蜂群无人机数据链自组网协议设计*

刘宏波，孟 进，赵 奎

（1.海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033；2.海军工程大学电子工程学院，武汉 430033）

0 引言

无人机平台集群具有数量优势、协同与情报优势、速度优势和智能优势，具有极佳的战场生存能力和任务完成能力，可以用来完成复杂对抗环境下的协同搜索、协同干扰、协同攻击、协同察打、集群对抗等任务，这一切都离不开适合无人机集群作战的数据链支撑。无人机集群数据链不但具有传统点对点的无人机地空数据链的功能，还要具有无人机集群内部信息共享的全新能力。

2014年4月，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动“拒止环境中协同作战”（CODE）项目研究，使侦查和攻击无人机在电子干扰、通信降级以及其他恶劣运行环境中执行任务时，可协同工作。2015年4月，美国海军研究办公室测试了无人机的集群能力。代号“蝗虫”项目（LOCUST：Low-Cost UAV Swarming Technology，低成本无人机集群技术）是美国海军一项研究从发射管发射起飞的无人机集群项目，计划发射上限为30架舰载自主集群的无人机，最本质也最核心的技术——自主集群飞行技术。2015年8月，美国海军研究生院先进机器人系统工程实验室在野外演习中，实现了同时放飞50架自主无人机的目标，这些无人机在蜂群操作界面操作下实施了主从协同行动，并通过无线链路在彼此之间实现了信息交换。2015年8月，美国国防高级研究计划局（DARPA）计划研发“小精灵”（Gremlins）无人机，目标是在C-130运输机上发射小型无人机蜂群并进行回收。2016年5月，美国空军正式提出《2016年～2036年小型无人机系统飞行规划》，计划构建航空、太空、网空三大作战领域的小型无人机系统，并计划在2036年实现无人机系统集群作战，将以较低成本实现在多样作战环境下的作战能力。2016年珠海航展上，中国电子科技集团披露了我国第1个固定翼无人机集群试验原型，实现了67架规模的集群原理验证，打破之前由美国海军保持的50架固定翼无人机集群的世界纪录。

无人机集群数据链不但具有传统点对点的无人机地空数据链的功能，还具有无人机集群内部信息共享的全新能力。目前无人机集群作战应用时也面临诸多问题，如信息采集、分发、处理问题以及集群内部无人机之间的智能协同问题。本文围绕蜂群无人机数据链自组网协议进行探索，研究内容包括集群自组网MAC协议与路由协议等无人机集群数据链关键技术，实现一个控制站操控多架无人机执行自主协同集群飞行，解决无人机蜂群组网、蜂群编队、复杂电磁环境应用的协同通信问题，为实现无人机蜂群应用奠定基础。

1 蜂群无人机数据链总体技术方案

蜂群无人机数据链总体技术方案如图1所示。

多架低成本无人机具有类似的机载平台框架，但是不同无人机的载荷配备可以不同，以应对不同的战术需求。集群内部所有节点组成一个自组网，进行信息共享和交换。根据自组网协议设计，控制站会从无人机集群中选出一架作为临时的群首节点，承担与集群控制站进行远程通信的任务。若该群首节点出现故障或根据技术和战术指标要求，可以重新选取群首节点。

所有无人机都要参与集群内部自组网，群首节点还要参与和控制站之间的远程点对点测控。群首节点是集群与远端控制站之间的桥梁，负责接收控制站发来的任务信息，“带领”编队内其他所有无人机向控制站指定的目的坐标飞行。其他无人机则“跟随”当前群首，由群首分配编队内位置和变换队形。

无人机蜂群编队内部通过窄带数据链自组网充分交换指令和协同信息，完成任务分配、队形变换等动作，并将每个无人机的态势实时回送给控制站，控制站从而能够展示出战场实时态势并作出调整。

无人机蜂群通过宽带数据链自组网将侦察、监视等实时图像视频等大容量业务汇聚到群首节点，由后者回送至无人机集群控制站，控制站进行图像拼接、增强等信息融合工作，从而展示出一幅较之单架无人机更加全面和精确的战场视图。

