主頁（http://www.by236.com）：無人機飛行自組網通信協議

付有斌 康巧燕 王建峰 胡海巖

空軍工程大學信息與導航學院 陜西西安 710077

摘 要多無人機協同已經成為當前研究熱點,而保證多無人機間快速、可靠的通信是其重要問題之一.基于自組織網絡技術提出來的飛行自組網(Flying Ad-Hoc Network,FANET),可為無人機群提供可靠并且實時的網絡通信,成為解決多無人機間通信問題的一種良好解決方案.從無人機FANET 的節點高動態性和拓撲結構快速變化等特點入手,分析FANET 的性能需求;分別從協議設計的挑戰、現有協議及其優化協議在FANET 的應用現狀和專門針對FANET 設計的協議發展現狀3 個方面,對FANET 組網通信協議中的多址接入協議、路由協議研究進展進行綜述;對無人機FANET 的當前重點研究問題和未來研究方向進行了總結和展望.

關鍵詞無人機,飛行自組網,通信協議,多址接入協議,路由協議,智能算法

近年來,無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)憑借其體積小、成本低、不易被發現、便于部署等優勢,在軍事和民用領域的很多方面都得到了廣泛應用,比如實時監控、自動跟蹤、搜尋與救援、中繼傳輸等[1].相比于單架無人機的應用,多無人機協同配合的應用將更加有效、快速、靈活,已成為當前研究熱點.但是,多無人機的協同配合面臨著一系列技術挑戰,其中保證無人機之間快速、可靠的通信是確保多無人機之間相互協作的重要問題之一.

基于自組織網絡技術提出來的飛行自組網(Flying Ad-Hoc Network,FANET)[2],將移動自組網的思想拓展到空天領域,可以為多無人機間提供可靠實時的網絡通信,以便多無人機之間可以快速協同完成各種任務,成為解決多無人機間通信問題的一種良好解決方案.無人機FANET 是無人機之間的自組織網絡,無人機之間無需通過基礎設施,可以直接進行通信.此外,部分無人機可以與有人機(后端控制)、地面控制臺或是衛星進行通信.但由于UAV 節點的高動態性、拓撲結構快速變化等特點,FANET 對多址接入協議、路由協議等組網通信協議提出了更多挑戰,尤其值得關注與研究.

本文從無人機FANET 組網的角度入手,對FANET 多址接入協議、路由協議等方面的研究成果進行總結、分析并討論下一步研究方向.

1 飛行自組網性能需求分析

FANET 可以看成是所有節點均為UAV 的移動自組網(Mobile Ad-Hoc Network,MANET)的一種新形式,UAV 間的通信通過自組織網絡實現,這種新的通信模型也可以看作是由MANET 衍生出來的車載自組網(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)的一個子集[2].事實上,在正式定義FANET 之前,也有不少無人機自組網的相關研究,只是名稱不一樣,如聯網空中機器人(Networked Aerial Robots)、無人駕駛航空自組網(Unmanned Aeronautical Ad-Hoc Network,UAANET)、無人機自組網(UAV Ad-Hoc Network)、無人機網絡(Networks of UAVs)、分布式航空傳感器網絡(Distributed Aerial Sensor Network)等[3].FANET的典型結構如圖1所示.

圖1 FANET 的典型結構

Fig.1 The typical structure of FANET

FANET 衍生于MANET、VANET,具有與它們共同的網絡特點,但作為自組織網絡新興的研究領域,FANET 也有其獨有的特點,如節點的移動速度高、拓撲結構變化快、節點密度低等,表1從節點移動性、移動模型、拓撲變化性等方面,對FANET 與VANET、MANET 進行了比較[24].

因此,在基于以上區別的同時,FANET 在通信傳輸相關技術上需要達到以下性能要求,具有一定的技術挑戰[2,4].

1)低時延需求.時延性是網絡設計中的重要考慮因素之一,FANET 是面向任務的網絡,其時延性的要求取決于無人機應用場景,但大部分的應用都要求盡量低的傳輸時延,如搜救工作、災害監測等.

