自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用和優(yōu)化研究

亢 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用意義

自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有集中式控制、可編程性和靈活性等優(yōu)勢。自組織網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，通過集中式控制器實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管理和控制。自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的技術(shù)，主要具有無中心、多跳路由、自組織能力以及動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點。自組織網(wǎng)絡(luò)所組成的無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）衛(wèi)通鏈路類似于一個蜘蛛網(wǎng)，節(jié)點之間都存在著多個連接放線，即使無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中某一個連接通道出現(xiàn)了故障，也可以通過其他的通道完成數(shù)據(jù)傳輸。這種移動的自組織網(wǎng)絡(luò)中，各終端間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并沒有相應(yīng)的控制中心，只有一個進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的控制終端，其內(nèi)部涉及的各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都處于一種平等的地位。自組織網(wǎng)絡(luò)的每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具有數(shù)據(jù)交換和微操作系統(tǒng)，這就使得自組織網(wǎng)絡(luò)的運行并不需要各種預(yù)設(shè)的核心控制設(shè)備以及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施作為基礎(chǔ)，其中的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要是利用私有協(xié)議和相應(yīng)的獨特算法，將無人機(jī)衛(wèi)通鏈路不同節(jié)點的行為加以同步協(xié)調(diào)[1]。

2 自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用設(shè)計

2.1 自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計

自組織網(wǎng)絡(luò)是不依賴于預(yù)定義基礎(chǔ)設(shè)施的自治網(wǎng)絡(luò)，可以隨時隨地快速建立網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點單獨充當(dāng)移動路由器，與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點隨機(jī)構(gòu)成鄰接關(guān)系。自組織網(wǎng)絡(luò)沒有中心路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)中的每一個主機(jī)既是信息的發(fā)送者也是信息的接收者，還要充當(dāng)路由器的將收到的信息再轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此路由協(xié)議更加復(fù)雜。同時，自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)沒有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，隨時加入和退出的主機(jī)都可能會改變路由線路，導(dǎo)致路由表的更新頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)增大。

自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用可以使用集中式、分布式或混合架構(gòu)。集中式架構(gòu)指定一個節(jié)點設(shè)備作為控制器，其他節(jié)點設(shè)備連接到該控制器，控制器控制整個設(shè)備自組織網(wǎng)絡(luò)的運行。分布式架構(gòu)是指所有節(jié)點設(shè)備具有相同的功能和權(quán)限，各節(jié)點設(shè)備共同完成網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)傳輸?；旌霞軜?gòu)結(jié)合了集中式和分布式體系結(jié)構(gòu)，以提供更高效的解決方案。

2.2 節(jié)點設(shè)備設(shè)計

節(jié)點設(shè)備主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層3部分組成。

2.2.1 物理層

物理層結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的物理層應(yīng)滿足IEEE 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)。由于Wi-Fi 技術(shù)的成熟，在不同的成本和功耗要求下，可以提供多種設(shè)備選擇。為提高設(shè)備的可靠性和靈活性，應(yīng)支持雙通道、雙工作模式和雙天線。

圖1 物理層模型

2.2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)支持多節(jié)點間的無線收發(fā)。該層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的傳輸和識別。在設(shè)計時，應(yīng)盡量利用設(shè)備硬件的加速特性，減少軟件算法的占用，通過硬件加速實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)幀傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)鏈路層模型

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該支持路由協(xié)議，使其成為多節(jié)點設(shè)備自組織網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵主題。網(wǎng)絡(luò)層模型如圖3 所示，由于節(jié)點設(shè)備數(shù)量較多，需要優(yōu)化節(jié)點設(shè)備的功耗、頻譜、內(nèi)存等資源。

