無人機測控通信自組網技術綜述

張偉 中國電子科技集團公司第五十四研究所

引言：無人機UAV（UnmannedAerialVehicle）起源于軍事領域，用于偵察、監視、測繪、空中打擊等任務。伴隨無人機開放式架構的發展，有效載荷已經實現模塊化，無人機在發揮ISR（情報、監視、偵察）功能的同時，可發揮打擊作用。隨著無線電技術、自動控制技術、計算機技術的飛速發展，無人機系統集成了飛控、測控通信、發射回收、電源等功能系統。其中，測控通信系統用于保障無人機與地面站之間控制信令和應用數據的實時可靠傳輸，其傳輸速率滿足一般戰術偵察和監視的需求。隨著合成孔徑、機載預警雷達和高分辨、多光譜、多組合傳感器設備在無人機上的應用，機載數據速率將會更高，這對無人機測控通信的傳輸速率和容量提出了更高的要求。美軍及北約國家研發了戰術數據鏈系統、寬帶數據鏈系統以及戰術瞄準網絡技術（TTNT）等多型組網數據鏈系統，并通過制定STANAG4586等互操作標準將大量相互獨立的“煙囪式”強耦合方式的戰術數據鏈改造成為符合全球柵格（GIG）標準的柵格節點。

1 無人機自組網簡介

無人機自組網，也稱無人機網絡（networkofUAV）或無人航空自組網（unmannedaeronauticalAdHocnetwork，UAANET），基本思想是：多無人機間的通信不完全依賴于地面控制站或衛星等基礎通信設施，而是將無人機作為網絡節點，各節點間能夠相互轉發指控指令，交換感知態勢、健康情況和情報搜集等數據，自動連接建立起一個無線移動網絡。該網絡中每個節點兼具收發器和路由器的功能，以多跳的方式把數據轉發給更遠的節點。無人機自組網采用動態組網、無線中繼等技術實現無人機間的互聯互通，具備自組織、自修復的能力和高效、快速組網的優勢，可滿足無人機在特定條件下的應用需求，是對現有無人機通信體系的補充和完善，具有重要的理論研究和實踐應用價值。

2 關鍵技術

2.1 路由技術

①能感知網絡拓撲結構的變化。因為無線自組網需要進行多跳通信,所以路由協議必須確保路徑中的鏈路具有很強的連接性。無線自組網中的節點必須知道它的周圍環境和可以與它直接進行通信的節點。無線自組網提供網絡連接的方法主要有2種：平面路由網絡結構和分層路由網絡結構。在平面路由網絡結構中,所有的節點都是平級的,分組的路由是基于對等的連接。但是在分層路由結構中,較低層至少要有一個節點作為與高層聯系的網關；②維護網絡拓撲的連接。因為每個節點的相對位置都可以隨時改變,所以網絡拓撲是頻繁變化的。路由協議為了維持節點之間的鏈路具有較強的連接性,必須動態更新鏈路狀態和對自己重新配置。如果采用中心控制的路由算法,為把節點鏈路狀態的改變傳送到所有的節點,就會消耗過多的時間和精力,顯然是不適合的。所以要采用一種全分布式的智能路由算法；③高度自適應的路由。相對于有線網絡里的靜態節點,無線自組網要求一個高度自適應的路由機制,來處理快速的拓撲變化。而傳統的路由協議,如距離矢量和鏈路狀態算法,要求在指定路由器間交換大量路由信息,因此在無線自組網里都不能有效地工作。所以針對無線自組網的特點,提出了新的路由算法。總地來說,這些路由算法可以分為3種類型：表驅動算法、需求驅動算法、表驅動和需求驅動算法相混合的算法。表驅動路由協議采用周期性的路由分組廣播,來交換路由信息,每個節點維護去往全網所有節點的路由；需求驅動路由協議是根據發送節點的需要,按需進行路由發現過程,網絡拓撲結構和路由表內容也是按需建立的,所以其內容可能僅僅是整個網絡拓撲結構信息的一部分。

2.2 路由協議設計

①分布式操作。對于集中式路由協議,通常存在一個中心節點,收集整個網絡拓撲結構,計算全網的最短路由,并將結果分發到其他節點。這種機制難于適應動態變化的移動自組網,且開銷過大。其次,作為移動自組網的重要應用背景,無人機系統要求很高的魯棒性,所以理想路由協議應當采用分布式操作；②提供無環路由。這一點是路由協議應當具備的基本特征。路由協議主要通過以下機制保證這一點：使用有目的節點產生的路由序號機制,反映路由狀態的新舊程度；使用路徑發現算法；使用源路由機制；使用面向目標的算法；③可擴展性。無線自組網本身具有組網靈活的特點。在該網絡的應用過程中,隨時可能有新節點加入和推出。為適應無線自組網的發展,對路由協議進行設計時必須對其可擴展性進行適當考慮；④對單向信道的支持。在無線自組網絡中可能存在單向信道,對路由協議的設計僅滿足雙向鏈路的需求是不切實際的。要全面考慮該環境下路由協議的應用,所設計的路由協議應能支持單向鏈路。

結語：無線自組網作為一種實用的網絡通信技術,許多領域都在研究和應用,特別是在飛行器領域具有明顯的優勢。文章討論自組網技術應用于無人機系統的思想和關鍵技術,為無人機系統做出了有益的探討,并提出了一種比較理想的路由協議。