劉典雄 徐煜華 汪李峰 趙丹

1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院北京100141 2.陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院江蘇南京210000

隨著智能化技術(shù)的迅速發(fā)展, 無(wú)人化設(shè)備在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮的作用日益突顯[1].在近期發(fā)生的多次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中, 無(wú)人設(shè)備代替人類承擔(dān)了多項(xiàng)危險(xiǎn)且復(fù)雜的攻擊任務(wù), 達(dá)到“兵不血刃” 的效果.2020年1月3日, 美軍利用無(wú)人機(jī)執(zhí)行了刺殺伊朗“圣城旅”指揮官蘇萊曼尼行動(dòng).納戈?duì)栔Z-卡拉巴赫(納卡)地區(qū)沖突過程中, 阿塞拜疆軍隊(duì)施放無(wú)人機(jī)對(duì)亞美尼亞軍隊(duì)坦克進(jìn)行攻擊爆破,使其毫無(wú)招架之力.2020年11月27日,伊朗首席核科學(xué)家法赫里扎德被遠(yuǎn)程遙控機(jī)槍刺殺身亡.這些爆發(fā)的局部沖突,已經(jīng)向世人宣告了未來戰(zhàn)爭(zhēng)遠(yuǎn)程化、無(wú)人化和智能化的發(fā)展趨勢(shì).

現(xiàn)階段, 無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)樣式仍以少量施放和遠(yuǎn)程集中控制為主,尚不成規(guī)模執(zhí)行任務(wù).基于群體智能的無(wú)人集群自主控制方法的研究已成為世界各國(guó)、各領(lǐng)域研究的重點(diǎn), 更被視為未來智能化戰(zhàn)爭(zhēng)的突破口[2].然而,受限于當(dāng)前無(wú)人機(jī)智能水平,全自主的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)難度較大[3].有人和無(wú)人機(jī)混合作戰(zhàn)系統(tǒng)作為有人系統(tǒng)至無(wú)人系統(tǒng)的過渡階段,可同時(shí)發(fā)揮二者作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)高度重視.2018年8月30日,美國(guó)國(guó)防部在其公開的《無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖(2017–2042)》中,將人機(jī)協(xié)同列為4 個(gè)關(guān)鍵主題之一,且在2020年開始正式應(yīng)用成熟且?guī)в袘?zhàn)術(shù)意義的有/無(wú)人編隊(duì)技術(shù)[4].

在有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)中, 無(wú)人機(jī)具備戰(zhàn)術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活、感知能力強(qiáng)和決策周期短、全壽命成本低的優(yōu)點(diǎn), 可以作為攻擊機(jī)與有人指揮設(shè)備構(gòu)成協(xié)同作戰(zhàn)編隊(duì),實(shí)現(xiàn)協(xié)同感知、決策和攻擊等作戰(zhàn)環(huán)節(jié),共同完成作戰(zhàn)任務(wù).在有人設(shè)備的實(shí)時(shí)指揮下,無(wú)人機(jī)能更加快速和準(zhǔn)確地部署和應(yīng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化.有/無(wú)人混合編隊(duì)不再簡(jiǎn)單地由不同類型作戰(zhàn)平臺(tái)相互協(xié)作, 而是更系統(tǒng)級(jí)的協(xié)同和融合.針對(duì)無(wú)人和有/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)指揮與控制的研究受到廣泛關(guān)注, 現(xiàn)階段研究主要聚焦于系統(tǒng)控制層面[4?8],分析蜂群、蟻群和魚群等群體智能行為, 討論其分布式群體決策機(jī)理, 從而類比研究無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制問題[5].

