無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究*

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）

1 引言

無(wú)人機(jī)集群是由大量小型無(wú)人機(jī)，以單平臺(tái)無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)能力為基礎(chǔ)，以無(wú)人機(jī)之間的協(xié)同交互能力為支撐，以群體智能涌現(xiàn)能力為核心，基于開(kāi)放式體系架構(gòu)綜合集成構(gòu)建的，具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢(shì)和智能特征的作戰(zhàn)體系。無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)將在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中得到廣泛應(yīng)用，成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的核心，對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生重要影響。無(wú)人集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無(wú)人機(jī)在有/無(wú)人操作裝置輔助下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、多機(jī)編隊(duì)、協(xié)同作戰(zhàn)，并在操作員的指引下完成滲透?jìng)刹椤⒄T騙干擾、集群攻擊等一系列作戰(zhàn)任務(wù)［2］。無(wú)人集群作戰(zhàn)系統(tǒng)可填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間的空白，以多元化投送方式快速投送到目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行多樣化軍事任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役對(duì)抗、戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)［3］。

然而，在無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)過(guò)程中，必然會(huì)遭受敵方的火力打擊而導(dǎo)致部分無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)受損。一旦受損節(jié)點(diǎn)為連接兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將影響整個(gè)無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的連通性。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，局勢(shì)瞬息萬(wàn)變，如何實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)連通性受損區(qū)域進(jìn)行連通性修復(fù)，是無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)

2.1 無(wú)人機(jī)集群的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2000年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃研究局（DARPA）發(fā)布了無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)技術(shù)研究計(jì)劃［4］。近幾年，美國(guó)針對(duì)無(wú)人機(jī)集群展開(kāi)了大量研究，并取得了一些初步成果。例如，DARPA于2015年公布的“小精靈項(xiàng)目”［5］。該項(xiàng)目計(jì)劃旨在通過(guò)在敵方防御范圍外投放大量小型化、可回收的無(wú)人機(jī)，利用無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)人機(jī)間的協(xié)同，通過(guò)攻擊敵方的基礎(chǔ)通信設(shè)施和安全設(shè)施，甚至利用電腦病毒等攻擊敵方數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)壓制敵方。

圖1 美軍“小精靈”項(xiàng)目構(gòu)想圖

我國(guó)的無(wú)人機(jī)集群研究雖然起步比較晚，但近年來(lái)在國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者和研究人員的努力下，也取得了顯著的成果。其中在無(wú)人機(jī)集群的控制技術(shù)領(lǐng)域，以中國(guó)電子科技集團(tuán)公司趙彥杰研究員領(lǐng)銜的智能無(wú)人集群項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)更是取得了令世界矚目的成就。2017年6月10日，該團(tuán)隊(duì)成功完成了世界上首次119架固定翼無(wú)人機(jī)集群飛行實(shí)驗(yàn)，打破了此前由美軍保持的103架固定翼無(wú)人機(jī)集群飛行的記錄。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)概念

拓?fù)渲貥?gòu)的概念最早起源于配電網(wǎng)絡(luò)，目的是為了提高整個(gè)配電網(wǎng)的容錯(cuò)能力［6］。類(lèi)似的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路產(chǎn)生影響時(shí)，也需要通過(guò)各種重構(gòu)技術(shù)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的性能，滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)正常的通信需求。移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，拓?fù)渥兓l繁，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容易出現(xiàn)斷開(kāi)的現(xiàn)象。無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)就是一種典型的移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)無(wú)人機(jī)都是分布式的在完成自己的任務(wù)。

在復(fù)雜惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，尤其在對(duì)敵實(shí)施攻擊的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常性的遭受敵方蓄意攻擊而損毀失效。然而，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)大面積失效或者關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效，不僅會(huì)影響作戰(zhàn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還會(huì)將網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)不連通的分區(qū)，影響網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，嚴(yán)重影響了整個(gè)無(wú)人機(jī)集群間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。因此，故障容忍和戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下的分區(qū)連通性恢復(fù)是無(wú)人機(jī)集群技術(shù)需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題［7］。

