【正文】 條件下對無人機組網(wǎng)的要求 24 IP920電臺簡介 25　IP920電臺的性能指標 25　IP920電臺工作模式和網(wǎng)絡拓撲簡介 27 無人機網(wǎng)絡模式分析與評估 27 兩種常見的無人機網(wǎng)絡模式 27 各組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點評估 29 無人機組網(wǎng)方案設計 30 基于幾種組網(wǎng)模式和路由協(xié)議的無人機組網(wǎng)方案設計 30 無人機在不同情況下的網(wǎng)絡變換準則 31 本章小結(jié) 33第四章　仿真實驗與綜合分析 34　實驗環(huán)境 34　實驗內(nèi)容 34　實驗過程及結(jié)果分析 35　不同拓撲結(jié)構(gòu)下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能分析 35 不同距離下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能分析 44 不同運動情況下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能 45 不同節(jié)點數(shù)量下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能 49 不同通視程度下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能 50 本章小結(jié) 51第五章　結(jié) 論 52　總結(jié) 52　未來工作展望 53致　謝 55參考文獻 57摘　要無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種無人駕駛、動力驅(qū)動、可重復使用的飛行器，可以執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務。實驗測試了拓撲結(jié)構(gòu)、傳輸距離、運動情況、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量和環(huán)境通視程度對數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。在這種情況下，對無人機組網(wǎng)方案和組網(wǎng)技術(shù)的研究已迫在眉睫，以美國為首的世界各軍事強國加快了對無人機通信理論和技術(shù)的研究，并取得了一系列成果。本文研究的具體內(nèi)容就是基于現(xiàn)有硬件條件，使無人機編隊能夠快速進行自主的通信組網(wǎng)、拓撲變換及編隊協(xié)調(diào)。而且，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸方式可以兼容多種數(shù)據(jù)鏈，如寬帶高速數(shù)字多波束中繼數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈、通用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，以及無人機群的無線局域網(wǎng)等。在這一模式下，后方地面控制站可能：（1） 直接遙控一架或多架無人機：這一模式目前使用的較為普遍，相對成本也較低，但因為地球表面曲率問題，使其遙控距離受限；（2） 間接通過一架無人機作中繼對多架無人機實現(xiàn)控制與信息交換：這一控制模式較容易克服距離受限問題，但當中繼機被毀時可能影響全局，因此單點抗毀性不強。LINK16數(shù)據(jù)鏈提供了一種抗干擾、安全的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸，采用標準的波形和數(shù)據(jù)格式，允許進行機動空中通信。（3）以IP920數(shù)傳電臺為載體進行無人機通信組網(wǎng)實驗，分析各組網(wǎng)方案的數(shù)據(jù)傳輸性能。這種數(shù)據(jù)鏈被稱為“模塊化集成導航通信系統(tǒng)”(MICNS),是一種具有抗干擾(AJ)能力的復雜的數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈。作為路由器,終端需要運行相應的路由協(xié)議,根據(jù)路由策略和路由表參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護工作。比如當網(wǎng)絡中某些無人機失效后，智能化的無人機通過感知網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)，從而移動自身的位置，保證網(wǎng)絡的持續(xù)連通。 MANET網(wǎng)絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以是以通過網(wǎng)關(guān)連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施上，如Internet或者蜂窩核心網(wǎng)。因此，為拓展無人機的偵察能力，可以采用多無人機組成MANET網(wǎng)絡實現(xiàn)對整個戰(zhàn)場空間的覆蓋。無線信道質(zhì)量的不規(guī)則變化，節(jié)點的移動、加入和退出等均會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。