當(dāng)有人與無(wú)人設(shè)備大規(guī)模聯(lián)合執(zhí)行多目標(biāo)任務(wù)時(shí),為發(fā)揮有/無(wú)人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[4],需建立協(xié)同網(wǎng)絡(luò)以保證不同設(shè)備間的指揮控制、信息交互和數(shù)據(jù)共享.無(wú)線自組網(wǎng)為群體感知、協(xié)同控制和群智激發(fā)匯聚提供必需的信息傳輸通道,被認(rèn)為是無(wú)人集群的“神經(jīng)系統(tǒng)”.脫離了可靠的自組網(wǎng)通信系統(tǒng),指揮人員將無(wú)法調(diào)用和組合無(wú)人設(shè)備, 再?gòu)?qiáng)大的控制系統(tǒng)也無(wú)濟(jì)于事.有/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)與傳統(tǒng)的有人或無(wú)人系統(tǒng)不同,將主要以有人設(shè)備指令下達(dá)、無(wú)人機(jī)保障有人設(shè)備和無(wú)人機(jī)間數(shù)據(jù)融合為主.為此,應(yīng)設(shè)計(jì)有效的有/無(wú)人通信傳輸系統(tǒng),保證無(wú)人機(jī)的信息反饋和共享,有人設(shè)備的指令信息分發(fā)、數(shù)據(jù)獲取以及對(duì)無(wú)人機(jī)的任務(wù)指揮和控制.

1 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展需要跨域、跨軍兵種的組織和規(guī)劃.為提升作戰(zhàn)系統(tǒng)的分布式、多域聯(lián)合、快速部署能力, 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 戰(zhàn)略技術(shù)辦公室2017年提出“馬賽克戰(zhàn)”概念[9].其中,有/無(wú)人集群系統(tǒng)能對(duì)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)作出更準(zhǔn)確和迅速應(yīng)對(duì),形成不對(duì)稱作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì), 被作為“馬賽克戰(zhàn)” 中靈活和多域指揮控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 是未來智能化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要顛覆性技術(shù).基于馬賽克戰(zhàn)概念, 美軍已展開包括體系集成技術(shù)及試驗(yàn)(System of Systems Intergration Technology and Experimentation,SoSITE)、對(duì)抗環(huán)境強(qiáng)韌同步規(guī)劃和評(píng)估(Resilient Synchronized Planning and Assessment for the Contested Environment,RSPACE)和進(jìn)攻蜂群戰(zhàn)術(shù)(OFFensive Swarm-Enabled Tactics,OFFSET)等在內(nèi)的多項(xiàng)有無(wú)人系統(tǒng)研究.

無(wú)人自主協(xié)同系統(tǒng)同樣受到我國(guó)高度重視.國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中,就多次提到了“自主無(wú)人系統(tǒng)”,強(qiáng)調(diào)了“群體認(rèn)知”、“群體集成智能”等前沿智能化作戰(zhàn)概念.在科技發(fā)展浪潮引領(lǐng)下,軍事科學(xué)院、國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)電子科學(xué)研究院等科研機(jī)構(gòu), 開展了包括無(wú)人機(jī)集群自主集結(jié)編隊(duì)飛行與偵察、無(wú)人機(jī)集群飛行等實(shí)驗(yàn);國(guó)家自然科學(xué)基金也資助了大批無(wú)人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的項(xiàng)目,旨在突破無(wú)人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、無(wú)人機(jī)集群智能組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù).現(xiàn)階段研究主要從空中維度的組網(wǎng)技術(shù)展開探索,取得有益進(jìn)展.而針對(duì)大規(guī)模有/無(wú)人集群系統(tǒng), 特別是空地跨域聯(lián)合的系統(tǒng)傳輸技術(shù)研究仍處于發(fā)展階段.

2 關(guān)鍵優(yōu)化問題

本文著眼于空地聯(lián)合的有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)自主傳輸技術(shù), 不同于空中[10]或水下環(huán)境[9], 空地有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)將配合地面部隊(duì)進(jìn)行多場(chǎng)景、多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的任務(wù),包括清剿嫌疑位置、攻入危險(xiǎn)區(qū)域、部隊(duì)駐守、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、圍剿行動(dòng)、伏擊行動(dòng)要點(diǎn)奪控、地下行動(dòng)、基地防御、據(jù)點(diǎn)防御等[11].在進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)搜索、清剿時(shí),受限的觀測(cè)范圍和敵方埋伏進(jìn)攻會(huì)使隊(duì)伍處于極度危險(xiǎn)狀態(tài).復(fù)雜多變的地理環(huán)境和頻譜態(tài)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)的信息共享和數(shù)據(jù)傳輸帶來極大挑戰(zhàn).