2 蜂群无人机数据链协议栈设计

2.1 集群数据链自组网协议栈设计

集群数据链自组网协议栈通信实体如图2所示，包括高层数据收发接口、集群自组网路由协议算法、集群自组网MAC协议算法、无线收发器芯片、射频前端电路和天线。其中，无线收发器芯片、射频前端电路和天线需要基于成熟可靠的产品实现，重点是集群数据链自组网MAC协议、路由算法的设计和验证。

2.2 集群数据链MAC协议设计

数据链的传输延时在100 n mile=185.2 km处是619（200 n mile、300 n mile对应的传播延时分别是 1 238 μs和 1 857 μs）。假定最小数据包长度是400比特=50字节，以2 Mb/s=2 b/μs数据速率发射时，400 b需要200 μs发射时间。假设没有时钟偏差，最小时隙也要 619 μs+200 μs=819 μs。

假设数据包无法在当前时隙发射，就只能等待下一个发射时隙。假设数据包要发送给距离最远的节点。那么源端节点接收延时就达到了400 μs+1 238 μs=1 638 μs，这还未考虑发射消息处理延时、消息加密、FEC、检错和纠错、消息解密以及接收消息延时。即使是这些延时可以缩短到363 μs，还需要等待下一个发射时隙（几个毫秒），时分多址（TDMA）系统无法满足集群数据链的延时要求。

通过对集群数据链的技术指标进行分析，传统航空数据链采用的TDMA思想无法提供集群数据链所需的2 ms信道访问延时。集群数据链的传播延时很大（相对于较短的消息包而言），无法采用载波监听多路访问（CSMA）来控制业务占用信道的数量。集群数据链要求的信道访问延时很短（≤2 ms），无法采用TDMA方法，有中心控制系统更不能应用到集群数据链的系统中，可以采用统计优先级多址接入（SPMA）来实现集群数据链信道访问控制。

集群数据链的MAC协议采用以CSMA和异步跳频机制为基础的SPMA协议，不需要为节点预先分配时隙或预约时隙，只需根据网络忙闲程度决定分组是否接入网络，可将100 nm范围内的分组端到端时延控制在2 ms内，可以减少多路信道接入访问延时。与其他带控制信道的多信道MAC协议相比，SPMA由于不需要预约信道和时隙，确保了高优先级业务的实时性，符合战术通信的要求。

集群数据链的MAC协议技术难点包括：

1）无法采用各类TDMA及其变种的信道接入控制思想，因其无法满足低延时特性。

2）CSMA通常用于窄带系统，信道分为空闲和繁忙两种状态。集群数据链无法采用载波侦听多路访问（CSMA）的设计思路，因其距离太远，传播延时很大，无法满足CSMA的作用条件。

3）SPMA类似于CSMA，也需侦听信道状态，但是其侦听结果不能直接用于判断占用信道发送的判据。SPMA信道根据业务种类和数量呈现出更多不同的状态。

4）SPMA用于和一发多收的物理层波形联合设计，实现以2 Mb/s速率发射的同时，还能够接收多路独立的2 Mb/s数据流。

SPMA是一种分布式信道访问控制协议，目的是确保网络全局负载维持在足够低，使得最弱信号的接收成功率不会低于期望值。若网络负载突然剧增，突破了该维持水平并过载，SPMA必须首先对低优先级业务限速截流。这就避免了最弱信号发射重传信号导致网络拥塞。也保证了高优先级、低延时业务的错包率≤1%。

无线媒介访问冲突概率和解调门限恶化间的关系如下页图3所示。当无线媒介访问冲突概率为60%时，接收灵敏度会降低3.6 dB，此时通信距离会减小25%，而这一缺点完全可以通过增大发射功率、降低接收机的噪声系数和多跳中继来补偿。

集群数据链采用的跳时+跳频+扩频体制思想，有效地减小了不同用户间的干扰，可以使接收节点的碰撞区域以外，即50 km以外的发射节点不会对接收节点的正常通信产生明显的影响，避免了无线媒介访问碰撞，其仿真结果如图4所示。

