戰場環境中無人機自組網關鍵技術的研究*

王旭東，米志超，王 海

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

無人機（UnmannedAerial Vehicle，UAV）以其自身成本低、易部署、易操作、無人員傷亡風險、機動性能好等優點，在軍事領域有著廣泛的應用和悠久的歷史。但是，無人機支持戰場通信服務保障的相關研究，目前尚處于初始階段。無人機可以大大擴展戰場環境中的通信范圍，克服不利地形的約束，提高通信服務質量，已被廣泛應用于現有的通信支持單位。但是，單個大型無人機的能力是有限的，而小型多無人機系統（Multi-UAV System）網絡可以覆蓋整個戰場，滿足戰斗人員實時信息共享的需要。小型多無人機協同應用，比單個大型無人機系統具備可生存性更強、可擴展性更高、完成任務更快、雷達截面小更難被發現等優勢，同時也面臨著許多實際問題和獨特的挑戰。其中，最重要的一個設計問題是多無人機間的協同通信。如何設計并實現適用于未來發展需要、穩定可靠的多無人機通信網絡，成為迫切需要解決的問題。

本文介紹無人機自組網的概念及其特點，總結概括近年來無人機自組網相關領域的研究進展，主要包括物理層的無線電傳播模型和天線結構、數據鏈路層的MAC協議以及網絡層的路由協議等。

1 無人機自組網簡介

近年來，無人機戰場應用越來越受到重視。無人機戰術互聯網絡，將成為今后戰場通信重要的發展方向。無人機自組網（UAVAd-Hoc Network，UANET）在這種需求下應運而生，是以傳統移動自組網（MobileAd-Hoc Network，MANET）和車載自組網（VehicleAd-Hoc Network，VANET）為基礎發展而來的。UANET可以快速部署并提供安全可靠、抗干擾、抗毀性強的通信網絡，可有效減少單個無人機的負載和開銷，同時可以輔助其他現有戰場通信方式，大幅提升無人機作戰平臺作戰半徑和作戰效率。

1.1 UANET基本概念

為了減少多無人機間協同通信對地面站或衛星等基礎通信設施的依賴，UANET將每個無人機作為網絡中的節點。各節點間能夠相互收發數據，自動連接搭建起一個無線移動多跳網絡。該網絡中每個節點都集成了發射器、接收器和路由器功能，以多跳通信的方式把數據傳遞給遠處節點。

1.2 UANET主要特點

UANET可以看作MANET和VENET的一類特殊演變形式，不但具備MANET固有的一些特點，還具備自身的特殊性。

1.2.1 高速移動的節點和動態變化的網絡拓撲

這是UANET和傳統MANET最明顯的區別。飛行中的旋翼無人機速度可以達到30～460 k m/h[1]。節點的高速移動會引起網絡拓撲的頻繁更新，從而嚴重影響網絡通信和協議性能。此外，無人機平臺的通信丟失和視距鏈路的不穩定性，也是導致鏈路中斷和拓撲頻繁更新的原因。

1.2.2 稀疏的節點和異構的網絡

無人機節點在戰場環境的空域中稀疏分布，節點間大多都相距較遠。在一定空域內，無人機節點可能分布較少，導致無人機節點密度降低。因此，網絡連通性至關重要。在無人機實際應用中，網絡結構可能會包括不同類型的無人機、飛行器或采用分級式架構。這些場景中，節點間彼此都存在一定的差異性，導致整個無人機網絡可能是異構互聯的。

1.2.3 無線電傳播模型的特殊性

UANET和其他移動自組網運行環境之間的差異會影響無線電傳播特性。MANET和VANET節點非常接近地面，許多情況下，發送者和接收者之間不存在視距鏈路。所以，無線電信號受地形地理結構的影響較多。然而，UANET節點可能都遠離地面。在大多數情況下，無人機之間存在視距鏈路，受地形地理結構的影響較少。

