黃 巍，陳俊良，李猶海

(1.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐成都地區(qū)第二軍事代表室,成都 610041；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局,重慶 400060;3.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

0 引 言

在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，多架無(wú)人機(jī)的協(xié)同應(yīng)用相比單個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具備生存性和擴(kuò)展性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)可交互等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也不可避免地存在一些亟待解決的問(wèn)題，其中最典型的就是無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的協(xié)同通信問(wèn)題。如何設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展中需要的高性能、高可靠性通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)更是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

美軍在21世紀(jì)初公布的無(wú)人系統(tǒng)路線圖中將無(wú)人機(jī)規(guī)劃為未來(lái)全球信息柵格中的重要節(jié)點(diǎn)，并指出無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)將會(huì)是未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)的發(fā)展方向[1]。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)正是基于此種背景下被提出，它在無(wú)人機(jī)協(xié)同通信中引入移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)和車載自組網(wǎng)(Vehicle Ad Hoc Network，VANET)的概念[2]，使網(wǎng)絡(luò)中無(wú)人機(jī)能夠采集態(tài)勢(shì)信息并將其傳遞到主控機(jī)，同時(shí)還能傳輸控制指令以提供安全可靠且抗擊打能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信，極大提高了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用前景。

已有的無(wú)人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)并非完全依賴地面控制站，而是由無(wú)人機(jī)自發(fā)地組織起通信網(wǎng)絡(luò)，將采集到的情報(bào)信息、態(tài)勢(shì)感知以及數(shù)據(jù)指令等消息相互傳遞共享。在該自組織網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均作為終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到信息共享的目的。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可自由入網(wǎng)和退網(wǎng)，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響，使得無(wú)人機(jī)群有著較強(qiáng)的自修復(fù)能力。

1 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)是移動(dòng)自組網(wǎng)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用，其不同于普通移動(dòng)自組網(wǎng)，主要體現(xiàn)在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)的過(guò)程中不受地形干擾，且其速度一般比傳統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)要快很多。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用分布式控制，優(yōu)點(diǎn)在于路由選擇是由網(wǎng)絡(luò)中的少量節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，這樣既減少了節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)信息交換，又克服了路由控制過(guò)于集中的缺點(diǎn)。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浜吞匦钥梢苑譃槠矫娼Y(jié)構(gòu)和分簇結(jié)構(gòu)。在平面結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)魯棒性和安全性較高，但擴(kuò)展性較弱，適用于小型規(guī)模的自組網(wǎng)；在分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性較強(qiáng)，更適用于大規(guī)模無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)。

1.1 平面結(jié)構(gòu)

平面結(jié)構(gòu)又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)差別，在能量分配、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由選擇等方面都是相同的，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于該無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限、分布簡(jiǎn)單使該網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的魯棒性和較高的安全性，信道間干擾小。然而，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的路由表和任務(wù)信息隨之增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨之增加，系統(tǒng)控制開(kāi)銷陡然增大，使系統(tǒng)難以控制并且容易崩潰。因此，該平面結(jié)構(gòu)無(wú)法同時(shí)存在大量節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致其可擴(kuò)展性差，只適用于小規(guī)模的自組網(wǎng)。

圖1 平面結(jié)構(gòu)

1.2 分簇結(jié)構(gòu)

分簇結(jié)構(gòu)是根據(jù)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)功能不同將其劃為若干個(gè)不同的子網(wǎng)絡(luò)。在每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中，選出一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其功能是作為該子網(wǎng)絡(luò)的指令控制中心，用于連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)。分簇結(jié)構(gòu)內(nèi)各子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)互相連接可互相通信，非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間的信息交換既可通過(guò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行也可以直接進(jìn)行通信。整個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了分簇網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)節(jié)點(diǎn)配置不同，可以進(jìn)一步分為單頻分簇和多頻分簇。

1.2.1 單頻分簇

如圖2所示，在單頻分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中存在簇頭/非簇頭節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)/分布式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共四類節(jié)點(diǎn)，骨干鏈路由簇頭與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。各節(jié)點(diǎn)用相同頻率進(jìn)行通信，組網(wǎng)形式簡(jiǎn)單、迅速，頻帶利用率也更高。然而，這種網(wǎng)絡(luò)易存在資源受限的情形，比如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)增大時(shí)易出現(xiàn)信道間的串?dāng)_。為了避免同頻干擾造成任務(wù)執(zhí)行的失敗，在較大規(guī)模的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中，各簇半徑近似時(shí)應(yīng)避免使用該結(jié)構(gòu)。