采用常规协议半双工模式和集群数据链一发多收波形与SPMA协议联合设计这两种情况下，在发送一路较低优先级数据流的同时接收多路较高优先级数据流时（AWGN背景），错包率（PER）和信噪比（SNR）的关系如图5所示。上曲线为常规半双工模式下的错包率很高。下曲线为一发多收波形+SPMA条件下，解调门限较之半双工提高了5 dB。SNR≥6 dB时，就能够保证PER≤1%。

传统自组网过载时，只有最强信号才能被成功接收。该过载将导致单次发送成功率降低，从而增加重传次数，而且一旦数据包发射，没有优先级区分。优先级仅仅在待发队列中才有意义，当系统过载时，已发射高优先级数据包也会随着其他节点发射的低优先级数据包一起丢失。集群数据链在信道很忙时将对低优先级截流。更加过载时，就拒绝更高优先级数据包。

2.3 集群数据链路由协议设计

集群数据链内联网路由协议需要确保产生端到端多跳拓扑情况下，不会因为路由计算过程导致丢包率上升与延时增大。集群数据链的K跳路由路径的端到端总延时应该成比例增大为≤2K ms，高优先级业务的端到端丢包率还应控制在≤1%。

集群数据链的路由协议技术难点包括：

1）除了一般的自组网路由需要考虑的因素以外，由于空基机载网络拓扑变化较快，信道稳定性较差，所以需要引入鲁棒性设计来保证路由转发的可靠性。

2）端到端的极低延时条件要求寻径延时几乎为零。这就要求采用主动路由思想，但是同时要在动态拓扑变化和网络路由开销之间达到某种折衷，所以需要采用信源和信道自适应路由的思想。

3）在路由转发节点暂时不可用时应立即切换到备份路由，或直接采用多径路由并发传输高优先级业务。

4）由于集群数据链速率自适应（200 Kb/s～2 Mb/s），所以需要考虑信源对传输条件的要求，如高清战损视频侦查业务就无法采用200 Kb/s速率进行单跳传输，而只能采用2 Mb/s速率进行多跳路由中继。

3 集群数据链协议实现与仿真模拟

3.1 集群数据链数据收发流程

集群数据链的实现流程，包括无人机集群数据链发射流程和无人机集群数据链接收流程等。其中，无人机集群数据链端机数据发射流程图如下页图6所示。

无人机数据链端机数据接收流程图如图7所示。

3.2 集群数据链的仿真验证平台

基于QualNet和STK的通信网络仿真平台，对无人机集群数据链MAC协议和路由协议进行设计和仿真性能评估。无人机集群数据链仿真采用的软件平台配置如表1所示。

QualNet和STK联合仿真系统原理框图如下页图8所示。在STK里面调用QualNet计算引擎，对

表1 无人机集群数据链软件仿真平台

STK中的作战想定进行网络通信仿真计算，得到陆、海、空、天、网（络）、电（磁）全维的作战仿真结果。该联合仿真的好处在于，能够充分发挥这两种业界顶尖级仿真软件的各自优势，包括STK信道传播损失模型、天线模型、平台姿态等工业界认可的通信模型，以及在QualNet中开发的应用层业务模型、路由协议模型、介质访问控制协议算法模型、物理层收发器模型等。

无人机集群数据链仿真性能评估示例如图9所示，其中1号仿真节点代表地面站，2号-81号仿真节点代表蜂群无人机，通过1号地面站控制80架蜂群无人机，验证了统计优先级多址接入（SPMA）协议的可行性，实现无人机之间不需要预约信道和时隙进行自组网通信。

4 结论

蜂群无人机数据链协议设计主要考察MAC层和路由协议对集群自组网的支持能力，研究成果可以推广到已有和未来不同型号的无人机平台，也可推广到有人机与无人机混合系统，以及地面无人车、水面无人船等编队作战，预期装备了集群数据链的无人编队，能够以极低成本遂行高价值作战任务，变革未来战争的作战方式。