1.2.4 移動模型特殊性

通常，MANET節點在特定地形上移動，VANET節點在高速公路上移動，而UANET節點在空中飛行。MANET通常選擇隨機路點移動模型，其節點隨機選擇移動方向和移動速度。VANET節點限制在高速公路或道路上移動。因此，VANET移動模型中的節點具有明確的可預測性。UANET中的節點通常具有自身獨特的運動規律，移動模型會對UANET的通信服務、移動性管理和整體性能等產生重要影響。在某些選擇全局路徑規劃的多無人機協同應用中，無人機的移動軌跡具有一定的可預測性。文獻[2]針對執行偵察巡視任務的無人機開發了兩種無人機移動模型。一種是實體隨機移動模型，即依據事先指定的馬爾可夫隨機過程進行方向控制的概率獨立性隨機運動；另一種是分布式集群信息素排斥模型（Distributed Pheromone Repel mobility model，DPR），即根據無人機在執行任務過程中產生的信息素數量多少來指引無人機移動，具有準確、可靠的搜尋特性。文獻[3]針對在某一空域內做盤旋運動的無人機，提出了一種半隨機圓周 移 動（semi-random circular movement，SRCM）模型，依據一個二維圓形區域，推導出節點移動概率的近似分布函數。文獻[4]根據無人機在飛行軌跡中需要克服急停和急轉現象、保持平滑航跡的應用需求，提出了一種增強型高斯馬爾可夫移動模型（enhanced Gauss-Markov mobility model，EGM），通過修正GM模型中的方向偏離，可有效實現邊界避免機制，并獲取更貼近實際的無人機飛行航跡。文獻[5]提出了兩種基于圓形軌跡的機載網絡移動模型，它們允許改變飛行高度。第一個模型捕獲所有三維之間的運動相關性，第二個模型z維運動（高度）獨立于其他兩個維度。文獻[6]提出了PPRZM模型（Paparazzi Mobility Model），給出了五種運行狀態，分別是停留（Stay-At）、方向點（Way-point）、八字（Eight）、掃描（Scan）和橢圓（Oval），即通過調整不同狀態的運行概率來執行更多不同的任務。表1為UANET與MANET和VANET的區別總結。

表1 UANET與MANET和VANET的區別

2 UANET組網關鍵技術的研究進展

UANET基于無線信道且存在快速變化的無線網絡。無人機節點的快速移動會引起網絡的波動和拓撲的頻繁更新，從而導致UANET無法直接采用傳統的組網協議。因此，針對UANET網絡設計的協議和算法需要全面考慮各方面因素，在犧牲最小性能的前提下確保網絡正常運行。

2.1 物理層

物理層處理基本的信號傳輸技術，如調制解調或信號編碼。各種數據比特序列可以通過改變信號的頻率、幅度和相位，用不同的波形表示。總體而言，在物理層中，數據比特被調制為正弦波形，并利用天線發送到空中。為了開發適用于UANET的穩定、可持續的數據通信體系結構，物理層必須提供可靠支持。其中，研究無線電傳播模型和天線結構是影響UANET物理層設計的關鍵因素。

2.1.1 無線電傳播模型

電磁波從發射機發出后，通過無線信道到達接收機。無線電波傳播的特征表示為一個數學函數，稱為無線電傳播模型。與其他類型的無線網絡相比，UANET環境在無線電傳播方面有幾個獨特的挑戰：通信距離的變化；天線輻射圖中通信對的方向；地面反射效應；無人機平臺和機載電子設備產生的陰影；機身姿態（俯仰、滾轉、偏航等）對無線鏈路質量的影響；環境條件；干擾和敵對干擾。