圖2 單頻分簇結(jié)構(gòu)

1.2.2 多頻分簇

與單頻分簇一層一個(gè)簇不同的是，多頻分簇包含若干個(gè)層，層內(nèi)包含若干個(gè)簇。在分簇網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分為不同的多個(gè)簇，簇內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)根據(jù)級(jí)別的不同分為簇頭節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)，并分配不同通信頻率。在簇內(nèi)，成員節(jié)點(diǎn)承擔(dān)任務(wù)簡(jiǎn)單，不會(huì)大幅增加網(wǎng)絡(luò)路由開(kāi)銷，但簇頭節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行簇內(nèi)管理，有較復(fù)雜的路由信息需要維護(hù)，消耗能量大。類似地，通信覆蓋能力也是根據(jù)節(jié)點(diǎn)級(jí)別不同而有所區(qū)別，級(jí)別越高，覆蓋能力越大。另一方面，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)屬于兩個(gè)級(jí)別時(shí)，表明該節(jié)點(diǎn)需使用不同頻率來(lái)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，因此頻率數(shù)與任務(wù)數(shù)相同。

具體的多頻分簇結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)中，簇頭與簇內(nèi)其他成員以及其他層簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信，各層通信互不干擾。這種結(jié)構(gòu)適用于大規(guī)模無(wú)人機(jī)之間的自組網(wǎng)，相比單簇結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性更好，所搭負(fù)載也更高，也可以處理更復(fù)雜的數(shù)據(jù)。然而，因?yàn)榇仡^節(jié)點(diǎn)需要處理大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能量消耗相比其他簇節(jié)點(diǎn)也更快，故而網(wǎng)絡(luò)壽命比單頻分簇結(jié)構(gòu)更短。此外，分簇網(wǎng)絡(luò)中每一層簇頭節(jié)點(diǎn)的選取不是固定不變的，任何節(jié)點(diǎn)都可以稱為簇頭。對(duì)某一節(jié)點(diǎn)而言，能否成為簇頭，需依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)決定是否要啟動(dòng)分簇機(jī)制。因此，網(wǎng)絡(luò)的分簇算法在分簇網(wǎng)絡(luò)中有著重要作用。

圖3 多頻分簇結(jié)構(gòu)

2 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議層次模型

2.1 協(xié)議分層模型

無(wú)人機(jī)ad hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比其工作環(huán)境更加復(fù)雜，因此無(wú)人機(jī)組網(wǎng)所選用的技術(shù)也不同，這種不同最直觀的差異在于協(xié)議體系架構(gòu)上。通常開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open Systerm Interconnection Reference Model,OSI)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)包含應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層這五層協(xié)議棧。然而，現(xiàn)有的不論單機(jī)作戰(zhàn)還是多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式中，無(wú)人機(jī)之間信息交互的重點(diǎn)是點(diǎn)到點(diǎn)通信，通信網(wǎng)絡(luò)更多的是采用三層網(wǎng)絡(luò)模式，即應(yīng)用層、鏈路層和物理層[3]。然而，對(duì)于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，一方面，無(wú)中心和自組織的網(wǎng)絡(luò)特性使得要考慮更為復(fù)雜的組網(wǎng)問(wèn)題，機(jī)間通信的要求也更高，不能只簡(jiǎn)單考慮原有協(xié)議模型，而需要利用更高層次協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)通信；另一方面，由于無(wú)人機(jī)的高速移動(dòng)和不斷變化的通信距離更會(huì)引起鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定不能保證點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的低丟包率、誤碼率的信息傳輸，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)銷增大。為解決上述問(wèn)題，當(dāng)前無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)大多采用包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的四層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)[4]，有的還根據(jù)需要仍然在應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間保留傳輸層。其協(xié)議分層模型如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議分層模型

2.2 網(wǎng)絡(luò)各層功能描述

結(jié)合無(wú)人機(jī)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中的實(shí)際應(yīng)用，下面將針對(duì)圖4介紹各層的主要功能。

