卓 琨 ，張衡陽 ，鄭 博 ,2，戚云軍

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077；2.中國人民解放軍94188部隊 西安 710077）

1 引言

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）具有用途多樣、靈活性強、裝配便利和開支較低等優(yōu)勢，在軍用、民用領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。多無人機系統(tǒng)（multi-UAV system）協(xié)同應(yīng)用比單個無人機系統(tǒng)具備可生存性更強、可擴展性更高、完成任務(wù)更快等優(yōu)勢，同時也帶來了諸多實際問題，其中最為重要的基礎(chǔ)性問題就是多無人機間的協(xié)同通信，如何設(shè)計適應(yīng)未來發(fā)展需求、高效的多無人機通信網(wǎng)絡(luò)已成為亟待解決的問題。

美軍在近期發(fā)布的《無人機路線圖》[1]和《無人系統(tǒng)一體化路線圖》[2]中都將無人機明確規(guī)劃為未來全球信息柵格（global information grid，GIG）中的重要節(jié)點，并指出自組網(wǎng)將會是未來無人機戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。無人機自組網(wǎng)（UAV Ad Hoc network，UANET）的概念在這種背景下應(yīng)運而生，它將移動自組網(wǎng) （mobile Ad Hoc network，MANET）和車載自組網(wǎng)（vehicle Ad Hoc network，VANET）的概念拓展到無人機網(wǎng)絡(luò)通信中，使網(wǎng)絡(luò)中的各無人機能夠分發(fā)和傳遞指控指令、感知態(tài)勢和采集數(shù)據(jù)等信息，具備有效擴展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模，提供安全可靠、抗毀性強的網(wǎng)絡(luò)通信，支持多無人機戰(zhàn)術(shù)協(xié)同，有效降低無人機的載荷量、開支，可輔助其他通信方式，大幅提高無人機作戰(zhàn)平臺戰(zhàn)術(shù)效能等優(yōu)勢。

2 無人機自組網(wǎng)簡介

2.1 基本概念

無人機自組網(wǎng)，也稱無人機網(wǎng)絡(luò)（network of UAV）[3]或無人航空自組網(wǎng) （unmanned aeronautical Ad Hoc network，UAANET）[4]，基本思想是：多無人機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，而是將無人機作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，各節(jié)點間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)指控指令，交換感知態(tài)勢、健康情況和情報搜集等數(shù)據(jù)，自動連接建立起一個無線移動網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點兼具收發(fā)器和路由器的功能，以多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠的節(jié)點。

無人機自組網(wǎng)采用動態(tài)組網(wǎng)、無線中繼等技術(shù)實現(xiàn)無人機間的互聯(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，可滿足無人機在特定條件下的應(yīng)用需求，是對現(xiàn)有無人機通信體系的補充和完善，具有重要的理論研究和實踐應(yīng)用價值。

2.2 主要特點

無人機自組網(wǎng)是無線自組網(wǎng)的一類特殊形式，不僅具有固有的多跳、自組織、無中心等特點，還具備自身的特殊性，主要特點介紹如下。

（1）節(jié)點的高速移動和網(wǎng)絡(luò)拓撲的高動態(tài)變化

這是無人機自組網(wǎng)與傳統(tǒng)自組網(wǎng)最顯著的區(qū)別，參考文獻[1]指出，無人機的速度在30～460 km/h，這種高速移動會造成拓撲高動態(tài)變化，從而對網(wǎng)絡(luò)連通性和協(xié)議性能產(chǎn)生嚴重影響；同時，無人機平臺的通信失效和視距通信鏈路的不穩(wěn)定性也會造成鏈路中斷和拓撲更新。

（2）節(jié)點的稀疏性和網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性

無人機節(jié)點在空中分散分布，節(jié)點間的距離大都有幾公里，一定空域內(nèi)節(jié)點密度較低，因此網(wǎng)絡(luò)連通性是一個值得注意的問題。在無人機的實際應(yīng)用中，無人機還需要與地面站、衛(wèi)星、有人駕駛飛機、臨近空間平臺等不同平臺進行通信連接；自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可能會包括不同類型的無人機或采用分層分布式結(jié)構(gòu)。在這些情況下，節(jié)點都存在差異性，整個網(wǎng)絡(luò)可能是異構(gòu)互聯(lián)的。

（3）節(jié)點能力較強和網(wǎng)絡(luò)臨時性明顯

節(jié)點的通信和計算設(shè)備都由無人機提供空間和能量，除mini型外一般都能滿足。相比于傳統(tǒng)MANET，無人機自組網(wǎng)一般不需要額外考慮節(jié)點的能耗和計算能力問題；GPS的應(yīng)用可為節(jié)點提供精確的定位、授時信息，便于節(jié)點獲得自身位置信息和進行時鐘同步；利用機載計算機的路徑規(guī)劃功能可有效輔助路由決策。無人機應(yīng)用大多針對特定任務(wù)展開，運行規(guī)律性不強，在一定空域內(nèi)存在著節(jié)點密度較低、飛行不確定性較大的情況，因而網(wǎng)絡(luò)具有更強的臨時性。