由于上述因素，通信鏈路在UANET中隨著時間推移表現出不同的質量。文獻[7]研究了無人機之間、無人機到地面和地面到無人機通信鏈路的特征。這項研究中，對每種鏈路類型、自由空間和兩個地面的近似模型進行比較。當無人機接近地面時，觀察到灰色區域的存在。灰色區域表明，無人機到無人機鏈路的無線電傳播模型類似于雙射線地面模型，且UANET協議的設計必須意識到由于衰落造成的灰色區域的存在。文獻[8]研究了無人機之間通信的信道建模問題。研究中觀察到無人機之間的無線信道的誤差統計是非平穩的。根據無人機之間距離的變化，提出了一個雙態馬爾科夫模型，以結合研究適用于強視線路徑的Rician衰落的影響。實驗結果表明，該無線電模型能夠模擬非平穩誤差統計下的分組丟包。文獻[9]提出基于Nakagami-m的無線電傳播模型用于UANET通信。該模型估計了覆蓋衰落效應的多徑環境的接收信號強度，并將其表示為兩個參數的函數——平均接收無線電強度和衰落強度。此外，針對合作無人機網絡，推導出Nakagami-m衰落信道上的中斷概率的數學表達式。文獻[10]中，基于多載波中繼的無人機網絡的性能分析，在衰落信道上進行分析建模，給出了無人機之間和無人機對地面站鏈路中斷概率的一般分析公式。文章指出，衰落信道模型應根據運行環境來選擇。例如，瑞利衰落可能更適合于低空擁擠區域應用，而有高衰落參數的Nakagami-m和威布爾衰落最適合高空開放空間任務。

2.1.2 天線結構

天線結構是高效UANET通信體系結構的最重要因素之一。無人機之間的距離相對更遠，且直接影響UANET天線結構。雖然可以使用更高功率的無線電來克服這個問題，但是在更遠距離上仍然會出現高鏈路損耗和變化。為了克服這種現象，可以部署多個接收器節點，以利用無線信道的空間和時間分集來提高分組傳送速率。結果表明，無人機接收器節點在短時間尺度上表現出較差的分組接收相關性，最終需要使用多個發射器和接收器提高分組傳送速率。天線類型是影響UANET性能的另一個因素。文獻中為UANET應用部署了兩種類型的天線——定向和全向天線。全向天線在全方位輻射接收功率，而定向天線可以通過期望的方向收發數據。

全向天線的優點是可以全方位輻射功率，不需要知道節點位置信息，但通信范圍和空間復用之間有一個折衷。定向天線的優點是傳輸范圍比全向天線的傳輸范圍更大。對于UANET來說，這是一個重要的優勢。較長的傳輸范圍減少跳數，且可以降低網絡時延。尤其是在實時UANET應用中，時延是最主要的設計因素之一。基于定向天線的系統，可以同時處理UANET的通信范圍和空間復用的問題。它可以增加通信范圍，但不會限制空間復用。定向天線的另一個優點是，相對于全向天線具有更高的安全性，抗干擾能力更強。表2為全向天線和定向天線的對比。

表2 全向天線和定向天線的對比

2.2 MAC協議

MAC協議的質量直接影響有限帶寬的資源效率，并對UANET的通信性能產生重要影響。目前，UANET的MAC協議面臨如下問題：

（1）由于節點高移動性導致的鏈路質量變化頻繁和節點之間的距離較遠造成信道中斷；

（2）多跳共享廣播信道會帶來嚴重的報文沖突問題；

（3）由于節點發射機功率、節點所處地理位置的差異、周圍環境的差異等因素影響，可能造成單通信道，嚴重影響MAC協議的性能；

（4）由于無線信道本身的物理特性，以及報文沖突、信號衰減、信道噪聲等因素，信道實際可用帶寬非常有限，會遠小于理論設計的最大帶寬。

MAC協議的設計要求：要有更高的空間復用能力，以實現最大化網絡節點的同時通信需求；由于報文沖突將嚴重影響無線信道的利用效率，因此需要提供沖突避免和解決方案；應該降低對硬件設備的依賴，即不能對無線收發機做太多假設，從而讓任何滿足基本功能假設的設備都能采用該MAC協議。