作為無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議分層模型的最高層，應(yīng)用層將直接為用戶的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。比如，在無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)中，將會(huì)根據(jù)當(dāng)前各作戰(zhàn)平臺(tái)的作戰(zhàn)任務(wù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息、遙控、遙測(cè)等具有實(shí)際意義的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的通信需求使得協(xié)議棧在各層網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)調(diào)工作[5]。

傳輸層實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的端到端投遞，其封裝信息的基本單位是報(bào)文段。傳輸層協(xié)議可以進(jìn)一步分為無(wú)連接和面向連接兩類:前者簡(jiǎn)單地通過(guò)端口區(qū)分不同的應(yīng)用；后者通過(guò)三次握手建立連接，并通過(guò)擁塞控制、流量控制、自動(dòng)重傳等差錯(cuò)控制策略實(shí)現(xiàn)報(bào)文段的有序、可靠投遞。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由轉(zhuǎn)發(fā)與網(wǎng)絡(luò)管理。具體而言，該層將數(shù)據(jù)打包、封裝，并以數(shù)據(jù)包或者分組形式在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分發(fā)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸目的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否同步以及安全，完成節(jié)點(diǎn)的入退網(wǎng)管理。

數(shù)據(jù)鏈路層將上層傳輸下來(lái)的信息封裝成幀，對(duì)信道進(jìn)行公平分配，在相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信[6]。數(shù)據(jù)鏈路層可對(duì)網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)中的重要信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以滿足網(wǎng)絡(luò)的傳輸需求。

物理層通過(guò)對(duì)信道傳輸信息進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)以及信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，并完成數(shù)據(jù)在相鄰節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸[7]。

3 自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 MAC協(xié)議

MAC層對(duì)自組網(wǎng)的性能有著決定性作用，它通過(guò)對(duì)信道上分組進(jìn)行收發(fā)來(lái)解決多數(shù)自組網(wǎng)中普遍存在的終端暴露、隱藏以及公平性問(wèn)題[8]。然而，對(duì)于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)而言，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)具有高速的移動(dòng)性，并且通信距離時(shí)常變化，這些容易造成鏈路頻繁波動(dòng)，不利于無(wú)人機(jī)間通信組網(wǎng)，尤其是網(wǎng)絡(luò)中存在優(yōu)先級(jí)高、需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔r(shí)，更是給MAC層控制帶來(lái)了挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)主要根據(jù)不同信道的接入方法可以分為兩大類，即基于競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議和基于調(diào)度類MAC層協(xié)議[9]，具體如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC協(xié)議分類

(1)基于競(jìng)爭(zhēng)類MAC協(xié)議

包括隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)以及預(yù)留競(jìng)爭(zhēng)在內(nèi)的這兩種競(jìng)爭(zhēng)方式都是以競(jìng)爭(zhēng)類為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議的主要組成部分。但是采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)這種方式的MAC協(xié)議會(huì)導(dǎo)致在傳輸時(shí)產(chǎn)生碰撞概率很高的問(wèn)題，這會(huì)使得在傳輸過(guò)程中，傳輸?shù)某晒β室约皩?duì)信道的利用效率會(huì)隨著流量的增長(zhǎng)而下降，因此往往會(huì)選擇以IEEE 802.11 DCF為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議。在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中，最先采用的是 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)[10]。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常用于 MANET 的 MAC 層設(shè)計(jì)；此外，它也是大部分無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在研究路由協(xié)議時(shí)的首選。不過(guò)，雖然隱藏終端的問(wèn)題可以使用RTS/CTS機(jī)制進(jìn)行解決，但是該協(xié)議的性能卻受到航空環(huán)境中傳播延遲的嚴(yán)重影響。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一個(gè)可自行重構(gòu)的IEEE 802.11s mesh無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)地面節(jié)點(diǎn)共同組成，并且通過(guò)實(shí)際的人機(jī)飛行軌道實(shí)驗(yàn)證明了IEEE 802.11s這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案完全是合理的。文獻(xiàn)[12]在單跳無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)絡(luò)的MAC層將每個(gè)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行建模后成為一個(gè)以IEEE 802.11 DCF模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分組排隊(duì)系統(tǒng)，從而可以獲得平均衰落時(shí)延，并且在衰落信道的條件下對(duì)非飽和流量數(shù)據(jù)分組的平均時(shí)延性進(jìn)行了數(shù)值統(tǒng)計(jì)和測(cè)量分析。