所謂拓?fù)渲貥?gòu)，是指通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或鏈路的方法改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而使網(wǎng)絡(luò)具有較高的性能，更好地為用戶(hù)提供服務(wù)。拓?fù)渲貥?gòu)是恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的有效手段，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分區(qū)，連通性遭到破壞，使性能下降顯著時(shí)，運(yùn)行拓?fù)渲貥?gòu)算法，通過(guò)補(bǔ)充新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。根據(jù)拓?fù)渲貥?gòu)的實(shí)現(xiàn)策略，可以分為預(yù)防型重構(gòu)和恢復(fù)型重構(gòu)。預(yù)防型重構(gòu)的基本思想是預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采取一定的措施，為防止未來(lái)可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)故障做準(zhǔn)備。恢復(fù)型重構(gòu)的基本思想是網(wǎng)絡(luò)因故障而被分割時(shí)，采取相應(yīng)的措施對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通進(jìn)行恢復(fù)，相比于預(yù)防型重構(gòu)，其時(shí)效性較低。

現(xiàn)有的拓?fù)渲貥?gòu)技術(shù)的研究多集中在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)技術(shù)的相關(guān)研究較少。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通常都是不具備移動(dòng)性的靜止節(jié)點(diǎn)，大部分情況下由電池供電。節(jié)點(diǎn)的失效通常是由能量耗盡而失效或硬件故障而導(dǎo)致的。無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁，單次作戰(zhàn)能量充足，其失效的原因多是由于遭受敵方攻擊，且無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)連通性恢復(fù)的實(shí)時(shí)性要求更高，需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性，保障無(wú)人機(jī)集群的抗毀性和協(xié)同作戰(zhàn)能力。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景和需求存在差異，傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)方法難以直接應(yīng)用于無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)中。因此，研究戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)的方法對(duì)于提高無(wú)人機(jī)集群的抗毀性和協(xié)同作戰(zhàn)能力，具有重要意義。

一是研究制訂更加有效的政策，扶持“金屬表面無(wú)磷處理”“中水回用”“再生水、雨水綜合利用”等項(xiàng)目，以發(fā)揮示范項(xiàng)目的作用；二是通過(guò) “多水源、多用戶(hù)的優(yōu)化配置”等方面研究，進(jìn)一步加強(qiáng)水資源管理能力；三是繼續(xù)加大農(nóng)村供水管網(wǎng)改造力度，2014年將完成城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)26個(gè)村的老舊供水設(shè)施的改造,將農(nóng)村供水管網(wǎng)漏損率降低到22%；四是加快實(shí)施居民自來(lái)水階梯水價(jià)制度，創(chuàng)建一批節(jié)水型示范機(jī)關(guān)、學(xué)校、企業(yè)、醫(yī)院、居民小區(qū)；五是加快新建、擴(kuò)建4個(gè)集鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)，將全市的污水日處理能力從現(xiàn)在的9.5萬(wàn)t提高到22萬(wàn)t。

3 拓?fù)渲貥?gòu)典型算法介紹

無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣?jīng)常發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的鏈路通常也非常脆弱。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的鏈路因節(jié)點(diǎn)失效而受損時(shí)，需要通過(guò)拓?fù)渲貥?gòu)的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。目前，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)方法可以分為以下幾類(lèi)。

3.1 基于功率控制的拓?fù)渲貥?gòu)方法

無(wú)線(xiàn)鏈路兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能通信的前提是發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁波信號(hào)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的功率與干擾和噪聲的比值，也就是信干噪比（Signal-Interface-Noise-Rate，SINR）要大于接收節(jié)點(diǎn)接收機(jī)的門(mén)限。通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，可以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)的鄰居數(shù)量，進(jìn)而控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋸?fù)雜度。功率控制是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)的重要手段。

文獻(xiàn)［8］系統(tǒng)地介紹了節(jié)點(diǎn)的通信半徑與最小發(fā)送功率對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性的影響，并提出了一種在保證網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的前提下設(shè)置節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)送功率的方法。仿真結(jié)果證明，該方法不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)全連通，還可以達(dá)到98%以上的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。基于功率控制，劉林峰等提出了一種面向節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥杂椒═CS-CA［9］。該算法可以分為單跳鄰居的連通性恢復(fù)、子集合并和全局連通性恢復(fù)三個(gè)階段。其核心思想可以概括為利用功率控制技術(shù)，調(diào)整受損節(jié)點(diǎn)周?chē)?jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，增大通信范圍，使得受損鏈路重新鏈接以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性達(dá)到拓?fù)渲貥?gòu)的目的。