在唐宋詞中，“憑欄”意象高頻出現，有其主要的社會淵源。憑欄又可作憑闌，或者倚欄桿，抑或倚樓。憑欄應該說是作者心靈寄托的一種表現。在宋代，前期由于社會安定國家統一，所以意象多見于思婦懷人，繼承了唐代溫庭筠的花間詞派的影響，后期由于社會動蕩，多數表現作者壯志難酬、家仇國恨以及羈旅思鄉之情。

2.2.1 基于定向天線的MAC協議

定向天線大大增加了通信距離，抗干擾能力增強，有較大的前向增益。定向天線還帶來了獨特的設計問題，特別是對于MAC層。雖然現有的大多數定向天線MAC層都是針對MANET和VANET提出的，但也有少數關于定向天線的UANET的MAC層設計的研究。文獻[11]中，Alshbatat和Dong提出了無人機自適應MAC協議方案（AMUAV）。AMUAV通過其全向天線發送其控制包（RTS、CTS和ACK），而DATA包則由定向天線發送，證明了基于定向天線的AMUAV協議可以提高多無人機系統的吞吐量、端到端時延和誤碼率。

2.2.2 具有全雙工無線電和多分組接收的MAC協議

在傳統無線通信中，接收和發送不能同時進行。隨著無線電電路的最新進展，現在可以在同一個信道上實現全雙工無線通信。另一個關于傳統無線通信的限制是數據包接收。如果有多個發件人，則接收機無法正確接收發送來的數據。然而，在多分組接收（Multi-Packet Reception，MPR）無線電電路的幫助下，使得來自多個信號源的數據接收成為可能。全雙工和MPR無線電電路對UANET的MAC層有重大影響。信道狀態信息（Channel State Information，CSI）是全雙工無線電最重要的參數之一。在高度動態的環境中，幾乎不可能確定完美的CSI。文獻[12]中，提出了一種新的基于標記的UANET MAC層協議，具有全雙工和多分組接收（MPR）無線電，目的在頻繁更新CSI，以便無人機可以隨時獲得最新的CSI信息。CSI更新的基于令牌的結構，消除了數據包沖突。性能結果顯示，提出的MAC協議性能較為突出。

2.3 路由協議

路由協議是網絡層的主要功能。UANET中節點之間的通信服務通過多跳數據轉發機制實現，這將需要路由協議決定如何進行有效的數據轉發。但是，由于UANET特有的問題，如鏈路質量的快速變化和節點的高速移動性等，大多數MANET路由算法對于UANET并不理想。

2.3.1 基于拓撲的路由協議

基于拓撲的路由可分為主動式和被動式，其根據網絡的鏈路信息傳輸數據。它的運行原理是通過跳數（Hop）尋找最短可用路徑，但在較大型網絡和高度動態網絡中無法保證數據包的傳輸速率。為了滿足高動態UANET的通信需求，提出了許多可行的路由協議。

（1）主動式路由

文獻[15]提出了使用GPS信息的預測OLSR，根據節點之間的相對速度，測量預期傳輸計數（ETX），然后通過它進行輔助路由決策。該協議有效解決了UANET頻繁切換路由引起的數據包丟失問題。文獻[16]提出了一種基于節點移動性和負載感知的OLSR協議，稱為ML-OLSR協議。該算法將節點移動性和負載感知算法引入OLSR協議，實現了更好的傳輸性能和更低的網絡時延。

Linhua Ma[17]提出了一種用于高速移動航空網絡的鏈路感知OLSR（OLSR-LA）路由協議。該協議通過使用收到的2個連續的Hello數據包中煩人多普勒頻率和其他信號特征，推算2個相鄰節點的相對移動速度和移動趨勢，以及2個節點間的鏈路保持時間。通過鏈路感知，使用負載均衡算法來避免擁塞。實驗結果表明，該優化算法能有效提高數據傳輸速率，降低數據包端到端時延，提高網絡可用帶寬。此外，文獻[18]提出NCR-OLSR路由協議，通過引入鄰居變化率（Neighbors Change Rate，NCR）的概念，充分利用局部網絡拓撲結構的穩定性，優化MPR選擇算法，提升傳輸穩定性和成功率。

