无人机飞行自组网通信协议

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付有斌 康巧燕 王建峰 胡海岩

空军工程大学信息与导航学院 陕西西安 710077

摘 要多无人机协同已经成为当前研究热点,而保证多无人机间快速、可靠的通信是其重要问题之一.基于自组织网络技术提出来的飞行自组网(Flying Ad-Hoc Network,FANET),可为无人机群提供可靠并且实时的网络通信,成为解决多无人机间通信问题的一种良好解决方案.从无人机FANET 的节点高动态性和拓扑结构快速变化等特点入手,分析FANET 的性能需求;分别从协议设计的挑战、现有协议及其优化协议在FANET 的应用现状和专门针对FANET 设计的协议发展现状3 个方面,对FANET 组网通信协议中的多址接入协议、路由协议研究进展进行综述;对无人机FANET 的当前重点研究问题和未来研究方向进行了总结和展望.

关键词无人机,飞行自组网,通信协议,多址接入协议,路由协议,智能算法

近年来,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)凭借其体积小、成本低、不易被发现、便于部署等优势,在军事和民用领域的很多方面都得到了广泛应用,比如实时监控、自动跟踪、搜寻与救援、中继传输等[1].相比于单架无人机的应用,多无人机协同配合的应用将更加有效、快速、灵活,已成为当前研究热点.但是,多无人机的协同配合面临着一系列技术挑战,其中保证无人机之间快速、可靠的通信是确保多无人机之间相互协作的重要问题之一.

基于自组织网络技术提出来的飞行自组网(Flying Ad-Hoc Network,FANET)[2],将移动自组网的思想拓展到空天领域,可以为多无人机间提供可靠实时的网络通信,以便多无人机之间可以快速协同完成各种任务,成为解决多无人机间通信问题的一种良好解决方案.无人机FANET 是无人机之间的自组织网络,无人机之间无需通过基础设施,可以直接进行通信.此外,部分无人机可以与有人机(后端控制)、地面控制台或是卫星进行通信.但由于UAV 节点的高动态性、拓扑结构快速变化等特点,FANET 对多址接入协议、路由协议等组网通信协议提出了更多挑战,尤其值得关注与研究.

本文从无人机FANET 组网的角度入手,对FANET 多址接入协议、路由协议等方面的研究成果进行总结、分析并讨论下一步研究方向.

1 飞行自组网性能需求分析

FANET 可以看成是所有节点均为UAV 的移动自组网(Mobile Ad-Hoc Network,MANET)的一种新形式,UAV 间的通信通过自组织网络实现,这种新的通信模型也可以看作是由MANET 衍生出来的车载自组网(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)的一个子集[2].事实上,在正式定义FANET 之前,也有不少无人机自组网的相关研究,只是名称不一样,如联网空中机器人(Networked Aerial Robots)、无人驾驶航空自组网(Unmanned Aeronautical Ad-Hoc Network,UAANET)、无人机自组网(UAV Ad-Hoc Network)、无人机网络(Networks of UAVs)、分布式航空传感器网络(Distributed Aerial Sensor Network)等[3].FANET的典型结构如图1所示.

图1 FANET 的典型结构

Fig.1 The typical structure of FANET

FANET 衍生于MANET、VANET,具有与它们共同的网络特点,但作为自组织网络新兴的研究领域,FANET 也有其独有的特点,如节点的移动速度高、拓扑结构变化快、节点密度低等,表1从节点移动性、移动模型、拓扑变化性等方面,对FANET 与VANET、MANET 进行了比较[24].

因此,在基于以上区别的同时,FANET 在通信传输相关技术上需要达到以下性能要求,具有一定的技术挑战[2,4].

1)低时延需求.时延性是网络设计中的重要考虑因素之一,FANET 是面向任务的网络,其时延性的要求取决于无人机应用场景,但大部分的应用都要求尽量低的传输时延,如搜救工作、灾害监测等.