表1 列舉了空地有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)的典型場(chǎng)景.在城市場(chǎng)景中,無(wú)人機(jī)感知探測(cè)時(shí)將遭受高樓遮擋、道路狹小等影響, 且行進(jìn)路線將受道路建設(shè)規(guī)劃限制.無(wú)人機(jī)飛行調(diào)度需要與城市建設(shè)契合.在山地場(chǎng)景中, 高山聳立制約了無(wú)人機(jī)的飛行路徑和懸停位置.無(wú)人機(jī)需要根據(jù)山地地形靈活調(diào)整飛行軌跡.叢林場(chǎng)景中, 樹林遮擋將會(huì)阻礙空地節(jié)點(diǎn)間的正常鏈路維持,地面設(shè)備可能接收不到衛(wèi)星信號(hào),且無(wú)人機(jī)與地面的通信鏈路也較不穩(wěn)定.

表1 不同部署環(huán)境下的空地鏈路傳輸挑戰(zhàn)Table 1 Air-to-ground transmission challenges in different environments

復(fù)雜環(huán)境對(duì)有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)的指揮與控制提出巨大挑戰(zhàn),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備數(shù)量眾多、任務(wù)數(shù)據(jù)需求量激增時(shí),為保證指揮控制鏈路暢通,需設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)傳輸方案.因此, 結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù), 從聯(lián)合部署建鏈、聯(lián)盟指揮控制架構(gòu)、頻譜協(xié)調(diào)共享、數(shù)據(jù)多模傳輸問題出發(fā), 對(duì)空地協(xié)同的有/無(wú)人系統(tǒng)自主傳輸進(jìn)行討論.

2.1 聯(lián)合部署建鏈

對(duì)任務(wù)區(qū)域的部署覆蓋能力是有/無(wú)人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)感知、偵察、攻擊等任務(wù)的基礎(chǔ)保障.任務(wù)區(qū)域覆蓋包括無(wú)人機(jī)任務(wù)覆蓋和通信覆蓋.單架無(wú)人機(jī)的感知和通信能力受限于俯仰角范圍和傳輸功率, 為實(shí)現(xiàn)大面積的區(qū)域覆蓋, 多無(wú)人機(jī)聯(lián)合部署技術(shù)被認(rèn)為是解決系統(tǒng)覆蓋和數(shù)據(jù)反饋問題的有效方案.

傳統(tǒng)聯(lián)合部署覆蓋一般基于移動(dòng)自組網(wǎng)來提供無(wú)間隙、多維度的無(wú)線覆蓋.在以無(wú)人機(jī)為例的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署中, 現(xiàn)有工作主要圍繞分布式均勻覆蓋問題展開研究,根據(jù)空–地信道建模推導(dǎo)得到覆蓋概率函數(shù),進(jìn)而計(jì)算完成區(qū)域覆蓋所需的無(wú)人機(jī)數(shù)量[12].而在通信約束條件下, 除無(wú)人機(jī)部署密度、地形視距因素外,還需要考慮實(shí)時(shí)拓?fù)渥兓斐陕窂綋p失、通信能耗和移動(dòng)能耗問題,需聯(lián)合移動(dòng)能耗、功率控制、頻譜接入和部署位置作進(jìn)一步優(yōu)化[13].

與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)通信平臺(tái)以提供無(wú)死角的地域覆蓋為目標(biāo)不同,有/無(wú)人系統(tǒng)的部署問題以地面和空中節(jié)點(diǎn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的無(wú)線鏈路建立為目標(biāo), 具有明顯的區(qū)域異構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性.不同區(qū)域、不同時(shí)刻的地面、空中任務(wù)數(shù)據(jù)量, 對(duì)無(wú)人機(jī)的部署優(yōu)化提出不同需求,如圖1 所示,無(wú)人機(jī)需要根據(jù)任務(wù)的輕重緩急和任務(wù)生成量,對(duì)自身的部署位置進(jìn)行調(diào)整,根據(jù)不同區(qū)域的生成數(shù)據(jù)量和作戰(zhàn)重要性部署和調(diào)度無(wú)人機(jī)[14].