（2）反應式路由

反應式路由協議旨在克服維護路由表引起的路由開銷問題。AODV（Ad-Hoc按需距離矢量路由）是一種Ad-Hoc網絡中廣泛使用的典型無源路由協議。AODV在傳輸數據時，在整個網絡路徑上廣播以查找消息。當節點收到路由并查找消息時，它會檢查本地節點是否是目標節點。若是目標節點，則節點響應路由請求；否則，將源節點地址加入到本節點的路由表中并轉發該消息。文獻[19]為UANET提出了AODV的時隙版本。當AODV以隨機接入模式發送其控制分組時，按時間點播的協議使用專用時隙，網絡中只有一個節點可以發送數據分組。仿真結果指出，它可以有效減少數據包沖突，并提高數據包傳輸率。

文獻[20]提出了IMAODV（改進的AODV）路由協議。該協議改進了Hello消息機制和路由修復機制，同時改進MAC層，允許節點具有監聽功能，旨在高速運動條件下建立穩定可靠的路由，減少數據包端到端傳輸時延，提高網絡可用帶寬。文獻[21]同樣基于AODV協議，在路由查找過程中使用最小跳數的原則，使用路由更新、路徑長度和路徑可靠性來進一步優化路由。

文獻[22]提出了AODV-NM路由協議，協議基于節點移動性和可用鄰居數量，并通過設定門限值來確定鏈路質量，可以選擇準確可靠的路由。文獻[23]介紹了一種新的基于輔助維護的改進AODV路由協議，稱為CSE-AODV路由協議。在CSEAODV協議中，為了提升局部修復的速度和修復率，優化了AODV協議的動態TTL估計算法，并設計了輔助節點的維護機制。同時，為了提高路徑的穩定性和優化路徑選擇機制，增加了基于快速局部路由算法的鏈路穩定性度量機制和穩定性閾值觸發機制。

動態源路由（DSR）是一種簡單而有效的反應式路由算法，文獻[24]中開發了帶有動態源路由（DSR）[25]協議的UANET測試平臺，并針對UANET提出了一種優化的UAV-DSR算法，可以根據不同的阻塞狀態和能量等級，建立相應的RREQ響應策略。文獻[26]提出REDSR協議，對于強信號UANET限制了最大跳數的路由請求，可以節省本地節點的存儲空間，減少路由開銷。文獻[27]提出UEDSR協議來研究小型無人機的任務，引入了能量均衡機制，可以有效減少熱點過多的能量消耗，并延長網絡壽命。

2.3.2 基于位置的路由協議

基于地理位置的路由協議是為移動Ad-Hoc網絡提出的一種新穎的路由設計策略。它根據最短距離或最近的方向確定下一跳節點。基于地理位置的路由協議可以實現無狀態、分布式的數據轉發，因為它不需要考慮全局鏈路狀態。因此，它更適用于拓撲結構頻繁變化的網絡結構。文獻[28]表明，當與基于拓撲的路由比較時，貪婪周邊無狀態路由（GPSR）協議性能更優越。文獻[29]開發了一種基于位置的路由協議仿真實驗框架，驗證了GPSR協議適用于節點密度較大的UANET，但在節點密度較小的網絡中表現較差。

文獻[30]介紹了地理位置移動導向路由（GPMOR），使用高斯—馬爾可夫移動模型來預測節點移動，并選擇下一跳節點。文獻[31]中的UANET傳統貪婪轉發策略，當發生路由漏洞時采用分組恢復策略。文獻[32]提出了用于UANET的多媒體數據傳輸的改進GPSR協議。在選擇最佳下一跳時，需要考慮節點位置、相對移動速度和移動方向等因素。此外，依據網絡中的節點發送的反饋信息，實現全局路徑最優化。