(2)基于調(diào)度類MAC協(xié)議

基于調(diào)度協(xié)議類型的MAC協(xié)議主要可以分為基于輪替節(jié)點(diǎn)接入和基于固定節(jié)點(diǎn)接入這兩類，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度資源的預(yù)先規(guī)劃來(lái)有效的確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信調(diào)度需求。由于系統(tǒng)使用了沖突避免的預(yù)規(guī)劃處理方式，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載負(fù)擔(dān)較重時(shí)依然能夠保證一定的數(shù)據(jù)吞吐量和高速時(shí)延處理性能，但是卻無(wú)法滿足高優(yōu)先級(jí)突發(fā)事件業(yè)務(wù)的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)需求。

令牌環(huán)作為輪替接入的一種常用方式，在眾多研究中得到了應(yīng)用。在文獻(xiàn)[13]中，一類MAC層令牌協(xié)議被提出，該協(xié)議采用全雙工和多分組方式可有效消除信息碰撞；此外，在不完全信道信息狀態(tài)下驗(yàn)證了MAC層協(xié)議的有效性。在文獻(xiàn)[14]中，針對(duì)具有感知能力的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，作者為解決隱藏節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)傳輸、碼元分配等問(wèn)題，提出了使用令牌循環(huán)的方法。該方法經(jīng)過(guò)理論分析與驗(yàn)證后，表明在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載較大時(shí)依舊可以解決相關(guān)問(wèn)題。針對(duì)無(wú)線通信的無(wú)人機(jī)編隊(duì)，韓海艷等[15]為了使協(xié)議性能提高，在固定的TDMA協(xié)議中引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，然而這種引入機(jī)制仍然存在一定的優(yōu)化空間。

3.1.2 MAC層中優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的分類管理

無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中通常是通過(guò)簇內(nèi)一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸與處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信。在無(wú)人機(jī)間通信中，無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型可以根據(jù)優(yōu)先程度劃分為N個(gè)等級(jí)；同時(shí)，在此過(guò)程中，每個(gè)無(wú)人機(jī)間數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率是隨機(jī)的，服從泊松分布。進(jìn)而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流實(shí)現(xiàn)了從應(yīng)用層到MAC層的傳輸，然后按照優(yōu)先級(jí)因子的排序?qū)I(yè)務(wù)流進(jìn)行分類和幀封裝來(lái)等待傳輸。等待的過(guò)程實(shí)際上就是時(shí)隙分配過(guò)程，圖6給出了具體的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度圖。另一方面，由圖7可知，當(dāng)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列傳輸?shù)組AC層時(shí)，會(huì)優(yōu)先進(jìn)入隊(duì)列調(diào)度緩存去，然后設(shè)置信道為單通道傳輸模式。緩存區(qū)的容量通常設(shè)置為K，該容量包含由緩存區(qū)A和B兩部分組成，這樣緩存區(qū)中的隊(duì)列模式將為M/M/1/K模型，利用此種模型來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的傳輸。

圖6 隊(duì)列調(diào)度模塊圖

圖7 M/M/1/K 排隊(duì)模型

3.2 路由關(guān)鍵技術(shù)

由于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)存在能量受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁、鏈路易斷裂等問(wèn)題，早期的路由協(xié)議已難以滿足無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的各種性能需求。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了各種優(yōu)化方案。

文獻(xiàn)[16]結(jié)合了貪婪轉(zhuǎn)發(fā)以及泛洪路由這兩種策略，并在利用兩種常見(jiàn)的自組網(wǎng)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種新的自組網(wǎng)路由協(xié)議。該協(xié)議利用混沌粒子群優(yōu)化算法對(duì)因?yàn)樨澙忿D(zhuǎn)發(fā)而產(chǎn)生的次優(yōu)選擇問(wèn)題進(jìn)行了有效的優(yōu)化，并且采用了基于距離的有限泛洪算法，對(duì)能耗問(wèn)題以及網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題進(jìn)行了處理。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的路由協(xié)議相比，該協(xié)議有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

