基于移動自組網絡的無人機通信設計

趙 晟

(武漢虹信技術服務有限責任公司 湖北 武漢 430070)

0 引言

無人機在公共服務領域扮演著重要的角色,在公共運輸航拍等方面發揮著重要的作用。無人機在空中組成網絡形成協作自治系統,在較少的地面干預下實現自主協調,可利用無人機組實施評估告警、應急空投等功能,充分發揮協作自治系統的聯合行動優勢。通信體系結構是無人機相互間協調控制的核心,需要研究設計適合無人機無線網絡通信體系結構。國內針對無人機自組網通信體系結構的研究較少,而主要是基于地面控制方面的研究。移動自組網(mobile ad hoc network,MANET)采用互聯網的TCP/IP協議,該結構不適用于高度動態多架無人機組網。國內外主要對TCP/IP協議結構進行了適應性改進。因特網采用控制平面精簡重復操作,無人機自組網要有新型無線通信體系結構,本文研究系統采用雙平面設計,將荷載數據傳輸與動態控制管理功能結合。

1 無人機自組網絡通信技術

無人機自組網絡是網絡中心戰(network-centric warfare,NCW)的重要部分,具有很強的抗毀性及自修復能力,各軍事大國日益重視無人機及作戰網絡的研究工作。隨著信息技術的發展,無人機應用延伸到民用領域,在地質勘探、編隊偵查等諸多場景任務中發揮著關鍵作用,無人機通信技術轉變為集群自組織網絡通信,路由算法決定無人機組網通信的效率性能[1]。隨著無人機應用的擴展,無人機發展呈現網絡化趨勢,無人機自組網受到相關研究機構的關注,無人機網絡路由技術成為其關鍵技術。UAVNet的單層和分層網狀結構,如圖1所示。

圖1 UAVNET的單層和分層網狀結構

MANET是不依賴固定基礎設施的移動節點動態聯合體,在災害援助等領域具有廣泛應用前景,MANET具有分布式、自組織與移動性等特點。無人機在現代戰爭中占據重要地位,目前地面控制站直接控制無人機執行任務,遠離基站的區域需要很多無人機協作執行大規模無人駕駛飛機(unmanned aerial vehicle,UAV)任務,需要通過多跳(multi-hop)網絡進行傳輸數據[2]。MANET是美軍戰術互聯網的核心技術,而無人機自組網絡通信技術主要針對數據鏈技術方面進行研究。信息數字化的發展促使人們對無人機提出更高的要求,利用無人機組網技術可以滿足人們對信息的需求,其具有增強可控性、提高無人機網絡可控性、提高協作能力等作用。各國部隊對無人機提高要求,無人機機載傳感器可增強部隊動態感知能力,使新的機載傳感器裝備獲得很大發展。無人機根據需要安裝不同的傳感器,自組網絡具有傳感器網絡自組織等共性特點,且持續時間長、數據量巨大與結構復雜。無人機偵查到圖像等多媒體信息數據量較大,傳輸前需要進行數據處理,處理過程包括壓縮過濾與融合。

移動自組網絡是無線移動通信網絡,是眾多無線收發信息裝置的移動終端構成,MANET中的節點可以隨著網絡拓撲結構頻繁變化自由隨機移動。MANET以獨立方式運行,通過在節點間配備多個不同收發器形成高度動態自治拓撲,可用于基礎設施不可用的環境,MANET具有動態拓撲、行為自主與帶寬受限等特性。無人機自組網絡應用主要包括區域覆蓋與擴展應用等[3]。MANET特性導致建立路由協議需要面臨更多問題,設計路由協議需要考慮其傳輸帶寬有限和安全性低等因素。飛行自組網(flying ad-hoc network,FANET)運行機制為基于動態網絡使無人機節點間實現信息分享傳遞,網內對信息共享不會出現延時顯著增加的情況,FANET設計遵循思維是節點對信息共享不應依靠地面指揮基站,成員可針對收集情報情況作出交流。可通過多跳完成信息傳送,FANET本質是構建MANET,構建無人機自組網具有拓撲變化頻繁,具備較強搭載能力,任務場景和動模型特殊性等特點。

