【正文】 完全解決路由問題，因此，許多學(xué)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。鏈路狀態(tài)協(xié)議中每個節(jié)點都要保存整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒁约懊織l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(luò)拓?fù)?，以最短路徑算法來計算到達目的節(jié)點的下一跳節(jié)點。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。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(luò)實現(xiàn)對整個戰(zhàn)場空間的覆蓋。比如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某些無人機失效后，智能化的無人機通過感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)，從而移動自身的位置，保證網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)連通。這種數(shù)據(jù)鏈被稱為“模塊化集成導(dǎo)航通信系統(tǒng)”(MICNS),是一種具有抗干擾(AJ)能力的復(fù)雜的數(shù)字式數(shù)據(jù)鏈。LINK16數(shù)據(jù)鏈提供了一種抗干擾、安全的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，采用標(biāo)準(zhǔn)的波形和數(shù)據(jù)格式，允許進行機動空中通信。而且，網(wǎng)絡(luò)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 科 畢 業(yè) 論 文題目：中小型固定翼無人機組網(wǎng)通信鏈路方案設(shè)計學(xué)員姓名：易驍?shù)蠈W(xué)號：仿真工程培養(yǎng)類型：合訓(xùn)類專業(yè)：200909012035所屬學(xué)院：指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院年級：2008級指導(dǎo)教員：張代兵職稱：副研究員所屬單位：機電工程與自動化學(xué)院自動化研究所國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)訓(xùn)練部制67 / 74目　錄目　錄 I摘　要 iABSTRACT ii第一章　緒　論 1　課題研究背景 1　國內(nèi)外研究進展 2 2 4　研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu) 6第二章　無人機通信組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 8 無人機通信系統(tǒng)簡介 8　無人機MANET無線自組網(wǎng)技術(shù) 9 無人機MANET網(wǎng)的特點 9 無人機MANET網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用 11　基于MANET自組網(wǎng)的路由協(xié)議簡介和分析 11　無線自組網(wǎng)路由協(xié)議 11　無線自組網(wǎng)路由協(xié)議的分類 13　幾種自組網(wǎng)路由協(xié)議的簡介 15 性能比較 19 本章小結(jié) 22第三章　無人機通信組網(wǎng)方案設(shè)計 23 23 戰(zhàn)場無人機網(wǎng)絡(luò)模型 23 各種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(biāo) 25　IP920電臺工作模式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喗?27 無人機網(wǎng)絡(luò)模式分析與評估 27 兩種常見的無人機網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)計 30 無人機在不同情況下的網(wǎng)絡(luò)變換準(zhǔn)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?fù)浣Y(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(fù)使用的飛行器，可以執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)。然而隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對無人機在自主性、智能化、多任務(wù)等方面的要求越來越高，原有的無人機的通信組網(wǎng)方式已不能滿足現(xiàn)實需要，無人機的作戰(zhàn)效能和智能水平已逐漸無法滿足軍事行動的要求。節(jié)點之間通過多跳無線鏈路來相互進行通信，每個節(jié)點在必要的時候都要充當(dāng)路由器的角色來為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。目前美國服現(xiàn)役的Link16僅屬于物理層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，且傳輸速率較低(最高238Kbps)；。