無人機集群通信網絡拓撲重構及關鍵技術研究*

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）

1 引言

無人機集群是由大量小型無人機，以單平臺無人機的作戰能力為基礎，以無人機之間的協同交互能力為支撐，以群體智能涌現能力為核心，基于開放式體系架構綜合集成構建的，具有抗毀性、低成本、功能分布化等優勢和智能特征的作戰體系。無人機集群作戰將在未來戰爭中得到廣泛應用，成為未來戰爭的核心，對未來戰爭產生重要影響。無人集群作戰是指一組具備部分自主能力的無人機在有/無人操作裝置輔助下，實現無人機間的實時數據通信、多機編隊、協同作戰，并在操作員的指引下完成滲透偵查、誘騙干擾、集群攻擊等一系列作戰任務［2］。無人集群作戰系統可填補戰術與戰略之間的空白，以多元化投送方式快速投送到目標區域執行多樣化軍事任務，實現對熱點地區戰略威懾、戰役對抗、戰術行動［3］。

然而，在無人機集群作戰過程中，必然會遭受敵方的火力打擊而導致部分無人機節點受損。一旦受損節點為連接兩個通信網絡分區的關鍵節點，將影響整個無人機集群通信網絡的連通性。戰場環境復雜，局勢瞬息萬變，如何實時動態地對無人機集群通信網絡連通性受損區域進行連通性修復，是無人機集群作戰亟需解決的關鍵問題。

2 無人機集群通信網絡拓撲重構

2.1 無人機集群的國內外發展現狀

2000年，美國國防部高級計劃研究局（DARPA）發布了無人機集群作戰技術研究計劃［4］。近幾年，美國針對無人機集群展開了大量研究，并取得了一些初步成果。例如，DARPA于2015年公布的“小精靈項目”［5］。該項目計劃旨在通過在敵方防御范圍外投放大量小型化、可回收的無人機，利用無線自組網技術實現多個無人機間的協同，通過攻擊敵方的基礎通信設施和安全設施，甚至利用電腦病毒等攻擊敵方數據庫系統來壓制敵方。

圖1 美軍“小精靈”項目構想圖

我國的無人機集群研究雖然起步比較晚，但近年來在國內眾多學者和研究人員的努力下，也取得了顯著的成果。其中在無人機集群的控制技術領域，以中國電子科技集團公司趙彥杰研究員領銜的智能無人集群項目團隊更是取得了令世界矚目的成就。2017年6月10日，該團隊成功完成了世界上首次119架固定翼無人機集群飛行實驗，打破了此前由美軍保持的103架固定翼無人機集群飛行的記錄。

2.2 網絡拓撲重構概念

拓撲重構的概念最早起源于配電網絡，目的是為了提高整個配電網的容錯能力［6］。類似的，當網絡中的節點出現失效對網絡中的通信鏈路產生影響時，也需要通過各種重構技術恢復網絡的性能，滿足網絡正常的通信需求。移動ad hoc網絡作為一種分布式自組織的無線網絡，其節點具有移動性，拓撲變化頻繁，網絡中的鏈路容易出現斷開的現象。無人機集群通信網絡就是一種典型的移動ad hoc網絡，每個無人機都是分布式的在完成自己的任務。

在復雜惡劣的戰場環境中，尤其在對敵實施攻擊的過程中，無人機集群通信網絡中的節點經常性的遭受敵方蓄意攻擊而損毀失效。然而，網絡中節點大面積失效或者關鍵節點失效，不僅會影響作戰區域的網絡覆蓋，還會將網絡分割成多個不連通的分區，影響網絡中節點之間數據交換，甚至導致網絡癱瘓，嚴重影響了整個無人機集群間的協同作戰能力。因此，故障容忍和戰時環境下的分區連通性恢復是無人機集群技術需要關注的重點問題［7］。

所謂拓撲重構，是指通過控制網絡中的移動節點或鏈路的方法改變網絡的拓撲結構，從而使網絡具有較高的性能，更好地為用戶提供服務。拓撲重構是恢復網絡連通性的有效手段，即當網絡出現故障導致網絡出現分區，連通性遭到破壞，使性能下降顯著時，運行拓撲重構算法，通過補充新的網絡節點或移動網絡中的冗余節點恢復網絡的連通性。根據拓撲重構的實現策略，可以分為預防型重構和恢復型重構。預防型重構的基本思想是預先知道網絡性質及拓撲結構，采取一定的措施，為防止未來可能出現的網絡故障做準備。恢復型重構的基本思想是網絡因故障而被分割時，采取相應的措施對網絡連通進行恢復，相比于預防型重構，其時效性較低。