（4）網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)的獨特性

傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是建立對等連接，而無人機自組網(wǎng)也需要為無人機的協(xié)調(diào)和協(xié)作功能建立對等連接；其次，某些節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中還需要擔(dān)任數(shù)據(jù)收集的中心節(jié)點，功能類似于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此需要支持流量匯集；再次，網(wǎng)內(nèi)可能包括多類型傳感器，不同傳感器的不同數(shù)據(jù)交付策略都需要得到有效保障；最后，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)所包括的圖像、音頻、視頻等，具有傳輸數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多元化、時延敏感性高等特點，需要確保相應(yīng)的QoS。

（5）移動模型的特殊性

移動模型會對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議、移動性管理等產(chǎn)生重要影響。不同于MANET隨機移動和VANET受限于公路移動，無人機節(jié)點也具有自身獨特的運動規(guī)律。在某些多無人機的應(yīng)用中，偏向于選擇全局路徑規(guī)劃，這種情況下無人機的移動具有規(guī)律性；但自動化無人機運行航跡不是預(yù)定的，飛行計劃也可能會在運行中變更。參考文獻[5]針對執(zhí)行偵察任務(wù)的UAV提出了兩種移動模型：第一種是實體隨機移動模型，依據(jù)預(yù)定的馬爾可夫過程進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和直行方向的概率獨立隨機運動；第二種是群組分布式信息素排斥模型 （distributed pheromone repel mobility model，DPR），根據(jù)UAV偵察過程中產(chǎn)生信息素的數(shù)量來引導(dǎo)無人機移動，具有可靠的搜尋特性。參考文獻[6]針對在某一區(qū)域內(nèi)盤旋運動的UAV，提出了一種半隨機圓周移動（semi-random circular movement，SRCM）模型，利用一個二維圓形區(qū)域推導(dǎo)出節(jié)點移動概率的近似分布函數(shù)。參考文獻[7]針對UAV在運行航跡中需要克服急停和急轉(zhuǎn)現(xiàn)象、保持平滑航跡的需求，提出了一種增強型高斯馬爾可 夫 移 動 模 型 （enhanced Gauss-Markov mobility model，EGM），通過對GM模型（高斯馬爾可夫模型）的方向偏離進行修正，可有效實現(xiàn)邊界避免機制，并獲取更真實的UAV運動軌跡。

2.3 應(yīng)用優(yōu)勢

（1）提高多無人機系統(tǒng)的可擴展性

多無人機系統(tǒng)如果都只能與基礎(chǔ)通信設(shè)施進行通信，則其運行范圍就會局限在設(shè)施的覆蓋范圍內(nèi)，如果某個無人機不能建立通信連接就會導(dǎo)致無法運行。而無人機自組網(wǎng)能夠拓展多無人機系統(tǒng)的運行范圍，即使某個節(jié)點無法與基礎(chǔ)通信設(shè)施連接，仍可與其他無人機建立多跳通信鏈路。

（2）提供可靠、抗毀性強的多無人機間通信

地形情況會對設(shè)施的覆蓋范圍和信號傳播產(chǎn)生一定的影響，如山脈、建筑物等障礙物，都會對信號傳播產(chǎn)生阻礙。無人機自組網(wǎng)能夠有助于多無人機系統(tǒng)在障礙物之間運行。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點通信受阻時，如采用自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)就可利用網(wǎng)絡(luò)自愈性，通過與其他無人機保持連通就能減少對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，增強了多無人機系統(tǒng)運行的可靠性。

（3）支持無人機集群戰(zhàn)術(shù)協(xié)同

無人機集群任務(wù)協(xié)同多采用分布式控制，成員間必須能夠相互通信以實現(xiàn)協(xié)調(diào)化，而自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可有效防止集群內(nèi)成員的碰撞，有效協(xié)調(diào)各成員，從而完成各項任務(wù)。

（4）有效輔助其他通信方式

運用無人機自組網(wǎng)可對其他通信方式起到輔助作用?？膳c地面測控站、無限傳感器網(wǎng)絡(luò)、高空衛(wèi)星、其他航空器等組成一體化空天地信息網(wǎng)絡(luò)，通過多無人機的移動將不同層面的信息進行有效中繼，起到區(qū)域通信節(jié)點、有效補盲等作用。

（5）降低無人機的載荷量和開支

載荷重量對于無人機而言具有重要意義，重量越輕意味著飛行高度越高、航程越遠。在無人機自組網(wǎng)中只需小部分無人機配備較沉重、昂貴的基礎(chǔ)通信設(shè)備，而其他無人機攜帶較輕、便宜的自組網(wǎng)設(shè)備便能維持網(wǎng)絡(luò)運行，具有較高的靈活性和經(jīng)濟性。

3 組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究進展

無人機自組網(wǎng)是基于航空無線信道且高動態(tài)變化的無線網(wǎng)絡(luò)，參考文獻[8]認為無人機節(jié)點的高速移動會帶來網(wǎng)絡(luò)拓撲的劇烈變化，從而造成傳統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)議無法直接應(yīng)用。所面臨的主要問題包括如下幾個方面：