移動終端在帶來移動性、靈巧、輕便等好處的同時，其固有的特性，例如采用電池一類的可耗盡能源提供電源、內(nèi)存較小、CPU性能較低等要求路由算法簡單有效，實現(xiàn)的程序代碼短小精悍，需要考慮如何節(jié)省能源等。在實用中，由于各個子網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)量少、相對位置變化不大，可以采用表驅(qū)動方式的路由協(xié)議，使各個節(jié)點能夠?qū)崟r掌握子網(wǎng)內(nèi)所有其它節(jié)點的路由信息；而在各個子網(wǎng)間采用按需路由協(xié)議，通過動態(tài)網(wǎng)關(guān)或簇頭完成源節(jié)點到目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)過程。鏈路狀態(tài)協(xié)議中每個節(jié)點都要保存整個網(wǎng)絡的拓撲信息以及每條鏈路的開銷，為了使所有節(jié)點中保存的路由保持一致，每個節(jié)點必須周期性地廣播其與周圍鄰居節(jié)點的路由信息，其它節(jié)點在收到這些信息時更新網(wǎng)絡拓撲，以最短路徑算法來計算到達目的節(jié)點的下一跳節(jié)點。 按需驅(qū)動（OnDemand Driven）的路由協(xié)議與表驅(qū)動路由相反，源始發(fā)的按需驅(qū)動路由（又稱反應路由）認為在動態(tài)變化的自組網(wǎng)環(huán)境中，沒有必要維護去往其它所有節(jié)點的路由。 表驅(qū)動和按需驅(qū)動混合MANET無線網(wǎng)絡中單純采用表驅(qū)動或按需驅(qū)動路由協(xié)議都不能完全解決路由問題，因此，許多學者提出了結(jié)合表驅(qū)動和按需驅(qū)動路由協(xié)議優(yōu)點的混合式路由協(xié)議，如ZRP協(xié)議。對于規(guī)模較大的網(wǎng)絡，層次結(jié)構(gòu)（基于簇）路由可以被用來解決上面的問題。DSDV在每條路由信息中加人由目的節(jié)點產(chǎn)生的序列號，以避免路由環(huán)。三、GSR協(xié)議GSR(Global State Routing)協(xié)議的工作原理與DSDV協(xié)議類似，在該算法中，每個節(jié)點維護鄰居列表、拓撲表、下一跳節(jié)點表和距離表。五、WRP路由協(xié)議WRP(Wireless Routing Protocol) 是一種距離向量路由算法,每個節(jié)點維護距離表、路由表、鏈路開銷表和信息重傳列表。當源節(jié)點沒有到達目的節(jié)點的路由時，它廣播一個路由請求報文。和其它路由控制報文一樣，路由錯誤報文可以被中間節(jié)點監(jiān)聽到，并且根據(jù)它將中間節(jié)點中的失效路由刪除掉。它分為路由發(fā)現(xiàn)，路由維護，路由消除三個過程。該算法中路由不一定是最優(yōu)的，常常使用次優(yōu)路由以減少發(fā)現(xiàn)路由的開銷。在區(qū)內(nèi)使用表驅(qū)動路由算法，中心節(jié)點使用區(qū)內(nèi)路由協(xié)議IARP（Intrazone Routing protocol）維持一個到區(qū)內(nèi)其它成員的路由表，對區(qū)外節(jié)點的路由使用按需路由，利用區(qū)間路由協(xié)議IERP(Interzone Routing protocol)建立臨時的路由。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都周期性地向外廣播Hello Message（周期性握手信息）。由于表驅(qū)動路由協(xié)議時刻更新維護著路由信息，保持路由的可用性，故其路由時延非常??；而按需驅(qū)動路由則是在需要的時候?qū)ふ衣酚桑赡茉斐晒?jié)點處于等待狀態(tài)，產(chǎn)生較大的時延。實驗對AODV、DSR、TORA(按需)和DSDV(表驅(qū)動)協(xié)議的能量消耗情況進行了分析，總的而言，純粹的按需路由協(xié)議，如AODV、DSR所表現(xiàn)出來的性能要比DSDV好，比TORA就更好得多。如果某類網(wǎng)絡對報文發(fā)送的實時性要求不高，能容忍路由發(fā)現(xiàn)延遲，則應優(yōu)先考慮按需驅(qū)動的路由協(xié)議?；驹诮嚯x全向天線的通信半徑也為R，遠距離定向的通信半徑R’，上下左右的角度為α。二、節(jié)點1)節(jié)點分為無人機節(jié)點和基站節(jié)點，兩者的通信范圍不同。3)無人機節(jié)點連續(xù)不斷地向基站發(fā)送偵察信號時，網(wǎng)絡處于重負載狀態(tài)，不需要目的節(jié)點發(fā)送收到數(shù)據(jù)包的確認信號。 時效性強。 當無人機在基站的遠距離定向通信范圍內(nèi)時，可認為無人機能與基站通信，因為基站的定向天線的靈敏度更高。將電臺配置為這三種模式可以使電臺分別以主機、中繼器和從機的方式運行。當VIPn2400電臺工作在Mesh point模式時，所有節(jié)點地位平等，不存在主機與從機的概念。所有節(jié)點地位平等，自組織水平較高。平面結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有： 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較簡單，無需結(jié)構(gòu)維護過程。必要時可以通過增加群的個數(shù)或網(wǎng)絡的級數(shù)來增加網(wǎng)絡的容量。 