范喜全，白維學，毛建兵

（1.中國人民解放軍32180部隊，北京 100039；2.中國電子科技集團公司第三十研究所, 四川 成都 610041）

0 引 言

無人系統(tǒng)是影響未來戰(zhàn)爭制勝機理的顛覆性技術，而集群化是無人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[1]。無人系統(tǒng)集群是指數十或數百套無人系統(tǒng)像“蜂群”那樣成群結隊執(zhí)行任務，在局部區(qū)域迅速集結形成大規(guī)模作戰(zhàn)裝備優(yōu)勢，顯著提高作戰(zhàn)效能。未來戰(zhàn)場空間將出現多種類型的無人系統(tǒng)大規(guī)模地聯(lián)合開展作戰(zhàn)行動，這些不同類型的無人系統(tǒng)將首先構成一個個的小群體，由小群體再聯(lián)合形成更大規(guī)模的作戰(zhàn)群體[2]。

無人系統(tǒng)集群網絡中“蜂群”數量動態(tài)可變，故其一般采用分層分群的網絡結構設計，如圖1所示。第一層為面向任務子群內成員間通信的網絡，第二層為面向子群間通信的網絡，第二層網絡中的節(jié)點由第一層網絡中節(jié)點動態(tài)自適應選舉產生，實現各個子群之間的互聯(lián)互通，因此也稱子群間網絡為“互聯(lián)群”[3]。

實現子群間互聯(lián)的關鍵就在于子群間網關節(jié)點的動態(tài)選舉，動態(tài)網關選舉主要包括鄰居子網發(fā)現、多點信號偵聽分離、基于序列的相關能量檢測和網關節(jié)點選取四部分組成[4]。

圖1 無人系統(tǒng)集群網絡分層網絡結構

1 鄰居子網發(fā)現機制

一級子網的建立將根據作者規(guī)劃的任務子群自動建立，二級子網則需要由一級子網中的節(jié)點根據自身的能力和條件，有選擇地“站出來”承擔起子網間的通信任務。二級子網只有在有鄰居子網存在的時候才會主動建立，因此需要一種適當的鄰居子網發(fā)現機制。

無人系統(tǒng)自組織網絡采用多信道分級網絡結構，不同子網工作在不同的信道上，為了能夠發(fā)現鄰居子網，二級子網和每個一級子網共同擁有一個基本持有信道，簡稱為BCH信道（Basic Hold Channel）。

在BHC信道的時針結構中，設計了數個子群探測（Detect）子時隙，每個一級子網對應一個Detect子時隙，每個一級子網的所有節(jié)點共同占用一個相同的Detect子時隙，如圖2所示。在屬于某個一級子網的Detect子時隙，本子網內所有節(jié)點在BCH信道執(zhí)行信號發(fā)送；在屬于其它一級子網的Detect子時隙，本子網所有節(jié)點切換到BCH信道執(zhí)行偵聽和接收處理，以判斷是否有目標子網存在。

圖2 鄰居子網探測發(fā)現設計

2 多點信號偵聽分離

鄰居子網發(fā)現機制讓子網內所有節(jié)點在同一個Detect子時隙內同時執(zhí)行發(fā)送操作，因此偵聽接收節(jié)點將收到多個節(jié)點同時發(fā)送的信號，信號存在混疊的可能。如圖3所示，節(jié)點c和d同時在Detect子時隙內發(fā)送，偵聽節(jié)點a和b根據所處位置通信條件不同，節(jié)點a僅收到來自節(jié)點c的信號，而節(jié)點b可能同時接收到來自節(jié)點c和d的疊加信號。

圖3 子網探測時隙偵聽接收

偵聽節(jié)點通過接收處理Detect子時隙信號可以實現兩個目的：

1）判斷鄰居子網的存在性；

2）評估預期鏈路質量。

經研究分析可知，要達成目標1），可以通過簡單的能量檢測方式實現，該方法對是否存儲信號混疊并不敏感。要達成目標2），可以通過將信號能量強度作為評估鏈路信噪比的依據來實現，但這種方法對信號混疊導致能量增強會形成誤判。如圖3中，若節(jié)點a偵聽接收c的能量比節(jié)點b單獨偵聽接收節(jié)點c或d的強，但節(jié)點b偵聽接收節(jié)點c和d的能量疊加后比節(jié)點a偵聽接收c的強，這可能使得網絡誤判認為節(jié)點b更適合用于建立兩個子網間的通信。