圖3 網(wǎng)絡(luò)層模型

3 自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用方法

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有不受地理位置限制和受天氣狀況影響小的特點。同時，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為簡單，適合山區(qū)、野外等無公網(wǎng)信號場景下的應(yīng)急通信，且傳輸方式較為安全。無人機(jī)衛(wèi)通鏈路傳統(tǒng)的通信設(shè)備較為復(fù)雜，在實際使用過程中存在不便。目前，國內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用的頻段以Ku 波段和Ka 波段為主。雖然Ka 波段比Ku 波段的帶寬相對較高，但Ka 波段無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的雨衰較大，下雨時通信的帶寬及穩(wěn)定性大幅度下降。自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的應(yīng)用其自身具有更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)功能和更加可靠的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，同時容錯率更高。在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路工作使用的無線傳感技術(shù)中，會存有更多的傳感節(jié)點，自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的應(yīng)用可以應(yīng)用于多種不同的場合，其覆蓋范圍相對廣泛[2]。

3.2 移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是自組織網(wǎng)絡(luò)體系中的一種新型自組織網(wǎng)絡(luò)使用形式。該網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)一步保證無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的暢通性和可靠性。無人機(jī)衛(wèi)通鏈路使用的移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有更高的獨立性與自動配置性，不需要過多的人工操作干預(yù)，能夠支持更多的接口技術(shù)，應(yīng)用于多種不同的工作[3]。

3.3 混合式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

自組織網(wǎng)絡(luò)和集成蜂窩式網(wǎng)絡(luò)的混合式網(wǎng)絡(luò)，通過自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行消息傳遞，為無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的信息傳遞提供便捷通道，同時是一種對自組織網(wǎng)絡(luò)的使用形式。在發(fā)生情況嚴(yán)重的自然災(zāi)害現(xiàn)象時，固有的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)基站會受到破壞導(dǎo)致無法正常使用，即便沒有受到破壞也會因為過多的信息業(yè)務(wù)量而發(fā)生無法及時訪問的現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會自動的從直接BS通信方式轉(zhuǎn)換成自組織網(wǎng)絡(luò)模式，然后通過不斷的跳轉(zhuǎn)來形成一條直通BS 的路由。當(dāng)自組織網(wǎng)絡(luò)與蜂窩集成式網(wǎng)絡(luò)組成的混合式網(wǎng)絡(luò)正式使用時，能夠有效避免無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的通信中斷，進(jìn)一步減輕無人機(jī)衛(wèi)通鏈路擔(dān)負(fù)的通信壓力[4]。

3.4 無線局域網(wǎng)技術(shù)

無線局域網(wǎng)技術(shù)采用無線多址通道作為傳輸介質(zhì)，通過電磁波實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，具有經(jīng)濟(jì)、安裝方便、使用靈活以及易擴(kuò)展等優(yōu)點。無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)控制方式通常分為2 種：一種是基于預(yù)置網(wǎng)絡(luò)的集中控制網(wǎng)絡(luò)，另一種是典型的自組織網(wǎng)絡(luò)?；陬A(yù)置網(wǎng)絡(luò)的無人衛(wèi)通通信鏈路以無線基站為中心，由無線基站接入和控制。自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于無中央控制的網(wǎng)絡(luò)，通過臨時快速的自動組網(wǎng)實現(xiàn)復(fù)雜條件下的移動通信。無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的核心是給功能線程提供最優(yōu)的天線資源，無線局域網(wǎng)技術(shù)的所有資源處于短波通信資源池。當(dāng)無人機(jī)衛(wèi)通鏈路行時，無人機(jī)衛(wèi)通鏈路在天線資源池選擇可用的天線，完成天線與功能線程所在信道資源鏈路連接，并標(biāo)記該天線被使用的狀態(tài)和對應(yīng)功能線程。

4 自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中的優(yōu)化策略

隨著無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的興起，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性、可管理性和安全性等方面受到限制。無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常采用分布式控制和靜態(tài)配置的方式，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜且缺乏靈活性。此外，由于無人機(jī)衛(wèi)通鏈路網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量龐大、流量密集，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)往往無法提供足夠的性能。