2)網絡適應性需求.無人機在飛行過程中存在多種不斷變化且對FANET 產生影響的因素.首先,FANET 中的無人機節點高速移動,使得網絡節點位置始終在變化,節點間的通信距離也在不斷變化,從而帶來網絡拓撲的快速變化;其次,FANET 是基于任務的應用,無人機數量、飛行路線等會根據任務需求而改變;再次,飛行環境的變化,如遇到樓房、山脈等障礙物,會引起無人機鏈路質量的變化,部分無人機鏈路可能會失效,導致拓撲變化;最后,無人機可能在飛行期間發生故障,造成無人機數量減少,需要新無人機加入.因此,在設計FANET 通信協議時,需要著重考慮FANET 的網絡適應性需求.

表1 FANET、VANET 和MANET 的比較

Table 1 Comparison of FANET,VANET and MANET

3)高可靠性需求.UAV 以及FANET 的可靠性決定了系統的負載能力和接入能力.在敏感的軍事和監視應用中,要求FANET 具有可靠的數據傳送能力.在FANET 中需要在UAV 之間建立足夠可靠的傳輸網絡,以至于如果一個UAV 的傳輸鏈路損壞后,仍可以通過其他UAV 來進行集群間相互通信或者與后端基站進行數據傳輸.

4)網絡可擴展性需求.不同的任務,所需要的無人機數量不一樣,當任務改變時,網絡規模隨之改變,而隨著任務和地形的復雜化,FANET 中的UAV 數量大量增加;且在許多情況下,無人機的任務完成情況與無人機的數量有關系,例如更多的無人機可以更加快速地完成搜索和救援的任務.因此,FANET 通信協議的設計要滿足網絡的可擴展性需求.

5)高帶寬需求.多數FANET 應用的目的是從外界收集數據,并且將數據傳遞給地面控制臺.當前隨著對高清晰圖像和視頻需求的增加,及對低時延傳輸的迫切要求,很多情況下,無人機的數據傳遞需要高帶寬.但是無人機的帶寬受到多種因素限制,如通信信道容量、無人機飛行速度等原因.FANET 在設計時必須滿足帶寬容量需求,以便于滿足對帶寬要求較高的實時圖像或視頻的傳輸需求.

6)低網絡開銷需求.由于無人機網絡帶寬受限,降低網絡開銷,可提高帶寬的使用效率.另外,在微小型和小型無人機網絡中,能耗受到一定限制[5],通過降低網絡開銷,可減小能量消耗,延長UAV 和網絡壽命,降低由于能量耗盡的無人機離開或毀掉而導致鏈路中斷的概率.因此,在不降低網絡性能的情況下盡量減少網絡開銷是必要的.

2 飛行自組網通信協議研究進展

鑒于FANET 相比于其他無線自組網系統的高動態及多變性,在協議設計方面集中在上層專用通信協議的研究上,主要是基于MAC 層和網絡層的協議設計與優化.因此,本節從組網的角度出發,對FANET 多址接入協議、路由協議等方面的研究成果進行總結和分析.

2.1 飛行自組網的MAC 協議

2.1.1 FANET MAC 協議的設計挑戰

媒體接入控制協議(Medium Access Control,MAC)決定了無線信道的使用方式,在UAV 節點之間分配有限的無線通信資源,用以構建網絡系統的底層基礎結構.由上節中FANET 的特點及傳輸性能需求分析可知,FANET MAC 協議的設計具有如下挑戰:

1)對于大部分FANET 應用來說,高移動性是FANET 最顯著的特性之一,給MAC 層帶來了新的問題.由于高移動性和節點間距離的變化,FANET 中的鏈路質量經常發生波動.鏈路質量的變化和鏈路中斷直接影響FANET MAC 的設計.

2)分組延時是FANET MAC 設計中的一個重要問題.特別是對于實時應用,數據包延時必須是有限制的,有的應用甚至要求達到毫秒級的節點接入時延,這大大增加了FANET MAC 設計的難度.

3)通常FANET 節點密度非常低,節點間的通信距離較長,全向MAC 協議有效通信范圍較小,不能滿足需求,需要考慮定向MAC 協議,而定向MAC 協議設計的關鍵問題在于節點的位置估計及共享,這對于具有高速移動節點的FANET 來說,更具挑戰性.

