付有斌 康巧燕 王建峰 胡海巖
1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西西安710077
近年來,無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)憑借其體積小、成本低、不易被發(fā)現(xiàn)、便于部署等優(yōu)勢,在軍事和民用領(lǐng)域的很多方面都得到了廣泛應(yīng)用,比如實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)跟蹤、搜尋與救援、中繼傳輸?shù)萚1].相比于單架無人機(jī)的應(yīng)用,多無人機(jī)協(xié)同配合的應(yīng)用將更加有效、快速、靈活,已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn).但是,多無人機(jī)的協(xié)同配合面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn),其中保證無人機(jī)之間快速、可靠的通信是確保多無人機(jī)之間相互協(xié)作的重要問題之一.
基于自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出來的飛行自組網(wǎng)(Flying Ad-Hoc Network,FANET)[2],將移動(dòng)自組網(wǎng)的思想拓展到空天領(lǐng)域,可以為多無人機(jī)間提供可靠實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信,以便多無人機(jī)之間可以快速協(xié)同完成各種任務(wù),成為解決多無人機(jī)間通信問題的一種良好解決方案.無人機(jī)FANET 是無人機(jī)之間的自組織網(wǎng)絡(luò),無人機(jī)之間無需通過基礎(chǔ)設(shè)施,可以直接進(jìn)行通信.此外,部分無人機(jī)可以與有人機(jī)(后端控制)、地面控制臺(tái)或是衛(wèi)星進(jìn)行通信.但由于UAV 節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化等特點(diǎn),FANET 對(duì)多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等組網(wǎng)通信協(xié)議提出了更多挑戰(zhàn),尤其值得關(guān)注與研究.
本文從無人機(jī)FANET 組網(wǎng)的角度入手,對(duì)FANET 多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等方面的研究成果進(jìn)行總結(jié)、分析并討論下一步研究方向.
FANET 可以看成是所有節(jié)點(diǎn)均為UAV 的移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad-Hoc Network,MANET)的一種新形式,UAV 間的通信通過自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),這種新的通信模型也可以看作是由MANET 衍生出來的車載自組網(wǎng)(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)的一個(gè)子集[2].事實(shí)上,在正式定義FANET 之前,也有不少無人機(jī)自組網(wǎng)的相關(guān)研究,只是名稱不一樣,如聯(lián)網(wǎng)空中機(jī)器人(Networked Aerial Robots)、無人駕駛航空自組網(wǎng)(Unmanned Aeronautical Ad-Hoc Network,UAANET)、無人機(jī)自組網(wǎng)(UAV Ad-Hoc Network)、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Networks of UAVs)、分布式航空傳感器網(wǎng)絡(luò)(Distributed Aerial Sensor Network)等[3].FANET的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 FANET 的典型結(jié)構(gòu)Fig.1 The typical structure of FANET
FANET 衍生于MANET、VANET,具有與它們共同的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),但作為自組織網(wǎng)絡(luò)新興的研究領(lǐng)域,FANET 也有其獨(dú)有的特點(diǎn),如節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快、節(jié)點(diǎn)密度低等,表1從節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、移動(dòng)模型、拓?fù)渥兓缘确矫?對(duì)FANET 與VANET、MANET 進(jìn)行了比較[24].
因此,在基于以上區(qū)別的同時(shí),FANET 在通信傳輸相關(guān)技術(shù)上需要達(dá)到以下性能要求,具有一定的技術(shù)挑戰(zhàn)[2,4].
1)低時(shí)延需求.時(shí)延性是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素之一,FANET 是面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò),其時(shí)延性的要求取決于無人機(jī)應(yīng)用場景,但大部分的應(yīng)用都要求盡量低的傳輸時(shí)延,如搜救工作、災(zāi)害監(jiān)測等.
2)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性需求.無人機(jī)在飛行過程中存在多種不斷變化且對(duì)FANET 產(chǎn)生影響的因素.首先,FANET 中的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng),使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置始終在變化,節(jié)點(diǎn)間的通信距離也在不斷變化,從而帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?其次,FANET 是基于任務(wù)的應(yīng)用,無人機(jī)數(shù)量、飛行路線等會(huì)根據(jù)任務(wù)需求而改變;再次,飛行環(huán)境的變化,如遇到樓房、山脈等障礙物,會(huì)引起無人機(jī)鏈路質(zhì)量的變化,部分無人機(jī)鏈路可能會(huì)失效,導(dǎo)致拓?fù)渥兓?最后,無人機(jī)可能在飛行期間發(fā)生故障,造成無人機(jī)數(shù)量減少,需要新無人機(jī)加入.因此,在設(shè)計(jì)FANET 通信協(xié)議時(shí),需要著重考慮FANET 的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性需求.
