基于移动自组网络的无人机通信设计

赵 晟

(武汉虹信技术服务有限责任公司 湖北 武汉 430070)

0 引言

无人机在公共服务领域扮演着重要的角色,在公共运输航拍等方面发挥着重要的作用。无人机在空中组成网络形成协作自治系统,在较少的地面干预下实现自主协调,可利用无人机组实施评估告警、应急空投等功能,充分发挥协作自治系统的联合行动优势。通信体系结构是无人机相互间协调控制的核心,需要研究设计适合无人机无线网络通信体系结构。国内针对无人机自组网通信体系结构的研究较少,而主要是基于地面控制方面的研究。移动自组网(mobile ad hoc network,MANET)采用互联网的TCP/IP协议,该结构不适用于高度动态多架无人机组网。国内外主要对TCP/IP协议结构进行了适应性改进。因特网采用控制平面精简重复操作,无人机自组网要有新型无线通信体系结构,本文研究系统采用双平面设计,将荷载数据传输与动态控制管理功能结合。

1 无人机自组网络通信技术

无人机自组网络是网络中心战(network-centric warfare,NCW)的重要部分,具有很强的抗毁性及自修复能力,各军事大国日益重视无人机及作战网络的研究工作。随着信息技术的发展,无人机应用延伸到民用领域,在地质勘探、编队侦查等诸多场景任务中发挥着关键作用,无人机通信技术转变为集群自组织网络通信,路由算法决定无人机组网通信的效率性能[1]。随着无人机应用的扩展,无人机发展呈现网络化趋势,无人机自组网受到相关研究机构的关注,无人机网络路由技术成为其关键技术。UAVNet的单层和分层网状结构,如图1所示。

图1 UAVNET的单层和分层网状结构

MANET是不依赖固定基础设施的移动节点动态联合体,在灾害援助等领域具有广泛应用前景,MANET具有分布式、自组织与移动性等特点。无人机在现代战争中占据重要地位,目前地面控制站直接控制无人机执行任务,远离基站的区域需要很多无人机协作执行大规模无人驾驶飞机(unmanned aerial vehicle,UAV)任务,需要通过多跳(multi-hop)网络进行传输数据[2]。MANET是美军战术互联网的核心技术,而无人机自组网络通信技术主要针对数据链技术方面进行研究。信息数字化的发展促使人们对无人机提出更高的要求,利用无人机组网技术可以满足人们对信息的需求,其具有增强可控性、提高无人机网络可控性、提高协作能力等作用。各国部队对无人机提高要求,无人机机载传感器可增强部队动态感知能力,使新的机载传感器装备获得很大发展。无人机根据需要安装不同的传感器,自组网络具有传感器网络自组织等共性特点,且持续时间长、数据量巨大与结构复杂。无人机侦查到图像等多媒体信息数据量较大,传输前需要进行数据处理,处理过程包括压缩过滤与融合。

移动自组网络是无线移动通信网络,是众多无线收发信息装置的移动终端构成,MANET中的节点可以随着网络拓扑结构频繁变化自由随机移动。MANET以独立方式运行,通过在节点间配备多个不同收发器形成高度动态自治拓扑,可用于基础设施不可用的环境,MANET具有动态拓扑、行为自主与带宽受限等特性。无人机自组网络应用主要包括区域覆盖与扩展应用等[3]。MANET特性导致建立路由协议需要面临更多问题,设计路由协议需要考虑其传输带宽有限和安全性低等因素。飞行自组网(flying ad-hoc network,FANET)运行机制为基于动态网络使无人机节点间实现信息分享传递,网内对信息共享不会出现延时显著增加的情况,FANET设计遵循思维是节点对信息共享不应依靠地面指挥基站,成员可针对收集情报情况作出交流。可通过多跳完成信息传送,FANET本质是构建MANET,构建无人机自组网具有拓扑变化频繁,具备较强搭载能力,任务场景和动模型特殊性等特点。