無人機組網(wǎng)方案設計 基于幾種組網(wǎng)模式和路由協(xié)議的無人機組網(wǎng)方案設計由于無人機工作環(huán)境具有高度不確定性，使用一種組網(wǎng)模式進行工作往往并不是一個明智的選擇。由于每個節(jié)點只需要維護兩跳以內(nèi)的路由表信息，故可以大大減少路由維護的開銷；而在兩跳以外進行數(shù)據(jù)通信時，可采用按需驅(qū)動路由，利用區(qū)域的邊界節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)通信。一、節(jié)點退出和進入時的網(wǎng)絡變換普通節(jié)點的退出和進入1）當網(wǎng)絡規(guī)模較小，機群組網(wǎng)采用平面結(jié)構(gòu)模式、路由協(xié)議采用單一協(xié)議時，由于各節(jié)點完全對等，節(jié)點的增減對網(wǎng)絡其他節(jié)點并無影響，網(wǎng)絡拓撲不需要進行變換。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的退出若分級結(jié)構(gòu)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點由于意外因素退出網(wǎng)絡，則相關(guān)的群之間需要通過相應的群算法選擇新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點并通過指令適當調(diào)整兩群之間的物理位置；若兩群由于距離過遠導致群內(nèi)沒有符合條件的節(jié)點，則兩群之間的聯(lián)系中斷，群首向地面控制站報告情況，由地面控制站對兩群的相對位置進行調(diào)整，進而形成新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。一、MANET網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸性能實驗 環(huán)境設置（1） 實驗A：實驗A使用了4臺VIPn2400電臺和一臺筆記本電腦（筆記本電腦D）進行了MANET網(wǎng)的搭建，以模擬無人機無線自組網(wǎng)。（2） 實驗B1) Point to Point（PTP）模式將電臺A設置為從機，電臺B設置為主機，具體配置見下圖：圖41 電臺A配置圖42 電臺B配置圖43 從機通過DIscoverIP軟件搜索附近電臺的結(jié)果通過筆記本電腦B用Windows命令ping筆記本電腦A，模擬主機向從機傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送20個具有32字節(jié)的數(shù)據(jù)包，查看平均延遲及丟包率。2) Point to Multipoint（PMP）模式將電臺A設置為從機、電臺B設置為主機、電臺C設置為中繼器。圖4 2 MANET網(wǎng)實驗用可移動電臺設定D電臺與F電臺距離15米，G電臺與D電臺距離5米，F(xiàn)電臺與G電臺距離19米，E電臺在DG的平行線上來回運動，具體結(jié)構(gòu)如下圖電臺G電臺E（移動節(jié)點）電臺F與筆記本D電臺D圖4 3實驗A電臺位置關(guān)系圖（2） 實驗B：實驗A使用了3臺Nano IP920電臺和三臺筆記本電腦分別配成3對，以模擬無人機的空中組網(wǎng)情況和空空、空地鏈路數(shù)據(jù)交換情況。二、任務變化時的網(wǎng)絡變換當無人機執(zhí)行不同的任務時，其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也不盡相同，有視頻、音頻、圖像、文本等。當機群由于節(jié)點退出導致網(wǎng)絡內(nèi)內(nèi)節(jié)點的數(shù)目小于一定的閾值時，可以將當前網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變更為低一級的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。且由于網(wǎng)絡較復雜，在遠距離通信上采用按需路由協(xié)議，可以減少路由開銷，降低網(wǎng)絡癱瘓的可能性。（平面結(jié)構(gòu)和MANET網(wǎng)絡的聯(lián)系）當網(wǎng)絡內(nèi)無人機節(jié)點數(shù)目較少、無人機任務區(qū)域覆蓋較小且無人機任務較簡單時，無人機通信網(wǎng)絡采用平面結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式，這樣既可以平均分攤路由負荷，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡瓶頸，又可以降低路由算法的復雜性，減少硬件負荷。分級結(jié)構(gòu)主要缺點有: 需要較為復雜的群首選舉算法和群維護機制。 節(jié)點覆蓋范圍比較小，相對比較安全。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖32 平面結(jié)構(gòu)示意圖模式二：該模式為分級結(jié)構(gòu)，分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡被劃分成群，每個群由一個群首和多個群成員組成，這些群首形成高一級的網(wǎng)絡。