無人機通信鏈路組網(wǎng)方案設計 - 圖文-

本科畢業(yè)論文題目:中小型固定翼無人機組網(wǎng)通信鏈路方案設計學員姓名:易驍?shù)蠈W號:仿真工程培養(yǎng)類型:合訓類專業(yè):200909012035所屬學院:指揮軍官基礎教育學院年級:2008級指導教員:張代兵職稱:副研究員所屬單位:機電工程與自動化學院自動化研究所國防科學技術大學訓練部制目錄目錄......................................................................................................................I摘要.(iABSTRACT..............................................................................................................ii第一章緒論.(11.1課題研究背景(11.2國內(nèi)外研究進展(21.2.1國外無人機系統(tǒng)通信組網(wǎng)發(fā)展情況(21.2.2無人機組網(wǎng)通信技術現(xiàn)狀(41.3研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)(6第二章無人機通信組網(wǎng)關鍵技術(82.1無人機通信系統(tǒng)簡介(82.2無人機MANET無線自組網(wǎng)技術(92.2.1無人機MANET網(wǎng)的特點(92.2.3無人機MANET網(wǎng)絡的典型應用(112.3基于MANET自組網(wǎng)的路由協(xié)議簡介和分析(122.3.1無線自組網(wǎng)路由協(xié)議(122.3.2無線自組網(wǎng)路由協(xié)議的分類(132.3.3幾種自組網(wǎng)路由協(xié)議的簡介(162.3.4性能比較(192.4本章小結(jié)(22第三章無人機通信組網(wǎng)方案設計(233.1各種條件下的無人機組網(wǎng)需求分析(233.1.1戰(zhàn)場無人機網(wǎng)絡模型(233.1.2各種條件下對無人機組網(wǎng)的要求(243.2IP920電臺簡介(253.1.1IP920電臺的性能指標(253.1.2IP920電臺工作模式和網(wǎng)絡拓撲簡介(283.3無人機網(wǎng)絡模式分析與評估(293.3.1兩種常見的無人機網(wǎng)絡模式(293.3.2各組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點評估(303.4無人機組網(wǎng)方案設計(313.4.1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(313.4.2無人機在不同情況下的網(wǎng)絡變換準則(333.4本章小結(jié)(34第四章仿真實驗與綜合分析(354.1實驗環(huán)境(354.2實驗內(nèi)容(364.3實驗過程及結(jié)果分析(364.3.1不同拓撲結(jié)構(gòu)下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能分析(364.3.2不同距離下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能分析(484.3.3不同運動情況下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能(544.3.4不同節(jié)點數(shù)量下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能(574.3.5不同通視程度下的電臺數(shù)據(jù)傳輸性能(594.4本章小結(jié)(60第五章結(jié)論(635.1總結(jié)(635.2未來工作展望(64致謝(66參考文獻(67摘要無人機(UnmannedAerialVehicle,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。隨著作戰(zhàn)理念和科學技術的發(fā)展,各國軍隊要求無人機具有更高的作戰(zhàn)性能和執(zhí)行更加多樣化作戰(zhàn)任務的能力,這對無人機通信組網(wǎng)技術提出了更高的要求,研制新的通信設備、設計新的通信組網(wǎng)方案,實現(xiàn)無人機群的編隊自主化和通信網(wǎng)絡化是十分有必要的。本文針對MANET無線自組網(wǎng)通信技術進行了研究,提出了戰(zhàn)場無人機網(wǎng)絡模型,并以此為依據(jù)進行了無人機組網(wǎng)通信鏈路方案的設計,具體工作包括:(1需求分析。