2 无人机移动自组网通信系统需求分析

无人机是利用独立自动化程序控制飞行器的,近年来无人机技术不断发展[4]。由于单架无人机携带的传感器种类受限难以独立完成复杂任务,而多架无人机协同任务分配是完成任务的基础。无人机的任务分配是为提高系统执行任务能力,协同系统多以自组网方式通信,并采用合同网算法,通过多架无人机协同完成提高工作效率。Ad Hoc(点对点)环境具有安全性差、链路带宽不对称等特点,导致无人机通信发生全局拥塞降低拦路吞吐量,提高Ad Hoc网络性能成为无线通信领域的研究重点。

无人机自组网应用设想场景是在地震受灾上空部署多个无人机,以簇群为主要形式组成智能无线网络,设想场景中无人机分类分为侦查成像等传感器无人机、数据中继等通信无人机、应急空投等主动型无人机[5]。传感器无人机数据传输到主动型无人机,主动型无人机进行搜救等自主行动,可通过指挥协调无人机合理分配主动型无人机任务。主动权接收判别启动相应程序离开再入簇群。机簇群间交换数据集定位信息,中继机承担簇群间联络任务,预警机自主接收传感器无人机信息向簇群发送指令。要求通信系统具有高度动态性,较强生存能力满足不同需求。应适应网络无人机高度动态性,体系结构上有利于隐藏终端问题解决。结构方便网络状态维修等有效管理。体系结构设计需要考虑支持任务用于及环境网络功能性能需求。

3 无人机移动自组网通信体系结构设计

无人机技术随着生产需求得到了广泛应用,现阶段主流无人机工作方式是单机控制,存在受到外界干扰与地面控制台间通信链路断裂的弊端[6]。研究人员在多无人机通信网络中采用MANET方式使无人机与地面控制站通过自组织网络协作,使无人机自组织网络生存性更强,多无人机间战术协同可有效减少单无人机节点的能量开销。路由协议是FANET中无人机互相通信的基础,如何合理高效寻找最佳链路使无人机相互通信是评价路由协议的标准。

3.1 认知层面

互联网重要的TCP/IP协议结构模块化分层带来多方面的灵活性,MANET通信体系结构坚持纵横向处理设计原则[7]。认知平面用于MANET动态信息控制无人机网络动态参数,实现数据平面分层结构的优化。发现引导协议主要功能是建立本地可达性,如识别建立邻居协商状态找出录链路状态录入信息库等,维护管理有关物理参数等。UAV通信网络结构,如图2所示。

图2 UAV通信网络结构

MANET建立后网络无人机节点受限广播更新信标,高度动态无人机网络链路质量状态评估可以确保通信顺畅[8]。认知平面与数据平面信道频率要合理选择,应考虑干扰能量有效问题。单一路径失效导致原路径失效,路径建立时应考虑负载平衡优化路径选择。直接链路重新定义为比较后乘性结果。无人机组网具有高机动等要求,拓扑控制包括飞行控制保持。无人机以相同固定功率允许导致接收功率高于不需的SINR浪费发送端无人机能量,数据流量不均匀分布导致不均匀能量消耗。针对特定无人机进行流量规划,调节通信距离提高网络信道利用率与整体吞吐量。通信距离控制适当的允许多路径传输,通信距离过小会导致网络分割。选择合适的功率满足网络连接线是功率控制的关键。

传统单一平面五层体系结构中功率控制归结存在争议,公路控制引起网络层与多址接入信道(multiple access channel,MAC)层交互作用。碰撞避免信息及相关协议可以发挥认知平面的作用,预期接收机计算合适发射功率等级明确承受干扰阈量。细粒度是链路路径持续时间等与路由选择紧密相关的参数测量,移动测量关联目的是预知无人机拓扑变化,使无人机在动态网络中保持数据通信正常进行。超宽带通信的MANET可利用UWB纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据。信道监控是对无线信道状态监视预知,与数据平面的指南物理层实现对信道感知分配进行管理,使频谱移动相对平滑。建立路由因无人机运动性改变,信道监控可提供适应于频谱波动下的路由选择,信道频谱动态性引起分组丢失率变化,影响网络层和组播层面的性能。信道监控与数据平面发生关联,是实现MANET智能化的基础。