· 物理層需要考慮節(jié)點密度、節(jié)點間距離和通信鏈路變化，以解決多普勒頻移和衰落問題；

·MAC協(xié)議要實現(xiàn)公平接入機制，在共享的航空信道中實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入的低碰撞概率、高速低時延傳輸；

·路由協(xié)議需要適應(yīng)帶寬受限和鏈路狀態(tài)快速變化的條件，以進行路由信息分發(fā)和維護，并能與其他網(wǎng)絡(luò)兼容互聯(lián)；

·傳輸協(xié)議則要針對環(huán)境高動態(tài)變化加強網(wǎng)絡(luò)的流量控制和擁塞控制，避免造成網(wǎng)絡(luò)擁塞、降低網(wǎng)絡(luò)性能；

· 應(yīng)用層要針對通信需求和網(wǎng)絡(luò)條件的變化，協(xié)調(diào)協(xié)議棧各層協(xié)作；

· 需要特別注意，無人機一旦遭受竊聽、攻擊、欺騙等將會引起嚴重后果，必須對網(wǎng)絡(luò)的安全體系結(jié)構(gòu)和專用安全技術(shù)展開研究；

· 網(wǎng)絡(luò)管理涉及多個方面，包括地址管理、服務(wù)管理和移動性管理等，需要不同機制的協(xié)同應(yīng)用來解決相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理問題。

無人機自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的設(shè)計應(yīng)綜合考慮多方面問題，在帶來最小性能下降的條件下確保網(wǎng)絡(luò)正常運行。

3.1 MAC協(xié)議

MAC協(xié)議直接控制無線信道上分組的收發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣起著決定性作用。無人機自組網(wǎng)除了要解決隱藏、暴露終端和公平性等自組網(wǎng)MAC層普遍性問題之外，節(jié)點的高移動性、通信距離不斷變化造成的鏈路質(zhì)量頻繁波動和突發(fā)優(yōu)先級高、實時性強的武器控制、安全類信息的實時可靠傳輸都是挑戰(zhàn)性問題。依據(jù)不同的信道接入策略，現(xiàn)有無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議的分類如圖1所示，具體介紹如下。

（1）基于競爭類MAC協(xié)議

圖1 無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議分類

基于競爭類MAC協(xié)議主要包括隨機競爭和預(yù)約競爭。由于隨機競爭類MAC協(xié)議的傳輸碰撞概率較大，會造成傳輸成功率、信道利用率隨業(yè)務(wù)量增長性能嚴重下降，一般多采用基于IEEE 802.11DCF的預(yù)約競爭類MAC協(xié)議，其核心機制是CSMA/CA。

第一個無人機自組網(wǎng)的實例采用了MANET中MAC層設(shè)計常用的基于全向天線的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)[9]，大多數(shù)無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議研究也默認采用該協(xié)議，通過使用RTS/CTS機制能有效解決隱藏終端問題，但航空環(huán)境中不可忽視的傳播時延會對協(xié)議性能造成較大影響。參考文獻[10]使用兩個無人機節(jié)點和一個地面節(jié)點建立了可重構(gòu)的IEEE 802.11s mesh網(wǎng)絡(luò)，真實飛行結(jié)果表明IEEE 802.11s是一種有效方案。參考文獻[11]統(tǒng)計分析了單跳無人機自組網(wǎng)在衰落信道條件下非飽和流量數(shù)據(jù)分組的時延性能，其MAC層基于IEEE 802.11 DCF模型，通過將每個節(jié)點建模成排隊系統(tǒng)得到了平均時延。

（2）基于調(diào)度類MAC協(xié)議

基于調(diào)度類MAC協(xié)議主要分為輪替接入和固定接入兩類，通過對網(wǎng)絡(luò)資源的預(yù)先規(guī)劃來保證節(jié)點的通信需求。由于采用了沖突避免的預(yù)規(guī)劃方式，在網(wǎng)絡(luò)負載較重時仍可保證一定的吞吐量和時延性能，但無法保證高優(yōu)先級突發(fā)業(yè)務(wù)的實時傳送需求。

輪替接入多采用令牌環(huán)（Token）方式，參考文獻[12]中提出了一種基于全雙工和多分組接收的無人機自組網(wǎng)MAC層令牌協(xié)議，通過令牌結(jié)構(gòu)和信道狀態(tài)信息更新可有效消除碰撞，在不完全信道狀態(tài)信息條件下仿真驗證了MAC協(xié)議的有效性。參考文獻 [13]假設(shè)采用CDMA的無人機自組網(wǎng)節(jié)點具有多用戶感知能力，其MAC層采用了一種令牌循環(huán)方案來解決隱藏節(jié)點的查找、碼元分配和協(xié)作傳輸?shù)葐栴}，理論分析和仿真結(jié)果表明，該方案在網(wǎng)絡(luò)負載較重時仍然適用。國內(nèi)空軍工程大學(xué)[14]針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無人機編隊，對固定TDMA協(xié)議加入了業(yè)務(wù)優(yōu)先級和競爭機制，使協(xié)議性能有了一定提高，但仍需進一步優(yōu)化。