2)网络适应性需求.无人机在飞行过程中存在多种不断变化且对FANET 产生影响的因素.首先,FANET 中的无人机节点高速移动,使得网络节点位置始终在变化,节点间的通信距离也在不断变化,从而带来网络拓扑的快速变化;其次,FANET 是基于任务的应用,无人机数量、飞行路线等会根据任务需求而改变;再次,飞行环境的变化,如遇到楼房、山脉等障碍物,会引起无人机链路质量的变化,部分无人机链路可能会失效,导致拓扑变化;最后,无人机可能在飞行期间发生故障,造成无人机数量减少,需要新无人机加入.因此,在设计FANET 通信协议时,需要着重考虑FANET 的网络适应性需求.

表1 FANET、VANET 和MANET 的比较

Table 1 Comparison of FANET,VANET and MANET

3)高可靠性需求.UAV 以及FANET 的可靠性决定了系统的负载能力和接入能力.在敏感的军事和监视应用中,要求FANET 具有可靠的数据传送能力.在FANET 中需要在UAV 之间建立足够可靠的传输网络,以至于如果一个UAV 的传输链路损坏后,仍可以通过其他UAV 来进行集群间相互通信或者与后端基站进行数据传输.

4)网络可扩展性需求.不同的任务,所需要的无人机数量不一样,当任务改变时,网络规模随之改变,而随着任务和地形的复杂化,FANET 中的UAV 数量大量增加;且在许多情况下,无人机的任务完成情况与无人机的数量有关系,例如更多的无人机可以更加快速地完成搜索和救援的任务.因此,FANET 通信协议的设计要满足网络的可扩展性需求.

5)高带宽需求.多数FANET 应用的目的是从外界收集数据,并且将数据传递给地面控制台.当前随着对高清晰图像和视频需求的增加,及对低时延传输的迫切要求,很多情况下,无人机的数据传递需要高带宽.但是无人机的带宽受到多种因素限制,如通信信道容量、无人机飞行速度等原因.FANET 在设计时必须满足带宽容量需求,以便于满足对带宽要求较高的实时图像或视频的传输需求.

6)低网络开销需求.由于无人机网络带宽受限,降低网络开销,可提高带宽的使用效率.另外,在微小型和小型无人机网络中,能耗受到一定限制[5],通过降低网络开销,可减小能量消耗,延长UAV 和网络寿命,降低由于能量耗尽的无人机离开或毁掉而导致链路中断的概率.因此,在不降低网络性能的情况下尽量减少网络开销是必要的.

2 飞行自组网通信协议研究进展

鉴于FANET 相比于其他无线自组网系统的高动态及多变性,在协议设计方面集中在上层专用通信协议的研究上,主要是基于MAC 层和网络层的协议设计与优化.因此,本节从组网的角度出发,对FANET 多址接入协议、路由协议等方面的研究成果进行总结和分析.

2.1 飞行自组网的MAC 协议

2.1.1 FANET MAC 协议的设计挑战

媒体接入控制协议(Medium Access Control,MAC)决定了无线信道的使用方式,在UAV 节点之间分配有限的无线通信资源,用以构建网络系统的底层基础结构.由上节中FANET 的特点及传输性能需求分析可知,FANET MAC 协议的设计具有如下挑战:

1)对于大部分FANET 应用来说,高移动性是FANET 最显著的特性之一,给MAC 层带来了新的问题.由于高移动性和节点间距离的变化,FANET 中的链路质量经常发生波动.链路质量的变化和链路中断直接影响FANET MAC 的设计.

2)分组延时是FANET MAC 设计中的一个重要问题.特别是对于实时应用,数据包延时必须是有限制的,有的应用甚至要求达到毫秒级的节点接入时延,这大大增加了FANET MAC 设计的难度.

3)通常FANET 节点密度非常低,节点间的通信距离较长,全向MAC 协议有效通信范围较小,不能满足需求,需要考虑定向MAC 协议,而定向MAC 协议设计的关键问题在于节点的位置估计及共享,这对于具有高速移动节点的FANET 来说,更具挑战性.