表1 FANET、VANET 和MANET 的比較Table 1 Comparison of FANET,VANET and MANET
3)高可靠性需求.UAV 以及FANET 的可靠性決定了系統(tǒng)的負(fù)載能力和接入能力.在敏感的軍事和監(jiān)視應(yīng)用中,要求FANET 具有可靠的數(shù)據(jù)傳送能力.在FANET 中需要在UAV 之間建立足夠可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò),以至于如果一個(gè)UAV 的傳輸鏈路損壞后,仍可以通過其他UAV 來進(jìn)行集群間相互通信或者與后端基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.
4)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性需求.不同的任務(wù),所需要的無人機(jī)數(shù)量不一樣,當(dāng)任務(wù)改變時(shí),網(wǎng)絡(luò)規(guī)模隨之改變,而隨著任務(wù)和地形的復(fù)雜化,FANET 中的UAV 數(shù)量大量增加;且在許多情況下,無人機(jī)的任務(wù)完成情況與無人機(jī)的數(shù)量有關(guān)系,例如更多的無人機(jī)可以更加快速地完成搜索和救援的任務(wù).因此,FANET 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)要滿足網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性需求.
5)高帶寬需求.多數(shù)FANET 應(yīng)用的目的是從外界收集數(shù)據(jù),并且將數(shù)據(jù)傳遞給地面控制臺(tái).當(dāng)前隨著對(duì)高清晰圖像和視頻需求的增加,及對(duì)低時(shí)延傳輸?shù)钠惹幸?很多情況下,無人機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞需要高帶寬.但是無人機(jī)的帶寬受到多種因素限制,如通信信道容量、無人機(jī)飛行速度等原因.FANET 在設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足帶寬容量需求,以便于滿足對(duì)帶寬要求較高的實(shí)時(shí)圖像或視頻的傳輸需求.
6)低網(wǎng)絡(luò)開銷需求.由于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶寬受限,降低網(wǎng)絡(luò)開銷,可提高帶寬的使用效率.另外,在微小型和小型無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,能耗受到一定限制[5],通過降低網(wǎng)絡(luò)開銷,可減小能量消耗,延長UAV 和網(wǎng)絡(luò)壽命,降低由于能量耗盡的無人機(jī)離開或毀掉而導(dǎo)致鏈路中斷的概率.因此,在不降低網(wǎng)絡(luò)性能的情況下盡量減少網(wǎng)絡(luò)開銷是必要的.
鑒于FANET 相比于其他無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)及多變性,在協(xié)議設(shè)計(jì)方面集中在上層專用通信協(xié)議的研究上,主要是基于MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議設(shè)計(jì)與優(yōu)化.因此,本節(jié)從組網(wǎng)的角度出發(fā),對(duì)FANET 多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等方面的研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析.
2.1.1 FANET MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
媒體接入控制協(xié)議(Medium Access Control,MAC)決定了無線信道的使用方式,在UAV 節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源,用以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).由上節(jié)中FANET 的特點(diǎn)及傳輸性能需求分析可知,FANET MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)具有如下挑戰(zhàn):
1)對(duì)于大部分FANET 應(yīng)用來說,高移動(dòng)性是FANET 最顯著的特性之一,給MAC 層帶來了新的問題.由于高移動(dòng)性和節(jié)點(diǎn)間距離的變化,FANET 中的鏈路質(zhì)量經(jīng)常發(fā)生波動(dòng).鏈路質(zhì)量的變化和鏈路中斷直接影響FANET MAC 的設(shè)計(jì).
2)分組延時(shí)是FANET MAC 設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題.特別是對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用,數(shù)據(jù)包延時(shí)必須是有限制的,有的應(yīng)用甚至要求達(dá)到毫秒級(jí)的節(jié)點(diǎn)接入時(shí)延,這大大增加了FANET MAC 設(shè)計(jì)的難度.
3)通常FANET 節(jié)點(diǎn)密度非常低,節(jié)點(diǎn)間的通信距離較長,全向MAC 協(xié)議有效通信范圍較小,不能滿足需求,需要考慮定向MAC 協(xié)議,而定向MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題在于節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)及共享,這對(duì)于具有高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的FANET 來說,更具挑戰(zhàn)性.