圖1 異構(gòu)分布網(wǎng)絡(luò)中的多無(wú)人機(jī)部署方案Fig.1 Multi-UAV deployment results in heterogeneous distribution networks

所執(zhí)行的任務(wù)需求決定了無(wú)人機(jī)的部署范圍,而空–地傳輸鏈路則決定有/無(wú)人設(shè)備的具體部署位置.無(wú)人機(jī)在部署時(shí)需在保證與地面節(jié)點(diǎn)和其他無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)交互的前提下執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù).無(wú)人機(jī)在執(zhí)行空中探測(cè)任務(wù)時(shí), 為保證與地面有人設(shè)備的信息交互和數(shù)據(jù)共享, 需在空地鏈路暢通的位置部署中繼無(wú)人機(jī).由于并非所有地面節(jié)點(diǎn)都能保持與空中無(wú)人機(jī)的鏈路傳輸, 地面節(jié)點(diǎn)間也需相互連接, 以保證各節(jié)點(diǎn)都能接收到無(wú)人機(jī)反饋的態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù).如圖2 所示, 叢林環(huán)境中, 在密集樹木遮擋導(dǎo)致空–地鏈路不穩(wěn)定時(shí),需要在樹林稀疏區(qū)域部署中繼節(jié)點(diǎn),在空–空和地面之間各建立傳輸鏈路; 在城市環(huán)境中的高樓遮擋容易導(dǎo)致地面存在覆蓋盲區(qū), 除調(diào)整空中無(wú)人機(jī)的部署位置消除盲區(qū)外, 也需在地面節(jié)點(diǎn)處于盲區(qū)時(shí)建立地面節(jié)點(diǎn)間的中繼鏈路; 山地環(huán)境中, 當(dāng)高山阻隔導(dǎo)致無(wú)人機(jī)之間傳輸鏈路受阻時(shí), 則需在地面設(shè)備和無(wú)人機(jī)之間交替進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

圖2 不同環(huán)境下的空地?zé)o人系統(tǒng)組網(wǎng)方案Fig.2 Air-ground collaborative system networking scheme in different environments

2.2 聯(lián)盟指揮控制架構(gòu)

有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)的通信和組網(wǎng)方式?jīng)Q定了指揮與控制的實(shí)施流程, 組網(wǎng)能力決定了網(wǎng)絡(luò)能支撐的系統(tǒng)規(guī)模大小和靈活性.現(xiàn)階段研究主要將有/無(wú)人系統(tǒng)的指揮控制結(jié)構(gòu)分為集中式、分布式和集散式3 種[3],其中集中式結(jié)構(gòu)由有人單元作為控制單元指揮無(wú)人設(shè)備,系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展性較差.分布式結(jié)構(gòu)中有無(wú)人設(shè)備關(guān)系平等, 但對(duì)于無(wú)人設(shè)備的自主可控能力要求較高.集散式結(jié)構(gòu)通過構(gòu)建上層指揮下層、同層分布式共享的分層架構(gòu),發(fā)揮了有人機(jī)指揮控制和無(wú)人機(jī)自主決策的優(yōu)勢(shì)[3].類似地, 文獻(xiàn)[9]將水下有無(wú)人集群的控制結(jié)構(gòu)劃分為星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、融合式結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了集群主節(jié)點(diǎn)不固定的分簇自組織結(jié)構(gòu), 有效提升了集群結(jié)構(gòu)的抗毀性能.基于現(xiàn)有研究,針對(duì)空地協(xié)同的有/無(wú)人傳輸系統(tǒng)特點(diǎn),對(duì)其不同的組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行討論.

集中式控制模型.無(wú)人設(shè)備由其施放的有人任務(wù)單元控制, 多架無(wú)人機(jī)圍繞地面有人設(shè)備的指令進(jìn)行任務(wù)部署, 大規(guī)模的無(wú)人機(jī)部署將使控制難度陡增.另外,集中式控制模型難以兼容和擴(kuò)展至存在多有人設(shè)備的情況.

扁平化自組織模式.無(wú)人設(shè)備通過感知頻譜環(huán)境并與其他設(shè)備交互決策信息來協(xié)調(diào)位置部署、頻譜接入和任務(wù)執(zhí)行.該組網(wǎng)模式下有人設(shè)備與無(wú)人設(shè)備關(guān)系平等,網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能好,但對(duì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的任務(wù)適配能力較弱, 且在大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署條件下組網(wǎng)難度較大.

分簇自組織模式.在分簇模型中,由有人設(shè)備承擔(dān)簇頭任務(wù), 簇頭之間以分布式方式與其他簇頭共享頻譜資源, 而簇內(nèi)成員的通信資源可以由簇頭分配.分簇模型能有效減輕大規(guī)模節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的復(fù)雜度,也便于有/無(wú)人系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分解.