因此,结合FANET 组网性能需求设计符合高动态、低时延等特性的MAC 层协议是FANET 的关键技术之一.

2.1.2 现有MAC 协议的适用性研究进展

无人机之间通信可以在现有的通信协议中选择可适用的协议.在FANET 中,将每一架无人机看作是一个移动节点,无人机之间的相互通信可以使用开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI)模型.物理层和数据链路层一般被认为是底层的网络,可以使用IEEE 802.11 协议[6],这一协议的有效通信范围是几百米的视距通信.而IEEE 802.11n 已经具有更长的通信范围和相对高的数据速率(物理层吞吐量可高达600 Mb/s).由于无人机之间一般距离较远,802.11n 协议更适宜于无人机之间的相互通信[7].

802.11 MAC 协议主要是分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)机制,该机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式,它把带有冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)技术和确认(Acknowledge,ACK)技术结合起来,采用二进制指数回避策略来避免冲突,当数据长度较长时,可以选择采用RTS/CTS(Relay To Send/Clear To Send)机制来有效减小冲突发生的概率,且RTS/CTS 可以解决暴露终端和隐藏终端问题.CSMA/CA 是一种载波检测冲突避免技术,主要通过载波信号检测来判断某一信道中的信号能量是否达到一个基准点,如果信号的强度在这基准点之下,就表示该信道未被占用,因此,节点就可使用该信道来传输.但是,CSMA/CA 在数据分组接入前,有一个提前对信道的侦听过程,该过程会使得信道的利用率降低,且多次握手过程也导致了端到端时延的增加,难以满足实时应用对网络时延的要求.此外,802.11 MAC 协议耗费了相当多效率用作链路的维护,从而大大降低了系统的吞吐量.802.11n 通过增加帧聚合技术和块确认技术改善MAC 层,来减少固定的开销及拥塞造成的损失,但也仍然存在其基本协议CSMA/CA 本身存在的问题.

文献[8]提出把无线传感器网络中一种低速率、低功耗、低成本的无线通信协议IEEE 802.15.4 MAC应用到分簇FANET 的簇间和簇内通信,该协议在非信标使能模式下采用无时隙CSMA/CA 协议简单的传输数据,适用于业务传输实时性要求较低的应用场合;在信标使能模式下,采用确保传输时隙(Guaranteed Time Slot,GTS)机制,具有较小的数据传输延迟;仿真结果表明,该机制适用于传输带宽不足、数据速率较低的FANET 应用.

文献[9] 针对航空网络MAC 协议端到端时延大、网络容量小、灵活性差、可扩展性不强等特点,提出一种基于信道状态感知的多优先级多信道MAC 协议,该协议可根据信道实时占用状态,通过调度机制和退避算法控制不同优先级业务接入信道.仿真结果表明,该协议可以为航空网络中的各类业务传输提供QoS 保障,而且提高了网络带宽资源利用率.

2.1.3 针对FANET 设计的MAC 协议研究进展

基于统计优先级的多址接入协议(Statistical Priority-based Multiple Access Protocol,SPMA)[10] 是美军新型数据链战术瞄准网络(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的MAC 层接入协议.SPMA 协议借鉴了CSMA 协议的运行机制,并对其进行改进,运用了数据优先级排队、突发拆分技术、Turbo 编码、信道状态统计等技术,在网络层数据包到达时统计信道占用率,通过将信道占用率与数据包进行比较,来决定业务分组是否接入信道.该协议中高优先级业务分组的发送成功率不低于99%,且端到端时延不超过2 ms,能很好地适应无人机FANET 的高动态、低时延等需求.