因此,結(jié)合FANET 組網(wǎng)性能需求設(shè)計(jì)符合高動(dòng)態(tài)、低時(shí)延等特性的MAC 層協(xié)議是FANET 的關(guān)鍵技術(shù)之一.
2.1.2 現(xiàn)有MAC 協(xié)議的適用性研究進(jìn)展
無人機(jī)之間通信可以在現(xiàn)有的通信協(xié)議中選擇可適用的協(xié)議.在FANET 中,將每一架無人機(jī)看作是一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn),無人機(jī)之間的相互通信可以使用開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI)模型.物理層和數(shù)據(jù)鏈路層一般被認(rèn)為是底層的網(wǎng)絡(luò),可以使用IEEE 802.11 協(xié)議[6],這一協(xié)議的有效通信范圍是幾百米的視距通信.而IEEE 802.11n 已經(jīng)具有更長的通信范圍和相對(duì)高的數(shù)據(jù)速率(物理層吞吐量可高達(dá)600 Mb/s).由于無人機(jī)之間一般距離較遠(yuǎn),802.11n 協(xié)議更適宜于無人機(jī)之間的相互通信[7].
802.11 MAC 協(xié)議主要是分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function,DCF)機(jī)制,該機(jī)制是節(jié)點(diǎn)共享無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕窘尤敕绞?它把帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)技術(shù)和確認(rèn)(Acknowledge,ACK)技術(shù)結(jié)合起來,采用二進(jìn)制指數(shù)回避策略來避免沖突,當(dāng)數(shù)據(jù)長度較長時(shí),可以選擇采用RTS/CTS(Relay To Send/Clear To Send)機(jī)制來有效減小沖突發(fā)生的概率,且RTS/CTS 可以解決暴露終端和隱藏終端問題.CSMA/CA 是一種載波檢測沖突避免技術(shù),主要通過載波信號(hào)檢測來判斷某一信道中的信號(hào)能量是否達(dá)到一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),如果信號(hào)的強(qiáng)度在這基準(zhǔn)點(diǎn)之下,就表示該信道未被占用,因此,節(jié)點(diǎn)就可使用該信道來傳輸.但是,CSMA/CA 在數(shù)據(jù)分組接入前,有一個(gè)提前對(duì)信道的偵聽過程,該過程會(huì)使得信道的利用率降低,且多次握手過程也導(dǎo)致了端到端時(shí)延的增加,難以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求.此外,802.11 MAC 協(xié)議耗費(fèi)了相當(dāng)多效率用作鏈路的維護(hù),從而大大降低了系統(tǒng)的吞吐量.802.11n 通過增加幀聚合技術(shù)和塊確認(rèn)技術(shù)改善MAC 層,來減少固定的開銷及擁塞造成的損失,但也仍然存在其基本協(xié)議CSMA/CA 本身存在的問題.
文獻(xiàn)[8]提出把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種低速率、低功耗、低成本的無線通信協(xié)議IEEE 802.15.4 MAC應(yīng)用到分簇FANET 的簇間和簇內(nèi)通信,該協(xié)議在非信標(biāo)使能模式下采用無時(shí)隙CSMA/CA 協(xié)議簡單的傳輸數(shù)據(jù),適用于業(yè)務(wù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較低的應(yīng)用場合;在信標(biāo)使能模式下,采用確保傳輸時(shí)隙(Guaranteed Time Slot,GTS)機(jī)制,具有較小的數(shù)據(jù)傳輸延遲;仿真結(jié)果表明,該機(jī)制適用于傳輸帶寬不足、數(shù)據(jù)速率較低的FANET 應(yīng)用.
文獻(xiàn)[9] 針對(duì)航空網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議端到端時(shí)延大、網(wǎng)絡(luò)容量小、靈活性差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等特點(diǎn),提出一種基于信道狀態(tài)感知的多優(yōu)先級(jí)多信道MAC 協(xié)議,該協(xié)議可根據(jù)信道實(shí)時(shí)占用狀態(tài),通過調(diào)度機(jī)制和退避算法控制不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)接入信道.仿真結(jié)果表明,該協(xié)議可以為航空網(wǎng)絡(luò)中的各類業(yè)務(wù)傳輸提供QoS 保障,而且提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率.