由于平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議的性能會(huì)隨著無(wú)人機(jī)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而降低，因此針對(duì)這種情況，文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種分層路由協(xié)議ENC-AODV(Energy and Node degree Weighted Clustering AODV)。考慮節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的剩余能量這兩方面的因素，選擇穩(wěn)定性最好的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，并周期性地進(jìn)行節(jié)點(diǎn)簇頭維護(hù)，使網(wǎng)絡(luò)中的能量維持在一個(gè)均衡狀態(tài)，防止大量的路由控制消息擴(kuò)散，從而減小路由開(kāi)銷，并且可以增加網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。仿真結(jié)果表明提出的協(xié)議面對(duì)大規(guī)模無(wú)人機(jī)組網(wǎng)有更好的性能。

Leonov等人[18]以蟻群和蜂群算法為參考，提出了聚類算法來(lái)完成高負(fù)載無(wú)人機(jī)之間的組網(wǎng)和通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高負(fù)載的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，提出的聚類算法的性能要明顯優(yōu)于現(xiàn)有的各種算法。但由于該算法對(duì)無(wú)人機(jī)計(jì)算能力要求高，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景范圍非常有限。

文獻(xiàn)[19]考慮了鏈路的壽命、相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)目以及路由的開(kāi)銷等因素，對(duì)AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，并且可以尋找剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由修復(fù)。文獻(xiàn)[20]考慮了節(jié)點(diǎn)的方向以及速度等方面，提出了AOMDV路由協(xié)議優(yōu)化算法，可以增加節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量并且有效降低路由的成本和延遲。不過(guò)由于該模型對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行速度要求太高，而且要求無(wú)人機(jī)的計(jì)算能力很強(qiáng)，因此不符合無(wú)人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

文獻(xiàn)[21]利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Wavelet Neural Netwok,WNN)預(yù)測(cè)模型對(duì)鏈路的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，通過(guò)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的擁塞情況對(duì)AODV協(xié)議進(jìn)行了有效的改進(jìn)，并且利用有效的預(yù)測(cè)降低了網(wǎng)絡(luò)中的延遲，提高了數(shù)據(jù)包的傳輸效率，減少了無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生的不良影響。但是由于該算法的預(yù)測(cè)模型十分復(fù)雜，而且沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)能量方面的因素，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用到無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中，所以其實(shí)用性很差。

文獻(xiàn)[22]采用高斯馬爾科夫模型對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)的速度以及節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并且提出了MP-GPSR協(xié)議；此外，為了提高鏈路的穩(wěn)定性，還考慮了LLT因素。文獻(xiàn)[23]針對(duì)GPSR協(xié)議無(wú)法精確預(yù)測(cè)相鄰節(jié)點(diǎn)位置的問(wèn)題，提出了一種自適應(yīng)的信標(biāo)方案ABPP，不僅可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)所在位置，還可以對(duì)信標(biāo)的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3 無(wú)線資源管理

目前，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)規(guī)模日漸增大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速變化，導(dǎo)致了信道帶寬資源嚴(yán)重受限、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問(wèn)題。傳統(tǒng)的資源管理協(xié)議不能滿足無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的需求，因此進(jìn)行合理的資源分配提高信道利用率變得至關(guān)重要。針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的資源管理技術(shù)，許多機(jī)構(gòu)與學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究與實(shí)驗(yàn)。

文獻(xiàn)[24]針對(duì)基于OFDMA的無(wú)人機(jī)群通信鏈路資源分配中系統(tǒng)容量與用戶公平度之間的矛盾，提出了一種新的資源分配算法。該算法主要由子載波分配和功率分配兩部分組成：在子載波分配過(guò)程中，每個(gè)子載波等功率分配，通過(guò)設(shè)置公平度門限確保在最大化系統(tǒng)容量時(shí)兼顧用戶公平度；在用戶功率分配過(guò)程中，采用基于灰狼算法的功率尋優(yōu)策略，通過(guò)全局搜索實(shí)現(xiàn)用戶間的功率分配。仿真結(jié)果表明，該方法具有較好的穩(wěn)健性與尋優(yōu)能力，即使在用戶數(shù)較多的情況下仍然能夠在最大化系統(tǒng)容量的同時(shí)具有較高的用戶公平度，并且還可通過(guò)設(shè)置公平度門限的大小靈活地調(diào)整系統(tǒng)容量與用戶公平度之間的關(guān)系。

