自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用和優化研究

亢 超

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

1 自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用意義

自組織網絡作為一種新興的網絡架構，具有集中式控制、可編程性和靈活性等優勢。自組織網絡將網絡控制平面與數據轉發平面分離，通過集中式控制器實現對網絡的動態管理和控制。自組織網絡作為一種新興的技術，主要具有無中心、多跳路由、自組織能力以及動態拓撲結構等特點。自組織網絡所組成的無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）衛通鏈路類似于一個蜘蛛網，節點之間都存在著多個連接放線，即使無人機衛通鏈路中某一個連接通道出現了故障，也可以通過其他的通道完成數據傳輸。這種移動的自組織網絡中，各終端間的數據互聯互通，并沒有相應的控制中心，只有一個進行數據存儲的控制終端，其內部涉及的各種網絡節點都處于一種平等的地位。自組織網絡的每一個網絡節點都具有數據交換和微操作系統，這就使得自組織網絡的運行并不需要各種預設的核心控制設備以及基礎網絡設施作為基礎，其中的各個網絡節點主要是利用私有協議和相應的獨特算法，將無人機衛通鏈路不同節點的行為加以同步協調[1]。

2 自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用設計

2.1 自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用的架構設計

自組織網絡是不依賴于預定義基礎設施的自治網絡，可以隨時隨地快速建立網絡連接。網絡中每個節點單獨充當移動路由器，與網絡中其他節點隨機構成鄰接關系。自組織網絡沒有中心路由器進行轉發，在網絡中的每一個主機既是信息的發送者也是信息的接收者，還要充當路由器的將收到的信息再轉發出去，因此路由協議更加復雜。同時，自組織網絡結構遠沒有傳統網絡的拓撲結構穩定，隨時加入和退出的主機都可能會改變路由線路，導致路由表的更新頻率遠遠增大。

自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用可以使用集中式、分布式或混合架構。集中式架構指定一個節點設備作為控制器，其他節點設備連接到該控制器，控制器控制整個設備自組織網絡的運行。分布式架構是指所有節點設備具有相同的功能和權限，各節點設備共同完成網絡管理和數據傳輸。混合架構結合了集中式和分布式體系結構，以提供更高效的解決方案。

2.2 節點設備設計

節點設備主要由物理層、數據鏈路層和網絡層3部分組成。

2.2.1 物理層

物理層結構模型如圖1 所示。自組織網絡在無人機衛通鏈路中的物理層應滿足IEEE 802.11 系列標準。由于Wi-Fi 技術的成熟，在不同的成本和功耗要求下，可以提供多種設備選擇。為提高設備的可靠性和靈活性，應支持雙通道、雙工作模式和雙天線。

圖1 物理層模型

2.2.2 數據鏈路層

自組織網絡在無人機衛通鏈路中的數據鏈路層應支持多節點間的無線收發。該層主要負責數據幀的傳輸和識別。在設計時，應盡量利用設備硬件的加速特性，減少軟件算法的占用，通過硬件加速實現高效的數據幀傳輸。數據鏈路層模型如圖2 所示。

圖2 數據鏈路層模型

2.2.3 網絡層

自組織網絡在無人機衛通鏈路中的網絡層應該支持路由協議，使其成為多節點設備自組織網絡的一個關鍵主題。網絡層模型如圖3 所示，由于節點設備數量較多，需要優化節點設備的功耗、頻譜、內存等資源。

圖3 網絡層模型

3 自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用方法

3.1 無線傳感網絡技術

無線傳感網絡技術具有不受地理位置限制和受天氣狀況影響小的特點。同時，無線傳感網絡技術的組網結構較為簡單，適合山區、野外等無公網信號場景下的應急通信，且傳輸方式較為安全。無人機衛通鏈路傳統的通信設備較為復雜，在實際使用過程中存在不便。目前，國內無線傳感網絡技術采用的頻段以Ku 波段和Ka 波段為主。雖然Ka 波段比Ku 波段的帶寬相對較高，但Ka 波段無線傳感網絡技術的雨衰較大，下雨時通信的帶寬及穩定性大幅度下降。自組織網絡在無人機衛通鏈路中的應用其自身具有更加強大的數據傳輸服務功能和更加可靠的數據傳輸穩定性，同時容錯率更高。在無人機衛通鏈路工作使用的無線傳感技術中，會存有更多的傳感節點，自組織網絡在無人機衛通鏈路的應用可以應用于多種不同的場合，其覆蓋范圍相對廣泛[2]。

3.2 移動通信網絡技術

移動通信網絡技術是自組織網絡體系中的一種新型自組織網絡使用形式。該網絡能夠進一步保證無人機衛通鏈路的暢通性和可靠性。無人機衛通鏈路使用的移動通信網絡技術具有更高的獨立性與自動配置性，不需要過多的人工操作干預，能夠支持更多的接口技術，應用于多種不同的工作[3]。

