周奕捷

【摘 要】無人機(jī)集群通信技術(shù)是無人機(jī)群組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著無人機(jī)作業(yè)自主性、智能化、多任務(wù)等方面要求的提高，無人機(jī)從單機(jī)作業(yè)發(fā)展到機(jī)群組網(wǎng)，組網(wǎng)通信也遇到了數(shù)據(jù)傳輸量劇增、靜態(tài)的頻譜分配效率不高、機(jī)群系統(tǒng)性能下降等問題。文章根據(jù)無人機(jī)群作業(yè)需求，梳理了星形組網(wǎng)、網(wǎng)狀自組網(wǎng)和分層混合組網(wǎng)等通信組網(wǎng)模式，并根據(jù)無人機(jī)群組網(wǎng)的特點(diǎn)總結(jié)出認(rèn)知無人機(jī)通信技術(shù)、大規(guī)模高動(dòng)態(tài)無人機(jī)組網(wǎng)路由技術(shù)、物理層安全傳輸技術(shù)、能量有效通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，對無人機(jī)群通信的頻譜資源分配、供能受限、物理層通信安全等關(guān)鍵問題歸納了可行的解決方法，并闡述了無人機(jī)群通信未來的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);集群;組網(wǎng)模式;認(rèn)知通信;發(fā)展趨勢

【中圖分類號】V279 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0130-03

近年來，無人機(jī)平臺的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了各種性能優(yōu)異的無人機(jī)。但是，由于無人機(jī)自身尺寸與載重能力有限，無人機(jī)難以攜帶一些體積較大、質(zhì)量較重的作業(yè)載荷，這就限制了無人機(jī)作業(yè)的精度及范圍。特別是隨著無人機(jī)應(yīng)用對自主性、智能化、多任務(wù)等方面的要求越來越高，無人機(jī)單機(jī)作業(yè)效能和智能水平已逐漸無法滿足任務(wù)應(yīng)用需求。基于此，出現(xiàn)了無人機(jī)集群作業(yè)的理念，即通過多架無人機(jī)攜帶相同的載荷來增大無人機(jī)作業(yè)的范圍，通過所攜帶的不同載荷相互配合來提高無人機(jī)作業(yè)的精度。無人機(jī)集群遙感觀測的另一個(gè)作用是選取一部分無人機(jī)作為通信中繼無人機(jī)。傳統(tǒng)的通信中繼方法有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼、地面基站中繼等，這些方法都存在部署不夠靈活、依賴于現(xiàn)有的通訊工具等缺點(diǎn)。通過無人機(jī)集群的方式，部分無人機(jī)充當(dāng)通信中繼無人機(jī)，部分進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，可提高無人機(jī)作業(yè)信息傳輸距離。此外，單機(jī)飛行，有限的能量供給限制了飛行距離、作業(yè)范圍，同時(shí)容易遭受各種網(wǎng)絡(luò)攻擊，通信可靠性不高。在此背景下，將多架無人機(jī)組成無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)可有效提高無人機(jī)通信的可靠性，是未來無人機(jī)組網(wǎng)的發(fā)展方向。

無人機(jī)集群主要是依賴于先進(jìn)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，無人機(jī)之間具備協(xié)同交互能力，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)群體智能性、單節(jié)點(diǎn)具備可替代性。采用無人機(jī)群技術(shù)，可以快速有效地完成任務(wù)，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗毀性、功能分布化等優(yōu)勢。

1 國內(nèi)外無人機(jī)集群組網(wǎng)現(xiàn)狀

無人機(jī)集群是目前無人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，該方法的產(chǎn)生來自對自然界生物集群現(xiàn)象的研究。早在2000年，美國國防部就開始了一個(gè)名為無人機(jī)集群空中戰(zhàn)役的研究計(jì)劃，該計(jì)劃通過對蟻群信息素的模擬來實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)行為的控制。美國聯(lián)合部隊(duì)司令部于2002年對無人機(jī)集群的作戰(zhàn)效率和適合類型進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：無人機(jī)集群對一些簡單任務(wù)的作戰(zhàn)效率較高，這些任務(wù)所需行為簡單，但是任務(wù)量大，緊靠單架無人機(jī)難以完成，如區(qū)域搜索、攻擊及偵查等任務(wù)。之后，美國空軍通過對生物進(jìn)化理論對無人機(jī)集群行為進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。該研究中，將每架無人機(jī)視為生物個(gè)體，無人機(jī)之間不斷優(yōu)勝劣汰的自然選擇及遺傳變異，使無人機(jī)群體結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)化，直到無人機(jī)群體能夠適應(yīng)當(dāng)前任務(wù)環(huán)境。