由于SPMA 的低时延优势,研究者借鉴其基本思想提出了一些优化协议.如基于多信道统计优先级概念的MAC 协议(Priority Statistics Based on Multichannel Access,PSMC)[11],该协议通过统计某一段时间内收到的脉冲数来预测信道的忙闲程度,没有了对信道侦听的过程,从而降低了时延.而基于Turbo编码的多信道MAC协议(Turbo_MAC)[12] 和基于突发技术的多信道MAC协议(BT-MAC)[13] 都是在发送分组前先进行Turbo 编码,通过增加冗余信息来确保数据传输的可靠性和吞吐量,同时避免了多次握手过程带来的时延.优先级与公平性协作的多信道MAC 协议(PBLL/HL)[14]提出SPMA 协议会给低优先级的业务造成较大的延迟,该协议降低了低优先级业务由于被截流而导致的时延,使得网络不会迅速拥塞.这些协议在SPMA 协议的基础上针对不同的需求作出了一些改进.各协议对比如表2所示.

表2 基于SPMA 优化协议的比较

Table 2 Comparison of optimized protocols based on SPMA

目前实现全向天线的MAC 协议可能不适用于无人机执行的某些任务.这是由于节点之间的距离等不同因素造成的.无人机节点的高机动性和物理约束会对无线链路的性能造成影响,飞行器的姿态变化可能也会对数据传输造成一定影响.而定向天线可以解决这些问题,与传统的全向天线相比,使用定向天线更好地保障了链路的鲁棒性.现有的基于定向天线的MAC 层大多是针对MANET 和VANET 提出的,对于采用定向天线的FANET MAC层设计的研究还很少.文献[15]提出了无人机的自适应MAC 协议(Adaptive MAC Protocol Scheme for UAVs,AMUAV).AMUAV 使用全向天线发送其控制包(RTS、CTS 和ACK),而数据包则通过定向天线发送.实验证明,基于定向天线的AMUAV 协议可以提高多无人机系统的吞吐量、端到端时延和误码率,性能指标优于IEEE802.11.

FANET 中节点的高移动性增加了网络的复杂性,为了处理这种高移动环境,研究者提出了基于令牌的信息更新技术,也就是一种基于令牌的协议[16].该协议工作的环境是无人机具有全双工无线电和多包接收能力.使用基于令牌的信息更新技术来更新信道的状态信息和链路的状态,使用基于令牌的结构消除了代码的冲突.全双工无线电技术有效地降低了时延,而多包接收能力提高了系统的吞吐量.在知道完全信道信息的前提下,该协议在吞吐量和时延这两个性能指标上的表现都是最优的.

随着人工智能的兴起,人工智能技术中的一些方法被应用到MAC 协议的设计中,以优化MAC 协议的性能.如,基于位置预测的定向MAC 协议[17](Position-Prediction-based Directional MAC Protocol,PPMAC),该协议可以根据节点状态变化和环境变化开发不同的通信操作,保证了通信链路的快速建立和数据成功传输的低时延,而且克服了可能出现的定向接收失败的问题,具有较高的鲁棒性和可靠性.

为了提高MAC 协议在FANET 中的性能,研究者提出了一种自适应容错同步切换的MAC 协议[18](Adaptive MAC Protocol with Fault-Tolerant Synchronous Switching,FS-MAC).该协议提出了一种基于Q 学习的分布式MAC 切换方案,支持在FANET中的CSMA/CA 和TDMA 协议之间自适应地互相切换.该协议包括MAC 预选操作过程和一个实用的基于拜占庭容错(PBFT)的一致性决策来生成MAC 切换决策.通过MAC 预选操作,FANET 中的每架UAV节点可以准确评估自身性能,从而确定最适合自身的MAC 协议;而后在基于PBFT 的一致决策的辅助下,每个节点可以根据实时情况的变化实行容错同步切换.仿真结果表明,FS-MAC 协议在平均吞吐量、时延和分组重传率等方面都明显优于基准协议.

2.2 飞行自组网的路由协议

2.2.1 FANET 路由协议的设计挑战

为了实现高效可靠的组网,必须设计合适的路由协议.路由的好坏很大程度上影响了网络的性能,路由技术是FANET 中的一个核心[19],也是FANET最具挑战性的问题之一.