2 無人機移動自組網通信系統需求分析

無人機是利用獨立自動化程序控制飛行器的,近年來無人機技術不斷發展[4]。由于單架無人機攜帶的傳感器種類受限難以獨立完成復雜任務,而多架無人機協同任務分配是完成任務的基礎。無人機的任務分配是為提高系統執行任務能力,協同系統多以自組網方式通信,并采用合同網算法,通過多架無人機協同完成提高工作效率。Ad Hoc(點對點)環境具有安全性差、鏈路帶寬不對稱等特點,導致無人機通信發生全局擁塞降低攔路吞吐量,提高Ad Hoc網絡性能成為無線通信領域的研究重點。

無人機自組網應用設想場景是在地震受災上空部署多個無人機,以簇群為主要形式組成智能無線網絡,設想場景中無人機分類分為偵查成像等傳感器無人機、數據中繼等通信無人機、應急空投等主動型無人機[5]。傳感器無人機數據傳輸到主動型無人機,主動型無人機進行搜救等自主行動,可通過指揮協調無人機合理分配主動型無人機任務。主動權接收判別啟動相應程序離開再入簇群。機簇群間交換數據集定位信息,中繼機承擔簇群間聯絡任務,預警機自主接收傳感器無人機信息向簇群發送指令。要求通信系統具有高度動態性,較強生存能力滿足不同需求。應適應網絡無人機高度動態性,體系結構上有利于隱藏終端問題解決。結構方便網絡狀態維修等有效管理。體系結構設計需要考慮支持任務用于及環境網絡功能性能需求。

3 無人機移動自組網通信體系結構設計

無人機技術隨著生產需求得到了廣泛應用,現階段主流無人機工作方式是單機控制,存在受到外界干擾與地面控制臺間通信鏈路斷裂的弊端[6]。研究人員在多無人機通信網絡中采用MANET方式使無人機與地面控制站通過自組織網絡協作,使無人機自組織網絡生存性更強,多無人機間戰術協同可有效減少單無人機節點的能量開銷。路由協議是FANET中無人機互相通信的基礎,如何合理高效尋找最佳鏈路使無人機相互通信是評價路由協議的標準。

3.1 認知層面

互聯網重要的TCP/IP協議結構模塊化分層帶來多方面的靈活性,MANET通信體系結構堅持縱橫向處理設計原則[7]。認知平面用于MANET動態信息控制無人機網絡動態參數,實現數據平面分層結構的優化。發現引導協議主要功能是建立本地可達性,如識別建立鄰居協商狀態找出錄鏈路狀態錄入信息庫等,維護管理有關物理參數等。UAV通信網絡結構,如圖2所示。

圖2 UAV通信網絡結構

MANET建立后網絡無人機節點受限廣播更新信標,高度動態無人機網絡鏈路質量狀態評估可以確保通信順暢[8]。認知平面與數據平面信道頻率要合理選擇,應考慮干擾能量有效問題。單一路徑失效導致原路徑失效,路徑建立時應考慮負載平衡優化路徑選擇。直接鏈路重新定義為比較后乘性結果。無人機組網具有高機動等要求,拓撲控制包括飛行控制保持。無人機以相同固定功率允許導致接收功率高于不需的SINR浪費發送端無人機能量,數據流量不均勻分布導致不均勻能量消耗。針對特定無人機進行流量規劃,調節通信距離提高網絡信道利用率與整體吞吐量。通信距離控制適當的允許多路徑傳輸,通信距離過小會導致網絡分割。選擇合適的功率滿足網絡連接線是功率控制的關鍵。

傳統單一平面五層體系結構中功率控制歸結存在爭議,公路控制引起網絡層與多址接入信道(multiple access channel,MAC)層交互作用。碰撞避免信息及相關協議可以發揮認知平面的作用,預期接收機計算合適發射功率等級明確承受干擾閾量。細粒度是鏈路路徑持續時間等與路由選擇緊密相關的參數測量,移動測量關聯目的是預知無人機拓撲變化,使無人機在動態網絡中保持數據通信正常進行。超寬帶通信的MANET可利用UWB納秒級非正弦波窄脈沖傳輸數據。信道監控是對無線信道狀態監視預知,與數據平面的指南物理層實現對信道感知分配進行管理,使頻譜移動相對平滑。建立路由因無人機運動性改變,信道監控可提供適應于頻譜波動下的路由選擇,信道頻譜動態性引起分組丟失率變化,影響網絡層和組播層面的性能。信道監控與數據平面發生關聯,是實現MANET智能化的基礎。