2.1.3 針對(duì)FANET 設(shè)計(jì)的MAC 協(xié)議研究進(jìn)展
基于統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)的多址接入?yún)f(xié)議(Statistical Priority-based Multiple Access Protocol,SPMA)[10]是美軍新型數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的MAC 層接入?yún)f(xié)議.SPMA 協(xié)議借鑒了CSMA 協(xié)議的運(yùn)行機(jī)制,并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),運(yùn)用了數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、突發(fā)拆分技術(shù)、Turbo 編碼、信道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等技術(shù),在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)統(tǒng)計(jì)信道占用率,通過將信道占用率與數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較,來決定業(yè)務(wù)分組是否接入信道.該協(xié)議中高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)分組的發(fā)送成功率不低于99%,且端到端時(shí)延不超過2 ms,能很好地適應(yīng)無人機(jī)FANET 的高動(dòng)態(tài)、低時(shí)延等需求.
由于SPMA 的低時(shí)延優(yōu)勢,研究者借鑒其基本思想提出了一些優(yōu)化協(xié)議.如基于多信道統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)概念的MAC 協(xié)議(Priority Statistics Based on Multichannel Access,PSMC)[11],該協(xié)議通過統(tǒng)計(jì)某一段時(shí)間內(nèi)收到的脈沖數(shù)來預(yù)測信道的忙閑程度,沒有了對(duì)信道偵聽的過程,從而降低了時(shí)延.而基于Turbo編碼的多信道MAC協(xié)議(Turbo_MAC)[12]和基于突發(fā)技術(shù)的多信道MAC協(xié)議(BT-MAC)[13]都是在發(fā)送分組前先進(jìn)行Turbo 編碼,通過增加冗余信息來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯掏铝?同時(shí)避免了多次握手過程帶來的時(shí)延.優(yōu)先級(jí)與公平性協(xié)作的多信道MAC 協(xié)議(PBLL/HL)[14]提出SPMA 協(xié)議會(huì)給低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)造成較大的延遲,該協(xié)議降低了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)由于被截流而導(dǎo)致的時(shí)延,使得網(wǎng)絡(luò)不會(huì)迅速擁塞.這些協(xié)議在SPMA 協(xié)議的基礎(chǔ)上針對(duì)不同的需求作出了一些改進(jìn).各協(xié)議對(duì)比如表2所示.
表2 基于SPMA 優(yōu)化協(xié)議的比較Table 2 Comparison of optimized protocols based on SPMA
目前實(shí)現(xiàn)全向天線的MAC 協(xié)議可能不適用于無人機(jī)執(zhí)行的某些任務(wù).這是由于節(jié)點(diǎn)之間的距離等不同因素造成的.無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的高機(jī)動(dòng)性和物理約束會(huì)對(duì)無線鏈路的性能造成影響,飛行器的姿態(tài)變化可能也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成一定影響.而定向天線可以解決這些問題,與傳統(tǒng)的全向天線相比,使用定向天線更好地保障了鏈路的魯棒性.現(xiàn)有的基于定向天線的MAC 層大多是針對(duì)MANET 和VANET 提出的,對(duì)于采用定向天線的FANET MAC層設(shè)計(jì)的研究還很少.文獻(xiàn)[15]提出了無人機(jī)的自適應(yīng)MAC 協(xié)議(Adaptive MAC Protocol Scheme for UAVs,AMUAV).AMUAV 使用全向天線發(fā)送其控制包(RTS、CTS 和ACK),而數(shù)據(jù)包則通過定向天線發(fā)送.實(shí)驗(yàn)證明,基于定向天線的AMUAV 協(xié)議可以提高多無人機(jī)系統(tǒng)的吞吐量、端到端時(shí)延和誤碼率,性能指標(biāo)優(yōu)于IEEE802.11.
FANET 中節(jié)點(diǎn)的高移動(dòng)性增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,為了處理這種高移動(dòng)環(huán)境,研究者提出了基于令牌的信息更新技術(shù),也就是一種基于令牌的協(xié)議[16].該協(xié)議工作的環(huán)境是無人機(jī)具有全雙工無線電和多包接收能力.使用基于令牌的信息更新技術(shù)來更新信道的狀態(tài)信息和鏈路的狀態(tài),使用基于令牌的結(jié)構(gòu)消除了代碼的沖突.全雙工無線電技術(shù)有效地降低了時(shí)延,而多包接收能力提高了系統(tǒng)的吞吐量.在知道完全信道信息的前提下,該協(xié)議在吞吐量和時(shí)延這兩個(gè)性能指標(biāo)上的表現(xiàn)都是最優(yōu)的.