因此,結合FANET 組網性能需求設計符合高動態、低時延等特性的MAC 層協議是FANET 的關鍵技術之一.

2.1.2 現有MAC 協議的適用性研究進展

無人機之間通信可以在現有的通信協議中選擇可適用的協議.在FANET 中,將每一架無人機看作是一個移動節點,無人機之間的相互通信可以使用開放式系統互聯通信參考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI)模型.物理層和數據鏈路層一般被認為是底層的網絡,可以使用IEEE 802.11 協議[6],這一協議的有效通信范圍是幾百米的視距通信.而IEEE 802.11n 已經具有更長的通信范圍和相對高的數據速率(物理層吞吐量可高達600 Mb/s).由于無人機之間一般距離較遠,802.11n 協議更適宜于無人機之間的相互通信[7].

802.11 MAC 協議主要是分布式協調功能(Distributed Coordination Function,DCF)機制,該機制是節點共享無線信道進行數據傳輸的基本接入方式,它把帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)技術和確認(Acknowledge,ACK)技術結合起來,采用二進制指數回避策略來避免沖突,當數據長度較長時,可以選擇采用RTS/CTS(Relay To Send/Clear To Send)機制來有效減小沖突發生的概率,且RTS/CTS 可以解決暴露終端和隱藏終端問題.CSMA/CA 是一種載波檢測沖突避免技術,主要通過載波信號檢測來判斷某一信道中的信號能量是否達到一個基準點,如果信號的強度在這基準點之下,就表示該信道未被占用,因此,節點就可使用該信道來傳輸.但是,CSMA/CA 在數據分組接入前,有一個提前對信道的偵聽過程,該過程會使得信道的利用率降低,且多次握手過程也導致了端到端時延的增加,難以滿足實時應用對網絡時延的要求.此外,802.11 MAC 協議耗費了相當多效率用作鏈路的維護,從而大大降低了系統的吞吐量.802.11n 通過增加幀聚合技術和塊確認技術改善MAC 層,來減少固定的開銷及擁塞造成的損失,但也仍然存在其基本協議CSMA/CA 本身存在的問題.

文獻[8]提出把無線傳感器網絡中一種低速率、低功耗、低成本的無線通信協議IEEE 802.15.4 MAC應用到分簇FANET 的簇間和簇內通信,該協議在非信標使能模式下采用無時隙CSMA/CA 協議簡單的傳輸數據,適用于業務傳輸實時性要求較低的應用場合;在信標使能模式下,采用確保傳輸時隙(Guaranteed Time Slot,GTS)機制,具有較小的數據傳輸延遲;仿真結果表明,該機制適用于傳輸帶寬不足、數據速率較低的FANET 應用.

文獻[9] 針對航空網絡MAC 協議端到端時延大、網絡容量小、靈活性差、可擴展性不強等特點,提出一種基于信道狀態感知的多優先級多信道MAC 協議,該協議可根據信道實時占用狀態,通過調度機制和退避算法控制不同優先級業務接入信道.仿真結果表明,該協議可以為航空網絡中的各類業務傳輸提供QoS 保障,而且提高了網絡帶寬資源利用率.

2.1.3 針對FANET 設計的MAC 協議研究進展

基于統計優先級的多址接入協議(Statistical Priority-based Multiple Access Protocol,SPMA)[10] 是美軍新型數據鏈戰術瞄準網絡(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的MAC 層接入協議.SPMA 協議借鑒了CSMA 協議的運行機制,并對其進行改進,運用了數據優先級排隊、突發拆分技術、Turbo 編碼、信道狀態統計等技術,在網絡層數據包到達時統計信道占用率,通過將信道占用率與數據包進行比較,來決定業務分組是否接入信道.該協議中高優先級業務分組的發送成功率不低于99%,且端到端時延不超過2 ms,能很好地適應無人機FANET 的高動態、低時延等需求.