1)由于应用的不同,无人机或高速飞行或低速飞行.对于大部分的FANET 应用来说,其高移动性导致拓扑结构的高速变化,网络的链路状态也在不断地变化,如此频繁的变化必然导致路由频繁更新或者是节点位置的频繁更新,这些更新过程不仅会导致网络开销的增大,同时也会造成路由收敛困难,数据转发延迟增大,丢包严重,甚至导致协议失效等问题[20].

2)由于干扰或自然条件限制,链路可能会出现高误码率.无人机网络具有各种可靠性需求,而话音、数据和视频对带宽的要求也不同.

由于FANET 特有的挑战,现有的MANET、VANET 路由协议不能完全适用于FANET.FANET的路由设计,除发现最有效路由、允许网络扩展、控制延迟、保证可靠性等一般MANET 的要求外,还要求位置感知、能量感知、网络分割、间歇链路强健、拓扑快速变化以及服务质量需求变化等,需要根据UAV 及FANET 特点设计快速、准确、高效、扩展性好、自适应能力强的路由算法.

2.2.2 现有路由协议及优化协议的适用性研究进展

传统的路由协议大都是基于拓扑的路由协议,这类路由协议通过IP 地址来定义网络节点,使用网络中现存的链路状态信息,选择合适的路径进行数据包的转发.这类路由协议可以分为主动路由协议和被动路由协议.

主动路由协议也称先验式路由协议,该协议在节点之间可以定期更新和共享路由表,一定程度上确保了路径选择的实时性.但是FANET 中拓扑结构变化相对频繁,而这类协议对变化频繁的拓扑结构的反应较为迟钝,这就会使得连接失败情况发生.主动路由协议中,典型的有链路状态路由协议(Optimized Link State Routing,OLSR).

OLSR 协议中,网络的每一个节点能够维护一个或者多个路由表,用以表示整个网络的拓扑结构,该协议在需要的时候能够快速提供合适的路由.OLSR协议有两个特点:一是选择网络中的一个节点,将其作为其邻居节点的多点中继(Multi-Point Relay,MPR)选择器来减小控制包的大小;二是通过MPR节点,可以不用将消息分散到网络中的所有节点.该协议通过使用MPR,可以减少整个网络的流量,也可以减少网络中的洪流.该协议可用于FANET,但随着节点的移动速度增高,网络的包传输速率、平均吞吐量和端到端时延等指标性能将恶化,文献[21] 提出通过采用追逐移动模型对OLSR 进行优化.文献[22]在OLSR 协议上应用链路估计质量和速度加权ETX 两个参数,改变了Hello 信息和拓扑控制信息,改进后的i_OLSR 协议相对于OLSR 协议端到端时延有明显的降低,而且吞吐量和数据包传输速率也有明显的提高.文献[23]提出一种具有定向天线的OLSR 协议,称为定向OLSR 协议(DOLSR).DOLSR可减少带定向天线的MPR 数目,降低端到端的延迟.

被动路由协议也称反应式路由协议,主要是针对主动路由协议的滥用带宽消耗问题,对于FANET这一类高动态网络是一个合适的解决方案,典型的协议有按需距离矢量路由协议(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)[24]、动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)[25].

AODV 路由协议有3 个步骤,分别是路由发现、传输数据和路由维护.路由发现的作用是为了寻找从源节点到目的节点的最佳路由,正是由于路由发现过程的存在,从而导致该协议会产生较大的时延.但是AODV 协议在需要进行通信时才会按照其需求寻找路径,可减少控制开销,且只会保留下一跳的路径,可以使得FANET 网络中的带宽最大化.经证明,DSR 协议可以应用在FANET 中,但是并不容易实现[25].文献[24] 将AODV 协议和DSR 协议应用到FANET 中,并进行性能比较,仿真结果表明,在包传输率、端到端时延和平均吞吐量3 个指标上,AODV协议均优于DSR 协议,说明AODV 协议比DSR 协议更适用于FANET 网络.文献[26]利用Hopfiel 神经网络对DSR 协议进行优化,优化后的协议CHNNDSR 可以适应FANET 节点的高速运动,极大改善了端到端平均时延、吞吐量和包传输率,同时提高了路由的稳定性.