第二章　無人機通信組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 無人機通信系統(tǒng)簡介無人機主要通過數(shù)據(jù)鏈進行通信。 智能化無人機可以利用人工智能算法對數(shù)據(jù)和信息進行處理，作出決策。單無人機通信距離和偵察范圍有限，不能對遠距離大范圍的戰(zhàn)場域進行有效偵察。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾、信道間干擾等多種因素，節(jié)點可能得到的實際帶寬是遠遠小于理論上的帶寬最大值； 無線移動終端的局限性。傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典路由算法包括鏈路狀態(tài)協(xié)議和距離矢量兩種。 常用的按需驅(qū)動路由協(xié)議有DSR，AODV，TORA，LAR等?！追N自組網(wǎng)路由協(xié)議的簡介一、DSDV路由協(xié)議DSDV（DestinationSequenced DistanceVector Routing）協(xié)議通過修改RIP協(xié)議而得到，它基于BellmanFord算法。這種算法的拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)像魚的眼睛,所以稱之為FSR。如果數(shù)據(jù)報在逐跳傳輸過程中發(fā)現(xiàn)鏈路失敗，則可以由中間節(jié)點用緩存中的可用路由來代替報頭中含有失效鏈路的路由，同時向源節(jié)點發(fā)送一個路由錯誤報文。TORA協(xié)議的主要特點是控制報文定位在最靠近拓?fù)渥兓囊恍〔糠止?jié)點處，因此節(jié)點只保留鄰近點的路由信息。簇首節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)現(xiàn)毗鄰簇并由此尋找路由。 四、能源消耗性能比較電源管理和能量消耗情況是MANET網(wǎng)絡(luò)性能的一項重要指標(biāo)。每個無人機節(jié)點具有一個全向天線，其通信半徑為R，但是當(dāng)無人機在基站的近距離全向通信范圍內(nèi)或遠距離定向通信范圍內(nèi)時，可認(rèn)為無人機能與基站通信，因為基站的通信裝置的靈敏度更高。2)無人機向基站按需發(fā)送偵察視頻、圖片、聲音信號。 鏈路固定。前三種模式與Nano IP920電臺基本一致，這里介紹一下Mesh point模式。其結(jié)構(gòu)圖如下：群首 網(wǎng)關(guān) 群成員圖33 分級結(jié)構(gòu)示意圖 各組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點評估根據(jù)兩種組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點，對組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點進行評估如下。因此，針對無人機群的特點，在無人機MANET網(wǎng)絡(luò)中，適合選擇分級結(jié)構(gòu)進行拓?fù)淇刂蒲芯俊?無人機在不同情況下的網(wǎng)絡(luò)變換準(zhǔn)則由于無人機編隊執(zhí)行任務(wù)時外部環(huán)境和任務(wù)內(nèi)容復(fù)雜多變，其編隊隊形、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也具有高度的不確定性，因此，在不犧牲組網(wǎng)方案的自組性的前提下，我們需要為無人機編隊在不同情況下進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換設(shè)計一定的規(guī)則，即變換準(zhǔn)則。在實驗中，控制了電臺位置、運動狀態(tài)、外界干擾程度等環(huán)境因素保持不變，分別測試了電臺工作在每種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的空載數(shù)據(jù)傳輸性能，并對其間的差異做了簡要的分析。具體配置如下：圖4 7圖4 8 DiscoverIP發(fā)現(xiàn)情況用A、B電臺互ping，得到如下結(jié)果：Ping的方向平均時延最大時延最小時延A ping B5410567B ping A279249表4 13) Peer to Peer（P2P）模式將電臺A、C設(shè)置為從機，電臺B設(shè)置為主機，具體配置如下：圖45 電臺A配置圖46 電臺B配置圖47 電臺C配置圖4 9 DiscoverIP發(fā)現(xiàn)情況該模式下，主機不能與從機進行通信，故測試從機之間相互通信的性能。當(dāng)無人機執(zhí)行偵查拍攝等任務(wù)時，由于鏈路所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，應(yīng)當(dāng)采用通信路由開銷小的組網(wǎng)模式和路由協(xié)議，如按需驅(qū)動的路由協(xié)議；當(dāng)無人機執(zhí)行飛行難度較大、對飛行路徑精確性要求很高的任務(wù)時，應(yīng)適當(dāng)犧牲路由開銷方面的性能要求，采用路由時延小的組網(wǎng)模式及路由協(xié)議，此時按需路由將不再適合網(wǎng)絡(luò)通信。