一种采用Ad Hoc技术的无人机自组网系统模型

一种采用Ad Hoc技术的无人机自组网系统模型

摘要:简述Ad Hoc的概念,提出了一种采用Ad Hoc技术的无人机自组网系统模型,并介绍其组成原理、工作方式、应用特点。分析了无人机自组网系统模型的几个技术难点并提出了相应解决方案。最后介绍了欧美国家无人机自组网的发展情况。

关键词:Ad Hoc 无人机自组网路由协议

1 引言

无人机在现代战争中的作用越来越重要,无人机具有体积小、机动性强、成本低等优点,已经广泛的应用于战场侦察、地形勘探等领域。当一组无人机群实现自组网,其战斗力将有质的飞跃,本文介绍一种采用Ad Hoc技术来实现无人机的组网的实现模型,是目前该领域热点技术之一。

2 Ad Hoc网络介绍

Ad Hoc网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网(multi- hop network) 、无基础设施网( Infrastructurelessnetwork) 或自组织网( self- organizing network) [1]。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现并且维持到其它节点路由[2]。

无线Ad Hoc网络在很多方面区别于其他通信网络[3],表现在: ①移动自组织。除了网络节点外没有固定的基础设施, 每个节点都具有路由功能, 支持随时随地通信, 能自发组建移动网络; ②动态拓扑。节点可以自由的加入或者离开ad hoc 网络, 这导致网络拓扑结构频繁变化; ③无线多跳通信。由于无线信号的衰减特性, 无线通信范围外的通信需要由中间节点( 普通节点)完成路由转发功能;

④完全分布式。Ad Hoc网络是由对等节点构成的网络, 不存在中心控制, 管理和组网都非常简单灵活; ⑤严格的资源限制。有限的带宽和能源是所有无线网络的普遍特征,但由于无线Ad Hoc网络没有基站的支持, 依靠有限的能量提供路由转发功能。

3 无人机自组网系统模型

图1是一种无人机自组网系统模型。该网络系统包括8个节点,其中地面节点1个(G1),空中节点7个,包括6架无人机(U1~U6)和1架有人机(H1)。

网络中的节点可以根据战术需求任意移动,从而导致网络拓扑的随意变化,在此过程中,要保证地面车G1、有人机H1发出的遥控信息实时传输到U1~U6这6架无人机,U1~U6这6架无人机产生的侦察信息(包括视频图像)实时传输到地面车G1,G1处观察到的图像要连贯,没有明显的图像损失,足以向战场决策人员提供实时战场侦查视频。

在这个网络中,每一个无人机节点都兼具路由器和终端两种功能:作为路由器,节点需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表参与数据转发及路由维护工作;作为终端,节点可以运行相应的应用程序。每一个无人机都配有电台,根据相关算法,每一个无人机所获得的侦察信息都能通过无线网络达到实时共享。无人机节点根据无人机所处位置寻找临近的无人机节点,从而依次、逐跳地连接成网,如图1所示。若节点U1想要和节点U4通信,就需要借助其它临近节点的路由和中继转发,逐跳地将数据转发给目的节点,如可以选择U1U2U3U4这一转发路径,也可以选择U1U6U3U4。整个过程完全由各个无人机节点运行分布式路由算法自动完成,无需任何其它的设施。

当所选路径上单个无人机节点受到损毁时或与邻近无人机距离较大导致链路断开等情况发生时,原有的路由就会被破坏,但整个网络仍然存活,此时,受影响的节点就要自发寻找另外一条替代路径,如图1所示,转发路径U6U3U4U5上的无人机节点U4无法继续提供转发服务,此时路由就自动切换到U6U3U2U5这一转发路径上,这样就实现了自组网的抗毁伤和自愈合功能,来保证通信的继续进行,完成战术信息的交互共享,从而大大提高了无人机的工作效率和生存能力。

各无人机之间除了要交换控制指令[4],还要共享侦察图像信息,控制信息数据量比较小、速率低,一般从几Kbps到几十Kbps,为保证有效性,误码率要求小于1×10-7,最大时延小于50ms;侦察图像信息数据量大,信息速率高达几十Mbps,误码率要求小于1×10-5,最大时延小于0.5s。

4 无人机自组网系统模型的技术难点

无人机自组网具有无线传输、高度的动态拓扑、无中心、多跳路由等特点,这使得许多问题变得复杂而难以实现。现有的有线网络和蜂窝网络中使用的各种协议和技术无法直接应用于自组网。自组网具有独有的特性,以及这些特性带来了系统模型实现上的难点问题:

4.1 动态变化的网络拓扑结构

在无人机自组网中,由于无人机的随机移动、无线信道间的相互干扰以及地

形等综合因素的影响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的,这使得路由异常重要。目前的路由协议基本上可以分为两类:一类是表驱动路由协议, 有DSDV、OLSR 等;一类是按需路由协议, 有DSR 、AODV等,这些路由协议都是基于单路径路由算法,如果能够在此基础上扩展多径路由,把流量和能耗分配到多条节点独立的路径上,既可以有效地利用带宽、减小拥塞和增加传输可靠性,又可以实现负载和能耗均衡,从而能够延长网络的生存时间。所以,多径路由协议也成为近来学者们研究的热点之一,国内外专家还相继在DSR和AODV的基础上提出了一些多径路由算法,如DMPSR 、MD2SR 、MSR 、SMR 、NDM 、AOMDV等[5]。

4.2 多跳组网方式

当无人机自组网中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时,需要通过中间节点的多跳转发。多跳,是研究自组网路由协议的前提基础。与固定网络的多跳路由不同,自组网的多跳路由由普通的网络节点完成,而不需要专用路由设备(路由器)。自组网的MAC接入协议必须解决多跳网络带来的新问题,如隐藏和暴露终端、资源的空间利用等。

利用无人机自身携带的导航系统,可以方便地通过全球定位系统或北斗系列导航系统获得精度很高的定位信息和星上授时信息,其中授时信息可以在一定范围内精确地实现网内同步。因此,对于无人机自组网系统可以采用同步MAC协议。

适用于同步网络的MAC层协议,常用的有RR-ALOHA、TBMAC0和HRMA 等协议。此类协议的应用基础是物理信道可以划分为帧或是时隙,节点间能够实现精确的时钟同步。这样,对于周期业务,尤其是对定长分组的周期性支持较为方便。RR-ALOHA协议是针对民用车载通信系统而设计的,所以接入控制比较方便。TBMAC协议把网络分布的地理区域划分成了动态的小区,小区半径与节点传输范围有关,这样尽量减少隐藏终端的影响。小区间则采用预留信道的方式实现通信。HRMA协议则是基于极慢调频技术的一种协议,实现了时分与频分相结合的信道分配方式[6]。

无人机自组网系统通常具有群移动性,且对协议的可靠性要求较高,所以协议中需要采取措施保证节点获得信道的可靠性,从而实现分组的无冲突传输。

4.3 有限的无线传输带宽

由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段,而无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的网络带宽,再加上竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、信道间干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值,同时无人机自组网系统要进行大量的数据交换和传输,高速数据传输问题是自组网的基础性技术问题。随着信息技术的迅速发展,信息与通信理论研究的不断深入,以及电子制造工艺的长足进步,通信技术又有了许多新的发展和突破。目前可用于无人机自组网系统物理层通信的新技术主要有:高频谱利用率的多载