2.2.3 针对FANET 设计的路由协议研究进展

随着当前人工智能的迅速发展,人们开始将智能算法和一些新的方法应用到路由协议上来,使得路由协议能够更全面地适应FANET 网络.文献[17] 提出了基于强化学习的自学习路由协议(Self-learning Routing Protocol Based on Reinforcement Learning,RLSRP)该协议通过强化学习优化了路由协议的计算速度,从而提高了灵活性和实用性,也提高了FANET 中节点的自主控制能力.

由于FANET 网络中有大量的UAV 节点,蜂群和蚁群算法等群体智能算法可以应用到FANET 中,以改善路由协议相关指标.文献[27] 提出了一种基于蜂群算法的FANET 路由协议BeeAdHoc,和基于蚁群的路由协议AntHocNet,BeeAdHoc 协议的主要特点是各节点作为蜂群中的一份子,通过各节点的局部寻优行为,最终在全局中获得最优值,收敛速度较快;AntHocNet 协议将各节点作为群体中的一个个体,用各节点的行走路径表示待优化问题的可行解,路径较优的节点释放较多的信息素,信息素最多的路径便是最优解.研究表明[27 28],AntHocNet、BeeAdHoc 协议相对于AODV、DSDV 和DSR 协议而言,性能有很大提高,可更有效地运用于FANET 中.

除了人工智能算法在FANET 路由协议的应用外,当前,发展前景较好的是地理位置路由协议.在这一类协议中,选取最佳路由只取决于节点的位置信息,而且不需要维护路由表.但是FANET 中节点的高速运动会导致拓扑结构的频繁变化,拓扑结构的快速变化需要频繁地发送信标信息来保证路由选择的正确性.高信标发送频率会导致数据包的碰撞和信息传输的高延迟.为了解决这些问题,提出了基于地理路由的自适应信标方案[29](Adaptive Beacon and Position Prediction,ABPP).ABPP 协议能够自适应动态调整信标频率,并且能够预测UAV 节点未来的位置,从而能提高该地理位置路由协议的性能.仿真结果表明,ABPP 协议可以有效降低网络开销,也可以提高数据包的信息传输率.

为了解决FANET 中的实时路由、功率分配和功率控制问题,提出了一种异步的分层式跨层优化(Asynchronous Distributed Cross-layer Optimization,ADCO)方法[30].该方法首先设计了一个时延约束的跨层优化框架,然后将联合优化问题分解为几个复杂度较低的子问题.在ADCO 方法中,网络中的每一个中继节点都可以通过局部信息来完成对不同子问题的优化,同时可以用异步更新机制实现对偶变量更新.仿真结果表明,该方法可以有效提高系统吞吐量,也可以减少数据分组的超时率和功率消耗.

现有的FANET 系统中节点之间的通信主要依赖于数据传输速率较低、通信范围有限的未授权频段,给节点之间以及节点和地面控制站之间的通信带来了很大的不便.于是有研究者提出了一种高效低成本的混合通信方案.该方案将Wi-Fi 和Bluetooth5 两种通信方式混合,结合Wi-Fi 的高数据传输率和Bluetooth5 的低功耗的特点,使得系统在吞吐量和时延方面的性能均得到了很大的提升[31].但是该混合方案对于FANET 系统的回程链路的信息传输不太适用,为了解决该问题,可以考虑将WIMAX、LTE 和5G 通信方式结合或者单独应用到FANET 系统的回程链路中.

3 问题及未来展望

3.1 研究问题分析

对于FANET 而言,节点的高速运动导致该网络的关键问题就是实现网络中节点之间的低时延高效通信,现有的大多数对于FANET 的研究都集中于FANET 的通信协议上,在现有的协议上对其进行改进,使得现有的协议变得更具优势.研究重点主要集中在以下方面:

1)对现有的MAC 协议进行改进.基于现有的MAC 协议及其存在的不足,针对性地提出一些新的MAC 协议,使得网络中节点之间能够快速建立可靠的通信链路,降低信息传输时延,提高系统的鲁棒性和可靠性.

