一文詳細(xì)了解無人機(jī)寬帶自組網(wǎng)技術(shù)

隨著無人機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)運(yùn)用也越來越廣泛，其運(yùn)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、遙測、巡檢、應(yīng)急、消防、軍事等眾多軍民領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，空中無人化作戰(zhàn)平臺成為未來重要的作戰(zhàn)力量，多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)將成為未來無人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用的必然趨勢，將在戰(zhàn)爭中起著越來越重要的作用。以Ad hoc為技術(shù)基礎(chǔ)的分布式無中心的IP網(wǎng)絡(luò)是多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的通信基礎(chǔ)，可以支撐各種信息的快速交互共享，實(shí)現(xiàn)協(xié)同感知、協(xié)同處理、協(xié)同決策和協(xié)同打擊，從而大提高無人機(jī)的生存能力和整體作戰(zhàn)效能。

無人機(jī)集群協(xié)同

無人機(jī)通信組網(wǎng)的發(fā)展趨勢將是以Ad hoc技術(shù)為基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。美國國防部早在2005年發(fā)布的《無人飛行器發(fā)展路線圖》中已經(jīng)專門闡述了這一發(fā)展趨勢，在后面的幾版中也重復(fù)強(qiáng)調(diào)了這一發(fā)展趨勢。美軍之所以如此重視，是因?yàn)锳d hoc技術(shù)的應(yīng)用可以使得多架無人機(jī)快速形成一個分布式、無中心的多跳路由中繼的自組織網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自恢復(fù)、高抗毀的能力，大大擴(kuò)展無人機(jī)群的探測范圍，有效提高無人機(jī)群協(xié)同感知和信息共享能力，從而提升協(xié)同處理、協(xié)同決策和協(xié)同打擊的能力。

美軍在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究可以說已經(jīng)領(lǐng)跑多年，TTNT和其簡化演進(jìn)版QNT是以Ad hoc技術(shù)和IP架構(gòu)為基礎(chǔ)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，在組網(wǎng)規(guī)模、傳輸速率、傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性、抗干擾等方面的技戰(zhàn)術(shù)性能優(yōu)越，形成了強(qiáng)大的作戰(zhàn)協(xié)同能力，大大擴(kuò)展了作戰(zhàn)樣式。相關(guān)資料顯示，這兩型數(shù)據(jù)鏈在無人機(jī)協(xié)同、空地協(xié)同、機(jī)彈協(xié)同、彈彈協(xié)同、X47B著艦、無人機(jī)空中加油等方面得到應(yīng)用。

這里將Ad hoc技術(shù)稱為自組網(wǎng)技術(shù)，以自組網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的多無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)稱為無人機(jī)自組網(wǎng)。經(jīng)過國內(nèi)廣大科研工作者近20多年研究和實(shí)踐，投入實(shí)用的無人機(jī)自組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)還不是很多，其原因有如下幾點(diǎn)：

一是網(wǎng)絡(luò)高動態(tài)分布式特性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾粩喟l(fā)生變化，給信道資源分布式分配和路由快速發(fā)現(xiàn)和建立帶來很大的困難;

二是無線信道資源的有限性。MAC協(xié)議和路由協(xié)議要以盡量少的控制開銷來提高信道資源的利用率，有效支撐節(jié)點(diǎn)的遲入網(wǎng)和動態(tài)退出的條件下動態(tài)分配無線信道資源。

三是數(shù)據(jù)傳輸QoS保障。在多跳自組網(wǎng)中進(jìn)行MAC協(xié)議和路由協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，如何保證各種業(yè)務(wù)對傳輸時延、傳輸速率、傳輸誤包率的不同要求，多參量多目標(biāo)優(yōu)化條件下的信道資源的動態(tài)分配和傳輸路由優(yōu)化選擇是一個較為困難的事。

四是作戰(zhàn)應(yīng)用電磁環(huán)境的復(fù)雜性。尤其是在有故意干擾的電子對抗環(huán)境中，通信鏈路質(zhì)量的下降給無人機(jī)自組網(wǎng)的整體性能帶來極大的不利影響，要求物理層通信波形、數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議要能夠應(yīng)對電磁干擾，通信波形要一般采用擴(kuò)頻(跳頻、直擴(kuò))或智能選頻等抗干擾技術(shù)，以及強(qiáng)大的糾錯編碼能力來保證通信鏈路質(zhì)量。物理層通信波形要能夠?qū)﹄姶怒h(huán)境進(jìn)行認(rèn)知，MAC協(xié)議要能夠?qū)π诺蕾Y源進(jìn)行認(rèn)知，路由協(xié)議要能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行認(rèn)知，并在認(rèn)知的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)使用合適的抗干擾技術(shù)、信道資源分配策略和路由策略。

無人機(jī)自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，這里要強(qiáng)調(diào)的是無人機(jī)通信組網(wǎng)部分，不包括應(yīng)用層的載荷任務(wù)部分。