自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有集中式控制和可編程性的特點，還具有顯著的靈活性和延展性，可以改善無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的使用性能。在山林或電信信號弱的區(qū)域，設(shè)備間組網(wǎng)可利用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信號延伸，全面覆蓋弱信號區(qū)域，保障通信的穩(wěn)定性?；谶@種特性，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可應(yīng)用于緊急救災(zāi)工作。尤其是自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的中繼通信模式，不受環(huán)境影響，在地面上進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信交流。

一方面，將自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭載于無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中就可以構(gòu)建起無人機(jī)通信系統(tǒng)，借助無人機(jī)設(shè)備的靈活性與極強(qiáng)的適應(yīng)性，并借助自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞信息和實現(xiàn)數(shù)據(jù)連通等功能，實現(xiàn)隨時隨地進(jìn)行通信。目前，雖然無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)覆蓋了我國大部分國土面積，人們可以在無線信號等技術(shù)的支撐下隨時隨地與外界展開聯(lián)絡(luò)，但是仍有一部分地區(qū)由于地形地勢條件特殊，或具體位置較為偏遠(yuǎn)如山區(qū)、海洋、森林以及草原等，其往往由于地區(qū)海拔相差懸殊，跨度范圍較廣，人們處于其中難以滿足自身的通信需求。而常規(guī)的通信技術(shù)也并不能很好地解決這一問題，因此就可以使用自組織網(wǎng)絡(luò)搭載于無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的方法，構(gòu)建無人機(jī)通信系統(tǒng)。一旦有人在無線信號的覆蓋盲區(qū)如旅行遇險等，就可以借助通信設(shè)備發(fā)射微波信號，與外界聯(lián)絡(luò)。同時，外界可以派遣無人機(jī)對無線信號全面覆蓋，且人跡罕至的地方進(jìn)行監(jiān)控與巡視，并通過無人機(jī)設(shè)備與自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其中人員進(jìn)行溝通聯(lián)絡(luò)，快速確定其所在位置[5]。

另一方面，利用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測光纜信號的區(qū)域線路。利用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對光纜信號等線路進(jìn)行巡檢，具有以下優(yōu)點。一是線路巡檢效率方面，該方法可以顯著提高線路巡檢的工作效率，無人機(jī)飛行速度快，并且可以克服該地區(qū)許多惡劣的自然環(huán)境條件。二是從檢測工作的質(zhì)量角度來看，無人機(jī)可以克服眾多障礙，完成人工維護(hù)無法完成的維護(hù)和檢測任務(wù)。同時，由于人員不需要參與現(xiàn)場維護(hù)，保護(hù)了工作人員的人身安全。三是檢查工作的成本方面，無人機(jī)的加入大大減少了人力資源的參與，降低了檢查工作的運行成本，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。四是無人機(jī)夜間傳統(tǒng)無線通信方式主要是由基站高度所決定，很容易受地形環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致通信效果交叉。為減少夜間因素對通信效果和質(zhì)量產(chǎn)生的影響，相關(guān)行業(yè)不斷創(chuàng)新和改善無人機(jī)技術(shù)，保證自組織網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的建設(shè)效果，利用自組織網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，避開相關(guān)的障礙物，建立良好的通信鏈路，快速有效地將夜間巡檢數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行傳輸，為行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展奠定基礎(chǔ)與保障。五是數(shù)據(jù)處理和傳輸方面，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有靈活、穩(wěn)定、傳輸及時等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對返回檢測數(shù)據(jù)的實時處理，節(jié)省故障修復(fù)等工作的時間[6]。

5 結(jié) 論

自組織網(wǎng)絡(luò)通過對無無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的部署，來提升網(wǎng)絡(luò)容量以及覆蓋的能力，更好地為行業(yè)進(jìn)步提供基礎(chǔ)的參考。自組織網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ梢詾闊o人機(jī)衛(wèi)通鏈路提供更好的網(wǎng)絡(luò)體驗和服務(wù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深入推進(jìn)，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在無人機(jī)衛(wèi)通鏈路領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為無人機(jī)衛(wèi)通鏈路的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。