盡管功率控制技術(shù)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)拓?fù)渲貥?gòu)的目的，但單純的增大發(fā)送功率使得受損鏈路重新鏈接會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的一跳范圍內(nèi)的鄰居數(shù)量增加，加劇節(jié)點(diǎn)間對(duì)于無(wú)線(xiàn)信道資源的競(jìng)爭(zhēng)。尤其在節(jié)點(diǎn)密度較大的無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的沖突將會(huì)急劇增大，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)性能。因此，如何平衡網(wǎng)絡(luò)連通性和通信效率是基于功率控制的拓?fù)渲貥?gòu)方法需要研究的重點(diǎn)。

3.2 基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的拓?fù)渲貥?gòu)方法

圖2 基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)總體框架

一般而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)的地位并不是完全等同的，存在著關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這一類(lèi)節(jié)點(diǎn)通常是兩個(gè)區(qū)域連通的關(guān)鍵，承載著多條業(yè)務(wù)流的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。同時(shí)，一旦該類(lèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)生損毀，將會(huì)把網(wǎng)絡(luò)分割成數(shù)個(gè)不連通的區(qū)域。基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的拓?fù)渲貥?gòu)方法的核心思想就是檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，當(dāng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受損時(shí)采取一定的措施進(jìn)行修復(fù)［10］。該方法的主要步驟如下。

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)角色判定：節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身狀態(tài)改變對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響來(lái)判定自己的角色，包括普通節(jié)點(diǎn)，冗余節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通常我們把能夠用來(lái)修復(fù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)而不影響網(wǎng)絡(luò)連通的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為冗余節(jié)點(diǎn)，連接不同分區(qū)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為普通節(jié)點(diǎn)。

2）網(wǎng)絡(luò)故障診斷：根據(jù)敵方的攻擊模型和故障診斷算法，診斷當(dāng)前發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型及其鄰域節(jié)點(diǎn)，定位故障源。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受損時(shí)，才會(huì)發(fā)起拓?fù)渲貥?gòu)過(guò)程修復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性。

3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫迯?fù)：修復(fù)節(jié)點(diǎn)通常由冗余節(jié)點(diǎn)擔(dān)任，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的鄰域范圍根據(jù)適應(yīng)性函數(shù)選擇出最佳的修復(fù)節(jié)點(diǎn)。修復(fù)節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)好的運(yùn)動(dòng)模型移動(dòng)至關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置，如果修復(fù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)造成了新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞指睿瑒t進(jìn)行級(jí)聯(lián)移動(dòng)，直至網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)連通。

4）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)的目的一方面是恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性，另一方面是保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。修復(fù)節(jié)點(diǎn)在完成連通性修復(fù)后，還要結(jié)合其鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)修復(fù)區(qū)域的覆蓋性為目標(biāo)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性和區(qū)域覆蓋率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

3.3 基于分簇的拓?fù)渲貥?gòu)方法

此類(lèi)方法通常考慮分層的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都在無(wú)障礙的開(kāi)放區(qū)域中移動(dòng)。具有較大傳輸范圍的節(jié)點(diǎn)被分配為簇頭（cluster heads，CH），并負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)消息。其他節(jié)點(diǎn)是集群成員（cluster members，CM），它們?cè)贑H周?chē)S機(jī)部署。CM計(jì)算它們與附近的CH之間的歐幾里得距離，并加入最近的簇。

文獻(xiàn)［11］基于分簇的思想提出了一種拓?fù)渲貥?gòu)的方法。該方法認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中不同的CH之間通過(guò)CM連接。假設(shè)處于連接傳輸群集和接收群集的兩個(gè)CM節(jié)點(diǎn)為A和B，A在t時(shí)刻根據(jù)卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)自己和B在t+1時(shí)刻的位置。如果判定A、B在t+1時(shí)刻的距離大于通信距離，則由A在t時(shí)刻發(fā)起拓?fù)渲貥?gòu)過(guò)程，保持與B在t+1時(shí)刻的連通性，從而保證不同簇之間的連通性。然而，該類(lèi)方法的顯著缺陷是需要知道節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型等先驗(yàn)知識(shí)，這對(duì)于無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)而言顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