本文分析了無人機通信網(wǎng)絡的特點和要求進行了分析,介紹研究了MANET自組網(wǎng)技術和網(wǎng)絡路由協(xié)議,對其通信性能進行了比較分析,并建立了無人機戰(zhàn)場網(wǎng)絡模型。(2方案設計。本文針對任務需求,基于組網(wǎng)技術和可能的組網(wǎng)模式,設計了無人機通信組網(wǎng)方案,并對組網(wǎng)方案內(nèi)部的各組網(wǎng)模式使用條件、模式之間的變換準則進行了設計。(3仿真實驗。本文結(jié)合現(xiàn)有硬件NanoIP920電臺進行了網(wǎng)絡通信實驗,完成了電臺各拓撲結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的通信性能測試,并進行了簡單的性能分析。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。結(jié)果驗證了組網(wǎng)方案設計的正確性。關鍵詞:通信組網(wǎng)方案;MANET無線自組網(wǎng);NanoIP920電臺ABSTRACTOnaccountofthenumberofUnmannedAirVehicles(UAVsintheusingfieldincreasesubstantially,theprobabilityofaircollisionbecomeslarger.SinceUAVshavearemandofexpandtoawiderspace,FederalAviationAdministration(FAAprovidethatUAVsshoulddiscoverthethreatsandavoidcollisionlikehumanbeings.PerceptionandavoidancesystemaretheimportantensureofUAVs’real-timeplanningandthistechnologyisthehotspotoftherouteplanningresearch.Beaimedatavoidingthenon-cooperatingthreat,thispaperstudiesthereal-timerouteplanningtoplanthefeasibleroute.Themaincontributionsareasfollows:(1Problemanalysis.AfteranalysingtheUAVs’real-timerouteplanning,Ibuildtheprojectmodel.Thenwestudiesseveralalgorithmsandprovideacontrast.(2Algorithmdesign.AfterstudyingRapidly-exploringRandomTree’stheory,amodifiedRRT-basedUAVrouteplanningalgorithmisproposed.Thekeypointisdecreasingtheplanningrandomnessandkeepingthereal-timeatthesametime.ThenIrealizethealgorithmusingMatlab.(3Simulationexperiment.ComparethemodifiedRRTwiththeformerRRT.Onconditionofthesimulationoftheaircollision,Ibuildthemodelofthreatandflightroute.TheresultcomesthatthemodifiedRRTcansatisfytheproblem’srequirement.KEYWORDS:real-timeplanning,3-Drouteplanning,Rapidly-exploringRandomTree第一章緒論1.1課題研究背景無人機(UnmannedAerialVehicle,UAV是一種無人駕駛、動力驅(qū)動、可重復使用的飛行器[1]。目前,無人機可執(zhí)行對空、對地(海作戰(zhàn)任務,廣泛使用于情報偵察、通信中繼、目標搜索與跟蹤和對地攻擊等各種作戰(zhàn)任務中,并發(fā)揮了重大作用。隨著無人機系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展,眾多功能各異的無人機被廣泛應用于各種軍事和非軍事行動中。無人機先后在美國越戰(zhàn)、以色列中東戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭以及當前利比亞―奧德賽黎明‖行動等局部戰(zhàn)爭中大顯神威,進一步檢驗和驗證了無人機系統(tǒng)的實戰(zhàn)效能。