對于常用MAC協(xié)議在無人機自組網(wǎng)中的應(yīng)用，不同類型的協(xié)議具有各自的特點和優(yōu)劣，在網(wǎng)絡(luò)負載較重時不同協(xié)議的性能比較情況見表1。

表1 無人機自組網(wǎng)MAC協(xié)議比較

從表1中可看出，傳統(tǒng)MANET MAC協(xié)議并不能直接在無人機自組網(wǎng)中應(yīng)用，這是由航空環(huán)境中節(jié)點間距離較遠、通信鏈路質(zhì)量波動頻繁等問題造成的，必須加以相應(yīng)改進才能應(yīng)用；無人機在其主要應(yīng)用的軍事場合中擔(dān)負情報偵查、目標(biāo)摧毀等任務(wù)，對于移動目標(biāo)、武器控制等實驗敏感信息的傳輸有著極高的實時性、可靠性傳輸需求，但現(xiàn)有MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)重負載時并不能提供有效支持 （競爭類碰撞概率較大、調(diào)度類無法解決分組接入的固定等待時延），因此有必要對具備優(yōu)先級區(qū)分、擴展性好、QoS保障、高速低時延傳輸能力的MAC協(xié)議展開研究。

3.2 路由協(xié)議

現(xiàn)有MANET、VANET中的路由協(xié)議無法適應(yīng)無人機通信環(huán)境中的路由信息頻繁變化，而無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議則要適應(yīng)節(jié)點高速移動帶來的拓撲變化劇烈、鏈路壽命短暫等特點。目前無人機自組網(wǎng)使用的路由協(xié)議分類情況如圖2所示，具體介紹如下。

（1）靜態(tài)路由

靜態(tài)路由是指具有靜態(tài)路由表且不需要更新的路由，多用于具有固定拓撲、無需任務(wù)更新的場合，但不具備容錯和適應(yīng)動態(tài)環(huán)境的功能。以下兩種路由屬于靜態(tài)路由。

負載攜帶和傳遞路由[15]（load carry and deliver routing，LCAD）：無人機自組網(wǎng)較早采用的路由協(xié)議，其目標(biāo)是在增加安全性的同時最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，通過最小化跳數(shù)的方式實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)傳輸和時延容忍需求，其不足之處在于隨著節(jié)點間通信距離的不斷增大，時延會明顯增加。

圖2 無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議分類

數(shù)據(jù)中心路由[16]（data centric routing，DCR）：實際應(yīng)用中多無人機還存在著一對多的數(shù)據(jù)傳輸需求，該路由可為不同應(yīng)用模式提供相應(yīng)支撐。其典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)是“發(fā)布—訂閱”模式，能在數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者之間實現(xiàn)自動連接，還可進行流量匯集；與泛洪的不同之處在于，只需給訂閱者調(diào)度已注冊的數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容。由于所需協(xié)同最小，當(dāng)系統(tǒng)包括有限數(shù)目的無人機并有預(yù)定規(guī)劃路徑時更傾向于選擇這種模式。

（2）先應(yīng)路由

此類路由也稱主動式路由協(xié)議，會對路由表進行周期性更新，不同協(xié)議的區(qū)別在于更新機制的不同。優(yōu)勢在于存儲了路由信息，無需等待即可選擇發(fā)送端到接收端的傳輸路徑；但缺點也是明顯的，會產(chǎn)生大量的控制開銷且收斂速度較慢。

SRIInternational首次對無人機自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了實驗[17]，采用了基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓撲廣播 （topology broadcast based on reverse-path forwarding，TBRPF）協(xié)議，用于最小化網(wǎng)絡(luò)層開銷。

[18]提出了無人機自組網(wǎng)的一種基于定向天線的定向優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（directional optimized link state routing，DOLSR）協(xié)議，通過使用多中繼點降低傳輸開銷和最小化時延。參考文獻[19]提出了prediction-OLSR協(xié)議，利用GPS信息輔助路由決策，同時以節(jié)點間的相對速度對期望傳輸計數(shù)度量進行加權(quán)。

參考文獻[20]針對3種不同的先應(yīng)式路由協(xié)議：目標(biāo)序列距離矢量（destination-sequenced distance-vector，DSDV）、OLSR、hierarchical-OLSR的適應(yīng)性進行了比較分析，通過網(wǎng)絡(luò)仿真比對了不同移動速度對網(wǎng)絡(luò)性能 （包括交付率、開銷、平均跳數(shù)、平均時延）的影響。參考文獻[21]提出了一種基于移動性和負載感知的ML-OLSR協(xié)議，在OLSR協(xié)議中加入了移動性和負載感知算法，獲得了更好的交付率和時延性能。

（3）反應(yīng)路由

這類路由也稱為被動或按需路由協(xié)議，當(dāng)需要發(fā)送消息時才會按需尋找路徑，可有效減少控制開銷，但也會在路由尋找過程中產(chǎn)生高時延。

參考文獻 [22]開發(fā)了一種基于動態(tài)源路由（dynamic source routing，DSR）的無人機自組網(wǎng)試驗平臺，在該協(xié)議中，只有當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時源節(jié)點才會尋找到目的節(jié)點的路徑。參考文獻[23]發(fā)現(xiàn)因為節(jié)點的高移動性和拓撲的不穩(wěn)定性，DSR比先應(yīng)式協(xié)議更適合于無人機自組網(wǎng)。

