无人机自组网关键技术有哪些

随着无人机技术、通信技术和网络技术的发展，无人机运用也越来越广泛，其运用领域已经覆盖工业、农业、遥测、巡检、应急、消防、军事等众多军民领域。在军用领域，空中无人化作战平台成为未来重要的作战力量，多无人机协同作战将成为未来无人机作战应用的必然趋势，将在战争中起着越来越重要的作用。以Ad hoc为技术基础的分布式无中心的IP网络是多无人机协同作战的通信基础，可以支撑各种信息的快速交互共享，实现协同感知、协同处理、协同决策和协同打击，从而大提高无人机的生存能力和整体作战效能。

无人机通信组网的发展趋势将是以Ad hoc技术为基本网络架构。美国国防部早在2005年发布的《无人飞行器发展路线图》中已经专门阐述了这一发展趋势，在后面的几版中也重复强调了这一发展趋势。美军之所以如此重视，是因为Ad hoc技术的应用可以使得多架无人机快速形成一个分布式、无中心的多跳路由中继的自组织网络，具有自组织、自恢复、高抗毁的能力，大大扩展无人机群的探测范围，有效提高无人机群协同感知和信息共享能力，从而提升协同处理、协同决策和协同打击的能力。美军在该领域的应用研究可以说已经领跑多年，TTNT和其简化演进版QNT是以Ad hoc技术和IP架构为基础的战术数据链，在组网规模、传输速率、传输时延、网络扩展性、抗干扰等方面的技战术性能优越，形成了强大的作战协同能力，大大扩展了作战样式。相关资料显示，这两型数据链在无人机协同、空地协同、机弹协同、弹弹协同、X47B着舰、无人机空中加油等方面得到应用。

这里将Ad hoc技术称为自组网技术，以自组网技术为基础的多无人机通信网络称为无人机自组网。经过国内广大科研工作者近20多年研究和实践，投入实用的无人机自组网应用系统还不是很多，其原因有如下几点：一是网络高动态分布式特性。网络拓扑会不断发生变化，给信道资源分布式分配和路由快速发现和建立带来很大的困难。二是无线信道资源的有限性。MAC协议和路由协议要以尽量少的控制开销来提高信道资源的利用率，有效支撑节点的迟入网和动态退出的条件下动态分配无线信道资源。三是数据传输QoS保障。在多跳自组网中进行MAC协议和路由协议的优化设计过程中，如何保证各种业务对传输时延、传输速率、传输误包率的不同要求，多参量多目标优化条件下的信道资源的动态分配和传输路由优化选择是一个较为困难的事。四是作战应用电磁环境的复杂性。尤其是在有故意干扰的电子对抗环境中，通信链路质量的下降给无人机自组网的整体性能带来极大的不利影响，要求物理层通信波形、数据链路层的MAC协议要能够应对电磁干扰，通信波形要一般采用扩频（跳频、直扩）或智能选频等抗干扰技术，以及强大的纠错编码能力来保证通信链路质量。物理层通信波形要能够对电磁环境进行认知，MAC协议要能够对信道资源进行认知，路由协议要能够对网络拓扑进行认知，并在认知的基础上设计使用合适的抗干扰技术、信道资源分配策略和路由策略。

无人机自组网关键技术，这里要强调的是无人机通信组网部分，不包括应用层的载荷任务部分。

一是物理层通信波形的抗干扰技术。 无人机自组网的军事应用必然要能够应对复杂的电磁环境，能够躲避敌方的干扰，或者消除干扰对通信带来的不利影响，从而保障已方的正常通信。通信抗干扰技术主要有扩频技术和自适应选频技术，其中扩频包括传统的跳频、直扩和扩跳等抗干扰技术。跳频简而言之就是网络内所有电台的通信载波频率在预先设定的跳频集中按照特定的伪随机序列所控制的跳频图案进行同步跳变，达到抗截获和抗干扰通信的目的。自适应选频采用认知无线电技术对预设的候选频点进行干扰认知和通信质量实时评估，当前工作频点受到干扰、通信质量下降后，可以迅速选择未被干扰的通信质量最好的频率进行通信。对于自组网系统来说，宽带高速跳频不但要需要解决传统全连通网络的载波同步、位同步、帧同步，还要实现在多跳条件下的全网时间同步和跳频图案的同步，技术实现难度大。对于自适应选频来说，如何实时对预设候选频点（信道）进行通信质量评估，并在当有干扰时，全网如何快速同步切换收敛到通信效果最好的频点，是无人机自组网能够应用于军事领域首先要解决的关键技术。