然而隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對無人機在自主性、智能化、多任務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。在這種情況下,對無人機組網(wǎng)方案和組網(wǎng)技術的研究已迫在眉睫,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的研究,并取得了一系列成果。然而,由于無人機機身尺寸和載重量的限制,許多大型設備無法搭載到無人機上,致使無人機在智能化的集群行動方面一直進展不大。而設備的小型化暫時難以實現(xiàn),因此中小型無人機尚無法實現(xiàn)自主編隊等要求。所以,基于現(xiàn)有設備,設計新的通信組網(wǎng)方案,實現(xiàn)無人機的自主編隊是十分有必要的。對無人機組網(wǎng)方案進行研究需要對兩個鏈路進行設計,即機間鏈路和空地鏈路。所謂機間鏈路的設計,指的是空中各無人機之間的通信鏈路設計;而空地鏈路的設計,指的是各無人機與地面指揮控制站之間的通信鏈路設計。由于機間鏈路與空地鏈路各有特點,對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?、格式、速率等的要求不?故其采取的組網(wǎng)方案也有所區(qū)別。為應對未來戰(zhàn)爭的要求,智能化、自組織、抗干擾能力強的組網(wǎng)方案成為了研究的熱點和難點。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)?，F(xiàn)有的遙控與組網(wǎng)技術已不能完全滿足無人機實現(xiàn)高等級自主控制的需求,迫切需要研究面向無人機的自主實時行動的一套通信組網(wǎng)方案。無人機網(wǎng)絡一般由無人機群和基站組成,采用MANET(移動自組網(wǎng)絡多跳無線網(wǎng)絡通信技術,組成無人機通信MANET網(wǎng)絡,實時控制無人機群和傳輸偵察信號,增強無人機的通信能力和抗毀傷能力,將極大增強無人機對戰(zhàn)場信息的感知獲取能力,提高無人機協(xié)同執(zhí)行任務的能力,以適應未來戰(zhàn)爭的需求。單無人機作為偵察和監(jiān)視的有效手段在軍事領域的應用已經(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。組建具有較強信息感知與獲取能力、通信能力和健壯性的無人機MANET網(wǎng)絡已經(jīng)成為多無人機通信研究的熱點。1.2國內(nèi)外研究進展1.2.1國外無人機系統(tǒng)通信組網(wǎng)發(fā)展情況對于無人機群的組網(wǎng)方案,目前國內(nèi)外的研究思路主要是構(gòu)建無人機群組成的寬帶互聯(lián)網(wǎng)。在寬帶互聯(lián)網(wǎng)中,各個節(jié)點兼有主機和路由器兩種功能。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路由器的角色來為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。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)術數(shù)據(jù)鏈,以及無人機群的無線局域網(wǎng)等。對于超視距無人機群間、或超視距無人機群與地面測控站之間的測控通信方式,可以采用無人機群各子網(wǎng)間的多跳、無人機空中中繼或衛(wèi)星中繼方式。衛(wèi)星中繼方式在無人機上的運用已相當成熟,并具有覆蓋區(qū)域廣、傳輸碼速率高、系統(tǒng)簡單可靠的優(yōu)勢,但其傳輸時延大、造價高,最致命的弱點是易受干擾,在和美國、俄國等強國對抗時衛(wèi)星中繼鏈路的可用度非常低。以中空、高空長航時無人機為空中中繼平臺的空中中繼方式具有成本低、傳輸時延小的特點,而且可以根據(jù)不同的需要采用不同的數(shù)據(jù)鏈,因此具有操作靈活、通信快捷的優(yōu)勢,并在目前得到越來越廣泛的重視。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的設計將非常復雜,需要基于特定的網(wǎng)絡和應用環(huán)境進行系統(tǒng)的跨層設計研究。目前以美國為代表的無人機作戰(zhàn)模式與無人機戰(zhàn)術網(wǎng)絡具有以下特點:1、無人機作戰(zhàn)模式仍以單機作戰(zhàn)為主。迄今為止,包括美國在內(nèi),世界各國的軍用無人飛機的活動方式大都保留著單機執(zhí)行任務方式,其通信方式還處在從通信線路網(wǎng)絡向計算機網(wǎng)絡發(fā)展的過渡過程之中,后方地面控制站直接對單架或多架無人機進行控制,即采用以后方指揮中心為核心的星形控制拓撲結(jié)構(gòu)。