傳統(tǒng)以指定有人設(shè)備為簇頭的單簇頭組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活性不足,抗打擊能力弱,難以適用于多無(wú)人設(shè)備和有人設(shè)備共存的有/無(wú)人系統(tǒng).基于此,面向任務(wù)驅(qū)動(dòng)的聯(lián)盟組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)能更靈活地應(yīng)對(duì)不同環(huán)境帶來的挑戰(zhàn).

與分簇架構(gòu)中每個(gè)簇由指定的有人設(shè)備承擔(dān)簇頭任務(wù)不同, 聯(lián)盟架構(gòu)中的單個(gè)聯(lián)盟可能同時(shí)包含多個(gè)有人設(shè)備.如圖3 所示,當(dāng)空–地鏈路被遮擋或地面部隊(duì)形成若干作戰(zhàn)分隊(duì)時(shí), 多個(gè)地面節(jié)點(diǎn)可與多無(wú)人機(jī)形成同一聯(lián)盟.聯(lián)盟頭可由通信效果最好或指揮權(quán)限最高的地面節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé), 包括任務(wù)的下達(dá)和無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知信息的廣播共享.聯(lián)盟組網(wǎng)提升了系統(tǒng)的重組性和抗毀能力.有人設(shè)備間可以切換聯(lián)盟頭角色.且設(shè)備間可根據(jù)指令任務(wù)引導(dǎo)、作戰(zhàn)任務(wù)需求引導(dǎo)完成聯(lián)盟的分裂和融合.

圖3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的空地協(xié)同有人–無(wú)人聯(lián)盟組網(wǎng)架構(gòu)Fig.3 Mission-driven air-ground collaborative manned-unmanned coalition networking architecture

指揮引導(dǎo).任務(wù)的匯合和拆分將導(dǎo)致無(wú)人機(jī)聯(lián)盟的合并與分解.如果任務(wù)間具有交叉或者較相似,任務(wù)指揮者之間通過交互信息, 作出聯(lián)盟間合并和分解的決策.聯(lián)盟頭達(dá)成協(xié)議之后,聯(lián)盟成員選擇是否加入或者離開聯(lián)盟.

任務(wù)引導(dǎo).聯(lián)盟頭得到無(wú)人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行過程中反饋的實(shí)時(shí)情報(bào)或數(shù)據(jù)后, 可對(duì)無(wú)人機(jī)聯(lián)盟進(jìn)行任務(wù)的重新規(guī)劃,以此導(dǎo)致聯(lián)盟的重新組合,以保障與指揮系統(tǒng)的可靠連接.

應(yīng)急情況.當(dāng)有/無(wú)人系統(tǒng)遭受環(huán)境惡劣變化或者部分任務(wù)通信中斷時(shí), 無(wú)人設(shè)備將向周圍發(fā)送安全信息, 確保其與周圍無(wú)人和有人設(shè)備的安全距離與飛行軌跡,并組成臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò),保證其與有人設(shè)備之間的基本通信.

2.3 頻譜協(xié)調(diào)共享

在任務(wù)聯(lián)盟形成條件下, 不同聯(lián)盟的有/無(wú)人設(shè)備需根據(jù)聯(lián)盟所需執(zhí)行任務(wù)靈活進(jìn)行資源分配.頻譜資源的有效利用是保證分布式無(wú)線節(jié)點(diǎn)大規(guī)模組網(wǎng)的基礎(chǔ), 隨著系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸需求的增加, 緊缺的頻譜資源和大容量傳輸需求將形成矛盾狀態(tài).有/無(wú)人系統(tǒng)在遂行特殊任務(wù)時(shí),復(fù)雜電磁環(huán)境中的嚴(yán)重噪聲和干擾使有/無(wú)人系統(tǒng)通信組網(wǎng)性能難以保證.在可用頻譜資源受限條件下,有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)內(nèi)需進(jìn)行有效的頻率復(fù)用, 并基于認(rèn)知無(wú)線電中動(dòng)態(tài)頻譜接入理論方法, 提高系統(tǒng)頻譜利用率與組網(wǎng)通信成功率.