由于SPMA 的低時延優勢,研究者借鑒其基本思想提出了一些優化協議.如基于多信道統計優先級概念的MAC 協議(Priority Statistics Based on Multichannel Access,PSMC)[11],該協議通過統計某一段時間內收到的脈沖數來預測信道的忙閑程度,沒有了對信道偵聽的過程,從而降低了時延.而基于Turbo編碼的多信道MAC協議(Turbo_MAC)[12] 和基于突發技術的多信道MAC協議(BT-MAC)[13] 都是在發送分組前先進行Turbo 編碼,通過增加冗余信息來確保數據傳輸的可靠性和吞吐量,同時避免了多次握手過程帶來的時延.優先級與公平性協作的多信道MAC 協議(PBLL/HL)[14]提出SPMA 協議會給低優先級的業務造成較大的延遲,該協議降低了低優先級業務由于被截流而導致的時延,使得網絡不會迅速擁塞.這些協議在SPMA 協議的基礎上針對不同的需求作出了一些改進.各協議對比如表2所示.

表2 基于SPMA 優化協議的比較

Table 2 Comparison of optimized protocols based on SPMA

目前實現全向天線的MAC 協議可能不適用于無人機執行的某些任務.這是由于節點之間的距離等不同因素造成的.無人機節點的高機動性和物理約束會對無線鏈路的性能造成影響,飛行器的姿態變化可能也會對數據傳輸造成一定影響.而定向天線可以解決這些問題,與傳統的全向天線相比,使用定向天線更好地保障了鏈路的魯棒性.現有的基于定向天線的MAC 層大多是針對MANET 和VANET 提出的,對于采用定向天線的FANET MAC層設計的研究還很少.文獻[15]提出了無人機的自適應MAC 協議(Adaptive MAC Protocol Scheme for UAVs,AMUAV).AMUAV 使用全向天線發送其控制包(RTS、CTS 和ACK),而數據包則通過定向天線發送.實驗證明,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,性能指標優于IEEE802.11.

FANET 中節點的高移動性增加了網絡的復雜性,為了處理這種高移動環境,研究者提出了基于令牌的信息更新技術,也就是一種基于令牌的協議[16].該協議工作的環境是無人機具有全雙工無線電和多包接收能力.使用基于令牌的信息更新技術來更新信道的狀態信息和鏈路的狀態,使用基于令牌的結構消除了代碼的沖突.全雙工無線電技術有效地降低了時延,而多包接收能力提高了系統的吞吐量.在知道完全信道信息的前提下,該協議在吞吐量和時延這兩個性能指標上的表現都是最優的.

隨著人工智能的興起,人工智能技術中的一些方法被應用到MAC 協議的設計中,以優化MAC 協議的性能.如,基于位置預測的定向MAC 協議[17](Position-Prediction-based Directional MAC Protocol,PPMAC),該協議可以根據節點狀態變化和環境變化開發不同的通信操作,保證了通信鏈路的快速建立和數據成功傳輸的低時延,而且克服了可能出現的定向接收失敗的問題,具有較高的魯棒性和可靠性.

為了提高MAC 協議在FANET 中的性能,研究者提出了一種自適應容錯同步切換的MAC 協議[18](Adaptive MAC Protocol with Fault-Tolerant Synchronous Switching,FS-MAC).該協議提出了一種基于Q 學習的分布式MAC 切換方案,支持在FANET中的CSMA/CA 和TDMA 協議之間自適應地互相切換.該協議包括MAC 預選操作過程和一個實用的基于拜占庭容錯(PBFT)的一致性決策來生成MAC 切換決策.通過MAC 預選操作,FANET 中的每架UAV節點可以準確評估自身性能,從而確定最適合自身的MAC 協議;而后在基于PBFT 的一致決策的輔助下,每個節點可以根據實時情況的變化實行容錯同步切換.仿真結果表明,FS-MAC 協議在平均吞吐量、時延和分組重傳率等方面都明顯優于基準協議.

2.2 飛行自組網的路由協議

2.2.1 FANET 路由協議的設計挑戰

為了實現高效可靠的組網,必須設計合適的路由協議.路由的好壞很大程度上影響了網絡的性能,路由技術是FANET 中的一個核心[19],也是FANET最具挑戰性的問題之一.