隨著人工智能的興起,人工智能技術(shù)中的一些方法被應(yīng)用到MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)中,以優(yōu)化MAC 協(xié)議的性能.如,基于位置預(yù)測的定向MAC 協(xié)議[17](Position-Prediction-based Directional MAC Protocol,PPMAC),該協(xié)議可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化和環(huán)境變化開發(fā)不同的通信操作,保證了通信鏈路的快速建立和數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)牡蜁r(shí)延,而且克服了可能出現(xiàn)的定向接收失敗的問題,具有較高的魯棒性和可靠性.
為了提高M(jìn)AC 協(xié)議在FANET 中的性能,研究者提出了一種自適應(yīng)容錯(cuò)同步切換的MAC 協(xié)議[18](Adaptive MAC Protocol with Fault-Tolerant Synchronous Switching,FS-MAC).該協(xié)議提出了一種基于Q 學(xué)習(xí)的分布式MAC 切換方案,支持在FANET中的CSMA/CA 和TDMA 協(xié)議之間自適應(yīng)地互相切換.該協(xié)議包括MAC 預(yù)選操作過程和一個(gè)實(shí)用的基于拜占庭容錯(cuò)(PBFT)的一致性決策來生成MAC 切換決策.通過MAC 預(yù)選操作,FANET 中的每架UAV節(jié)點(diǎn)可以準(zhǔn)確評(píng)估自身性能,從而確定最適合自身的MAC 協(xié)議;而后在基于PBFT 的一致決策的輔助下,每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)時(shí)情況的變化實(shí)行容錯(cuò)同步切換.仿真結(jié)果表明,FS-MAC 協(xié)議在平均吞吐量、時(shí)延和分組重傳率等方面都明顯優(yōu)于基準(zhǔn)協(xié)議.
2.2.1 FANET 路由協(xié)議的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
為了實(shí)現(xiàn)高效可靠的組網(wǎng),必須設(shè)計(jì)合適的路由協(xié)議.路由的好壞很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)的性能,路由技術(shù)是FANET 中的一個(gè)核心[19],也是FANET最具挑戰(zhàn)性的問題之一.
1)由于應(yīng)用的不同,無人機(jī)或高速飛行或低速飛行.對(duì)于大部分的FANET 應(yīng)用來說,其高移動(dòng)性導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速變化,網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)也在不斷地變化,如此頻繁的變化必然導(dǎo)致路由頻繁更新或者是節(jié)點(diǎn)位置的頻繁更新,這些更新過程不僅會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開銷的增大,同時(shí)也會(huì)造成路由收斂困難,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲增大,丟包嚴(yán)重,甚至導(dǎo)致協(xié)議失效等問題[20].
2)由于干擾或自然條件限制,鏈路可能會(huì)出現(xiàn)高誤碼率.無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有各種可靠性需求,而話音、數(shù)據(jù)和視頻對(duì)帶寬的要求也不同.
由于FANET 特有的挑戰(zhàn),現(xiàn)有的MANET、VANET 路由協(xié)議不能完全適用于FANET.FANET的路由設(shè)計(jì),除發(fā)現(xiàn)最有效路由、允許網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展、控制延遲、保證可靠性等一般MANET 的要求外,還要求位置感知、能量感知、網(wǎng)絡(luò)分割、間歇鏈路強(qiáng)健、拓?fù)淇焖僮兓约胺?wù)質(zhì)量需求變化等,需要根據(jù)UAV 及FANET 特點(diǎn)設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確、高效、擴(kuò)展性好、自適應(yīng)能力強(qiáng)的路由算法.
2.2.2 現(xiàn)有路由協(xié)議及優(yōu)化協(xié)議的適用性研究進(jìn)展
傳統(tǒng)的路由協(xié)議大都是基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議,這類路由協(xié)議通過IP 地址來定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),使用網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)存的鏈路狀態(tài)信息,選擇合適的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā).這類路由協(xié)議可以分為主動(dòng)路由協(xié)議和被動(dòng)路由協(xié)議.
主動(dòng)路由協(xié)議也稱先驗(yàn)式路由協(xié)議,該協(xié)議在節(jié)點(diǎn)之間可以定期更新和共享路由表,一定程度上確保了路徑選擇的實(shí)時(shí)性.但是FANET 中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化相對(duì)頻繁,而這類協(xié)議對(duì)變化頻繁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的反應(yīng)較為遲鈍,這就會(huì)使得連接失敗情況發(fā)生.主動(dòng)路由協(xié)議中,典型的有鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Optimized Link State Routing,OLSR).