參考文獻 [24]針對無人機自組網(wǎng)提出了一種改進的UAV-DSR協(xié)議，通過對擁塞狀態(tài)和能量等級的劃分來確立不同的RREQ響應(yīng)對策；參考文獻[25]針對強信號無人機網(wǎng)絡(luò)提出了一種限制路由請求最大跳數(shù)策略的REDSR，可節(jié)約節(jié)點的路由存儲空間并降低路由開銷；參考文獻 [26]針對小型無人機自組網(wǎng)偵查任務(wù)提出了一種UEDSR，引入能量平衡機制降低了熱點的過度能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

參考文獻[27]提出了一種基于時隙請求的按需距離矢量（Ad Hoc on-demand distance vector，AODV）路由協(xié)議，使用專用時隙供一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組，雖然增大了控制開銷，但有效提升了分組交付率，減少了碰撞。參考文獻[28]在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上，在路由發(fā)現(xiàn)過程中以最小化跳數(shù)為目標(biāo)，采用路徑更新度、路徑長度、路徑可靠度作為路徑選擇準(zhǔn)則。

參考文獻[29]提出了基于節(jié)點可用鄰居數(shù)和移動性的路由協(xié)議AODV-NM，通過對其閾值進行設(shè)置，可對鏈路質(zhì)量進行判定并選擇可靠路由。

（4）混合路由

混合路由協(xié)議是先應(yīng)路由協(xié)議、反應(yīng)路由協(xié)議的結(jié)合，能夠克服先應(yīng)路由協(xié)議控制信息開銷較大和反應(yīng)路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)時延較大的不足。

區(qū)域路由協(xié)議（zone routing protocol，ZRP）基于區(qū)域的概念，通過在域間使用先應(yīng)路由、在域內(nèi)使用反應(yīng)路由，可有效解決網(wǎng)絡(luò)擴展性問題。ZRP最關(guān)鍵的問題就是簇的構(gòu)造，參考文獻[30]提出了一種分簇算法，先在地面分簇并計算簇的劃分，然后依據(jù)地理信息推選簇首，依據(jù)任務(wù)信息調(diào)整分簇結(jié)構(gòu)；參考文獻[31]提出了另一種移動預(yù)測分簇算法，通過對網(wǎng)絡(luò)拓撲的更新來解決簇更新問題，以字典trie結(jié)構(gòu)和鏈路失效時間移動模型來預(yù)測無人機群的移動，并以模型和鄰居節(jié)點推選簇首的權(quán)重進行加權(quán)運算。

參考文獻[32]在臨時按序路由算法（temporarily ordered routing algorithm，TORA）的基礎(chǔ)上提出了無人機自組網(wǎng)的RTORA，采用開銷減少機制克服了TORA反向鏈路失效造成的不利影響。

（5）基于地理位置的路由

由于無人機自組網(wǎng)節(jié)點的高移動性，先應(yīng)路由維持路由表的方式并不是最優(yōu)的，同時反應(yīng)路由中每個分組在發(fā)送前重復(fù)尋找路徑會造成大量開銷。針對這些問題，相關(guān)研究人員提出了采用基于地理位置信息的路由協(xié)議。

參考文獻[33]對無人機自組網(wǎng)的先應(yīng)、反應(yīng)和基于位置的路由協(xié)議進行了對比，顯示了貪婪周邊無狀態(tài)路由（greedy perimeter stateless routing，GPSR）協(xié)議性能要優(yōu)于先應(yīng)和反應(yīng)路由。參考文獻[34]開發(fā)了基于位置路由的仿真框架，驗證了GPSR協(xié)議適用于節(jié)點密度較大的無人機自組網(wǎng)。參考文獻 [35]提出了地理位置移動導(dǎo)向路由（geographic position mobility oriented routing，GPMOR），使用高斯馬爾可夫移動模型預(yù)測節(jié)點移動并確定下一跳。參考文獻[36]針對無人機自組網(wǎng)采用傳統(tǒng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略時，在路由空洞發(fā)生時采用分組回收策略。

參考文獻[37]針對無人機自組網(wǎng)的多媒體數(shù)據(jù)傳輸提出了一種改進的GPSR協(xié)議，兼顧了位置、速度、運動方向等因素來選擇最優(yōu)下一跳，并以路由節(jié)點所發(fā)送的反饋信息實現(xiàn)全局路徑優(yōu)化。

綜上，對無人機自組網(wǎng)中使用的基本路由協(xié)議進行橫向比較，比較結(jié)果見表2。

路由協(xié)議是無人機自組網(wǎng)的關(guān)鍵性問題之一，現(xiàn)有MANET路由無法完全滿足無人機自組網(wǎng)的應(yīng)用需求。針對不同的數(shù)據(jù)收集場景有著不同的應(yīng)用模式需求：數(shù)據(jù)中心路由可有效支撐流量匯集模式，但還需結(jié)合具體應(yīng)用場景需求進一步深入研究；平面對等模式對于無人機自組網(wǎng)成員的協(xié)調(diào)協(xié)作功能意義重大，由于節(jié)點自身具備了定位計算能力，GPSR協(xié)議展現(xiàn)出了更廣闊的應(yīng)用前景，但在具體場景下需結(jié)合不同數(shù)據(jù)類型的交付策略、QoS需求進行進一步改進；分層結(jié)構(gòu)適應(yīng)于大區(qū)域、多等級的布置，雖然能有效拓展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、提升網(wǎng)絡(luò)性能，但簇的構(gòu)造、簇首推選、平面路由選取仍需針對特定場合加以研究改進。