其具體結(jié)構(gòu)如圖34：兩跳內(nèi)節(jié)點 中心節(jié)點 兩跳外節(jié)點圖34 混合路由驅(qū)動模型當(dāng)采用分級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式時，由于群內(nèi)節(jié)點所占比重要遠多于群首節(jié)點，分級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式可以大大節(jié)省群內(nèi)的路由開銷，提高網(wǎng)絡(luò)性能。 群首節(jié)點任務(wù)相對較重，可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。在高一級網(wǎng)絡(luò)中，又可以分群，再次形成更高一級的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級。添加一個中繼器會使網(wǎng)絡(luò)吞吐量減半，但繼續(xù)增加更多的中繼器不會使網(wǎng)絡(luò)吞吐量繼續(xù)減小。 分布式，節(jié)點既是路由器，又是主機。4)基站通信能力較強，但在遠距離上定向天線有一定的通信角度。首先介紹了無人機通信系統(tǒng)及其構(gòu)成；接著介紹了無人機MANET無線自組網(wǎng)技術(shù)，并對其典型應(yīng)用進行了分析；最后對MANET自組網(wǎng)協(xié)議進行了研究，并對幾種常用的協(xié)議進行了介紹，還從三個方面比較了各協(xié)議的優(yōu)缺點。實際上，自組網(wǎng)總是要工作在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兏^慢的情況下，因為當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快到一定程度時，任何基于路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)成為不可能，泛洪(flooding)方式成為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奈ㄒ贿x擇，而泛洪將會耗費大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬。處于兩個以上簇首通信范圍內(nèi)的節(jié)點為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，簇首之間必須通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信。勢能可以通過從目標(biāo)節(jié)點的反向廣播來獲得。目的節(jié)點(或中間節(jié)點)將所得的源路由包含在路由響應(yīng)報文中，然后沿著所得路由反向發(fā)送回源節(jié)點，也可以附帶在目的節(jié)點的路由請求報文中。當(dāng)鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化時，通過比較報文與本地拓?fù)浔碇械哪康墓?jié)點路由序列號大小，決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔淼男薷?，若拓?fù)浔戆l(fā)生變化則廣播給其它節(jié)點。 分層協(xié)議主要包括成簇協(xié)議，簇維護協(xié)議，簇內(nèi)路由算法和簇間路由協(xié)議。它僅在需要給目的節(jié)點發(fā)送報文而又沒有去往目的節(jié)點路由的時候才按需進行路由發(fā)現(xiàn)?！o線自組網(wǎng)路由協(xié)議的分類由于自組網(wǎng)路由協(xié)議對自組網(wǎng)的重要性，它成了研究的一個熱點。常規(guī)的路由協(xié)議，如路由信息協(xié)議（RIP）和開放式最短路徑互連（OSPF）是為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對固定，不會出現(xiàn)大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)則是動態(tài)變化的。一方面，節(jié)點作為主機運行相關(guān)的協(xié)同應(yīng)用程序。MANET網(wǎng)絡(luò)同時具備移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的特點,可以看作是一種特殊類型的移動計算機通信網(wǎng)絡(luò)。第二章 無人機通信組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)：本章介紹了無線自組網(wǎng)及其適用協(xié)議，并對本課題所使用的數(shù)傳電臺IP920的工作性能和工作方式進行了介紹。隨著無人機微小型化使單機被擊落后造成的經(jīng)濟損失較小，以及單機處理與應(yīng)變能力的提高，以機群為基礎(chǔ)的作戰(zhàn)單元內(nèi)單機間如果具有可替補性，從而使作戰(zhàn)單元的可靠性可以大大提高。單無人機作為偵察和監(jiān)視的有效手段在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有較長的歷史，但是對多無人機通信組網(wǎng)的研究剛開始不久。]。（2） 方案設(shè)計。對無人機組網(wǎng)方案進行研究需要對兩個鏈路進行設(shè)計，即機間鏈路和空地鏈路。無人機群各子網(wǎng)之間的多跳傳輸主要用于傳輸少量的數(shù)據(jù)信息，而對于話音、圖像等多媒體信息，由于其對帶寬、時延、時延抖動的要求較高，QoS的設(shè)計將非常復(fù)雜，需要基于特定的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用環(huán)境進行系統(tǒng)的跨層設(shè)計研究。