文獻(xiàn)[25]通過(guò)考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的不確定傳輸速率問(wèn)題，采用魯棒優(yōu)化求解，基于不同的不確定集提出了三種資源調(diào)度魯棒優(yōu)化模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了所提模型的有效性。文獻(xiàn)[26]研究了信道不確定狀態(tài)下的分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線資源分配方案，提出了一種分布式魯棒資源分配方案，可以有效抑制不確定信道狀態(tài)下用戶收益減少的問(wèn)題，具有較快的收斂速度與較好的性能。文獻(xiàn)[27]研究了保密無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問(wèn)題，通過(guò)考慮不確定信道狀態(tài)的影響，提出了一種魯棒資源分配方案，該方案在最壞情況下可以實(shí)現(xiàn)保密性能的最優(yōu)化。

文獻(xiàn)[28]提出了一種3D無(wú)人機(jī)部署和資源分配優(yōu)化算法，分別對(duì)3D無(wú)人機(jī)的部署位置、用戶的關(guān)聯(lián)情況以及無(wú)人機(jī)的傳輸功率進(jìn)行了優(yōu)化，使得關(guān)聯(lián)用戶數(shù)目以及傳輸功率的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際效益最大化，同時(shí)確保用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)可以滿足閾值。

文獻(xiàn)[29]研究了無(wú)人機(jī)輔助時(shí)延敏感的無(wú)線傳感數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，為了讓無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可以自主和分布式地選擇信道，設(shè)計(jì)了分布式信道選擇算法；同時(shí)建立了隨機(jī)信道選擇博弈模型，最小化系統(tǒng)時(shí)延。仿真證明了分布式信道選擇算法可以確保收斂到隨機(jī)信道選擇博弈的純策略納什均衡點(diǎn)。

文獻(xiàn)[30]為了在無(wú)人機(jī)總功率有限的情況下使得無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)到無(wú)線用戶終端節(jié)點(diǎn)以及控制中心節(jié)點(diǎn)的總信道容量最大，綜合考慮了用戶調(diào)度和功率分配這兩方面的因素，在此基礎(chǔ)上提出了一種聯(lián)合優(yōu)化算法，并且利用用戶調(diào)度算法選擇最佳用戶進(jìn)行接入。

3.4 擁塞控制關(guān)鍵技術(shù)

TCP擁塞控制技術(shù)保證了通信節(jié)點(diǎn)端到端穩(wěn)定的數(shù)據(jù)收發(fā)，其中流量控制保證了發(fā)送速率的大小不會(huì)超過(guò)接收方的接受能力，擁塞控制保證了網(wǎng)絡(luò)不會(huì)發(fā)生擁塞，超時(shí)重傳、確認(rèn)應(yīng)答、檢驗(yàn)和、序列號(hào)等機(jī)制為TCP的可靠傳輸提供了保障。但當(dāng)鏈路質(zhì)量不佳、路由切換頻繁、誤碼率高等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)丟失也會(huì)被誤認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，從而導(dǎo)致發(fā)送窗口不必要的減小?；谝陨蠁?wèn)題，當(dāng)前擁塞控制技術(shù)主要包括基于帶寬估計(jì)的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制、跨層優(yōu)化機(jī)制和多路傳輸控制機(jī)制。

3.4.1 基于帶寬估計(jì)的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制

基于帶寬估計(jì)的發(fā)送窗口調(diào)節(jié)機(jī)制是在傳統(tǒng)的TCP擁塞控制中針對(duì)物理層誤碼率高造成的數(shù)據(jù)丟失而提供的一種避免機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)計(jì)算信道帶寬可知當(dāng)前帶寬利用率，在擁塞避免階段可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)送速率，使窗口在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在擁塞避免階段。如圖8所示，在擁塞避免階段發(fā)送窗口較大，即在這個(gè)階段發(fā)送速率較大，同時(shí)不會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，窗口保持在這個(gè)階段時(shí)長(zhǎng)越大，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大。

