無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)系統(tǒng)—無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)

摘要：無(wú)人機(jī)集群是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方向，受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注和重視。無(wú)線自組網(wǎng)可臨時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速構(gòu)建分布式無(wú)中心的自治性專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，具有自組織，自恢復(fù)、高抗毀等許多優(yōu)點(diǎn)，可以支持無(wú)人機(jī)臨時(shí)加入和退出，多跳自動(dòng)路由中繼，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、速率自適應(yīng)，帶寬按需分配等，非常適合無(wú)人機(jī)集群協(xié)同通信組網(wǎng)，因此，可以預(yù)見(jiàn)無(wú)線自組網(wǎng)是無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)的必然選擇，將會(huì)運(yùn)用越來(lái)越廣泛。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)的種類(lèi)越來(lái)越多，也越來(lái)越成熟，除了商用領(lǐng)域的霸主大疆，還有很多的無(wú)人機(jī)廠家尤如雨后春筍大量涌現(xiàn)出來(lái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、應(yīng)急、軍事等眾多領(lǐng)域，并且發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。無(wú)人機(jī)集群是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要方向，無(wú)人機(jī)編隊(duì)表演是其中的一種大家常見(jiàn)的形式，不過(guò)這種應(yīng)用都是提前做了大量的預(yù)先路徑規(guī)劃工作，其通信組網(wǎng)系統(tǒng)大多采用單向通信的窄帶數(shù)傳電臺(tái)廣播分發(fā)定位數(shù)據(jù)和控制指令，按劇本規(guī)定動(dòng)作進(jìn)行表演，不能協(xié)同感知環(huán)境，不能根據(jù)實(shí)際情況做出合理的協(xié)同行動(dòng)，有時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)表演失控的慘痛事故。特別說(shuō)明一下，本文所聊的無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)不包含用于表演的無(wú)人機(jī)編隊(duì)。

本人10多年前開(kāi)展了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)研究和原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制工作。這里不涉及應(yīng)用背景，只就無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)系統(tǒng)這一話題和大家一起探討交流。

無(wú)人機(jī)集群就是多架（3架或更多）無(wú)人機(jī)組成一個(gè)協(xié)作團(tuán)隊(duì)，每架無(wú)人機(jī)承擔(dān)不同的使命，有的無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)前線偵察，有的無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)信息融合處理，有的無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分配任務(wù)，有的無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)靠后打擊，有的負(fù)責(zé)通信中繼等等，也有的無(wú)人機(jī)承擔(dān)數(shù)種角色，身兼數(shù)職。正因?yàn)榻巧褪姑煌?，不同的無(wú)人機(jī)攜帶的傳感器不同、裝設(shè)備也不同，甚至無(wú)人機(jī)平臺(tái)也不同。載荷要素的配置與無(wú)人機(jī)集群的作業(yè)樣式相關(guān)，按需配置。

咱們暫且不考慮這些應(yīng)用層面的事，還是聚焦到無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)系統(tǒng)上來(lái)，組網(wǎng)系統(tǒng)的要求與應(yīng)用相關(guān)，不同的應(yīng)用需求，對(duì)通信組網(wǎng)的要求不一樣。下面只是一些中大型無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)要求如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：一般不超過(guò)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，3架、4架、8架無(wú)人機(jī)的情況居多，隨著智能協(xié)同控制技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)越來(lái)越多；

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：分布式無(wú)中心的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，也就是無(wú)線自組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以遲入網(wǎng)，可以臨時(shí)退網(wǎng)，個(gè)別節(jié)點(diǎn)的退出不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，抗毀性強(qiáng)等；

（3）信道分配：分布式動(dòng)態(tài)按需分配信道資源，也就是說(shuō)“三個(gè)可以”，可以給新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配信道資源，可以將退網(wǎng)節(jié)點(diǎn)原來(lái)分配的信道資源回收再分配， 可以給需要傳輸大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)分配更多的信道資源；

（4）動(dòng)態(tài)建網(wǎng)：臨時(shí)、動(dòng)態(tài)、靈活、快速組網(wǎng)，無(wú)需復(fù)雜的通信預(yù)先規(guī)劃，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以按實(shí)際需要補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)，可以分編，也可以合編；