在完成無人機(jī)群體行為的理論研究后，美國對無人機(jī)集群的研究逐漸向?qū)嶒?yàn)轉(zhuǎn)變。通過無人機(jī)編隊(duì)飛行來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群體的控制。2008年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員成功實(shí)現(xiàn)了16～20架小型四旋翼無人機(jī)的室內(nèi)編隊(duì)飛行，該編隊(duì)隊(duì)形可變化，并可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)協(xié)同飛行，航跡規(guī)劃，以及避障等行為。在完成室內(nèi)無人機(jī)群體飛行后，研究人員開始探索室外無人機(jī)集群飛行的能力。2011年，Hauert等研究人員通過對Boids模型進(jìn)行研究，在其基礎(chǔ)的3條規(guī)則上增加遷移控制，從而實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)集群自主室外飛行。但是，為了簡化模型，該實(shí)驗(yàn)中無人機(jī)通過控制飛行高度不同來實(shí)現(xiàn)相互之間的規(guī)避，未能完全實(shí)現(xiàn)無人機(jī)個(gè)體之間的避障。Timothy Chung團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)無人機(jī)之間利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，通過領(lǐng)航—跟隨者模式進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)了50架無人機(jī)的集群飛行。

除美國外的其他國家也對無人機(jī)集群進(jìn)行了一定的研究。2014年，匈牙利一些研究人員對無人機(jī)集群分布式控制進(jìn)行了研究，設(shè)定四旋翼無人機(jī)與鄰近無人機(jī)之間進(jìn)行信息交換，最終實(shí)現(xiàn)10架無人機(jī)的自主飛行。

我國在無人機(jī)集群的研究上也取得了一定的進(jìn)展，2016年11月在珠海航展上，中國電子科技集團(tuán)公司公布了67架規(guī)模的無人機(jī)集群編隊(duì)飛行原理驗(yàn)證測試，2017年6月，中國電子科技集團(tuán)通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)量高達(dá)119架固定翼無人機(jī)的集群飛行。2018年5月，1 374架無人機(jī)從西安古城墻起飛，在空中編隊(duì)進(jìn)行燈光秀表演出現(xiàn)問題，這說明我國無人機(jī)集群的研究還存在許多問題，并不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。

雖然無人機(jī)集群組網(wǎng)作業(yè)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但也存在著一些關(guān)鍵的具有挑戰(zhàn)性的問題。無人機(jī)集群組網(wǎng)通信有效解決傳統(tǒng)的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的問題，但是組網(wǎng)模式需要根據(jù)具體環(huán)境和作業(yè)條件進(jìn)行選擇;無人機(jī)集群組網(wǎng)通信作業(yè)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸量劇增，靜態(tài)的頻譜分配效率不高，導(dǎo)致機(jī)群系統(tǒng)性能下降;在為了保證通信安全的條件下，一味增加發(fā)射功率可獲得一定的通信可靠性，但是竊聽者也會獲得高質(zhì)量的竊聽信號，會降低通信的安全性;此外，在機(jī)型多樣化、小型化的趨勢下，本身能量受限的無人機(jī)將會受到更嚴(yán)峻的供能續(xù)航的挑戰(zhàn)，對多樣化任務(wù)長時(shí)間作業(yè)產(chǎn)生重要影響。以上存在的組網(wǎng)、頻譜分配、通信安全及能量供給等問題，都是值得深入研究。

2 無人機(jī)集群組網(wǎng)通信模式

無人機(jī)群組網(wǎng)通信是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群間實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)耐ㄐ攀侄危厥獾膽?yīng)用環(huán)境要求通信網(wǎng)絡(luò)必須保證穩(wěn)定可靠的信息交互，同時(shí)盡可能減少通信時(shí)延，保障無人機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信。無人機(jī)群在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，單機(jī)節(jié)點(diǎn)受到破壞，退出機(jī)群，使得無人機(jī)群自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓?fù)浒l(fā)生變化，無人機(jī)群自組網(wǎng)在滿足機(jī)群間正常通信需求的同時(shí)，還要完成無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。同時(shí)，涉及一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的授權(quán)和認(rèn)證，需要無人機(jī)群能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確響應(yīng)這些指令。