文獻[33]提出負載平衡地理路由（LBGR）協議，適用于三維高動態Ad Hoc網絡。該協議將以“到達目標節點通信范圍以內的時間”作為主要路由決策依據，代替GPSR使用的“最接近目標節點”決策原則，以提高高動態網絡環境下的有效性環境路線選擇和可靠性。同時，節點之間流量合理分配，實現了負載均衡，有效減少了擁塞問題。GRAA（航空器Ad-Hoc網絡的地理路由協議）[34]根據節點的三維坐標位置信息和速度信息，在一段時間后選擇到目標節點的最近節點作為下一跳路由選擇的依據。

文獻[35]提出基于節點移動預測的MPGR（基于移動性預測的地理路由）。該協議通過鄰居節點和源節點之間的距離以及鄰居節點和目的節點之間的距離，判斷下一跳路由選擇。在DGLAR（Dynamic Geographic LoadAware Routing，動態地理負載感知路由）[36]中，路由選擇考慮了節點相對運動速度和數據擁塞，定義了一個新的度量標準，可以根據網絡應用環境調整動態路由因子。但是，根據具體的理論，實際應用中很難獲得有效的路由因子。

2.3.3 分級路由協議

為解決網絡可擴展性問題，開發了另一組用于UANET的分級路由協議。網絡由多個不同任務區域的集群組成。每個集群都有一個簇首（Cluster Head，CH），且集群中的所有節點都在CH的直接傳輸范圍內。CH與上層無人機或衛星直接或間接連接形成分級網絡。當任務區域很大時，該模型可以產生更好的性能結果。分級路由最重要的設計問題之一是集群的形成。

移動性預測分級協議是為UANET開發的分級形成算法[37]。UANET節點的高移動性結構導致頻繁的集群更新，且移動性預測集群目的是通過預測網絡拓撲更新來解決這個問題。它通過字典Trie結構預測算法[38]和鏈路到期時間移動性模型，預測無人機的移動結構。它需要這些模型的加權總和，且其鄰居中具有最高權重的無人機被選為CH。仿真研究表明，這種CH選擇方案可以增加群組和CH的穩定性。文獻[39]中，提出了另一種用于無人機組網的分級算法。它首先在地面上構建集群，然后在多無人機系統運行期間更新它。地面分級規劃計算分級方案，然后根據地理信息選擇CH。部署無人機后，根據任務信息調整集群結構。仿真研究表明，它可以有效提高穩定性，保證動態組網的能力。表3為路由協議分類匯總。

表3 路由協議分類匯總

3 結 語

近年來，UANET受到廣泛關注，因為它具有更大的操作范圍、更廣闊的應用場景和完成更復雜的任務等優勢。但是，UANET的設計與實現涉及到諸多方面的先進技術，面臨著諸多不同的嚴峻挑戰，而通信服務問題是UANET極具挑戰性的設計問題之一。本文從移動性、節點密度、拓撲變化、無線電傳播模型和移動模型等方面，討論了UANET和其他Ad-Hoc網絡類型之間的差異，以分層方式介紹了近年來有關UANET的相關研究。其中，物理層的特性直接影響其他層的設計和整體UANET性能。現有的與UANET物理層相關的研究，主要集中在無線電傳播模型和天線結構上。MAC協議的質量直接影響有限帶寬的資源效率，并對UANET的通信性能產生重要影響。現有的一些MAC層研究中使用定向天線技術或者全雙工無線電技術有效降低報文沖突，提升了整體網絡性能。路由協議的質量直接影響了通信服務中數據傳遞的效率和性能。現有的路由協議研究針對不同的應用場景和需求設計了不同的路由協議，各有優劣。實際應用中，應根據不同的需求，選取不同方式的路由協議。