二是数据链层的MAC协议。 对于无人机自组网而言，就是如何在无中心节点协调的条件下，采用分布式算法动态快速给各个节点分配合适的信道资源，既要达到各个节点公平、高效接入使用有限的信道资源，又要达到低时延、高可靠、高吞吐量的目标，这是无人机自组网要攻克的关键技术和难点之一。

三是网络层的路由协议。 无人机自组网中节点的高速移动，使得网络拓扑不断变化，如何设计一种快速、高效、扩展性好、动态适应能力强的路由算法，具有入网快、路由切换快、收敛快、控制开销小的优良特性，是无人机自组网另一个要攻克的关键技术和难点。

四是QOS技术。 现有自组网电台研发过程中大多进行了跨层设计，在MAC协议和路由协议的设计过程中会用到物理层的信号强度指示，误码率等参数，也会融合传输层中的QOS和拥塞控制技术，同时采用一些功率自适应、调制自适应、编码自适应、速率自适应技术，来保证各种业务对时延、速率、丢包率的不同要求。

一、Ad-Hoc技术说明

（一）概述

无线自组网也称为Ad-Hoc网络，源自于美国DARPA启动的多个分组网络在军事通信领域的应用项目。其后发展为Ad-Hoc网络，IETF将Ad-Hoc网络称为MANET（移动Ad Hoc网络）。

Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，它们可以通过中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）才能到达目的地，这是Ad Hoc网络与其他移动通信网络的最根本的区别。Ad Hoc网络的节点通过分层的网络协议和分布式算法的相互协调，实现网络的自动组织和运行。

（二）主要特点

1、 分布式无中心。 所有的电台的地位都是平等的，不存在中心节点。所有的节点都可以随时加入或退出网络而不影响原有网络的健壮性。

2、多跳转发。所有的合法电台都可以自动完成中继转发功能，可以扩展网络覆盖范围。

3、动态拓扑。支持动态的路由拓扑，适用于网络连接拓扑不断变化的运动场景。

4、IP透传。实现了IP透传功能，将所有的数据信息都进行IP化。

5、宽带传输。采用多载波方式，可以提供宽带的通信信道，能够满足数据、语音、图片和视频等信息的传输需求。

只要设备的IP在同一网段，即可以自动连接，且没有中心节点，每个节点都可以连接到组网内任意节点。

二、可视化自组网通信系统实战案例

 

（一）应用场景概述

某地区建党100周年汇报演练隆重举行，参加部门有：特警，消防，应急救援，民兵预备役等相关单位，参演队员们警容严整、精神饱满、斗志昂扬，按照统一指令迅速进入汇演环节。我司为其提供安全通信保障任务，将现场第一视角画面实时传输至观摩点。并圆满完成任务，获得试用单位高度认可。

 

组网示意图

（二）场景应用需求

1、在演习场地中把特战队员第一视角视频传输到指挥台大屏幕；

2、根据保密要求，不能使用公网传输视频数据；

3、视频传输流畅，在演习活动中视频画面流畅，稳定；

4、将现场声音实时传输到观摩点大屏幕。

（三）设备配置

 

（四）设备参数特点

1．头盔式无线单兵设备

 

（1）功能特点

1、业务针对性强：产品根据武警，特警等部门实际业务需求量身定制

2、符合国标：支持国标GB/T28181协议。

3、北斗/GPS双模定位

4、PTT数字集群对讲，小组队员间相互通信

5、本地大容量存储128GB,支持连续录像不小于60小时

6、集成红外夜视功能，光敏感应，白天/夜间模式自动开启

7、快速安装：武警，特警专用魔术贴，方便安装在头盔上

8、一键开关机：带上手套也可以正常操作，操作简单

9、一键报警：战士遇到突发情况，一键报警到指挥中心，设备启动报警加密录像

10、支持VPN加密通信，双码流编码，一路码流传输至指挥中心，一路码流存储本地

11、支持4G运营商网络通信，移动/联通/ 电信

12、实时视频、实时语音对讲

（2）规格

2．无线自组网通信设备

  

 

（1）功能特点

1、体积小，适合穿戴或手持

2、支持语音、视频等IP业务双向传输

3、支持PTT语音传输

4、动态路由功能，网络自组织和自恢复功能

5、支持内置WiFi

6、支持内置的GPS/北斗定位

7、支持串口透传功能

8、支持多设备组网，最大支持连续中继32节点

9、宽带高吞吐量，无线自组网可提供高达70Mbps的IP数据传输速率。

10、组网灵活，网状结构实现组网之间以点对点、多点对多点、人到人、人到车、车到车等多重的组网通信方式

11、优化调制方式，采用独特的COFDM调制模式，具有优异的射频穿透能力及路劲绕射传输性能。

12、扩展性，支持第三方IP摄像头作为射频源可直接接入自组网设备

（2）规格

　　审核编辑：汤梓红