根據(jù)《美國無人駕駛飛機2005—2030年發(fā)展道路藍圖》(USA UAV Roadmap2005—2030)，美國現(xiàn)役的主要無人駕駛飛機所使用的通信技術(shù)如表11所示。其中每個節(jié)點既可作為主機也可作為路由器使用。無人機采用無線信號傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬較小，再加上競爭無線信道的沖突、信號衰減、噪聲等多種因素，使得網(wǎng)絡(luò)的實際帶寬遠小于理論計算的最大值。圖2．2所示的是無人機MANET網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場延伸示意圖。根據(jù)發(fā)現(xiàn)路由的驅(qū)動模式的不同，可以將路由協(xié)議分為表驅(qū)動路由協(xié)議(Table Driven Protocols)和按需路由協(xié)議(Source—Initiated OnDemandProtocols)；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異，又可以將它們分為平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議(Flat Protocols)和分簇路由協(xié)議(Clustered Protocols)。 表驅(qū)動路由協(xié)議中無論路由是否被用到，每個節(jié)點都要進行周期性地路由信息交換以維護路由表。 二、 依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓樸分類按網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)分，MANET網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可分為： 平面結(jié)構(gòu)路由 在平面結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在同一水平位置并且節(jié)點的地位是平等的,彼此之間沒有層次概念，不存在特殊節(jié)點，路由協(xié)議的魯棒性好，通信流量平均地分散在網(wǎng)絡(luò)中，此類協(xié)議主要用在小型網(wǎng)絡(luò)中。 當(dāng)一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)鏈路失效時，它將所有通過該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的路由的距離設(shè)為無窮并將其序列號加1。如果節(jié)點沒有發(fā)送HELLO信息,則認(rèn)為節(jié)點的鏈路信息無效。它與DSR協(xié)議的不同之處在于報頭并不攜帶路由信息，中繼節(jié)點依據(jù)自身的路由表逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，只有在尋徑范圍內(nèi)的節(jié)點才轉(zhuǎn)發(fā)路由請求分組。路由延遲是指源節(jié)點獲取一個新的到達目的節(jié)點的路由所需的時間。DSR的能量消耗性能通常要比AODV好一點，但是在比較靜止的網(wǎng)絡(luò)中，兩者的性能是一樣的。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路都為雙向通信鏈路。無人機通信鏈路分為機間鏈路和空地鏈路，其中機間鏈路有以下特點： 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。根據(jù)以上空地鏈路的特點，我們要求空地鏈路具有較大的鏈路帶寬、較強的電臺功率、較小的誤碼率和較小的路由時延，而對能源方面的要求則不是很高。根據(jù)電臺的工作模式，電臺網(wǎng)絡(luò)可以工作在以下幾個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 主機—從機結(jié)構(gòu)（Access pointClient模式） 主機—中繼器—從機結(jié)構(gòu)（Access pointRepeaterClient模式） MANET自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)（Mesh point模式） 無人機網(wǎng)絡(luò)模式分析與評估 兩種常見的無人機網(wǎng)絡(luò)模式根據(jù)電臺網(wǎng)絡(luò)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無人機在戰(zhàn)場上面對的環(huán)境和情況，結(jié)合國際上的研究成果，本文列舉了以下兩種常見的組網(wǎng)模式：模式一：該網(wǎng)絡(luò)模式為平面結(jié)構(gòu)，是一種分布式的MANET網(wǎng)絡(luò)，由地面控制站網(wǎng)絡(luò)與空中無人機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 每個節(jié)點都需要知道到達其它所有節(jié)點的路由，由于節(jié)點的移動性，維護這些動態(tài)路由需要耗費大量的控制信息。當(dāng)作戰(zhàn)任務(wù)