專題：無人機集群智能自組網(wǎng)與協(xié)同應用

特邀策劃人

董 超

南京航空航天大學電子信息工程學院院長助理，教授，博士生導師，萬人計劃青年拔尖人才，江蘇省333工程“中青年學術(shù)技術(shù)帶頭人”，中國電子學會通信分會委員，中國通信學會組織工作委員會委員，江蘇省電子學會無線通信專委會副主任委員。主持國家自然科學基金重點項目、面上項目與青年項目，科技部重點研發(fā)計劃課題，創(chuàng)新特區(qū)項目等10余項國家重大項目；發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文百余篇，包括IEEE Network、IEEE JSAC、IEEE TON、IEEE TMC、IEEE TVT等知名國際期刊論文以及INFOCOM、IPSN、SECON與ICC等知名國際會議論文，獲國際會議與國內(nèi)期刊最佳論文獎勵4次；作為第一發(fā)明人，授權(quán)國家與國防發(fā)明專利26項；獲省部級科技進步獎勵5項，2項排名第一；長期擔任IEEE JSAC、IEEE TWC、IEEE TMC等國際期刊的論文審稿人，多次擔任IEEE INFOCOM、IEEE GlobeCom、IEEE ICC、IEEE WCNC、IEEE WCSP等知名國際會議的程序委員會委員，研究成果應用于中電科、航天科工等集團公司的企業(yè)院所以及珠海航展等重大活動。

內(nèi)容導讀

近年來，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，無人機呈現(xiàn)出小型化的趨勢并逐步滲透融入各行各業(yè)甚至人類的日常生活。隨之而來，由多架小微型無人機組成的無人機集群成為熱點，在精準農(nóng)業(yè)、搶險救災、物流快遞、海洋監(jiān)管、無人作戰(zhàn)等方面擁有廣闊的應用前景。在上述應用中，如何利用無人機集群協(xié)同更好地完成單個無人機無法完成的工作，實現(xiàn)“1+1>2”的效果，是當前應用的迫切需求和技術(shù)發(fā)展的總體趨勢。在人工智能、機器學習等新興技術(shù)快速發(fā)展的背景下，集群智能自組網(wǎng)是實現(xiàn)無人機集群協(xié)同應用的關(guān)鍵有效途徑，同時面臨集群資源受限、分布協(xié)同能力不足、智能算法落地困難等方面的巨大挑戰(zhàn)。

鑒于上述情況，為了更好地將我國無人機集群智能自組網(wǎng)與協(xié)同應用的最新研究成果介紹給讀者，進一步滿足實際國情和無人機集群發(fā)展需求，我們組織了本專題。

《基于無人機集群智能自組網(wǎng)的典型協(xié)同應用》針對無人機集群為突發(fā)熱點流量區(qū)域用戶服務(wù)的場景，研究了無人機集群服務(wù)過程中集群用戶調(diào)度及路徑規(guī)劃、多無人機三維懸停位置部署及無人機網(wǎng)絡(luò)智能管控架構(gòu)三方面的協(xié)同應用，對各應用進行了建模分析并提出了相應的智能優(yōu)化算法，為在實際場景中實現(xiàn)高能效的無人機集群智能自組網(wǎng)協(xié)同應用提供了有效參考。

《無人機虛擬天線陣列安全節(jié)能通信多目標優(yōu)化》考慮一組無人機組成一個基于無人機虛擬天線陣列并使用協(xié)作波束成形來實現(xiàn)與多個地面用戶之間的安全通信，通過聯(lián)合優(yōu)化無人機的位置、激勵電流權(quán)重以及與不同地面用戶的通信順序，獲得了總保密率與總無人機推送能耗之間的有效折衷。