3.3 傳輸協(xié)議

傳輸協(xié)議的主要功能是增強信息傳輸可靠性，實現(xiàn)擁塞控制和流量控制。無人機自組網(wǎng)的應(yīng)用需求之一就是要提供可靠的通信結(jié)構(gòu)，因而在高動態(tài)環(huán)境中建立可靠的傳輸機制是不可或缺的。

表2 無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議比較

第一個無人機自組網(wǎng)實例采用了現(xiàn)有的傳輸協(xié)議，參考文獻[38]采用了IP體系，其傳輸層可同時支持TCP和UDP，但TCP在MANET中性能較差，并不適用于無人機自組網(wǎng)。其流量控制功能基于幀機制和窗口大小而改變，對往返時間的精確估計是一個挑戰(zhàn)性問題。

無人系統(tǒng)聯(lián)合結(jié)構(gòu)（JAUS）是無人系統(tǒng)的消息標(biāo)準(zhǔn)，雖然最初是針對地面無人系統(tǒng)提出的，但后續(xù)將推廣到所有類型的無人設(shè)備。AS5669[39]定義了JAUS的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)，使用了特有的分組格式和語義，JTCP/JUDP被設(shè)計為TCP/UDP的上層封裝。

STANAG 4586定義了北約無人機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通用的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)傳輸協(xié)議，其目標(biāo)是針對聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用，增強地面控制站、無人機和C4I網(wǎng)絡(luò)之間的互通性[40]。與JAUS不同，STANAG 4586是專門為無人機系統(tǒng)而開發(fā)的。

無人機自組網(wǎng)因為節(jié)點的高移動性和航空信道的高誤比特率而有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，但無人機的測控完全通過無線鏈路實現(xiàn)，因而可靠性對傳輸協(xié)議具有重要意義。在應(yīng)用中，不同類型的數(shù)據(jù)需求的可靠性等級不盡相同，設(shè)計新的協(xié)議也必須要使用不同場合的不同需求。目前對無人機自組網(wǎng)而言還沒有專門設(shè)計的傳輸協(xié)議，傳輸可靠性高、高效的傳輸協(xié)議值得進一步研究開發(fā)。

3.4 跨層協(xié)議設(shè)計

分層結(jié)構(gòu)雖然在有線網(wǎng)絡(luò)中取得了較好的應(yīng)用效果，但在無線網(wǎng)絡(luò)中無法完全勝任?？鐚咏Y(jié)構(gòu)的提出就是為了解決無線網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化問題。

參考文獻[41]提出了無人機自組網(wǎng)的一種跨層結(jié)構(gòu)，通過合并OSI參考模型的下3層來促進信息交互，并提出基于定向天線的MAC層IMAC-UAV協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層則使用了DOLSR協(xié)議，結(jié)果顯示這種跨層結(jié)構(gòu)可有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。

參考文獻[42]提出了基于定向天線的網(wǎng)狀—樹算法，是一種結(jié)合MAC層和網(wǎng)絡(luò)層分簇、路由策略的協(xié)同方案，能用一個算法來處理基于TDMA的MAC層時隙分配、網(wǎng)絡(luò)層分簇和簇內(nèi)節(jié)點到簇首的路由。該算法是一個頑健性和可擴展性都較強的方案，仿真結(jié)果表明其可顯著提高網(wǎng)絡(luò)性能。

跨層結(jié)構(gòu)可有效滿足高動態(tài)無人機自組網(wǎng)的應(yīng)用需求，雖然目前對口研究還較少，但下一步仍具有廣闊的研究前景。借助于分層結(jié)構(gòu)，多層之間的交互可有效提升網(wǎng)絡(luò)性能，例如鏈路狀態(tài)信息這類比較重要的物理層參數(shù)，可對上層信道介入、路由轉(zhuǎn)發(fā)提供重要依據(jù)；另一類思路是將多層協(xié)議合并為一個協(xié)議，可用于無人機自組網(wǎng)更高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計，值得注意的是，需要注意跨層結(jié)構(gòu)的普適性和實現(xiàn)復(fù)雜性控制。

3.5 機會網(wǎng)絡(luò)