4 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)前文的分析介紹可知，基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)方法是最適合無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的。但目前此類(lèi)拓?fù)渲貥?gòu)方法多是針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的，難以直接應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、密度大，拓?fù)渥兓l繁的無(wú)人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，此類(lèi)方法本身仍然存在諸多核心技術(shù)需要進(jìn)一步的突破，主要包括如下內(nèi)容。

4.1 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判定技術(shù)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，根據(jù)其角色的不同確定是否執(zhí)行拓?fù)渲貥?gòu)策略。若失效節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，則執(zhí)行拓?fù)渲貥?gòu)策略恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性；否則，網(wǎng)絡(luò)不進(jìn)行任何處理繼續(xù)運(yùn)行。由此可見(jiàn)，高效準(zhǔn)確的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判定方法對(duì)于拓?fù)渲貥?gòu)的效率具有重要意義。大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)具有海量的節(jié)點(diǎn)，深度搜索和廣度搜索等全局遍歷方法耗時(shí)長(zhǎng)，效率低；基于一跳鄰居的分布式搜索方法確定出來(lái)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是全局關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的概率準(zhǔn)確性低。平衡信息獲取準(zhǔn)確性與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載開(kāi)銷(xiāo)是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)算法需要關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。如何針對(duì)無(wú)人機(jī)集群的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高效準(zhǔn)確的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)判定方法，是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.2 網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)可以分為重構(gòu)觸發(fā)和重構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段。在觸發(fā)階段，可以通過(guò)拓?fù)涔收显\斷完成。在實(shí)現(xiàn)階段，可以通過(guò)拓?fù)渲貥?gòu)完成。故障診斷是檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)異常，確定受損節(jié)點(diǎn)的重要手段。故障診斷的效率越高，重構(gòu)觸發(fā)的開(kāi)銷(xiāo)也就越小，在高效合理的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案的保證下，才能實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，最小化的減小因網(wǎng)絡(luò)連通性受損而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能下降。目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要是集中在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，有很多成熟的方法，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷，基于貝葉斯理論的故障診斷方法等等。對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷通常具有較大的延時(shí)，如節(jié)點(diǎn)多次重傳數(shù)據(jù)失敗或在一個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自鄰居節(jié)點(diǎn)的“心跳”報(bào)告信息［12］則有可能表示當(dāng)前鏈路失效，需要進(jìn)行故障診斷。而對(duì)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)而言，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變，實(shí)時(shí)性要求較高，對(duì)延遲的容忍較低。同時(shí)，大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋區(qū)域廣，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，受損失效節(jié)點(diǎn)類(lèi)型復(fù)雜。因此，大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的故障診斷也異常困難，是拓?fù)渲貥?gòu)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.3 網(wǎng)絡(luò)連通性恢復(fù)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)連通性恢復(fù)方法主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是針對(duì)可移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)代替失效節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)連通性自恢復(fù)，另一類(lèi)是通過(guò)放置額外的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，放置中繼節(jié)點(diǎn)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的方法難以得到保障。因此，無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)更適合于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)代替失效節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)連通性自恢復(fù)。但目前此類(lèi)方法的研究多集中于單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效的情況，而無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)過(guò)程中，經(jīng)常性的遭遇敵人的蓄意打擊而出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)大面積同時(shí)失效的情況，現(xiàn)有的方法難以應(yīng)對(duì)。綜上，網(wǎng)絡(luò)連通性修復(fù)技術(shù)也是無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)技術(shù)入手，系統(tǒng)介紹了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)的概念。同時(shí)，本文結(jié)合拓?fù)渲貥?gòu)的經(jīng)典算法進(jìn)行分析，認(rèn)為基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的拓?fù)渲貥?gòu)方法更加適合無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)。另一方面，現(xiàn)有的拓?fù)渲貥?gòu)方法多是針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的，難以直接應(yīng)用于無(wú)人機(jī)集群中，本文分析了無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)需要在哪些關(guān)鍵技術(shù)加以突破，希望為未來(lái)無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)提供技術(shù)參考和研究方向。