2)对现有的路由协议进行改进.在基础路由协议上提出一些优化的路由协议,在系统端到端时延、平均吞吐量和网络开销等指标上有一定程度的提升.随着人工智能和生物仿真技术的发展,更多的生物仿真智能算法(如蜂群算法、蚁群算法)被应用到路由协议中,使得网络性能得到大幅提升.

3)FANET 中的UAV 节点的体积限制了节点的能量,节点的能耗决定了网络的工作时长,因此,节能也是一个研究重点.比如自适应Hello 消息间隔方案[32](Adaptive Hello Interval),该方案能够降低系统中不必要的开销,从而提高系统的能量效率,降低能量消耗.除此之外,还有基于能量感知的集群的方法[34],该方法的目的也是在有限的能量内产生最大的效益,包括低丢包率、大吞吐量和低时延等.该方法提出了一个EALC 模型,在该模型内限制节点的传输范围,对网络中的节点进行聚类,优化了路由,从而节约了资源.该方法与ACO 和GWO 算法分析比较后得知,其集群构建时间和集群能耗上都更具优势.

3.2 未来研究方向展望

未来对FANET 的研究,主要还是集中于提高其各项性能指标,其目的还是提高FANET 的有效性和可靠性,使其能够更广泛地应用于军事和民用领域.现有的各项研究大都集中于网络协议,提高吞吐量、降低时延、降低网络开销等方面,但是还有其他的相关领域值得进一步研究,具体如下:

1)网络架构.当前SDN 技术和NFV 技术发展迅猛,有研究者将SDN 技术应用在车辆的网络架构中[34],通过SDN 技术建立了一个安全的车辆网络架构,保证了网络的安全性,提高系统的吞吐量,节点的移动性得到了增强,节点的自主控制也变得更加自动化了.因此,将SDN 技术应用到FANET 网络当中,构建一个更加安全高效的网络,将会成为一个研究的热点.

2)节点的连接性.也可以称作通信链路的可靠性.对于一个高效的FANET,不仅要求能够快速建立起通信链路,链路的稳定性和可靠性也很重要.利用压缩感知方法可以优化FANET 中节点的连接性[35],该方法可以快速重新配置节点的位置,高效利用带宽来保持连接,从而优化FANET 架构中链路的稳定性和可靠性.

3)通信的安全性.FANET 是一个面向任务的自组织网络,其通信安全性关系到网络的可靠性和任务的成败.因此,通信的安全性是否能得到保障是一个很重要的问题.现有的对FANET 中数据传输的研究也比较少,文献[36] 主要考虑的就是数据传输的安全性.

4 结论

多无人机协同已经成为当前研究热点,多无人机间的通信问题是设计网络时必须考虑的问题,也是极具挑战性的一个问题.基于自组织网络技术的飞行自组网FANET 可有效解决无人机间的通信问题,但由于UAV 节点的高动态性、拓扑结构快速变化等特点,FANET 对多址接入协议、路由协议等组网通信协议提出了更多挑战.本文从无人机FANET的特点入手,重点分析了FANET 组网的各种通信协议,并基于此对FANET 的当前重点研究问题和未来主要研究方向,以期对下一步FANET 组网通信协议的研究提供参考.

参考文献：略

引用格式 付有斌,康巧燕,王建峰,胡海岩.无人机飞行自组网通信协议[J].指挥与控制学报,2021,7(1):89 96

付有斌 (1998 ),男,硕士研究生,主要研究方向为无人机飞行自组网.

王建峰 (1978 ),男,硕士,讲师,主要研究方向为空天通信与网络.

胡海岩 (1998 ),男,硕士研究生,主要研究方向为网络虚拟化