因此,需設(shè)計(jì)合理的資源分配方案,解決有/無(wú)人系統(tǒng)頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)調(diào)問題, 包括聯(lián)盟間的頻譜共享和聯(lián)盟內(nèi)的頻譜接入.聯(lián)盟間頻譜共享包括網(wǎng)間集中式和分布式頻譜共享, 在復(fù)雜環(huán)境以分布式共享方式為主.相關(guān)的無(wú)人集群頻譜資源分配問題中, 部分文獻(xiàn)通過建立博弈框架和混合整數(shù)規(guī)劃模型,研究了信道干擾、功率分配和時(shí)頻資源調(diào)度等問題[15?17];對(duì)于聯(lián)盟內(nèi)頻譜接入問題,可實(shí)行類似簇頭集中控制的方式[18], 對(duì)聯(lián)盟內(nèi)傳輸設(shè)備所需資源統(tǒng)籌劃分, 然而考慮無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)和任務(wù)異構(gòu)需求特性,如何設(shè)計(jì)合理的動(dòng)態(tài)接入?yún)f(xié)議, 實(shí)現(xiàn)頻譜接入與任務(wù)需求的適配更具意義[19].聯(lián)盟間頻譜共享和聯(lián)盟內(nèi)頻譜接入的研究應(yīng)具備以下突破.

聯(lián)盟間頻譜共享.有/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)由任務(wù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)備間的聯(lián)盟組網(wǎng), 不同規(guī)模的聯(lián)盟將承擔(dān)不同的信息反饋和數(shù)據(jù)共享任務(wù).需針對(duì)聯(lián)盟承擔(dān)任務(wù)的異構(gòu)性、聯(lián)盟飛行環(huán)境和隊(duì)形結(jié)構(gòu)的高速動(dòng)態(tài)性, 對(duì)不同任務(wù)下無(wú)人機(jī)聯(lián)盟間有限的頻譜資源進(jìn)行合理分配.考慮到有/無(wú)人系統(tǒng)的分布式特性[15],資源分配過程中涉及到不同聯(lián)盟頭之間的信息交互.而由于任務(wù)和環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性, 系統(tǒng)頻繁地切換信道會(huì)造成的吞吐量下降以及能量開銷, 需設(shè)計(jì)相應(yīng)的無(wú)人機(jī)聯(lián)盟頻譜動(dòng)態(tài)分配算法, 優(yōu)化業(yè)務(wù)信息共享.

圖4 基于聯(lián)盟架構(gòu)的頻譜資源共享Fig.4 Coalition-based spectrum resource sharing

聯(lián)盟內(nèi)頻譜接入.有/無(wú)人系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中由于個(gè)體性能差異、分工差異、優(yōu)先級(jí)差異,會(huì)導(dǎo)致用頻需求的異構(gòu)特性, 應(yīng)考慮有限資源與任務(wù)指標(biāo)的匹配,設(shè)計(jì)分布式動(dòng)態(tài)接入?yún)f(xié)議.針對(duì)聯(lián)盟內(nèi)部通信樣式、通信結(jié)構(gòu)與聯(lián)盟成員個(gè)體效能存在的耦合關(guān)系,分析節(jié)點(diǎn)數(shù)目與密度、流量分布等與接入性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,需研究相對(duì)穩(wěn)定的MAC 接入?yún)f(xié)議、自主參數(shù)調(diào)整與協(xié)議切換條件, 避免數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生碰撞,實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的自主信道接入控制.

2.4 數(shù)據(jù)多模傳輸

無(wú)人設(shè)備除需執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù), 也需為有人設(shè)備提供可靠的態(tài)勢(shì)信息, 協(xié)助有人設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享.由于空中無(wú)人機(jī)有別于地面通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,有/無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸呈現(xiàn)多種方式,包括數(shù)據(jù)中繼、數(shù)據(jù)運(yùn)載、多跳路由和數(shù)據(jù)匯聚等[20].