3.2 数据层面

数据平面适应无人机节点高度动态性,网络层融化MAC曾考虑将网络层部分功能下降到物理层,使系统结构具有灵活性,便于三层硬件实现提高处理速度,并考虑与现有网络兼容。传统中继节点转发数据分组需要经过网络层,重传推避接入排队等带来时延,提出物理层中继结合路径接入超低时延体系结构。MANET网络设计与PHY层交叉便于高效兼容。组播是MANET传输主要模式,无人机可进行双重无线电配置,转发无人机同时收发数据分组,比传统网络快捷高效数量级。移动Ad Hoc网络体系结构,如图3所示。

图3 移动Ad Hoc网络体系结构

PHY层采用认知无线技术具有频谱感知和切换功能。MANET信道资源有限,需要MAC层协调解决冲突问题。物理层在通信无人机间建立点到点的数据传输链路,MAC适应MANET双重无线电环境下接入模式,无人机MAC层协议要支持组播与基于优先级的业务。聚合数量通用的应用程序执行某具体任务命令,任务分层分为使命令层与应用层,使命令层包括目标搜索识别等命令,突出无人机组网任务关键性目标,便于网内无人机间协调控制。根据网络状态在不同使命模式可进行灵活的QoS保证。应用子层提供特性任务的应用程序,确定应用程序进程间通信性质,选择无人机节点实现对RM组播通信层服务动态定制。使命层完成具体任务使命必需特定应用程序集合,确定完成使命所需应用程序,将数据按任务使命转换为系统的有用信息。

4 无人机移动自组网通信系统仿真实验

MANET网络节点是在高空中运动的无人机,具有网络节点迁移率高、无人机分布稀疏、通信时延要求高等特点。FANET设计目的是无人机集群在不同任务环境中进行良好通信,路由协议是FANET中无人机相互通信的基础,路由协议相应算法应考虑通信与安全性能。按需距离矢量协议AODV结合目的序列矢量路由机制的优点,应用于无人机场景中存在一些问题需要改进。提出基于位置辅助自适应广播与链路断裂预测算法,保障通信性能同时提高网络的安全性,满足相应场景下的通信需求。

目前有很多先进的网络环境建模软件,研究通过离散事件模拟仿真技术进行仿真。实验需要对包格式重新定义,其他参数需在底层源码中修改已有变量完成算法中新机制。重新设计确认分组格式与原有模型库结合,对进程层进行代码编译。研究利用OPNET仿真演示认知平面认知功能,仿真节点模型中APP模块实现数据收发功能,节点全双工通信,采用加性高斯白噪声无线信道模型,分组大小为512 byte,仿真移动测量中利用工具节点测距定位功能组合,距离超过通信范围后节点A认知将数据平面路由表切换到使用点C。认知平面不断感知判断链路状态,切换时吞吐量产生12 kB/s较小抖动后趋稳,网络吞吐量起伏平稳。提出系统设计架构通信体系结构系统仿真需要建立合理环境测试平台。

5 结语

综上所述,MANET是各国移动通信领域重点发展方向,近年来无人机向自主控制智能化方向发展,无人机通信技术研究是相关技术研究热点,研究无人机MANET具有很高的工业价值。本文研究分析了无人机自组网络通信体系结构应用需求设计架构,认知控制与无人机紧密相关的动态参数。双平面设计使无人机网络满足多媒体实时传输需求。智能融合物理层具有高效转发数据分组能力,任务层设计提出按应用分类操作原则,组播管理子层单元并行可靠性设计降低软件运行OS开销花费延时。研究创新是利用深度强化学习借鉴分层无人机网络的簇头选择问题,使用图神经网络处理图结构数据使训练出模型具有泛化能力;关注分簇的均衡度,基于传统机器学习算法提出Bubble分簇框架可以减少簇间通信流量。设计基于认知平面的具体信道切换策略,进一步对MAC高效介入等技术进行研究。