OLSR 協(xié)議中,網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠維護(hù)一個(gè)或者多個(gè)路由表,用以表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該協(xié)議在需要的時(shí)候能夠快速提供合適的路由.OLSR協(xié)議有兩個(gè)特點(diǎn):一是選擇網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),將其作為其鄰居節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)中繼(Multi-Point Relay,MPR)選擇器來減小控制包的大小;二是通過MPR節(jié)點(diǎn),可以不用將消息分散到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn).該協(xié)議通過使用MPR,可以減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量,也可以減少網(wǎng)絡(luò)中的洪流.該協(xié)議可用于FANET,但隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度增高,網(wǎng)絡(luò)的包傳輸速率、平均吞吐量和端到端時(shí)延等指標(biāo)性能將惡化,文獻(xiàn)[21] 提出通過采用追逐移動(dòng)模型對(duì)OLSR 進(jìn)行優(yōu)化.文獻(xiàn)[22]在OLSR 協(xié)議上應(yīng)用鏈路估計(jì)質(zhì)量和速度加權(quán)ETX 兩個(gè)參數(shù),改變了Hello 信息和拓?fù)淇刂菩畔?改進(jìn)后的i_OLSR 協(xié)議相對(duì)于OLSR 協(xié)議端到端時(shí)延有明顯的降低,而且吞吐量和數(shù)據(jù)包傳輸速率也有明顯的提高.文獻(xiàn)[23]提出一種具有定向天線的OLSR 協(xié)議,稱為定向OLSR 協(xié)議(DOLSR).DOLSR可減少帶定向天線的MPR 數(shù)目,降低端到端的延遲.
被動(dòng)路由協(xié)議也稱反應(yīng)式路由協(xié)議,主要是針對(duì)主動(dòng)路由協(xié)議的濫用帶寬消耗問題,對(duì)于FANET這一類高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)合適的解決方案,典型的協(xié)議有按需距離矢量路由協(xié)議(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)[24]、動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing,DSR)[25].
AODV 路由協(xié)議有3 個(gè)步驟,分別是路由發(fā)現(xiàn)、傳輸數(shù)據(jù)和路由維護(hù).路由發(fā)現(xiàn)的作用是為了尋找從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路由,正是由于路由發(fā)現(xiàn)過程的存在,從而導(dǎo)致該協(xié)議會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)延.但是AODV 協(xié)議在需要進(jìn)行通信時(shí)才會(huì)按照其需求尋找路徑,可減少控制開銷,且只會(huì)保留下一跳的路徑,可以使得FANET 網(wǎng)絡(luò)中的帶寬最大化.經(jīng)證明,DSR 協(xié)議可以應(yīng)用在FANET 中,但是并不容易實(shí)現(xiàn)[25].文獻(xiàn)[24] 將AODV 協(xié)議和DSR 協(xié)議應(yīng)用到FANET 中,并進(jìn)行性能比較,仿真結(jié)果表明,在包傳輸率、端到端時(shí)延和平均吞吐量3 個(gè)指標(biāo)上,AODV協(xié)議均優(yōu)于DSR 協(xié)議,說明AODV 協(xié)議比DSR 協(xié)議更適用于FANET 網(wǎng)絡(luò).文獻(xiàn)[26]利用Hopfiel 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)DSR 協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的協(xié)議CHNNDSR 可以適應(yīng)FANET 節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng),極大改善了端到端平均時(shí)延、吞吐量和包傳輸率,同時(shí)提高了路由的穩(wěn)定性.
2.2.3 針對(duì)FANET 設(shè)計(jì)的路由協(xié)議研究進(jìn)展
隨著當(dāng)前人工智能的迅速發(fā)展,人們開始將智能算法和一些新的方法應(yīng)用到路由協(xié)議上來,使得路由協(xié)議能夠更全面地適應(yīng)FANET 網(wǎng)絡(luò).文獻(xiàn)[17] 提出了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自學(xué)習(xí)路由協(xié)議(Self-learning Routing Protocol Based on Reinforcement Learning,RLSRP)該協(xié)議通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)化了路由協(xié)議的計(jì)算速度,從而提高了靈活性和實(shí)用性,也提高了FANET 中節(jié)點(diǎn)的自主控制能力.