現有的拓撲重構技術的研究多集中在無線傳感器網絡領域，專門針對無人機集群通信網絡的拓撲重構技術的相關研究較少。傳感器網絡中節點通常都是不具備移動性的靜止節點，大部分情況下由電池供電。節點的失效通常是由能量耗盡而失效或硬件故障而導致的。無人機集群通信網絡中的節點移動頻繁，單次作戰能量充足，其失效的原因多是由于遭受敵方攻擊，且無人機網絡對連通性恢復的實時性要求更高，需要在極短的時間內完成整個網絡的拓撲重構，恢復網絡的連通性，保障無人機集群的抗毀性和協同作戰能力。對比發現，無人機集群通信網絡拓撲重構和無線傳感器網絡拓撲重構的應用場景和需求存在差異，傳統的無線傳感器網絡拓撲重構方法難以直接應用于無人機集群通信網絡中。因此，研究戰場環境下的無人機集群通信網絡拓撲重構的方法對于提高無人機集群的抗毀性和協同作戰能力，具有重要意義。

一是研究制訂更加有效的政策，扶持“金屬表面無磷處理”“中水回用”“再生水、雨水綜合利用”等項目，以發揮示范項目的作用；二是通過 “多水源、多用戶的優化配置”等方面研究，進一步加強水資源管理能力；三是繼續加大農村供水管網改造力度，2014年將完成城區及鄉鎮26個村的老舊供水設施的改造,將農村供水管網漏損率降低到22%；四是加快實施居民自來水階梯水價制度，創建一批節水型示范機關、學校、企業、醫院、居民小區；五是加快新建、擴建4個集鎮污水處理廠，將全市的污水日處理能力從現在的9.5萬t提高到22萬t。

3 拓撲重構典型算法介紹

無線自組織網絡中，由于節點的移動而導致網絡的拓撲經常發生變化，網絡中節點間的鏈路通常也非常脆弱。當節點間的鏈路因節點失效而受損時，需要通過拓撲重構的方法對網絡進行修復，恢復網絡的連通性。目前，網絡的拓撲重構方法可以分為以下幾類。

3.1 基于功率控制的拓撲重構方法

無線鏈路兩個節點能通信的前提是發送節點發射的電磁波信號到達接收節點的功率與干擾和噪聲的比值，也就是信干噪比（Signal-Interface-Noise-Rate，SINR）要大于接收節點接收機的門限。通過控制節點的發送功率，可以調節節點一跳范圍內的鄰居數量，進而控制整個網絡的拓撲復雜度。功率控制是實現網絡拓撲重構的重要手段。

文獻［8］系統地介紹了節點的通信半徑與最小發送功率對網絡連通性的影響，并提出了一種在保證網絡全覆蓋的前提下設置節點的最小發送功率的方法。仿真結果證明，該方法不僅可以保證網絡全連通，還可以達到98%以上的網絡覆蓋率。基于功率控制，劉林峰等提出了一種面向節點失效問題的網絡拓撲自愈方法TCS-CA［9］。該算法可以分為單跳鄰居的連通性恢復、子集合并和全局連通性恢復三個階段。其核心思想可以概括為利用功率控制技術，調整受損節點周圍節點的發送功率，增大通信范圍，使得受損鏈路重新鏈接以恢復網絡的連通性達到拓撲重構的目的。

盡管功率控制技術可以在一定程度上實現拓撲重構的目的，但單純的增大發送功率使得受損鏈路重新鏈接會導致節點的一跳范圍內的鄰居數量增加，加劇節點間對于無線信道資源的競爭。尤其在節點密度較大的無人機集群通信網絡中，當網絡業務負載較大時，節點間的沖突將會急劇增大，嚴重影響了網絡性能。因此，如何平衡網絡連通性和通信效率是基于功率控制的拓撲重構方法需要研究的重點。

3.2 基于節點移動的拓撲重構方法

圖2 基于節點移動的網絡拓撲重構總體框架

一般而言，網絡拓撲中節點的地位并不是完全等同的，存在著關鍵節點。這一類節點通常是兩個區域連通的關鍵，承載著多條業務流的轉發任務。同時，一旦該類節點發生損毀，將會把網絡分割成數個不連通的區域。基于節點移動的拓撲重構方法的核心思想就是檢測網絡中的關鍵節點，當關鍵節點受損時采取一定的措施進行修復［10］。該方法的主要步驟如下。

1）網絡節點角色判定：節點根據自身狀態改變對網絡拓撲結構的影響來判定自己的角色，包括普通節點，冗余節點和關鍵節點。通常我們把能夠用來修復關鍵節點而不影響網絡連通的節點稱為冗余節點，連接不同分區的節點稱為關鍵節點，其它節點稱為普通節點。

2）網絡故障診斷：根據敵方的攻擊模型和故障診斷算法，診斷當前發生故障的節點類型及其鄰域節點，定位故障源。只有當網絡中的關鍵節點受損時，才會發起拓撲重構過程修復網絡連通性。

3）網絡拓撲修復：修復節點通常由冗余節點擔任，在關鍵節點的鄰域范圍根據適應性函數選擇出最佳的修復節點。修復節點預設好的運動模型移動至關鍵節點的位置，如果修復節點的移動造成了新的網絡拓撲分割，則進行級聯移動，直至網絡恢復連通。

4）網絡拓撲優化：網絡拓撲重構的目的一方面是恢復網絡的連通性，另一方面是保證網絡的覆蓋率。修復節點在完成連通性修復后，還要結合其鄰域內的節點修復區域的覆蓋性為目標，對網絡連通性和區域覆蓋率進行聯合優化。