3.2 數據層面

數據平面適應無人機節點高度動態性,網絡層融化MAC曾考慮將網絡層部分功能下降到物理層,使系統結構具有靈活性,便于三層硬件實現提高處理速度,并考慮與現有網絡兼容。傳統中繼節點轉發數據分組需要經過網絡層,重傳推避接入排隊等帶來時延,提出物理層中繼結合路徑接入超低時延體系結構。MANET網絡設計與PHY層交叉便于高效兼容。組播是MANET傳輸主要模式,無人機可進行雙重無線電配置,轉發無人機同時收發數據分組,比傳統網絡快捷高效數量級。移動Ad Hoc網絡體系結構,如圖3所示。

圖3 移動Ad Hoc網絡體系結構

PHY層采用認知無線技術具有頻譜感知和切換功能。MANET信道資源有限,需要MAC層協調解決沖突問題。物理層在通信無人機間建立點到點的數據傳輸鏈路,MAC適應MANET雙重無線電環境下接入模式,無人機MAC層協議要支持組播與基于優先級的業務。聚合數量通用的應用程序執行某具體任務命令,任務分層分為使命令層與應用層,使命令層包括目標搜索識別等命令,突出無人機組網任務關鍵性目標,便于網內無人機間協調控制。根據網絡狀態在不同使命模式可進行靈活的QoS保證。應用子層提供特性任務的應用程序,確定應用程序進程間通信性質,選擇無人機節點實現對RM組播通信層服務動態定制。使命層完成具體任務使命必需特定應用程序集合,確定完成使命所需應用程序,將數據按任務使命轉換為系統的有用信息。

4 無人機移動自組網通信系統仿真實驗

MANET網絡節點是在高空中運動的無人機,具有網絡節點遷移率高、無人機分布稀疏、通信時延要求高等特點。FANET設計目的是無人機集群在不同任務環境中進行良好通信,路由協議是FANET中無人機相互通信的基礎,路由協議相應算法應考慮通信與安全性能。按需距離矢量協議AODV結合目的序列矢量路由機制的優點,應用于無人機場景中存在一些問題需要改進。提出基于位置輔助自適應廣播與鏈路斷裂預測算法,保障通信性能同時提高網絡的安全性,滿足相應場景下的通信需求。

目前有很多先進的網絡環境建模軟件,研究通過離散事件模擬仿真技術進行仿真。實驗需要對包格式重新定義,其他參數需在底層源碼中修改已有變量完成算法中新機制。重新設計確認分組格式與原有模型庫結合,對進程層進行代碼編譯。研究利用OPNET仿真演示認知平面認知功能,仿真節點模型中APP模塊實現數據收發功能,節點全雙工通信,采用加性高斯白噪聲無線信道模型,分組大小為512 byte,仿真移動測量中利用工具節點測距定位功能組合,距離超過通信范圍后節點A認知將數據平面路由表切換到使用點C。認知平面不斷感知判斷鏈路狀態,切換時吞吐量產生12 kB/s較小抖動后趨穩,網絡吞吐量起伏平穩。提出系統設計架構通信體系結構系統仿真需要建立合理環境測試平臺。

5 結語

綜上所述,MANET是各國移動通信領域重點發展方向,近年來無人機向自主控制智能化方向發展,無人機通信技術研究是相關技術研究熱點,研究無人機MANET具有很高的工業價值。本文研究分析了無人機自組網絡通信體系結構應用需求設計架構,認知控制與無人機緊密相關的動態參數。雙平面設計使無人機網絡滿足多媒體實時傳輸需求。智能融合物理層具有高效轉發數據分組能力,任務層設計提出按應用分類操作原則,組播管理子層單元并行可靠性設計降低軟件運行OS開銷花費延時。研究創新是利用深度強化學習借鑒分層無人機網絡的簇頭選擇問題,使用圖神經網絡處理圖結構數據使訓練出模型具有泛化能力;關注分簇的均衡度,基于傳統機器學習算法提出Bubble分簇框架可以減少簇間通信流量。設計基于認知平面的具體信道切換策略,進一步對MAC高效介入等技術進行研究。