由于FANET 網(wǎng)絡(luò)中有大量的UAV 節(jié)點(diǎn),蜂群和蟻群算法等群體智能算法可以應(yīng)用到FANET 中,以改善路由協(xié)議相關(guān)指標(biāo).文獻(xiàn)[27] 提出了一種基于蜂群算法的FANET 路由協(xié)議BeeAdHoc,和基于蟻群的路由協(xié)議AntHocNet,BeeAdHoc 協(xié)議的主要特點(diǎn)是各節(jié)點(diǎn)作為蜂群中的一份子,通過各節(jié)點(diǎn)的局部尋優(yōu)行為,最終在全局中獲得最優(yōu)值,收斂速度較快;AntHocNet 協(xié)議將各節(jié)點(diǎn)作為群體中的一個(gè)個(gè)體,用各節(jié)點(diǎn)的行走路徑表示待優(yōu)化問題的可行解,路徑較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)釋放較多的信息素,信息素最多的路徑便是最優(yōu)解.研究表明[27?28],AntHocNet、BeeAdHoc 協(xié)議相對(duì)于AODV、DSDV 和DSR 協(xié)議而言,性能有很大提高,可更有效地運(yùn)用于FANET 中.
除了人工智能算法在FANET 路由協(xié)議的應(yīng)用外,當(dāng)前,發(fā)展前景較好的是地理位置路由協(xié)議.在這一類協(xié)議中,選取最佳路由只取決于節(jié)點(diǎn)的位置信息,而且不需要維護(hù)路由表.但是FANET 中節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化需要頻繁地發(fā)送信標(biāo)信息來保證路由選擇的正確性.高信標(biāo)發(fā)送頻率會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的碰撞和信息傳輸?shù)母哐舆t.為了解決這些問題,提出了基于地理路由的自適應(yīng)信標(biāo)方案[29](Adaptive Beacon and Position Prediction,ABPP).ABPP 協(xié)議能夠自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整信標(biāo)頻率,并且能夠預(yù)測UAV 節(jié)點(diǎn)未來的位置,從而能提高該地理位置路由協(xié)議的性能.仿真結(jié)果表明,ABPP 協(xié)議可以有效降低網(wǎng)絡(luò)開銷,也可以提高數(shù)據(jù)包的信息傳輸率.
為了解決FANET 中的實(shí)時(shí)路由、功率分配和功率控制問題,提出了一種異步的分層式跨層優(yōu)化(Asynchronous Distributed Cross-layer Optimization,ADCO)方法[30].該方法首先設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)延約束的跨層優(yōu)化框架,然后將聯(lián)合優(yōu)化問題分解為幾個(gè)復(fù)雜度較低的子問題.在ADCO 方法中,網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都可以通過局部信息來完成對(duì)不同子問題的優(yōu)化,同時(shí)可以用異步更新機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)偶變量更新.仿真結(jié)果表明,該方法可以有效提高系統(tǒng)吞吐量,也可以減少數(shù)據(jù)分組的超時(shí)率和功率消耗.
現(xiàn)有的FANET 系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的通信主要依賴于數(shù)據(jù)傳輸速率較低、通信范圍有限的未授權(quán)頻段,給節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)和地面控制站之間的通信帶來了很大的不便.于是有研究者提出了一種高效低成本的混合通信方案.該方案將Wi-Fi 和Bluetooth5 兩種通信方式混合,結(jié)合Wi-Fi 的高數(shù)據(jù)傳輸率和Bluetooth5 的低功耗的特點(diǎn),使得系統(tǒng)在吞吐量和時(shí)延方面的性能均得到了很大的提升[31].但是該混合方案對(duì)于FANET 系統(tǒng)的回程鏈路的信息傳輸不太適用,為了解決該問題,可以考慮將WIMAX、LTE 和5G 通信方式結(jié)合或者單獨(dú)應(yīng)用到FANET 系統(tǒng)的回程鏈路中.
對(duì)于FANET 而言,節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的低時(shí)延高效通信,現(xiàn)有的大多數(shù)對(duì)于FANET 的研究都集中于FANET 的通信協(xié)議上,在現(xiàn)有的協(xié)議上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),使得現(xiàn)有的協(xié)議變得更具優(yōu)勢.研究重點(diǎn)主要集中在以下方面:
1)對(duì)現(xiàn)有的MAC 協(xié)議進(jìn)行改進(jìn).基于現(xiàn)有的MAC 協(xié)議及其存在的不足,針對(duì)性地提出一些新的MAC 協(xié)議,使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間能夠快速建立可靠的通信鏈路,降低信息傳輸時(shí)延,提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性.