圖8 TCP擁塞控制

3.4.2 跨層優(yōu)化機(jī)制

TCP擁塞控制方案通過(guò)減小發(fā)送窗口避免大量數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)從而發(fā)生擁塞。該方案認(rèn)為丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞所導(dǎo)致，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)丟失是由何種原因引起，源端立即減小發(fā)送窗口，降低發(fā)送速率。但在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)絡(luò)中，鏈路失效和節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)導(dǎo)致的路由頻繁切換等非擁塞因素都會(huì)導(dǎo)致丟包。因此，不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的具體原因則會(huì)導(dǎo)致頻繁降低發(fā)送窗口，增大傳輸時(shí)延。跨層優(yōu)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層次之間信息的交互，定位網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失的真正原因，避免發(fā)送速率長(zhǎng)期處于低速狀態(tài)。

3.4.3 多路傳輸控制機(jī)制

多路傳輸控制機(jī)制結(jié)合了當(dāng)前主流的分布式思想，發(fā)送方通過(guò)分流的方式將發(fā)送的數(shù)據(jù)切割為多個(gè)子流，每一個(gè)子流都有著相同的任務(wù)——將應(yīng)用層傳遞的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。同理，接收方采用同樣的方式進(jìn)行分流接收，接收的子流和發(fā)送的子流相對(duì)應(yīng)。每一個(gè)子流都配有檢測(cè)模塊，該模塊的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切割的子流的收發(fā)性能，根據(jù)收發(fā)情況計(jì)算出當(dāng)前子流的狀態(tài)，并將該狀態(tài)作為評(píng)估信息反饋到發(fā)送方，發(fā)送方根據(jù)該評(píng)估信息針對(duì)性地對(duì)一些子流進(jìn)行限流，以達(dá)到擁塞控制的目的。

4 研究展望

最近幾年，美軍在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域取得了重大突破，取得了諸多成功[31]。特別是軍用無(wú)人機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上雖然大放異彩，但是也暴露了許多不足之處：無(wú)人機(jī)的通信抗干擾能力較弱，尤其是同頻干擾無(wú)法避免；無(wú)人機(jī)定位巡航精度達(dá)到米級(jí)，但是受地形、天氣等客觀影響，其精度穩(wěn)定性不足；無(wú)人機(jī)安全尚未完全解決，只能在被批準(zhǔn)的隔離空域飛行，限制了其應(yīng)用多樣性。由于無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常進(jìn)行高速移動(dòng)需要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更嚴(yán)格，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓莿?dòng)態(tài)的且通信鏈路的質(zhì)量經(jīng)常處于波動(dòng)狀態(tài)，最重要的是 MAC 協(xié)議和旋轉(zhuǎn)協(xié)議設(shè)計(jì)。為了克服高速運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)距離傳輸?shù)呢?fù)面影響，MAC層需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)的高效協(xié)調(diào)以共享有限的組織。為了確保安全可靠的周轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡(luò)層必須適應(yīng)拓?fù)涞目焖僮兓Ｋ谥С植煌瑹o(wú)人機(jī)任務(wù)的不同分發(fā)請(qǐng)求以及在靈活的高機(jī)動(dòng)性結(jié)構(gòu)中支持不同服務(wù)的不同 QoS 要求方面發(fā)揮著重要作用?？偠灾?，在未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的方向主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 更加智能的控制技術(shù)

近年來(lái)，人工智能相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展，而軍用無(wú)人機(jī)方面人工智能算法的控制技術(shù)也得到了大幅度進(jìn)步，控制技術(shù)包括自主導(dǎo)航技術(shù)、旋翼軍用無(wú)人機(jī)和使用固定翼無(wú)人機(jī)的越障技術(shù)。穩(wěn)定控制和軍用飛機(jī)控制技術(shù)增加了戰(zhàn)場(chǎng)的重要性，提高了隱藏的便利性，更加利于后勤援助任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，例如導(dǎo)航、軍械支援和被困人員的醫(yī)療救治等。智能控制還包括控制多個(gè)無(wú)人機(jī)，這些無(wú)人機(jī)能夠協(xié)調(diào)創(chuàng)建并根據(jù)敵人情況快速自動(dòng)改變隊(duì)列。

4.2 更加先進(jìn)的通訊技術(shù)