圖5 多種數(shù)據(jù)協(xié)同傳輸模式Fig.5 Multiple data cooperative transmission modes

實(shí)時(shí)中繼.當(dāng)傳輸鏈路的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí), 處于鏈路中間的節(jié)點(diǎn)可以提供實(shí)時(shí)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù), 相關(guān)技術(shù)與現(xiàn)有的地面中繼技術(shù)類似[21], 包括放大轉(zhuǎn)發(fā)和編碼轉(zhuǎn)發(fā)等的半雙工模式和多天線下的全雙工模式等.而多節(jié)點(diǎn)的有人–無(wú)人設(shè)備組網(wǎng),給中繼傳輸研究帶來了包括多無(wú)人機(jī)中繼選擇、多跳中繼選擇和移動(dòng)中繼調(diào)整等新問題.

延時(shí)運(yùn)載.針對(duì)廣域作戰(zhàn)、節(jié)點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致的實(shí)時(shí)傳輸效率低下問題, 無(wú)人機(jī)可以利用其移動(dòng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì), 通過數(shù)據(jù)攜帶的方式從發(fā)射端將數(shù)據(jù)運(yùn)載到接收機(jī).運(yùn)載傳輸過程中涉及到數(shù)據(jù)上傳和卸載的時(shí)間分配、無(wú)人機(jī)軌跡調(diào)整等問題,相關(guān)研究可應(yīng)用于對(duì)傳輸時(shí)延不敏感的需求場(chǎng)景, 如階段性的數(shù)據(jù)反饋和數(shù)據(jù)采集等.

多跳路由.受到頻譜環(huán)境的影響,物理層的中繼傳輸在多跳情況下容易造成較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)包丟失.因此,在大規(guī)?？盏貐f(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)中,不同聯(lián)盟、不同子網(wǎng)聯(lián)盟或相距很遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí), 需在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)多跳路由, 即通過若干節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).在聯(lián)盟架構(gòu)下,可針對(duì)資源稀缺與環(huán)境動(dòng)態(tài)等特征,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)與任務(wù)需求,自主調(diào)整聯(lián)盟骨干節(jié)點(diǎn)的數(shù)目并進(jìn)行選舉,實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟間的穩(wěn)定路由.

數(shù)據(jù)匯聚.由于聯(lián)盟組網(wǎng)的異構(gòu)分布特性,處于網(wǎng)絡(luò)邊緣位置的設(shè)備, 可將其數(shù)據(jù)提前轉(zhuǎn)發(fā)給優(yōu)勢(shì)位置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā), 多個(gè)節(jié)點(diǎn)可形成如前文所述的數(shù)據(jù)聯(lián)盟, 由聯(lián)盟頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的上報(bào)與下達(dá).數(shù)據(jù)匯聚有利于資源的整合與高效傳輸.

3 研究需求和挑戰(zhàn)

3.1 優(yōu)化需求

上述空地有/無(wú)人系統(tǒng)中聯(lián)合部署建鏈、聯(lián)盟指揮控制架構(gòu)、頻譜協(xié)調(diào)共享、數(shù)據(jù)多模傳輸?shù)妊芯可婕暗讲煌膬?yōu)化問題.具體而言,聯(lián)合部署建鏈需解決空–地和空–空信道建模、基于異構(gòu)業(yè)務(wù)部署、通控聯(lián)合優(yōu)化等問題; 聯(lián)盟指揮控制架構(gòu)需解決系統(tǒng)任務(wù)適配、鄰域信息交互和指揮控制信令分發(fā)等問題;頻譜協(xié)調(diào)共享需解決頻譜態(tài)勢(shì)感知、頻譜預(yù)測(cè)、頻譜接入、頻譜資源分配等問題;數(shù)據(jù)多模傳輸需解決節(jié)點(diǎn)選擇、傳輸模式切換和傳輸功率調(diào)整等問題.在針對(duì)不同問題設(shè)計(jì)優(yōu)化方法時(shí), 需有效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)和未知的環(huán)境帶來的影響,滿足分布式、魯棒性、動(dòng)態(tài)適變和可擴(kuò)展性的優(yōu)化要求.

分布式.現(xiàn)有傳輸優(yōu)化的相關(guān)工作大多基于集中式預(yù)先規(guī)劃模型.由于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性、無(wú)人機(jī)傳輸能力受限以及任務(wù)的多樣性, 現(xiàn)有的集中式傳輸優(yōu)化方法較難應(yīng)用于自組織傳輸?shù)膬?yōu)化模型中.若采用集中控制器進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算和資源劃分將消耗巨大能量.