其中 point to multipoint結(jié)構(gòu)適用于一臺主機與多臺從機之間的數(shù)據(jù)傳輸，其中從機還可以作為中繼器使用；point to point結(jié)構(gòu)適用于一臺主機與一臺從機之間的直接通信（中間可以有中繼器的參與）；peer to peer結(jié)構(gòu)適合于兩臺從機之間的直接數(shù)據(jù)傳輸；everyone to everyone結(jié)構(gòu)適用于所有主、從機之間的數(shù)據(jù)傳輸。 中繼器（Repeater）中繼器只有在必須建立主機和從機之間的通信路徑時才會被配置。 路由協(xié)議能夠提供足夠的帶寬支持圖像、視頻、語音、控制命令的傳遞。 機載硬件性能低。2)不考慮由于信道誤碼引起的丟包現(xiàn)象，而僅考慮由于數(shù)據(jù)包碰撞而導致的丟包現(xiàn)象，即為理想無線信道。3)每個無人機節(jié)點具有相同的通信帶寬能力。當無人機節(jié)點i在基站或者其他無人機j的通信范圍內(nèi)，則表示節(jié)點i和J存在一條雙向的通信鏈路。分類角度路由發(fā)現(xiàn)策略網(wǎng)絡邏輯視圖路由類型表驅(qū)動路由協(xié)議按需驅(qū)動路由協(xié)議平面路由分層路由優(yōu)點當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，只需要查詢路由表中是否有到目的節(jié)點的路由條目存在，整個路由計算收斂速度較快無需周期性的廣播控制信息，節(jié)省了網(wǎng)絡資源節(jié)點地位平等，網(wǎng)絡中業(yè)務流平均且分散，路由協(xié)議魯棒性較好，無需進行節(jié)點移動性管理網(wǎng)絡由多個分簇組成，可擴展性較好，適合規(guī)模較大的自組織網(wǎng)絡缺點維護路由表信息的開銷較大，通過使路由表更新與拓撲變化同步，使得網(wǎng)絡中充斥控制信息，對網(wǎng)絡資源的占用度較高發(fā)送數(shù)據(jù)分組的時候，如果路由緩存中沒有到達目的節(jié)點的路由條目存在，需要發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，時延較大可擴展性相對較差，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，協(xié)議的效率受到較大影響簇首節(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性對網(wǎng)絡性能影響較大，為支持節(jié)點在不同分群之間移動將產(chǎn)生一定的開銷典型協(xié)議DSDV,WRP,STARA,GSR,FSR,HSRAODV,DSR,TORA,ABR,SSR,CBRPAODV,DSR,TORA,ABR,WRP,STARACGSR,ZRP,CEDAR表22 MANET網(wǎng)絡各協(xié)議的優(yōu)缺點 本章小結(jié)本章對無人機通信組網(wǎng)所用到的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹。此外，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，路由維護的開銷讓TORA的能量消耗迅速惡化。在網(wǎng)絡拓撲變更不明顯的情況下，按需驅(qū)動的DSR、AODV、TORA協(xié)議的路由開銷遠小于表驅(qū)動的DSDV協(xié)議。當某一節(jié)點發(fā)出路由請求后，該節(jié)點將向周圍節(jié)點發(fā)出“RREQ”控制包，各節(jié)點根據(jù)自身所在的網(wǎng)絡分部的拓撲結(jié)構(gòu)以及自身身份采取不同的處理方式：簇首節(jié)點將RREQ轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點；網(wǎng)關(guān)節(jié)點將RREQ轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點或毗鄰的簇首節(jié)點；普通成員節(jié)點將RREQ發(fā)往所在簇的簇首節(jié)點或作丟棄處理。每個節(jié)點保存一個簇成員表（clustermembertable）和路由選擇表（routingtable）.前者記錄網(wǎng)絡中每個節(jié)點的簇首并周期廣播更新；后者為每個簇保存一條表項，記錄通往該簇首的下一節(jié)點。LAR協(xié)議從GPS獲得位置信息，且每個節(jié)點需知道其它節(jié)點的平均運動速度。其主要思想是：對于某一目標節(jié)點，網(wǎng)絡中每個節(jié)點都保留了相對于它的“勢能”。如果路由失效，源節(jié)點則重新開始一個新的路由發(fā)現(xiàn)過程。當路由請求到達目的節(jié)點(或者某個知道某條到達目的節(jié)點的路由的中間節(jié)點)時，它就可以決定一條到達目的節(jié)點的完整的源路由。節(jié)點周期性或者在鏈路狀態(tài)改變的情況下交換路由表，信息更新報文中反饋節(jié)點列表中的節(jié)點需要確認其接收。對于每個目標節(jié)點，拓撲表記錄鏈路狀態(tài)信息和該信息的時間戳（timestamp），下一跳節(jié)點表記錄分組轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點，而距離表則記錄到達目的節(jié)點的最短路徑。每個收到該廣播報文的節(jié)點將報文中的對應各目的節(jié)點的序列號與自身路由表中相應表項比較，如果報文中的序列號較高，則更新自己的路由表