3.3 混合式網絡技術

自組織網絡和集成蜂窩式網絡的混合式網絡，通過自組織網絡進行消息傳遞，為無人機衛通鏈路中的信息傳遞提供便捷通道，同時是一種對自組織網絡的使用形式。在發生情況嚴重的自然災害現象時，固有的蜂窩無線網絡基站會受到破壞導致無法正常使用，即便沒有受到破壞也會因為過多的信息業務量而發生無法及時訪問的現象。網絡節點會自動的從直接BS通信方式轉換成自組織網絡模式，然后通過不斷的跳轉來形成一條直通BS 的路由。當自組織網絡與蜂窩集成式網絡組成的混合式網絡正式使用時，能夠有效避免無人機衛通鏈路中的通信中斷，進一步減輕無人機衛通鏈路擔負的通信壓力[4]。

3.4 無線局域網技術

無線局域網技術采用無線多址通道作為傳輸介質，通過電磁波實現數據交換，具有經濟、安裝方便、使用靈活以及易擴展等優點。無線局域網的組網控制方式通常分為2 種：一種是基于預置網絡的集中控制網絡，另一種是典型的自組織網絡。基于預置網絡的無人衛通通信鏈路以無線基站為中心，由無線基站接入和控制。自組織網絡結構屬于無中央控制的網絡，通過臨時快速的自動組網實現復雜條件下的移動通信。無人機衛通鏈路的核心是給功能線程提供最優的天線資源，無線局域網技術的所有資源處于短波通信資源池。當無人機衛通鏈路行時，無人機衛通鏈路在天線資源池選擇可用的天線，完成天線與功能線程所在信道資源鏈路連接，并標記該天線被使用的狀態和對應功能線程。

4 自組織網絡在無人機衛通鏈路中的優化策略

隨著無人機衛通鏈路的興起，傳統的網絡架構的靈活性、可管理性和安全性等方面受到限制。無人機衛通鏈路中，傳統網絡通常采用分布式控制和靜態配置的方式，導致網絡管理復雜且缺乏靈活性。此外，由于無人機衛通鏈路網絡中設備數量龐大、流量密集，傳統網絡往往無法提供足夠的性能。

自組織網絡作為一種新興的網絡架構，具有集中式控制和可編程性的特點，還具有顯著的靈活性和延展性，可以改善無人機衛通鏈路的使用性能。在山林或電信信號弱的區域，設備間組網可利用自組織網絡技術將信號延伸，全面覆蓋弱信號區域，保障通信的穩定性。基于這種特性，自組織網絡技術可應用于緊急救災工作。尤其是自組織網絡技術中的中繼通信模式，不受環境影響，在地面上進行遠距離的通信交流。

一方面，將自組織網絡技術搭載于無人機衛通鏈路中就可以構建起無人機通信系統，借助無人機設備的靈活性與極強的適應性，并借助自組織網絡系統傳遞信息和實現數據連通等功能，實現隨時隨地進行通信。目前，雖然無線通信和網絡技術已經覆蓋了我國大部分國土面積，人們可以在無線信號等技術的支撐下隨時隨地與外界展開聯絡，但是仍有一部分地區由于地形地勢條件特殊，或具體位置較為偏遠如山區、海洋、森林以及草原等，其往往由于地區海拔相差懸殊，跨度范圍較廣，人們處于其中難以滿足自身的通信需求。而常規的通信技術也并不能很好地解決這一問題，因此就可以使用自組織網絡搭載于無人機衛通鏈路的方法，構建無人機通信系統。一旦有人在無線信號的覆蓋盲區如旅行遇險等，就可以借助通信設備發射微波信號，與外界聯絡。同時，外界可以派遣無人機對無線信號全面覆蓋，且人跡罕至的地方進行監控與巡視，并通過無人機設備與自組織網絡技術與其中人員進行溝通聯絡，快速確定其所在位置[5]。

另一方面，利用自組織網絡技術檢測光纜信號的區域線路。利用自組織網絡技術對光纜信號等線路進行巡檢，具有以下優點。一是線路巡檢效率方面，該方法可以顯著提高線路巡檢的工作效率，無人機飛行速度快，并且可以克服該地區許多惡劣的自然環境條件。二是從檢測工作的質量角度來看，無人機可以克服眾多障礙，完成人工維護無法完成的維護和檢測任務。同時，由于人員不需要參與現場維護，保護了工作人員的人身安全。三是檢查工作的成本方面，無人機的加入大大減少了人力資源的參與，降低了檢查工作的運行成本，具有經濟優勢。四是無人機夜間傳統無線通信方式主要是由基站高度所決定，很容易受地形環境因素的影響，導致通信效果交叉。為減少夜間因素對通信效果和質量產生的影響，相關行業不斷創新和改善無人機技術，保證自組織網絡建設的建設效果，利用自組織網絡的優勢，避開相關的障礙物，建立良好的通信鏈路，快速有效地將夜間巡檢數據參數進行傳輸，為行業的進步與發展奠定基礎與保障。五是數據處理和傳輸方面，自組織網絡技術具有靈活、穩定、傳輸及時等優點，可以實現對返回檢測數據的實時處理，節省故障修復等工作的時間[6]。

5 結 論

自組織網絡通過對無無人機衛通鏈路的部署，來提升網絡容量以及覆蓋的能力，更好地為行業進步提供基礎的參考。自組織網絡在無人機衛通鏈路中具有巨大的發展潛力，可以為無人機衛通鏈路提供更好的網絡體驗和服務。隨著技術的不斷發展和應用的深入推進，自組織網絡技術將在無人機衛通鏈路領域發揮越來越重要的作用，為無人機衛通鏈路的可持續發展做出貢獻。