一是物理層通信波形的抗干擾技術(shù)。無人機(jī)自組網(wǎng)的軍事應(yīng)用必然要能夠應(yīng)對復(fù)雜的電磁環(huán)境，能夠躲避敵方的干擾，或者消除干擾對通信帶來的不利影響，從而保障已方的正常通信。通信抗干擾技術(shù)主要有擴(kuò)頻技術(shù)和自適應(yīng)選頻技術(shù)，其中擴(kuò)頻包括傳統(tǒng)的跳頻、直擴(kuò)和擴(kuò)跳等抗干擾技術(shù)。跳頻簡而言之就是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電臺的通信載波頻率在預(yù)先設(shè)定的跳頻集中按照特定的偽隨機(jī)序列所控制的跳頻圖案進(jìn)行同步跳變，達(dá)到抗截獲和抗干擾通信的目的。自適應(yīng)選頻采用認(rèn)知無線電技術(shù)對預(yù)設(shè)的候選頻點(diǎn)進(jìn)行干擾認(rèn)知和通信質(zhì)量實(shí)時評估，當(dāng)前工作頻點(diǎn)受到干擾、通信質(zhì)量下降后，可以迅速選擇未被干擾的通信質(zhì)量最好的頻率進(jìn)行通信。對于自組網(wǎng)系統(tǒng)來說，寬帶高速跳頻不但要需要解決傳統(tǒng)全連通網(wǎng)絡(luò)的載波同步、位同步、幀同步，還要實(shí)現(xiàn)在多跳條件下的全網(wǎng)時間同步和跳頻圖案的同步，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大。對于自適應(yīng)選頻來說，如何實(shí)時對預(yù)設(shè)候選頻點(diǎn)(信道)進(jìn)行通信質(zhì)量評估，并在當(dāng)有干擾時，全網(wǎng)如何快速同步切換收斂到通信效果最好的頻點(diǎn)，是無人機(jī)自組網(wǎng)能夠應(yīng)用于軍事領(lǐng)域首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

二是數(shù)據(jù)鏈層的MAC協(xié)議。在多年的教學(xué)科研過程中，我習(xí)慣稱之為信道接入控制協(xié)議/技術(shù)，對于無人機(jī)自組網(wǎng)而言，就是如何在無中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的條件下，采用分布式算法動態(tài)快速給各個節(jié)點(diǎn)分配合適的信道資源，既要達(dá)到各個節(jié)點(diǎn)公平、高效接入使用有限的信道資源，又要達(dá)到低時延、高可靠、高吞吐量的目標(biāo)，這是無人機(jī)自組網(wǎng)要攻克的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)之一。

三是網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議。無人機(jī)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的高速移動，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?，如何設(shè)計(jì)一種快速、高效、擴(kuò)展性好、動態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)的路由算法，具有入網(wǎng)快、路由切換快、收斂快、控制開銷小的優(yōu)良特性，是無人機(jī)自組網(wǎng)另一個要攻克的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

四是QOS技術(shù)?，F(xiàn)有自組網(wǎng)電臺研發(fā)過程中大多進(jìn)行了跨層設(shè)計(jì)，在MAC協(xié)議和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過程中會用到物理層的信號強(qiáng)度指示，誤碼率等參數(shù)，也會融合傳輸層中的QOS和擁塞控制技術(shù)，同時采用一些功率自適應(yīng)、調(diào)制自適應(yīng)、編碼自適應(yīng)、速率自適應(yīng)技術(shù)，來保證各種業(yè)務(wù)對時延、速率、丟包率的不同要求。

經(jīng)過長期的攻關(guān)研發(fā)改進(jìn)，T3S和T3M系列電臺硬件上基于SDR平臺打造，FPGA使用Xilinx的Zynq 7020/7035芯片，ADC采用ADI公司的AD9363/AD9361芯片，具有自適應(yīng)選頻和寬帶跳頻兩種抗干擾功能，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜的電磁環(huán)境，應(yīng)對無意或有意的通信干擾，并且綜合采用了COFDM、MIMO、分集接收、時隙資源動態(tài)分配算法(動態(tài)TDMA)、QOS動態(tài)路由協(xié)議、調(diào)制編碼自適應(yīng)、速率自適應(yīng)、認(rèn)知無線電等技術(shù)，信道估計(jì)與均衡、載波同步等技術(shù)，具有組網(wǎng)規(guī)模大、傳輸速率高、通信距離遠(yuǎn)、頻率范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、通信組網(wǎng)穩(wěn)定、入網(wǎng)/退網(wǎng)快、動態(tài)適應(yīng)強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、通信安全保密、IP語音清晰、接口豐富、可定制性強(qiáng)等優(yōu)良特性。單頻支持64個節(jié)點(diǎn)同時在線穩(wěn)定組網(wǎng)，峰值速率可達(dá)50+Mbps@10MHz、100+Mbps@20MHz，接收靈敏度可達(dá)-103dBm，視距通信距離可達(dá)300+km，支持UDP組播和廣播，VLAN透傳，二層路由和三層路由協(xié)議可選，提供產(chǎn)品形態(tài)、尺寸、頻率、功率、接口、協(xié)議、配置管理、100%國產(chǎn)化等軟硬件深度定制服務(wù)。經(jīng)過眾多項(xiàng)目的實(shí)踐證明，該系列電臺信息傳輸已經(jīng)達(dá)到了協(xié)同控制級，非常適合無人集群組網(wǎng)應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