無人機(jī)的通信方案，由單機(jī)控制的點(diǎn)對點(diǎn)地空通信方案，發(fā)展到一站多機(jī)的點(diǎn)對多點(diǎn)的地空通信組網(wǎng)方案，再到滿足無人機(jī)群節(jié)點(diǎn)間各種任務(wù)信息協(xié)同協(xié)調(diào)自組網(wǎng)寬帶通信組網(wǎng)方案。無人機(jī)群組網(wǎng)通信主要有以下3種組網(wǎng)模式。

2.1 星形組網(wǎng)

星形組網(wǎng)是以地面中心站為中心基站，空中無人機(jī)通信終端為節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)直接鏈接到地面中心站，實(shí)現(xiàn)地面中心站與所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間直通;無人機(jī)間以地面站為中心進(jìn)行交互通信。當(dāng)無人機(jī)群組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對較少、無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)作業(yè)的覆蓋區(qū)域較小，且無人機(jī)任務(wù)作業(yè)相對簡單時(shí)，星形組網(wǎng)模式比較合適。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，采用較簡單的路由算法，且規(guī)模較小，信息傳輸?shù)臅r(shí)延小，能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信道資源，降低能源消耗。

2.2 網(wǎng)狀自組網(wǎng)

無人機(jī)群網(wǎng)狀自組網(wǎng)以地面控制站和空中無人機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備功能相同，都具備終端節(jié)點(diǎn)和路由功能?？罩袩o人機(jī)節(jié)點(diǎn)不能一跳鏈接到地面中心站時(shí)，通過多跳路由到中心站，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通。當(dāng)作戰(zhàn)任務(wù)較為復(fù)雜，無人機(jī)群規(guī)模比較大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?，任?wù)復(fù)雜，機(jī)間協(xié)調(diào)通信頻繁、作業(yè)半徑大，自主協(xié)同完成任務(wù)為主時(shí)，適合采用網(wǎng)狀自組網(wǎng)。由于無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)間相互通信較為頻繁，路由時(shí)延要求很小，在遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信時(shí)采用按需路由技術(shù)，能有效降低路由維護(hù)開銷，提高網(wǎng)絡(luò)魯棒性。

2.3 分層混合組網(wǎng)

分層組網(wǎng)采用地面站為星形網(wǎng)絡(luò)中心站，無人機(jī)機(jī)載通信終端具備與地面中心站直通和無人機(jī)間自組網(wǎng)功能。當(dāng)無人機(jī)群作業(yè)任務(wù)非常復(fù)雜時(shí)，執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)數(shù)量龐大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間通信頻繁、信息量大，此時(shí)比較適合采用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的無人機(jī)數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速完成無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的退出或增加，快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由表相對簡單，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 無人機(jī)集群組網(wǎng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 認(rèn)知無人機(jī)通信技術(shù)

無人機(jī)群組網(wǎng)作業(yè)時(shí)，高速的移動(dòng)性和任務(wù)實(shí)時(shí)的變化，無人機(jī)群內(nèi)部和外部之間通信鏈路和質(zhì)量會發(fā)生劇烈變化，需要解決隱藏、暴露終端和協(xié)調(diào)多節(jié)點(diǎn)有限頻譜共享的問題。認(rèn)知無線電就是頻譜共享的關(guān)鍵技術(shù)之一，無人機(jī)群可自我學(xué)習(xí)周圍無線電環(huán)境，感知并利用周圍空閑的頻譜資源，節(jié)點(diǎn)間認(rèn)知信息的共享可以有效解決隱藏、暴露終端的問題。同時(shí)，認(rèn)知無線電本身具有可重構(gòu)性的功能，在組網(wǎng)環(huán)境發(fā)生變化的條件下，可進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，動(dòng)態(tài)的頻譜共享為功率受限的無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)提供更高的系統(tǒng)容量、更寬的覆蓋范圍。

3.2 大規(guī)模高動(dòng)態(tài)無人機(jī)組網(wǎng)路由技術(shù)