在自組網(wǎng)的實際應(yīng)用中，節(jié)點的稀疏分布、移動性等會造成網(wǎng)絡(luò)的連通性無法保證，因此機會網(wǎng)絡(luò)[43]得到了廣泛的關(guān)注和研究。由于無人機自組網(wǎng)具有節(jié)點稀疏分布、拓撲高動態(tài)變化等特點，符合機會網(wǎng)絡(luò)不一定存在完整連通路徑的基本假設(shè)，因此也有一些利用機會網(wǎng)絡(luò)對無人機自 組網(wǎng) 的 研 究 ：Zhao Z L[44]和 Rosário D[45,46]等 認 為 無 人 機自組網(wǎng)的通信鏈路具有無法在任何時刻都保持連通的特點，可采用機會網(wǎng)絡(luò)的分布式單跳路由決策。參考文獻[44]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓撲、鏈路質(zhì)量、地理位置等多類網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)機制；參考文獻[45]提出了一種分布式信標(biāo)機會路由，采用跨層方案優(yōu)化，可支持多媒體信息傳輸QoE；參考文獻[46]提出了一種基于跨層鏈路質(zhì)量和地理感知信標(biāo)的機會路由，可支持多視頻流傳輸。

參考文獻[47]提出了一種可支持任意節(jié)點多發(fā)送連接的機會路由MSC，相比于傳統(tǒng)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（delay-tolerant network，DTN）路由，獲得了更好的時延和分發(fā)成功率性能。

無人機自組網(wǎng)機會網(wǎng)絡(luò)的研究有別于上述協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)假設(shè)的基本連通條件有著本質(zhì)性差別，是在極端條件下的理論研究，對于推進無人機自組網(wǎng)的應(yīng)用起到補充完善作用。目前的研究還主要集中在機會網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)策略對QoS、QoE的支持，下一步的研究中符合無人機節(jié)點相遇情況的移動模型、機會通信數(shù)據(jù)的分發(fā)、檢索機制、信任安全、節(jié)點協(xié)作機制、通信中間件等問題將需要進一步考慮。

4 實驗平臺開發(fā)現(xiàn)狀

為了將無人機自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)推向未來使用，全球各類研究機構(gòu)開發(fā)了不同的實驗平臺對網(wǎng)絡(luò)性能進行測試。依據(jù)不同類型可分為下列3類。

4.1 室外平臺

第一個無人機自組網(wǎng)的試驗平臺由University of Colorado實現(xiàn)[48]，在小型無人機上開發(fā)和實現(xiàn)了基于IEEE 802.11b的無線設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議選擇了DSR，同時在無線系統(tǒng)中嵌入了監(jiān)視模塊來詳盡地描述和分析網(wǎng)絡(luò)性能。

Berkley Aerobot Team（BEAR）[49]是另一個能支持無人機間通信的試驗平臺，研究設(shè)備包括BEAR直升無人機、固定翼無人機、無人地面機器人以及移動地面控制站等。BEAR中的旋翼無人機包含了能用于無人機自組網(wǎng)的IEEE 802.11模塊。

英國的無人傳感自動航空器（SUAAVE）項目[50]不僅僅局限于特定場景，還開發(fā)了基于搜尋—營救任務(wù)的平臺。雖然該項目的第一個樣本采用IEEE 802.11協(xié)議，但計劃繼續(xù)開發(fā)新的通信結(jié)構(gòu)和協(xié)議。

美國佐治亞理工學(xué)院 （Georgia Institute of Technology）的無人機研究實驗室（UAVRF）[51]通過運行不同的多無人機系統(tǒng)進行飛行測試來驗證研究結(jié)果，此外也開發(fā)了基于IEEE 802.11的通信硬件平臺[52]。

國內(nèi)研究方面，北京航空航天大學(xué)[53]開發(fā)了多無人機系統(tǒng)，成功驗證了無人機自組網(wǎng)的有效性和靈活性；西北工業(yè)大學(xué)[54]實現(xiàn)了無人機自組網(wǎng)的驗證系統(tǒng)，基于IEEE 802.11b/g實現(xiàn)了機載嵌入式模塊，網(wǎng)絡(luò)層采用EODV協(xié)議，傳輸層采用優(yōu)化的UDP，同時實現(xiàn)了基于H.264的視頻傳輸系統(tǒng)和基于離線數(shù)字證書的安全通信協(xié)議。

4.2 室內(nèi)平臺

為了給快速原型和初始測試建立更可控的環(huán)境，也需要在受限可控空間內(nèi)建立室內(nèi)試驗平臺。

MIT航空控制實驗室利用無人機試驗平臺——實時室內(nèi)自動工具試驗環(huán)境（RAVEN）[55]進行運動捕捉。該系統(tǒng)能完成直升機和飛機等特技飛行的快速原型、多直升機的頑健協(xié)調(diào)算法、基于視覺的室內(nèi)飛行傳感算法。

通用機器人自動化感知（GRASP）[56]是由美國賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）開發(fā)的室內(nèi)試驗平臺，通過微型無人機的動態(tài)飛行和相互協(xié)調(diào)，支持偵查、監(jiān)視、操控和運輸?shù)热蝿?wù)應(yīng)用。

4.3 仿真平臺

另一類對無人機自組網(wǎng)的平臺實驗方式是通過開發(fā)仿真平臺來研究相關(guān)算法。雖然目前有較多無線自組網(wǎng)仿真平臺，但絕大多數(shù)都無法直接對無人機通信鏈路進行建模。