在人工智能算法下運(yùn)行的小型軍用無(wú)人機(jī)可用于執(zhí)行偵察任務(wù)，通過(guò)使用更安全和加密的通信方式，能夠在城市和森林等復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行操作。此外，以“螳螂”與“翼龍”等為代表的典型無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)之間需要更高效的實(shí)時(shí)通信鏈共享，同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的電子設(shè)備的可靠性及雷達(dá)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，以確保各種天氣條件下無(wú)人機(jī)都可以在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮指揮作用。不同單位之間的情報(bào)支持和通信在小規(guī)模本地作戰(zhàn)中參與小型作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星也可以代替導(dǎo)航。

4.3 多用途化和專業(yè)化

在功能和執(zhí)行任務(wù)等方面，未來(lái)軍用無(wú)人機(jī)將向兩個(gè)方向演進(jìn)。

一是多用途。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的成本也在不斷下降，因此無(wú)人機(jī)的通用性會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，無(wú)人機(jī)的參與率也會(huì)提高。無(wú)人機(jī)易于維護(hù)，出勤率高，隨著多機(jī)型平臺(tái)的發(fā)展，功能強(qiáng)大、隱身、遠(yuǎn)程集成檢測(cè)的無(wú)人機(jī)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。此外，無(wú)人機(jī)還要滿足航母起降要求，兼容多種情報(bào)、電子戰(zhàn)、平臺(tái)等設(shè)備，提供可滿足的模塊化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，執(zhí)行特殊任務(wù)的軍事人員需求也在不斷增長(zhǎng)。

二是專業(yè)化。如果說(shuō)多用途是滿足應(yīng)用需求的寬度，那么專業(yè)化就是滿足應(yīng)用需求的深度。它可以向各個(gè)方向進(jìn)化，包括微型無(wú)人機(jī)、超耐用太陽(yáng)能偵察無(wú)人機(jī)、高超音速無(wú)人機(jī)和兩棲無(wú)人機(jī)等。

5 研究建議

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的研究大部分為針對(duì)某一層的機(jī)制或協(xié)議進(jìn)行有效的算法優(yōu)化，如對(duì)傳輸層的TCP擁塞控制與流量控制方法提出新的改進(jìn)，使網(wǎng)絡(luò)在工作過(guò)程中不易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，但可能由于鏈路質(zhì)量不佳或路由不穩(wěn)定等問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)頻繁丟失，發(fā)送方多次重發(fā)，通信時(shí)延大大增加。同理，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的改進(jìn)方案使得路由穩(wěn)定性有一定的提升，但若出現(xiàn)高移動(dòng)性和隨機(jī)性的節(jié)點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò)路由構(gòu)建的頻率會(huì)大大提高，使數(shù)據(jù)在該過(guò)程中頻繁丟失等。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)的探討，筆者建議下一步可以從任務(wù)調(diào)度和不同網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通兩方面進(jìn)行更加深入的研究。

5.1 任務(wù)調(diào)度

任務(wù)調(diào)度是無(wú)人機(jī)協(xié)作的基礎(chǔ)，目前多無(wú)人機(jī)的協(xié)同任務(wù)往往出現(xiàn)阻塞和排隊(duì)等待的情況，限制了無(wú)人機(jī)的分布式任務(wù)分配。隨著無(wú)人機(jī)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中地位的不斷提升，如何對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度，使得其能高效且低耦合銜接成為未來(lái)無(wú)人機(jī)快速發(fā)展的前提。任務(wù)調(diào)度包括任務(wù)分配和路徑規(guī)劃，任務(wù)分配根據(jù)優(yōu)先級(jí)和隊(duì)列進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，路徑規(guī)劃防止同一區(qū)域內(nèi)無(wú)人機(jī)的相互等待。

5.2 不同網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通

無(wú)人機(jī)組網(wǎng)一般用于軍用網(wǎng)絡(luò)，與民用網(wǎng)絡(luò)一般不出現(xiàn)互聯(lián)互通，然而大數(shù)據(jù)下的任務(wù)分配往往涉及到民用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)分析，因此需要與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通才能高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，無(wú)人機(jī)需要與其他民用設(shè)備、衛(wèi)星、雷達(dá)等進(jìn)行態(tài)勢(shì)交換，才能使得覆蓋面積進(jìn)一步增大，數(shù)據(jù)精度進(jìn)一步提高，從而提高無(wú)人機(jī)的任務(wù)精準(zhǔn)度和執(zhí)行能力。