1)由于應用的不同,無人機或高速飛行或低速飛行.對于大部分的FANET 應用來說,其高移動性導致拓撲結構的高速變化,網絡的鏈路狀態也在不斷地變化,如此頻繁的變化必然導致路由頻繁更新或者是節點位置的頻繁更新,這些更新過程不僅會導致網絡開銷的增大,同時也會造成路由收斂困難,數據轉發延遲增大,丟包嚴重,甚至導致協議失效等問題[20].

2)由于干擾或自然條件限制,鏈路可能會出現高誤碼率.無人機網絡具有各種可靠性需求,而話音、數據和視頻對帶寬的要求也不同.

由于FANET 特有的挑戰,現有的MANET、VANET 路由協議不能完全適用于FANET.FANET的路由設計,除發現最有效路由、允許網絡擴展、控制延遲、保證可靠性等一般MANET 的要求外,還要求位置感知、能量感知、網絡分割、間歇鏈路強健、拓撲快速變化以及服務質量需求變化等,需要根據UAV 及FANET 特點設計快速、準確、高效、擴展性好、自適應能力強的路由算法.

2.2.2 現有路由協議及優化協議的適用性研究進展

傳統的路由協議大都是基于拓撲的路由協議,這類路由協議通過IP 地址來定義網絡節點,使用網絡中現存的鏈路狀態信息,選擇合適的路徑進行數據包的轉發.這類路由協議可以分為主動路由協議和被動路由協議.

主動路由協議也稱先驗式路由協議,該協議在節點之間可以定期更新和共享路由表,一定程度上確保了路徑選擇的實時性.但是FANET 中拓撲結構變化相對頻繁,而這類協議對變化頻繁的拓撲結構的反應較為遲鈍,這就會使得連接失敗情況發生.主動路由協議中,典型的有鏈路狀態路由協議(Optimized Link State Routing,OLSR).

OLSR 協議中,網絡的每一個節點能夠維護一個或者多個路由表,用以表示整個網絡的拓撲結構,該協議在需要的時候能夠快速提供合適的路由.OLSR協議有兩個特點:一是選擇網絡中的一個節點,將其作為其鄰居節點的多點中繼(Multi-Point Relay,MPR)選擇器來減小控制包的大小;二是通過MPR節點,可以不用將消息分散到網絡中的所有節點.該協議通過使用MPR,可以減少整個網絡的流量,也可以減少網絡中的洪流.該協議可用于FANET,但隨著節點的移動速度增高,網絡的包傳輸速率、平均吞吐量和端到端時延等指標性能將惡化,文獻[21] 提出通過采用追逐移動模型對OLSR 進行優化.文獻[22]在OLSR 協議上應用鏈路估計質量和速度加權ETX 兩個參數,改變了Hello 信息和拓撲控制信息,改進后的i_OLSR 協議相對于OLSR 協議端到端時延有明顯的降低,而且吞吐量和數據包傳輸速率也有明顯的提高.文獻[23]提出一種具有定向天線的OLSR 協議,稱為定向OLSR 協議(DOLSR).DOLSR可減少帶定向天線的MPR 數目,降低端到端的延遲.

被動路由協議也稱反應式路由協議,主要是針對主動路由協議的濫用帶寬消耗問題,對于FANET這一類高動態網絡是一個合適的解決方案,典型的協議有按需距離矢量路由協議(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)[24]、動態源路由協議(Dynamic Source Routing,DSR)[25].

AODV 路由協議有3 個步驟,分別是路由發現、傳輸數據和路由維護.路由發現的作用是為了尋找從源節點到目的節點的最佳路由,正是由于路由發現過程的存在,從而導致該協議會產生較大的時延.但是AODV 協議在需要進行通信時才會按照其需求尋找路徑,可減少控制開銷,且只會保留下一跳的路徑,可以使得FANET 網絡中的帶寬最大化.經證明,DSR 協議可以應用在FANET 中,但是并不容易實現[25].文獻[24] 將AODV 協議和DSR 協議應用到FANET 中,并進行性能比較,仿真結果表明,在包傳輸率、端到端時延和平均吞吐量3 個指標上,AODV協議均優于DSR 協議,說明AODV 協議比DSR 協議更適用于FANET 網絡.文獻[26]利用Hopfiel 神經網絡對DSR 協議進行優化,優化后的協議CHNNDSR 可以適應FANET 節點的高速運動,極大改善了端到端平均時延、吞吐量和包傳輸率,同時提高了路由的穩定性.