澳大利亞悉尼大學(xué)（University of Sydney）的實時多無人機仿真平臺（RMUS）[57]是第一個能夠支持無人機通信鏈路的多無人機仿真平臺。它基于IEEE 802.11設(shè)計，由測試、驗證機制實現(xiàn)多無人機間分散傳導(dǎo)數(shù)據(jù)的融合與控制[58]。

美國哈佛大學(xué)（Harvard University）針對大量mini型、微型無人機群開發(fā)了一種開源的仿真試驗平臺——微型航空器群試驗（Simbeeotic）[59]，能夠模擬無人機群的移動和機群間的通信，可支持快速原形、純仿真、半實物仿真實驗。

國內(nèi)國防科技大學(xué)[60]開發(fā)了基于HLA的無人機自組網(wǎng)仿真平臺，利用HLA分布式互操作、可重用構(gòu)建等優(yōu)勢，有效滿足網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)需求。

5 存在的問題和挑戰(zhàn)

無人機自組網(wǎng)可對多無人機系統(tǒng)應(yīng)用提供有效通信保障，為拓展無人機應(yīng)用起到了基礎(chǔ)支撐作用。采用自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)能確保網(wǎng)絡(luò)運行的靈活性和頑健性，但在下一步面向?qū)嵱没倪^程中也就帶來了諸多問題和挑戰(zhàn)，值得進一步深入研究。

（1）運行規(guī)章和任務(wù)執(zhí)行層面

運行規(guī)章是無人機安全運行的基礎(chǔ)。目前無人機還不具備足夠的安全等級，只能局限在預(yù)先批準(zhǔn)、規(guī)劃好的隔離空域內(nèi)運行，這就限制了無人機的多樣化應(yīng)用。隨著無人機應(yīng)用需求的不斷拓展和技術(shù)水平的深化提高，未來如何將無人機納入一體化空域管理改革、制定相適應(yīng)但又有特殊性的運行規(guī)章都是無人機自組網(wǎng)發(fā)展的前提背景。

無人機自組網(wǎng)運用的本質(zhì)目的是，為多無人機系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行能夠建立起有效的協(xié)調(diào)和協(xié)作機制提供通信手段保障。面對任務(wù)區(qū)域范圍廣闊和無人機數(shù)目眾多的情況，如何在多無人機之間構(gòu)建起高效的任務(wù)（包括路徑）規(guī)劃分配機制，將直接影響無人機自組網(wǎng)應(yīng)用效能的發(fā)揮。

（2）與其他通信方式的互聯(lián)互通

無人機自組網(wǎng)并不是孤立存在、應(yīng)用的，而是作為無人機通信體系結(jié)構(gòu)中的一個重要組成部分，只有保證與其他部分的互聯(lián)互通、高效協(xié)同才能更好地完成任務(wù)。首先，無人機必須要與有人駕駛飛機加強通信協(xié)作，執(zhí)行實時回傳偵查視頻圖像、實施電子干擾等不同任務(wù)；其次，要確保與衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)、其他平臺之間的互聯(lián)互通，便于快速形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢，增強無人機的作戰(zhàn)效能。

（3）組網(wǎng)技術(shù)層面

由于無人機節(jié)點的高速移動造成了網(wǎng)絡(luò)拓撲高動態(tài)變化、鏈路質(zhì)量頻繁波動，這都對組網(wǎng)技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，其中最主要的將是MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計問題。MAC層需要高效協(xié)調(diào)多節(jié)點共享有限頻譜，克服高速移動、遠距離傳輸造成的不利影響；網(wǎng)絡(luò)層要能適應(yīng)拓撲劇烈變化，建立安全可靠的路由機制。這對于有效支持無人機多樣化任務(wù)中不同類型業(yè)務(wù)的不同傳輸需求起到了關(guān)鍵作用，確保在高移動性的動態(tài)結(jié)構(gòu)中各類業(yè)務(wù)的不同QoS需求都能得到保證。

目前無人機的類型多樣，通行手段各異。在未來自組網(wǎng)的研究發(fā)展中，需要將組網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化作為一項重要的前期規(guī)劃內(nèi)容，便于未來不同類型無人機構(gòu)成的自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實踐化應(yīng)用。

6 結(jié)束語

作為未來無人機網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展方向，無人機自組網(wǎng)具有廣闊的研究和應(yīng)用前景，其中MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計將會是無人機自組網(wǎng)面臨的最大挑戰(zhàn)。MAC層所面臨的問題包括突發(fā)業(yè)務(wù)高速率和低時延傳輸、多優(yōu)先級支持、信道高效利用和差錯控制等；網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計的重點在于如何依據(jù)現(xiàn)有MANET路由協(xié)議建立起能適應(yīng)拓撲高動態(tài)變化、完全分布式、高效可靠的路由協(xié)議。此外，由于運行特性和網(wǎng)絡(luò)特征的相似性，航空自組網(wǎng)的相關(guān)研究對無人機自組網(wǎng)也具有一定的參考價值。無人機自組網(wǎng)的最終目標(biāo)是依據(jù)不同應(yīng)用建立起相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使無人機之間以及與其他通信設(shè)施之間實現(xiàn)可靠、高效通信。

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