為避免誤判，節(jié)點偵聽接收需要對來自多個節(jié)點的信號采用基于序列的相關能量檢測技術進行一定程度的分離檢測。通過節(jié)點發(fā)送具有良好相關性的特定序列，接收節(jié)點利用相關檢測更為準確地提取信號中的能量。如圖4、圖5所示，通過多點信號偵聽分離后的相關峰強度準確判斷出適合建立子網間通信的最佳節(jié)點。

圖4 單源信號相關能量檢測

圖5 多源信號相關能量檢測

3 基于序列的相關能量檢測

采用基于訓練序列的同步檢測技術來實現相關能量的檢測[5]。網絡中每個節(jié)點在Detcet時隙上發(fā)射訓練序列符號，接收節(jié)點可以通過接收信號處理實現符號同步，同時實現相關能量的檢測，訓練序列采用ZC（Zadoff-Chu）序列，ZC序列的定義為：

其中，μ為ZC序列的根指數，不同的根指數條件下，ZC序列的自相關峰均值比有較大不同。通過仿真分析發(fā)現，根指數為720時，可達到最大的自相關峰均值比，如圖6所示。故根指數設置為720[6]。

圖6 ZC序列不同根指數峰均值比

4 網關節(jié)點選取

當不同的任務子群子網工作的地理區(qū)域在同一區(qū)域或較近時，不同子網在位置空間上存在較大的重合，主要典型的應用場景有地域空間高度重合場景（分為集結和覆蓋兩種樣式）和扁平分散邊緣鄰接場景（分為圍合和廣泛兩種樣式），如圖7、圖8所示。

圖7 地域空間高度重合場景

圖8 扁平分散邊緣鄰接場景

由于子網間位置空間上的重合，通過上述鄰居子網發(fā)現機制，網絡中將可能有大量的節(jié)點發(fā)現其它鄰居子網的存在，如果不加以選擇控制，大量的節(jié)點都參與到二級子網的建立中去，將造成二級子網擁塞甚至癱瘓，嚴重浪費有限的信道資源，網絡分層分級的意義也將失去殆盡，難以取得良好的效益。因此，必須要在鄰居子網發(fā)現的基礎上對有條件的節(jié)點進行選擇控制[7]。

子網互聯(lián)網關節(jié)點選取的規(guī)則設計如下：

規(guī)則1：優(yōu)先選擇同時偵聽發(fā)現了更多鄰居子網的節(jié)點；

規(guī)則2：優(yōu)先選擇信號偵聽檢測中相關能量最強的節(jié)點；

規(guī)則3：面向每一個鄰接子群子網，同等條件下盡量避免同一子網兩跳范圍內的節(jié)點同時成為互聯(lián)通信的二級子網節(jié)點；

規(guī)則4：與同一子群網絡連接的節(jié)點原則上不易過多，但當網絡間通信業(yè)務強度增加而使得當前網絡資源不足時，適當增加連接的節(jié)點數。

子網節(jié)點發(fā)現鄰居子網后，通過基于相關序列的能量檢測，并進行多點偵聽分離后，依據以上四個規(guī)則，完成子網間網關節(jié)點的選擇，從而實現多子網的互聯(lián)互通[8]。

5 結 語

無人系統(tǒng)在未來軍事發(fā)展中具有廣泛的應用需求，而集群化是無人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。無人系統(tǒng)集群技術通過聚合大規(guī)模低成本小型無人系統(tǒng)，形成大型無人系統(tǒng)，可有效增加戰(zhàn)斗中傳感器和攻擊武器的數量，形成規(guī)模優(yōu)勢，提高作戰(zhàn)效能。無人系統(tǒng)的集群化將使得網絡不僅要解決可靠、大容量自組織及可配置網絡等問題，而且要根據無人集群特性，實現高速高動態(tài)拓撲變化的自主組網、高實時信息傳輸。

通常應用中，無線網絡分為平面網絡結構和分級網絡結構兩大類。平面網絡結構中所有節(jié)點具有系統(tǒng)的級別權限和路由機制，易于組織且健壯性強，但隨著節(jié)點數量的增加其路由信息的交互量成指數級上漲，會導致節(jié)點處理能力不足，資源過度消耗，故其主要適用于中小型網絡。分級網絡結構中，按照一定的規(guī)則將網絡劃分為多個組群，其計具有分級、分布式和群組化的特點，特別適用于大規(guī)模網絡。而實現分級網絡的關鍵是采用高效的網關選舉算法選舉網關節(jié)點來實現各個子群的互聯(lián)互通。