（5）建網(wǎng)時(shí)間：30秒（冷啟動(dòng)），5秒（熱啟動(dòng)）；

（6）重構(gòu)時(shí)間：5秒；

（7）入網(wǎng)時(shí)間：2秒；

（8）多跳中繼：能夠自動(dòng)路由中繼，可以中繼3~5跳，支持在復(fù)雜的地形環(huán)境中，可以超視距工作；

（9）系統(tǒng)容量：大多在10Mbps左右，不同的應(yīng)用要求不一樣，有一些要求比較高，用來(lái)支撐大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的傳輸共享；

（10）傳輸距離：集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間的通信距離大多在5~30km，無(wú)人機(jī)集群與地面控制站的距離大多在50~100km，有些需要達(dá)到200~300km;

（11）業(yè)務(wù)邏輯：部分或所有無(wú)人機(jī)將光電球采集的視頻通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸回到地面控制站；所有無(wú)人機(jī)將平臺(tái)參數(shù)（高度、經(jīng)緯度、速率、油（電）量、姿態(tài)等等）通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸至地面控制站；地面站將對(duì)無(wú)人機(jī)的控制指令通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳送給無(wú)人機(jī)；無(wú)人機(jī)之間將各自的某些平臺(tái)參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸共享，用于隊(duì)形控制、編隊(duì)協(xié)同和防撞；無(wú)人機(jī)之間將一些傳感器采集并處理過(guò)后的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸共享，實(shí)現(xiàn)協(xié)同感知、協(xié)同處理、任務(wù)（目標(biāo)）分配、協(xié)同作業(yè)（打擊）等等。

（12）數(shù)據(jù)接口：網(wǎng)口（用于連接采集紅外/可見(jiàn)光視頻的光電球、采集頻譜數(shù)據(jù)的頻譜分析儀等各類(lèi)大數(shù)據(jù)傳感器），串口RS232\RS422\RS485（用于連接各種產(chǎn)生小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的載荷設(shè)備，采集信息或者控制各種設(shè)備）；

（13）通信抗干擾：具備擴(kuò)頻、跳頻、自適應(yīng)選頻等抗干擾功能，能夠應(yīng)對(duì)某些敵意干擾或無(wú)意干擾，提升通信組網(wǎng)系統(tǒng)工作于復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。

目前社會(huì)上所謂的無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)方式有窄帶數(shù)傳電臺(tái)（microhard p900、digi xtend 900等），4G，WIFI，zigbee，NB-IOT，LORA，無(wú)線自組網(wǎng)等等，很顯然上述各種方式除無(wú)線自組網(wǎng)外，都不能滿足上面所描述的無(wú)人機(jī)集群的通信組網(wǎng)的需求。zigbee，NB-IOT，LORA，p900，xtend 900等窄帶數(shù)傳電臺(tái)傳輸速率太低，其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的工作方式也不支持無(wú)人機(jī)集群的業(yè)務(wù)邏輯。4G和WiFi作為寬帶通信組網(wǎng)方式，只所以被很多人采納考慮，主要是項(xiàng)目負(fù)責(zé)人大多是控制專(zhuān)業(yè)出身，對(duì)通信專(zhuān)業(yè)了解不夠深入，經(jīng)驗(yàn)不足，在探索嘗試過(guò)程中付出了資金成本和時(shí)間成本。即使采用了無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，由于自組網(wǎng)技術(shù)體制、數(shù)據(jù)接口、功能和性能存在較大的差異，再加上市場(chǎng)上自組網(wǎng)電臺(tái)存在以次充好，虛假宣傳的現(xiàn)象，也需要認(rèn)真考慮選型。

這里稍微多聊聊4G（5G），本人認(rèn)為其根本不適合用于無(wú)人機(jī)集群，理由是多方面的。（1）現(xiàn)有基站架設(shè)，一般使用平板天線，天線方向角指向朝下，不指向天空，并不能覆蓋具有一定高度的無(wú)人機(jī)空域，實(shí)際通信效果比較差；（2）4G基站在很多的偏遠(yuǎn)山區(qū)、戈壁、海洋等地域沒(méi)有開(kāi)設(shè)；再其次，即使使用臨時(shí)架設(shè)地面4G基站，這是一種有中心的星形網(wǎng)，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的通信需要經(jīng)過(guò)4G基站的中轉(zhuǎn)，時(shí)延大；（3）由于基站作為組網(wǎng)中心，信道資源的分配完全依賴于基站，抗毀性很差；（4）4G基站和CPE搭配使用滿足不了很多無(wú)人機(jī)集群的對(duì)通信距離要求；

