出錯指示符”字段用于顯式通知傳輸層錯誤已經發生，從而可以利用前向糾錯機制在其準可靠模式下進行糾錯。這種錯誤發現和糾錯方法區別于傳統IP轉發機制，即不必在中間跳過程中就丟棄出錯的數據包。

3 跨層設計分析

3.1 跨層設計方法

在傳統的互聯網TCP/IP體系結構中，協議棧從上到下由應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層組成，這種網絡架構假設存在持久穩定的通信鏈路，各層功能獨立，之間的交互遵循固定的接口標準，只注重本層需要解決的問題和完成的功能，一般不會使用相鄰層或其它層的信息，各層之間存在著清晰的功能界線。這種分層結構設計最大程度地減少了不同層之間的耦合度，降低了不同層之間的依賴性，使得結構更加靈活，更易于擴展和優化，是互聯網中使用最廣泛的端到端傳輸協議。但這種協議架構未從系統層面設計成可支持全局優化的技術體制，不支持清晰的跨層信息交換，從而無法有效利用無人機網絡上的諸多獨特信息[5]。

為了解決無人機網絡間斷連通性等固有特性帶來的開銷問題，目前國內外學者已經提出了很多可以改善無線網絡整體性能、適應網絡高動態變化、優化節點資源分配的跨層設計方法。總體上可以分為新增層間接口、合并相鄰層和聯合設計三類[6]。根據信息的傳遞方向，跨層信息共享又可以細分為信息上行、信息下行和兼具信息上行與下行。例如，在移動Ad Hoc網絡中，一種跨層設計是物理層將信道特性變化上傳至鏈路層，用于調整優化鏈路層的資源預留參數，同時，鏈路層將資源預留信息下傳至物理層，用于調整優化數據發送速率。

3.2 跨層設計解析

James P.G.S.等學者在圖1所示的協議棧中，利用新增層間接口的方法，設計了通過跨層有效利用可用信息的機制，以便在每個節點上發現更好的轉發策略，支持在高動態物理拓撲上的可靠通信，如圖4所示。

在協議棧內部數據下行過程中，應用層的丟包率和服務規范傳遞至鏈路層，用來調整前向糾錯的強度;傳輸層通過轉發基于服務質量的轉發模式影響網絡層的路徑選擇，從而要求給定數據流具有一定的可靠性;傳輸層的轉發模式信息，還可以傳遞至網絡層，影響路由選擇，傳遞至鏈路層，改變前向糾錯的強度，傳遞至物理層，調整編碼強度。在協議棧內部數據上行過程中，網絡層的路徑特性（如錯誤率等），傳遞至傳輸層以適應前向糾錯FEC的強度。

該協議架構不僅在傳輸層和網絡層之間，而且在鏈路層和物理層也采用跨層優化。這包括物理層將信道條件和誤碼率傳輸至鏈路層從而優化其前向糾錯FEC的類型的強度，以及根據傳輸層的轉發模式和網絡層的QoS參數（優先級和服務類型）優化TDMA參數和時隔分配。

值得注意的是，物理層的節點位置和速度信息，顯式地傳遞至網絡層（圖3的網絡層數據包格式可以清晰地看出），該協議架構利用網絡層提供的顯式跨層支持來計算數據包轉發的下一跳，實現了高效預測轉發路徑，特別適合高動態網絡環境下的路徑發現。

4 結語

由于無人機網絡具有高速率以及不可預測移動性的高動態拓撲結構，而傳統互聯網協議并不是專門為這種拓撲結構網絡設計的，為此，需要研究特別適用于無人機網絡并可跨層使用的協議。James P.G.S.等學者提出的這種支持跨層設計的無人機網絡協議套件，可以基于共享軌跡信息預測鏈路何時可用，從而有效利用可用的網絡帶寬。該協議套件對跨層信息提供顯式支持，極大地減少了網絡開銷，跨層的信息交換能夠在高移動性的無人機網絡環境中顯著降低開銷并且提升性能。這種設計思路可為我軍無人機參與聯合作戰、有人與無人協同作戰以及無人蜂群作戰通信網絡傳輸技術研究提供很好的借鑒。下一步我們將對該協議套件中路由協議的安全性和協議轉換機制作進一步分析探究。

參考文獻

[1] JUSTIN P.ROHRER，ABDUL JABBAR，EGEMEN K.CETINKAYA，ERIK PERRINS，JAMES P.G.STERBENZ.Highly-Dynamic Cross-Layered Aeronautical Network Architecture.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，47（4）：2742-2765，October 2011.