2.2.3 針對FANET 設計的路由協議研究進展

隨著當前人工智能的迅速發展,人們開始將智能算法和一些新的方法應用到路由協議上來,使得路由協議能夠更全面地適應FANET 網絡.文獻[17] 提出了基于強化學習的自學習路由協議(Self-learning Routing Protocol Based on Reinforcement Learning,RLSRP)該協議通過強化學習優化了路由協議的計算速度,從而提高了靈活性和實用性,也提高了FANET 中節點的自主控制能力.

由于FANET 網絡中有大量的UAV 節點,蜂群和蟻群算法等群體智能算法可以應用到FANET 中,以改善路由協議相關指標.文獻[27] 提出了一種基于蜂群算法的FANET 路由協議BeeAdHoc,和基于蟻群的路由協議AntHocNet,BeeAdHoc 協議的主要特點是各節點作為蜂群中的一份子,通過各節點的局部尋優行為,最終在全局中獲得最優值,收斂速度較快;AntHocNet 協議將各節點作為群體中的一個個體,用各節點的行走路徑表示待優化問題的可行解,路徑較優的節點釋放較多的信息素,信息素最多的路徑便是最優解.研究表明[27 28],AntHocNet、BeeAdHoc 協議相對于AODV、DSDV 和DSR 協議而言,性能有很大提高,可更有效地運用于FANET 中.

除了人工智能算法在FANET 路由協議的應用外,當前,發展前景較好的是地理位置路由協議.在這一類協議中,選取最佳路由只取決于節點的位置信息,而且不需要維護路由表.但是FANET 中節點的高速運動會導致拓撲結構的頻繁變化,拓撲結構的快速變化需要頻繁地發送信標信息來保證路由選擇的正確性.高信標發送頻率會導致數據包的碰撞和信息傳輸的高延遲.為了解決這些問題,提出了基于地理路由的自適應信標方案[29](Adaptive Beacon and Position Prediction,ABPP).ABPP 協議能夠自適應動態調整信標頻率,并且能夠預測UAV 節點未來的位置,從而能提高該地理位置路由協議的性能.仿真結果表明,ABPP 協議可以有效降低網絡開銷,也可以提高數據包的信息傳輸率.

為了解決FANET 中的實時路由、功率分配和功率控制問題,提出了一種異步的分層式跨層優化(Asynchronous Distributed Cross-layer Optimization,ADCO)方法[30].該方法首先設計了一個時延約束的跨層優化框架,然后將聯合優化問題分解為幾個復雜度較低的子問題.在ADCO 方法中,網絡中的每一個中繼節點都可以通過局部信息來完成對不同子問題的優化,同時可以用異步更新機制實現對偶變量更新.仿真結果表明,該方法可以有效提高系統吞吐量,也可以減少數據分組的超時率和功率消耗.

現有的FANET 系統中節點之間的通信主要依賴于數據傳輸速率較低、通信范圍有限的未授權頻段,給節點之間以及節點和地面控制站之間的通信帶來了很大的不便.于是有研究者提出了一種高效低成本的混合通信方案.該方案將Wi-Fi 和Bluetooth5 兩種通信方式混合,結合Wi-Fi 的高數據傳輸率和Bluetooth5 的低功耗的特點,使得系統在吞吐量和時延方面的性能均得到了很大的提升[31].但是該混合方案對于FANET 系統的回程鏈路的信息傳輸不太適用,為了解決該問題,可以考慮將WIMAX、LTE 和5G 通信方式結合或者單獨應用到FANET 系統的回程鏈路中.