WIFI有兩種工作模式，一種是集中式，也就是咱們經(jīng)常用的無(wú)線局域網(wǎng)WLAN，顯然也滿足不了上面描述的無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)的要求；另一種是分布式，就是自組網(wǎng)方式，這種方式具有很多優(yōu)勢(shì)，比較適合小范圍（10km以內(nèi)）協(xié)同作業(yè)的民用領(lǐng)域無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)的要求，成本相對(duì)比較低。但是，因其WiFi 802.11標(biāo)準(zhǔn)，讓W(xué)iFi自組網(wǎng)存在一些不足：（1）MAC協(xié)議使用CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行資源分配共享使用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，業(yè)務(wù)量較大的時(shí)候，數(shù)據(jù)包的發(fā)送容易產(chǎn)生沖突，組網(wǎng)很不穩(wěn)定；（2）該標(biāo)準(zhǔn)的通信波形和MAC協(xié)議是專(zhuān)門(mén)為近距離組網(wǎng)而設(shè)計(jì)的，信道估計(jì)與均衡算法、糾錯(cuò)編碼技術(shù)、幀間保護(hù)間隔、數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議等不適合遠(yuǎn)距離傳輸，會(huì)隨著距離的增加，傳輸速率下降很快；（3）沒(méi)有采用抗干擾技術(shù)，不能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的電磁環(huán)境，更不用說(shuō)能用在戰(zhàn)場(chǎng)電子對(duì)抗環(huán)境之中；（4）WIFI標(biāo)準(zhǔn)是公開(kāi)的，基本上沒(méi)有抗截獲能力和抗破解能力，容易遭到入侵，通信保密安全沒(méi)有保障。

無(wú)線自組網(wǎng)是無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)的必然選擇，主要是因?yàn)樗嬖谝韵聝?yōu)良特性：（1）無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)兼具無(wú)線通信和動(dòng)態(tài)路由的功能，既可以完成傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)控的功能，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包擇優(yōu)路徑的中繼轉(zhuǎn)發(fā)；（2）無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議支持多無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)形成星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、鏈狀網(wǎng)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是多跳路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能使得無(wú)人機(jī)可以組成鏈狀狀網(wǎng)，大大提升測(cè)控的距離和作業(yè)的范圍，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)合理部署，能夠適應(yīng)山地峽谷等復(fù)雜的地形環(huán)境，實(shí)現(xiàn)超視距通信；（3）無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的信道接入控制協(xié)議（MAC協(xié)議），信道資源動(dòng)態(tài)分配，使得節(jié)點(diǎn)可動(dòng)態(tài)入網(wǎng)和退網(wǎng)，無(wú)需要通信組網(wǎng)預(yù)規(guī)劃，非常適合臨時(shí)調(diào)度無(wú)人機(jī)的數(shù)量來(lái)滿足實(shí)際應(yīng)用的需要；（4）無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)得益于新技術(shù)（上面提到的動(dòng)態(tài)資源分配，動(dòng)態(tài)路由中繼、負(fù)載均衡擁塞控制等），使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信道資源可以按需要調(diào)整分配，優(yōu)化選擇傳輸路徑，保證業(yè)務(wù)QoS ?？偠灾?，無(wú)線自組網(wǎng)是一種不依賴于現(xiàn)有基礎(chǔ)通信設(shè)施，可動(dòng)態(tài)快速構(gòu)建分布式、無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，具有自組織，自恢復(fù)、高抗毀等許多優(yōu)點(diǎn)，速率可以自適應(yīng)，帶寬可以按需分配，無(wú)人機(jī)可以臨時(shí)加入或退出，可以多跳中繼，節(jié)點(diǎn)可以隨意移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詣?dòng)態(tài)變化等。