2)對(duì)現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn).在基礎(chǔ)路由協(xié)議上提出一些優(yōu)化的路由協(xié)議,在系統(tǒng)端到端時(shí)延、平均吞吐量和網(wǎng)絡(luò)開銷等指標(biāo)上有一定程度的提升.隨著人工智能和生物仿真技術(shù)的發(fā)展,更多的生物仿真智能算法(如蜂群算法、蟻群算法)被應(yīng)用到路由協(xié)議中,使得網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅提升.
3)FANET 中的UAV 節(jié)點(diǎn)的體積限制了節(jié)點(diǎn)的能量,節(jié)點(diǎn)的能耗決定了網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)長,因此,節(jié)能也是一個(gè)研究重點(diǎn).比如自適應(yīng)Hello 消息間隔方案[32](Adaptive Hello Interval),該方案能夠降低系統(tǒng)中不必要的開銷,從而提高系統(tǒng)的能量效率,降低能量消耗.除此之外,還有基于能量感知的集群的方法[34],該方法的目的也是在有限的能量內(nèi)產(chǎn)生最大的效益,包括低丟包率、大吞吐量和低時(shí)延等.該方法提出了一個(gè)EALC 模型,在該模型內(nèi)限制節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類,優(yōu)化了路由,從而節(jié)約了資源.該方法與ACO 和GWO 算法分析比較后得知,其集群構(gòu)建時(shí)間和集群能耗上都更具優(yōu)勢.
未來對(duì)FANET 的研究,主要還是集中于提高其各項(xiàng)性能指標(biāo),其目的還是提高FANET 的有效性和可靠性,使其能夠更廣泛地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域.現(xiàn)有的各項(xiàng)研究大都集中于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提高吞吐量、降低時(shí)延、降低網(wǎng)絡(luò)開銷等方面,但是還有其他的相關(guān)領(lǐng)域值得進(jìn)一步研究,具體如下:
1)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).當(dāng)前SDN 技術(shù)和NFV 技術(shù)發(fā)展迅猛,有研究者將SDN 技術(shù)應(yīng)用在車輛的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中[34],通過SDN 技術(shù)建立了一個(gè)安全的車輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性,提高系統(tǒng)的吞吐量,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性得到了增強(qiáng),節(jié)點(diǎn)的自主控制也變得更加自動(dòng)化了.因此,將SDN 技術(shù)應(yīng)用到FANET 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,構(gòu)建一個(gè)更加安全高效的網(wǎng)絡(luò),將會(huì)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn).
2)節(jié)點(diǎn)的連接性.也可以稱作通信鏈路的可靠性.對(duì)于一個(gè)高效的FANET,不僅要求能夠快速建立起通信鏈路,鏈路的穩(wěn)定性和可靠性也很重要.利用壓縮感知方法可以優(yōu)化FANET 中節(jié)點(diǎn)的連接性[35],該方法可以快速重新配置節(jié)點(diǎn)的位置,高效利用帶寬來保持連接,從而優(yōu)化FANET 架構(gòu)中鏈路的穩(wěn)定性和可靠性.
3)通信的安全性.FANET 是一個(gè)面向任務(wù)的自組織網(wǎng)絡(luò),其通信安全性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的可靠性和任務(wù)的成敗.因此,通信的安全性是否能得到保障是一個(gè)很重要的問題.現(xiàn)有的對(duì)FANET 中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯恳脖容^少,文獻(xiàn)[36] 主要考慮的就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?
多無人機(jī)協(xié)同已經(jīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn),多無人機(jī)間的通信問題是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須考慮的問題,也是極具挑戰(zhàn)性的一個(gè)問題.基于自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛行自組網(wǎng)FANET 可有效解決無人機(jī)間的通信問題,但由于UAV 節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化等特點(diǎn),FANET 對(duì)多址接入?yún)f(xié)議、路由協(xié)議等組網(wǎng)通信協(xié)議提出了更多挑戰(zhàn).本文從無人機(jī)FANET的特點(diǎn)入手,重點(diǎn)分析了FANET 組網(wǎng)的各種通信協(xié)議,并基于此對(duì)FANET 的當(dāng)前重點(diǎn)研究問題和未來主要研究方向,以期對(duì)下一步FANET 組網(wǎng)通信協(xié)議的研究提供參考.