3.3 基于分簇的拓撲重構方法

此類方法通常考慮分層的無線網絡，網絡中的所有節點都在無障礙的開放區域中移動。具有較大傳輸范圍的節點被分配為簇頭（cluster heads，CH），并負責收集和轉發消息。其他節點是集群成員（cluster members，CM），它們在CH周圍隨機部署。CM計算它們與附近的CH之間的歐幾里得距離，并加入最近的簇。

文獻［11］基于分簇的思想提出了一種拓撲重構的方法。該方法認為網絡中不同的CH之間通過CM連接。假設處于連接傳輸群集和接收群集的兩個CM節點為A和B，A在t時刻根據卡爾曼濾波器預測自己和B在t+1時刻的位置。如果判定A、B在t+1時刻的距離大于通信距離，則由A在t時刻發起拓撲重構過程，保持與B在t+1時刻的連通性，從而保證不同簇之間的連通性。然而，該類方法的顯著缺陷是需要知道節點移動模型等先驗知識，這對于無人機集群通信網絡而言顯然是不現實的。

4 通信網絡拓撲重構關鍵技術分析

根據前文的分析介紹可知，基于節點移動的網絡拓撲重構方法是最適合無人機集群通信網絡的。但目前此類拓撲重構方法多是針對無線傳感器網絡提出的，難以直接應用于節點數量多、密度大，拓撲變化頻繁的無人機集群網絡。同時，此類方法本身仍然存在諸多核心技術需要進一步的突破，主要包括如下內容。

4.1 網絡關鍵節點判定技術

當網絡中的節點失效時，根據其角色的不同確定是否執行拓撲重構策略。若失效節點為關鍵節點，則執行拓撲重構策略恢復網絡連通性；否則，網絡不進行任何處理繼續運行。由此可見，高效準確的關鍵節點判定方法對于拓撲重構的效率具有重要意義。大規模無人機集群通信網絡具有海量的節點，深度搜索和廣度搜索等全局遍歷方法耗時長，效率低；基于一跳鄰居的分布式搜索方法確定出來的關鍵節點是全局關鍵節點的概率準確性低。平衡信息獲取準確性與網絡負載開銷是關鍵節點算法需要關注的重點問題。如何針對無人機集群的特點，設計高效準確的關鍵節點判定方法，是網絡拓撲重構需要研究的關鍵技術之一。

4.2 網絡故障診斷技術

網絡的拓撲重構可以分為重構觸發和重構實現兩個階段。在觸發階段，可以通過拓撲故障診斷完成。在實現階段，可以通過拓撲重構完成。故障診斷是檢測網絡異常，確定受損節點的重要手段。故障診斷的效率越高，重構觸發的開銷也就越小，在高效合理的重構實現方案的保證下，才能實現高實時的網絡拓撲重構，最小化的減小因網絡連通性受損而導致的網絡性能下降。目前，國內外的研究主要是集中在有線網絡，有很多成熟的方法，如基于神經網絡的診斷，基于貝葉斯理論的故障診斷方法等等。對無線網絡的故障診斷通常具有較大的延時，如節點多次重傳數據失敗或在一個周期內沒有收到來自鄰居節點的“心跳”報告信息［12］則有可能表示當前鏈路失效，需要進行故障診斷。而對無人機集群作戰而言，戰場態勢瞬息萬變，實時性要求較高，對延遲的容忍較低。同時，大規模無人機集群通信網絡由于覆蓋區域廣，節點數量眾多，受損失效節點類型復雜。因此，大規模無人機集群通信網絡的故障診斷也異常困難，是拓撲重構需要研究的關鍵技術之一。

4.3 網絡連通性恢復技術

網絡連通性恢復方法主要分為兩類：一類是針對可移動無線網絡，通過網絡中冗余節點的移動代替失效節點，完成網絡連通性自恢復，另一類是通過放置額外的中繼節點來恢復網絡的連通性。無人機集群作戰系統是一種實時性要求較高的系統，放置中繼節點恢復網絡連通性的方法難以得到保障。因此，無人機集群通信網絡更適合于通過網絡中冗余節點的移動代替失效節點，完成網絡連通性自恢復。但目前此類方法的研究多集中于單個節點失效的情況，而無人機集群作戰過程中，經常性的遭遇敵人的蓄意打擊而出現節點大面積同時失效的情況，現有的方法難以應對。綜上，網絡連通性修復技術也是無人機集群通信網絡拓撲重構需要研究的關鍵技術。

5 結語

本文從網絡拓撲重構技術入手，系統介紹了網絡拓撲重構的概念。同時，本文結合拓撲重構的經典算法進行分析，認為基于節點移動的拓撲重構方法更加適合無人機集群通信網絡拓撲重構。另一方面，現有的拓撲重構方法多是針對無線傳感器網絡提出的，難以直接應用于無人機集群中，本文分析了無人機集群通信網絡拓撲重構需要在哪些關鍵技術加以突破，希望為未來無人機集群通信網絡拓撲重構提供技術參考和研究方向。