通過(guò)上面的描述，大家在做無(wú)人機(jī)集群通信組網(wǎng)方案時(shí)，應(yīng)該知道如何選擇何種體制的通信手段了。不過(guò)話又說(shuō)回來(lái)，最終還是要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求來(lái)做出方案選擇，適合的才是最好的。如果確定了要采用無(wú)線自組網(wǎng)方案，采購(gòu)無(wú)線自組網(wǎng)電臺(tái)時(shí)，就要認(rèn)真仔細(xì)考慮采購(gòu)WIFI自組網(wǎng)電臺(tái)還是非WIFI自組網(wǎng)電臺(tái)。筆者在對(duì)接項(xiàng)目時(shí)，一般會(huì)先了解項(xiàng)目在通信組網(wǎng)方面的具體需求，然后再推薦適用的自組網(wǎng)電臺(tái)。目前，跳跳通寬帶自組網(wǎng)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)系統(tǒng)。為了避免大家在電臺(tái)選型迷惘，這里做個(gè)簡(jiǎn)單介紹和指導(dǎo)， T3W、T3S、T3M三個(gè)系列的主要參數(shù)說(shuō)明及對(duì)比如下表：

T3W系列電臺(tái)基于高通平臺(tái)打造，采用OFDM、 MIMO、CSMA/CA、智能路由等技術(shù)開(kāi)發(fā)研制，具有組網(wǎng)規(guī)模較大、中繼跳數(shù)較多、通信距離較遠(yuǎn)、傳輸速率高、頻譜掃描、接口豐富、可定制性強(qiáng)等特性。性能良好，性價(jià)比高，比較適合組網(wǎng)規(guī)模在10個(gè)節(jié)點(diǎn)左右，通信距離10~20km左右，且對(duì)成本比較敏感的無(wú)人機(jī)集群應(yīng)用。

T3S系列基于SDR平臺(tái)（ZYNQ70xx+AD936x）打造，綜合采用COFDM、 分集接收、動(dòng)態(tài)TDMA、智能路由等新技術(shù)開(kāi)發(fā)研制，具有組網(wǎng)規(guī)模大、中繼跳數(shù)多、通信距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、通信組網(wǎng)穩(wěn)定、工作頻率范圍寬、入網(wǎng)/退網(wǎng)快、路由切換速度快、支持節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、通信安全保密、IP語(yǔ)音清晰、通信抗干擾能力強(qiáng)、接口豐富、可定制性強(qiáng)等優(yōu)良特性。該電臺(tái)成本較高，性能優(yōu)異，可穩(wěn)定支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)通信組網(wǎng)，適合30~200km的遠(yuǎn)距離大規(guī)模集群組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

T3M系列電臺(tái)和T3S系列電臺(tái)同平臺(tái)打造，T3M系列電臺(tái)是T3S系列電臺(tái)傳輸速率增強(qiáng)版。T3M系列電臺(tái)在T3S系列電臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用了MIMO技術(shù)，10MHz帶寬下峰值速率可達(dá)50+Mbps，20MHz帶寬下峰值速率可達(dá)100+Mbps，在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下，大大地提高了頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

T3S和T3M系列電臺(tái)都具有自適應(yīng)選頻和寬帶跳頻兩種抗干擾功能模式。其中，自適應(yīng)選頻抗干擾功能，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)候選頻點(diǎn)進(jìn)行通信質(zhì)量評(píng)估，當(dāng)前工作頻點(diǎn)受到干擾后，可以自動(dòng)快速切換到未被干擾的頻率進(jìn)行通信，自動(dòng)躲避各種干擾。寬帶跳頻抗干擾功能，載波頻率按照預(yù)設(shè)的特定的跳頻圖案進(jìn)行快速跳變，跳速大于1000hop/s，帶寬大于200MHz，跳頻點(diǎn)數(shù)最多支持256個(gè)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和抗截獲能力，保證信息傳輸?shù)目煽啃?。抗干擾功能一般適用于需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的通信抗干擾的應(yīng)用場(chǎng)景，由于實(shí)現(xiàn)難度大，價(jià)格相對(duì)比較高，主要面向軍用領(lǐng)域或民用高端領(lǐng)域?？垢蓴_功能模式是可選功能，大家可以選擇不選配抗干擾功能來(lái)達(dá)到降低成本的目的。

審核編輯：符乾江