針對無人機網(wǎng)絡(luò)中由節(jié)點和鏈路故障引起的頻繁路由失效問題，《面向無人機網(wǎng)絡(luò)快速路由恢復的改進OLSR協(xié)議》提出了衡量網(wǎng)絡(luò)對故障反應快慢的路由回復時間指標，并給出了一種基于OLSR的改進路由協(xié)議，相較于OLSR，所提協(xié)議在增加不超過15%控制開銷的情況下，將路由恢復時間縮短了50%。《基于最短路徑的無人機自組網(wǎng)改進路由算法》提出了適用于無人機自組網(wǎng)的基于最短路徑的改進路由算法，在無人機隨機分布的高流量場景下，在丟包率、端到端時延和抖動等方面獲得了相比已有算法更好的性能。針對無人機自組織網(wǎng)絡(luò)UANET因快速移動導致拓撲變化頻繁，路由信息因未能及時根據(jù)鄰居節(jié)點的變化而更新導致鏈路中斷的問題，《基于卡爾曼-DNN預測的UANET路由協(xié)議》提出了基于卡爾曼-DNN節(jié)點位置預測的路由協(xié)議，能在卡爾曼預測鄰居節(jié)點位置的基礎(chǔ)上通過DNN的非線性運算對卡爾曼位置預測的結(jié)果進行修正從而提高鄰居信息的準確性，且滿足了無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)低端到端時延、高數(shù)據(jù)分組投遞率的需求。

《面向復雜任務(wù)的多無人機協(xié)同計算資源分配與優(yōu)化》研究了在子任務(wù)執(zhí)行時序、任務(wù)響應時間、任務(wù)卸載和無人機能耗等約束下最小化任務(wù)處理時延的多無人機協(xié)同部分計算卸載優(yōu)化問題，提出了低計算復雜度的雙層博弈近似計算卸載算法，相比對比算法，具有較低的任務(wù)處理時延。《基于DTC和遺傳算法的無人機-無人車任務(wù)規(guī)劃方法》以任務(wù)分析和環(huán)境建模仿真模型語言描述無人作戰(zhàn)飛機/無人戰(zhàn)車任務(wù)結(jié)構(gòu)，提出了一種標準設(shè)計準則和遺傳算法相結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃方法，有效融合了多項任務(wù)信息，在考慮異構(gòu)平臺能力差異性的基礎(chǔ)上，提出了協(xié)同作戰(zhàn)的整體效益。考慮無人機作為移動電源對無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點進行充電，《基于改進混合粒子群算法的無人機充電路徑規(guī)劃方法》將無人機飛行能耗聯(lián)合傳感器節(jié)點充電量作為優(yōu)化目標，通過優(yōu)化無人機充電路徑，提出了一種慣性權(quán)重線性遞減混合粒子群算法，提升了無人機飛行能耗和傳感器節(jié)點充電量等性能。

結(jié)合對敵防空壓制電磁作戰(zhàn)場景，《基于閾值公共品博弈的無人機集群干擾決策技術(shù)》建立了面向無人機集群協(xié)同干擾的閾值公共物品博弈模型，借鑒人類社會中的集體行動協(xié)調(diào)機制，引入了內(nèi)生性懲罰措施，在滿足所需功率閾值的前提下，從最大化自身行為回報的角度出發(fā)，對集群中各個節(jié)點進行行為策略更新，從而為集群協(xié)同干擾自主決策提供了一條有效途徑。

《基于Docker和EXata的大規(guī)模無人機網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)》提出了一種基于Docker和EXata的大規(guī)模無人機集群網(wǎng)絡(luò)的仿真方法，利用輕量級的Docker容器技術(shù)提高服務(wù)器效率并降低服務(wù)器資源消耗和許可成本，可以模擬無人機節(jié)點中的大部分軟件應用；利用EXata仿真多種無線應用環(huán)境，可以和真實網(wǎng)絡(luò)中的人、設(shè)備、軟件進行實時通信，所提系統(tǒng)建立了Docker節(jié)點與EXata內(nèi)節(jié)點間流量映射關(guān)系，可以為大規(guī)模無人機網(wǎng)絡(luò)應用調(diào)試和推演智能優(yōu)化算法的研究提供較為逼真的仿真系統(tǒng)。

綜上所述，本專題涵蓋無人機集群智能自組網(wǎng)智能安全通信、路由、任務(wù)規(guī)劃與決策、協(xié)同應用、仿真系統(tǒng)等，希望能夠給廣大讀者了解和研究無人機集群智能自組網(wǎng)提供有益的啟示和參考。最后，感謝編輯部各位老師在征稿通知發(fā)布、論文評審與意見匯總、論文定稿、編輯修改及出版所付出的努力和汗水；感謝專題評審專家及時、耐心、細致的評審工作；衷心感謝各位作者的辛勤工作和精心撰稿!