一种无人机网络跨层协议架构分析

张继永

摘要：无人机网络各节点都以极高的速度和任意的方向进行随机移动，导致网络拓扑结构变化迅速。网络协议跨层设计可以保证节点在高速移动的情况下路由的可靠性，降低网络时延，提高数据转发效率。本文对无人机网络协议套件（AeroTP和AeroNP）进行了分析，对各层信息交互关系和网络层协议的显式跨层机制进行了探究，提出了跨层信息交换在高移动性无人机网络环境中的优势，可为我军无人作战通信网络传输设计提供借鉴。

关键词：高动态;无人机网络;协议;跨层

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0031-03

0 引言

高动态无人机战术级网络，由于其极端恶劣战场环境和不可预测的移动性，对端到端数据传输提出了强烈挑战。当前基于传输控制协议（TCP/IP）的Internet体系结构，是美军现代战术级通信系统同时跨越全球信息栅格的基石，但并非专门为了无人机作战网络而设计。

针对移动无线环境，国内外已经有很多学者进行了研究并设计了无线网状网络、ad hoc网络和容断网络协议等。文献[1]提出了一种领域特定架构和协议套件，包括TCP友好的传输协议AeroTP，IP兼容的网络层协议AeroNP以及地理位置感知路由协议AeroRP。这个协议套件支持跨层优化，下面对其基于跨层优化的数据转发机制进行了梳理，对其不同操作模式下的性能提升优势进行了分析总结。

1 无人机网络特性

和有线网络不同，无人机网络的通信环境更加复杂和多变，与传统移动Ad hoc网络相比亦有许多不同，其独有特点可以表述为以下4个方面[2]。

（1）节点移动性。无人机网络中的节点以1200m/s（约3.5马赫）的速度移动，为此，无人机网络可能是高动态的并具有持续变化的拓扑结构。

（2）资源受限性。由于无人机体积、重量和功率等的限制，其信息传输和处理能力都会受到限制，因此，需要通过多跳传输才能到达地面站。

（3）通连间断性。由于无人机节点的传输范围有限及其高移动性，任何两个节点间的接触时长非常短暂，并且容易受到干扰和拥塞，因此是间断连通的网络。

（4）频谱有限性。由于无人机网络的可用频谱有限，而战场上有大量数据需要传输尤其是态势感知数据，因此无人机网络经常会被带宽严重限制。

可见，无人机网络是高动态高速多跳的容断网络，不同层次的协议功能都需要随着网络环境的变化不断地进行自我调整优化，同时不同层次的协议需要相互协同配合才能使得网络整体性能最优。

2 无人机网络协议套件

2.1 协议架构概述

针对其支持飞行试验的遥测系统无法满足未来发展的需求，美国试验中心和项目评估投资机构（CTEIP）于2004年10月启动了增强遥测综合网（Integrated Network Enhanced Telemetry）项目[3]。iNET对全部飞行数据实时处理，可适应未来信息化试验环境下的空地一体化、多机协同试飞需求，并且具有远程、宽带组网能力。基于这个项目，美国堪萨斯大学的James P G S、Abdul J等人于2011年对协议栈体系进行了研究，如图1所示。

相对于传统端到端传输和路由协议，高动态、高速和多跳网络需要对之前的架构做出大量优化和改变，他们针对无人机高动态战术网络提出了一种物理层、MAC层、网络层和传输层之间的跨层设计方案。图中的两个网关分别部署于无人机网络与基于传统TCP/IP的作战指挥网络以及无人机载荷之间。

2.2 传输层协议数据包格式

无人机传输层协议是一种专门为满足高动态网络环境需求而设计的传输协议，使用机会连接来消除传统TCP网络协议的三次握手开销，其数据包格式如图2所示。

“模式”字段根据作战指挥业务类别可以分为可靠、近可靠、准可靠和尽力连接以及尽力数据报，第一种是TCP完全兼容、最后一种是UDP完全兼容;“传输协议报头错误校验”字段用于检测报头完整性，以此可以发现无线信道传输产生的误码;只要报头没有损坏，便可以使用前向纠错机制校正出错的有效载荷。在没有单独的网络层数据或链路层数据CRC的情况下，有效载荷校验CRC可以保护无人机网络节点间数据传输的完整性，同时可以测量误码率，以便根據“模式”来跨层调整链路层的纠错码强度。