無人機(jī)集群的高速移動(dòng)性使得組網(wǎng)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)多變，單個(gè)無人機(jī)自由接入或退出通信子網(wǎng)導(dǎo)致通信質(zhì)量因頻繁組網(wǎng)而不斷波動(dòng)，給無人機(jī)集群組網(wǎng)技術(shù)帶來了更高的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)針對固定和機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的組網(wǎng)路由技術(shù)難以滿足大規(guī)模、高動(dòng)態(tài)無人機(jī)組網(wǎng)需求，在組網(wǎng)路由的設(shè)計(jì)方面需要克服網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、移動(dòng)速度快、多跳遠(yuǎn)距離傳輸?shù)仍斐傻牟焕绊懀苓m應(yīng)拓?fù)鋭×易兓?、鏈路壽命短暫等問題，建立具有快速組網(wǎng)、抗摧毀、自愈合、安全可靠等特點(diǎn)的路由機(jī)制，這對有效支撐無人機(jī)多樣化任務(wù)起到了關(guān)鍵作用。

3.3 物理層安全傳輸技術(shù)

無線信道的開放性及衰落特性，容易受到不利因素的影響，無人機(jī)通信安全受到威脅。目前用于改善物理層安全的常見方法主要包括多輸入多輸出技術(shù)、人工噪聲技術(shù)及中繼協(xié)同技術(shù)。這些方法比較成熟，可以有效運(yùn)用到無人機(jī)群組網(wǎng)通信中去。

3.4 能量有效通信技術(shù)

無人機(jī)的能量主要供給是依靠自身攜帶的電池，盡管在過去一段時(shí)間內(nèi)電池技術(shù)有了明顯的增長，但無法解決能量受限的問題。為此，采用能量有效通信技術(shù)提高能量使用效率，其主要包括以下2種方法：優(yōu)化功率分配及能量采集技術(shù)。在系統(tǒng)硬件組成大部分采用輕量化、低功耗設(shè)計(jì)的條件下，在無人機(jī)間節(jié)點(diǎn)間選擇最佳的數(shù)據(jù)傳輸軌跡對功率進(jìn)行合理分配，文獻(xiàn)[5]給出了在節(jié)點(diǎn)設(shè)備功率一定和高信噪比情況下，通過協(xié)調(diào)源節(jié)點(diǎn)和中繼路由節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使得系統(tǒng)性能提升的方案。另外，能量采集可以緩解無人機(jī)能量供給緊張的問題，能量的來源可以是太陽能、風(fēng)能或周圍無線電信號中的能量。

4 無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展趨勢

無人機(jī)通信技術(shù)，主要是單機(jī)飛行的點(diǎn)對點(diǎn)通信已經(jīng)有了多年的研究積累，但是無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)的研究還處于起步階段，無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)將成為無人機(jī)和無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

4.1 無人機(jī)群通信技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）安全化趨勢。無人機(jī)群組網(wǎng)規(guī)模越來越大、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)越來越重要，通過利用物理信道的物理特征，有望從根本上解決無人機(jī)通信過程中遭受非法攻擊的問題。

（2）小型化和低功耗趨勢。無人機(jī)因其作業(yè)需要，會采用外形尺寸較小的機(jī)體，限制了自身攜帶能量，采用能量有效的通信方式可以有效緩解功耗問題，為機(jī)群續(xù)航和功能多樣化提供保障。

（3）通用化和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢。無人機(jī)群需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制和作業(yè)載荷多樣化，需要無人機(jī)具備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口和兼容的系統(tǒng)體制，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高通用性。

（4）智能化趨勢。無人機(jī)群引入認(rèn)知通信技術(shù)，在機(jī)群系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)的能力大大增強(qiáng)，認(rèn)知周圍復(fù)雜環(huán)境能力的構(gòu)建，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)及抗毀性能力。在測控通信一體化上，通信組網(wǎng)能融合多種類型、多種功能的傳輸手段，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，形成一體化、綜合性的信息處理體系，實(shí)現(xiàn)一體化協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的目標(biāo)。

4.2 無人機(jī)群通信系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

未來，無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)會形成以地面基站、空中無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星鏈路等立體寬帶通信體系，兼容公共網(wǎng)絡(luò)、無線通信專網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空天一體化，滿足未來無人機(jī)群組網(wǎng)通信需求，通過對無人機(jī)集群組網(wǎng)模式和主要關(guān)鍵技術(shù)的闡述，分析了無人機(jī)集群組網(wǎng)的發(fā)展趨勢，為無人機(jī)集群組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了建設(shè)性的意見。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]