3 問題及未來展望

3.1 研究問題分析

對于FANET 而言,節點的高速運動導致該網絡的關鍵問題就是實現網絡中節點之間的低時延高效通信,現有的大多數對于FANET 的研究都集中于FANET 的通信協議上,在現有的協議上對其進行改進,使得現有的協議變得更具優勢.研究重點主要集中在以下方面:

1)對現有的MAC 協議進行改進.基于現有的MAC 協議及其存在的不足,針對性地提出一些新的MAC 協議,使得網絡中節點之間能夠快速建立可靠的通信鏈路,降低信息傳輸時延,提高系統的魯棒性和可靠性.

2)對現有的路由協議進行改進.在基礎路由協議上提出一些優化的路由協議,在系統端到端時延、平均吞吐量和網絡開銷等指標上有一定程度的提升.隨著人工智能和生物仿真技術的發展,更多的生物仿真智能算法(如蜂群算法、蟻群算法)被應用到路由協議中,使得網絡性能得到大幅提升.

3)FANET 中的UAV 節點的體積限制了節點的能量,節點的能耗決定了網絡的工作時長,因此,節能也是一個研究重點.比如自適應Hello 消息間隔方案[32](Adaptive Hello Interval),該方案能夠降低系統中不必要的開銷,從而提高系統的能量效率,降低能量消耗.除此之外,還有基于能量感知的集群的方法[34],該方法的目的也是在有限的能量內產生最大的效益,包括低丟包率、大吞吐量和低時延等.該方法提出了一個EALC 模型,在該模型內限制節點的傳輸范圍,對網絡中的節點進行聚類,優化了路由,從而節約了資源.該方法與ACO 和GWO 算法分析比較后得知,其集群構建時間和集群能耗上都更具優勢.

3.2 未來研究方向展望

未來對FANET 的研究,主要還是集中于提高其各項性能指標,其目的還是提高FANET 的有效性和可靠性,使其能夠更廣泛地應用于軍事和民用領域.現有的各項研究大都集中于網絡協議,提高吞吐量、降低時延、降低網絡開銷等方面,但是還有其他的相關領域值得進一步研究,具體如下:

1)網絡架構.當前SDN 技術和NFV 技術發展迅猛,有研究者將SDN 技術應用在車輛的網絡架構中[34],通過SDN 技術建立了一個安全的車輛網絡架構,保證了網絡的安全性,提高系統的吞吐量,節點的移動性得到了增強,節點的自主控制也變得更加自動化了.因此,將SDN 技術應用到FANET 網絡當中,構建一個更加安全高效的網絡,將會成為一個研究的熱點.

2)節點的連接性.也可以稱作通信鏈路的可靠性.對于一個高效的FANET,不僅要求能夠快速建立起通信鏈路,鏈路的穩定性和可靠性也很重要.利用壓縮感知方法可以優化FANET 中節點的連接性[35],該方法可以快速重新配置節點的位置,高效利用帶寬來保持連接,從而優化FANET 架構中鏈路的穩定性和可靠性.

3)通信的安全性.FANET 是一個面向任務的自組織網絡,其通信安全性關系到網絡的可靠性和任務的成敗.因此,通信的安全性是否能得到保障是一個很重要的問題.現有的對FANET 中數據傳輸的研究也比較少,文獻[36] 主要考慮的就是數據傳輸的安全性.

4 結論

多無人機協同已經成為當前研究熱點,多無人機間的通信問題是設計網絡時必須考慮的問題,也是極具挑戰性的一個問題.基于自組織網絡技術的飛行自組網FANET 可有效解決無人機間的通信問題,但由于UAV 節點的高動態性、拓撲結構快速變化等特點,FANET 對多址接入協議、路由協議等組網通信協議提出了更多挑戰.本文從無人機FANET的特點入手,重點分析了FANET 組網的各種通信協議,并基于此對FANET 的當前重點研究問題和未來主要研究方向,以期對下一步FANET 組網通信協議的研究提供參考.

參考文獻：略

引用格式 付有斌,康巧燕,王建峰,胡海巖.無人機飛行自組網通信協議[J].指揮與控制學報,2021,7(1):89 96

付有斌 (1998 ),男,碩士研究生,主要研究方向為無人機飛行自組網.

王建峰 (1978 ),男,碩士,講師,主要研究方向為空天通信與網絡.

胡海巖 (1998 ),男,碩士研究生,主要研究方向為網絡虛擬化