魯棒性.如前所述,有/無(wú)人系統(tǒng)將具有多重復(fù)雜的環(huán)境因素和傳輸約束, 如異構(gòu)傳輸任務(wù)需求、節(jié)點(diǎn)間互擾和拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等.系統(tǒng)在決策過程中所獲得的決策信息可能存在不完整或被噪聲干擾等情況.因此, 所設(shè)計(jì)決策方案應(yīng)具有魯棒性, 以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境通信網(wǎng)絡(luò)中不完全、不確定和差錯(cuò)信息帶來的挑戰(zhàn).

動(dòng)態(tài)適變.系統(tǒng)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化將對(duì)決策優(yōu)化速度提出更高要求.無(wú)人機(jī)可能在任務(wù)執(zhí)行過程中改變其飛行路徑, 在這種情況下若傳輸策略無(wú)法在既定響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成,那所得決策結(jié)果將無(wú)意義.快速?zèng)Q策不僅可以克服動(dòng)態(tài)擾動(dòng)帶來的負(fù)面影響, 還可以通過對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境、設(shè)備移動(dòng)軌跡的快速預(yù)測(cè),對(duì)其加以利用以改善傳輸性能.

可擴(kuò)展性.與稀疏節(jié)點(diǎn)部署系統(tǒng)不同,自主決策優(yōu)化方案應(yīng)具備可擴(kuò)展到無(wú)人設(shè)備大規(guī)模、密集部署網(wǎng)絡(luò)中的能力.自主傳輸優(yōu)化方案應(yīng)具備算法的可延伸和遷移性.

3.2 優(yōu)化方法

針對(duì)空地協(xié)同的有/無(wú)人系統(tǒng)面臨的任務(wù)環(huán)境多樣性和復(fù)雜性, 可設(shè)計(jì)聯(lián)合離線知識(shí)生成和在線認(rèn)知決策的知識(shí)輔助認(rèn)知優(yōu)化方法.在大數(shù)據(jù)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支持下, 控制器可基于歷史和綜合仿真模型學(xué)習(xí)不同環(huán)境下的優(yōu)化策略.生成不同場(chǎng)景的環(huán)境模板和決策參數(shù), 然后將其配置到云端數(shù)據(jù)庫(kù)或各個(gè)終端中.在實(shí)時(shí)通信中,無(wú)人和有人設(shè)備感知周圍環(huán)境態(tài)勢(shì)并將其用于自身的決策基礎(chǔ).預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并向指揮控制器報(bào)告決策數(shù)據(jù).指揮控制器將當(dāng)前環(huán)境參數(shù)輸入離線學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模式,學(xué)習(xí)獲得決策方案.有/無(wú)人系統(tǒng)從控制器接收到指令后, 將根據(jù)離線策略及其自身的感知結(jié)果綜合進(jìn)行決策.最終傳輸結(jié)果也將報(bào)告數(shù)據(jù)中心,以補(bǔ)充知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù).

在策略更新的過程中,博弈論、機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化理論可以提供強(qiáng)大的理論和算法設(shè)計(jì)指導(dǎo).其中,通過學(xué)習(xí)環(huán)境和過去的經(jīng)驗(yàn)來提高系統(tǒng)整體的優(yōu)化性能, 機(jī)器學(xué)習(xí)可以被用來設(shè)計(jì)和優(yōu)化大規(guī)模場(chǎng)景下的通信系統(tǒng).博弈論[22]作為分布式資源優(yōu)化的重要理論工具, 將為有/無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的分布式建模和優(yōu)化提供理論保障.

4 結(jié)論

針對(duì)空地協(xié)同的有/無(wú)人系統(tǒng)面臨的復(fù)雜環(huán)境和頻譜態(tài)勢(shì), 討論了任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的有/無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的自主傳輸技術(shù),分析了城市、山地、叢林等不同的典型任務(wù)場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)通信組網(wǎng)帶來的影響, 研究包絡(luò)聯(lián)合部署建鏈、聯(lián)盟指揮控制架構(gòu)、頻譜協(xié)調(diào)共享、數(shù)據(jù)多模傳輸在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)問題.最后探討了空地協(xié)同的有/無(wú)人通信系統(tǒng)資源優(yōu)化趨勢(shì)和可行的優(yōu)化方法.