2.3 网络层协议数据包格式

无人机网络层协议亦是专门为高动态机载环境设计的，其数据包格式如图3所示。

该协议的一个显著特点是对协议跨层设计提供显式支持，这里“显式”有两方面含义。

一是包括了节点MAC地址。即通过网关的高效地址映射[4]，将IP包转换为无人机网络层数据包，计算出了“源”、“目的地”和“下一跳”三个MAC地址。这个数据包可以直接插入TDMA时隙。由于没有携带32位的源和目的IP地址，使得链路层的效率显著提升，因此最大程度地减少了链路层开销;此外还提供了强大的报头校验，以便传输层可以利用其前向纠错机制恢复出错的有效载荷。二是包括了“源”和“目的地无人机节点位置”。它们是可选字段，低速飞行时可以省略，但在无人机高速运动时必须包括进来;它们是指节点的卫星定位坐标和速度矢量，路由算法可以充分利用无人机网络节点的位置和轨迹等独特信息来找到更优的路径。

“出错指示符”字段用于显式通知传输层错误已经发生，从而可以利用前向纠错机制在其准可靠模式下进行纠错。这种错误发现和纠错方法区别于传统IP转发机制，即不必在中间跳过程中就丢弃出错的数据包。

3 跨层设计分析

3.1 跨层设计方法

在传统的互联网TCP/IP体系结构中，协议栈从上到下由应用层、传输层、网络层、链路层和物理层组成，这种网络架构假设存在持久稳定的通信链路，各层功能独立，之间的交互遵循固定的接口标准，只注重本层需要解决的问题和完成的功能，一般不会使用相邻层或其它层的信息，各层之间存在着清晰的功能界线。这种分层结构设计最大程度地减少了不同层之间的耦合度，降低了不同层之间的依赖性，使得结构更加灵活，更易于扩展和优化，是互联网中使用最广泛的端到端传输协议。但这种协议架构未从系统层面设计成可支持全局优化的技术体制，不支持清晰的跨层信息交换，从而无法有效利用无人机网络上的诸多独特信息[5]。

为了解决无人机网络间断连通性等固有特性带来的开销问题，目前国内外学者已经提出了很多可以改善无线网络整体性能、适应网络高动态变化、优化节点资源分配的跨层设计方法。总体上可以分为新增层间接口、合并相邻层和联合设计三类[6]。根据信息的传递方向，跨层信息共享又可以细分为信息上行、信息下行和兼具信息上行与下行。例如，在移动Ad Hoc网络中，一种跨层设计是物理层将信道特性变化上传至链路层，用于调整优化链路层的资源预留参数，同时，链路层将资源预留信息下传至物理层，用于调整优化数据发送速率。

3.2 跨层设计解析

James P.G.S.等学者在图1所示的协议栈中，利用新增层间接口的方法，设计了通过跨层有效利用可用信息的机制，以便在每个节点上发现更好的转发策略，支持在高动态物理拓扑上的可靠通信，如图4所示。

在协议栈内部数据下行过程中，应用层的丢包率和服务规范传递至链路层，用来调整前向纠错的强度;传输层通过转发基于服务质量的转发模式影响网络层的路径选择，从而要求给定数据流具有一定的可靠性;传输层的转发模式信息，还可以传递至网络层，影响路由选择，传递至链路层，改变前向纠错的强度，传递至物理层，调整编码强度。在协议栈内部数据上行过程中，网络层的路径特性（如错误率等），传递至传输层以适应前向纠错FEC的强度。

该协议架构不仅在传输层和网络层之间，而且在链路层和物理层也采用跨层优化。这包括物理层将信道条件和误码率传输至链路层从而优化其前向纠错FEC的类型的强度，以及根据传输层的转发模式和网络层的QoS参数（优先级和服务类型）优化TDMA参数和时隔分配。

值得注意的是，物理层的节点位置和速度信息，显式地传递至网络层（图3的网络层数据包格式可以清晰地看出），该协议架构利用网络层提供的显式跨层支持来计算数据包转发的下一跳，实现了高效预测转发路径，特别适合高动态网络环境下的路径发现。

4 结语

由于无人机网络具有高速率以及不可预测移动性的高动态拓扑结构，而传统互联网协议并不是专门为这种拓扑结构网络设计的，为此，需要研究特别适用于无人机网络并可跨层使用的协议。James P.G.S.等学者提出的这种支持跨层设计的無人机网络协议套件，可以基于共享轨迹信息预测链路何时可用，从而有效利用可用的网络带宽。该协议套件对跨层信息提供显式支持，极大地减少了网络开销，跨层的信息交换能够在高移动性的无人机网络环境中显著降低开销并且提升性能。这种设计思路可为我军无人机参与联合作战、有人与无人协同作战以及无人蜂群作战通信网络传输技术研究提供很好的借鉴。下一步我们将对该协议套件中路由协议的安全性和协议转换机制作进一步分析探究。

参考文献

[1] JUSTIN P.ROHRER，ABDUL JABBAR，EGEMEN K.CETINKAYA，ERIK PERRINS，JAMES P.G.STERBENZ.Highly-Dynamic Cross-Layered Aeronautical Network Architecture.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，47（4）：2742-2765，October 2011.