換言之,各個無人機之間缺少直接通信、協(xié)調(diào)、合作的能力,而所有的行動只能通過指揮中心來完成。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。上述兩種控制模式依賴與后方基地的通信聯(lián)系,對單機自處理能力和應變能力要求較低。但是其缺點是:單機系統(tǒng)一旦受創(chuàng),或與后方指揮中心通信受干擾或中斷將直接影響全系統(tǒng)的工作。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,以及單機處理與應變能力的提高,以機群為基礎的作戰(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。如果機群內(nèi)與后方指揮中心的通信也具有多條途徑,則以機群為基礎作為執(zhí)行任務的基本單元的工作模式將會越來越受到重視。顯然,這一工作模式將使與后方指揮中心(或中繼系統(tǒng)的信息交換能力可靠性增加,也要可以提高機群執(zhí)行任務的可靠性。2、無人駕駛飛機通信系統(tǒng)主體上還停留在解決單機與基地的通信問題的通信網(wǎng)絡的階段。目前美國服現(xiàn)役的Link-16僅屬于物理層網(wǎng)絡技術,且傳輸速率較低(最高238Kbps;。LINK-16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。但是Link-16的傳輸速率較低(最高238Khps,不適應數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的場合。例如2005年,美國主管F/A-22的機構(gòu)認為:由于LINK-16的帶寬有限,無法滿足F/A-22向外傳輸大量數(shù)據(jù)的需求,因此準備轉(zhuǎn)向為―猛禽‖戰(zhàn)斗機裝備的基于―戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術‖。近年出現(xiàn)的TTNT網(wǎng)絡采用Internet體系結(jié)構(gòu),并開始使用MANET技術組網(wǎng),盡管技術尚未成熟,但應當引起我軍重視,作為我國發(fā)展相關網(wǎng)絡時的借鑒。1.2.2無人機組網(wǎng)通信技術現(xiàn)狀根據(jù)《美國無人駕駛飛機2005—2030年發(fā)展道路藍圖》(USAUAVRoadmap2005—2030,美國現(xiàn)役的主要無人駕駛飛機所使用的通信技術如表1-1所示。從表1-1我們可以看出:迄今為止,美國現(xiàn)役UAV的通信技術仍然以單機間、單機與地面指揮中心間的數(shù)據(jù)鏈通信技術為主,集群式的組網(wǎng)通信技術尚未得到廣泛的應用。無人機型號數(shù)據(jù)鏈工作頻率RQ一lPredatorBLOS,LOSKuband,C—bandRQ一2BPioneerLOSC2C-band,UHFRQ一4GlobalHawkLOS(4A,LOS(4B,LOS,BLOS(SATCOMUHFX-bandKu-bandINMARSATRQ一5A/MQ一5BHunterLOSC-bandRo-7A/BShadow200LOSC2LOSVideoS-bandUHFC—bandRQ一8A/BFireScoutLOSC2LOSVideoKu-band/UHFKu-bandMQ一9PzedatorBBLOS,LOSKu-bandC-bandI-Gnat-ERLOSC-bandMaverickTBDTBDXPV一1TernLOSC2,LOSVideoL/S—band,UHFXPV-2MakoC2,VideoVHF/UHFL-bandVideodownlinkCQ一10SnowGooseLOS/BLOSC2LOSVideoL-band表1-1美國現(xiàn)役無人駕駛飛機使用的通信技術統(tǒng)計表圖1-1用于執(zhí)行作戰(zhàn)任務的部分無人機圖1-1本課題所使用的中小型無人機“開拓者”指標參數(shù)機身尺寸機長2.2m,翼展2.9m最大起飛15kg重量有效載荷5kg遙控半徑3500m有效控制30km半徑續(xù)航時間120min飛行速度平飛時速80~150km/h,巡航速度110km/h飛行高度50~4000m起降方式滑跑/彈射,滑降/傘降發(fā)動機3W56iB2,97#無鉛汽油傳感器GPS、加速計、陀螺儀、磁力計、氣壓計表1-1“開拓者”無人機參數(shù)1.3研究內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu)圖1-2論文的組織結(jié)構(gòu)論文主要研究的內(nèi)容包括以下4點:(1明確無人機通信組網(wǎng)的研究背景和意義,深入學習已有組網(wǎng)方案和組網(wǎng)技術,了解各種技術的適用環(huán)境和優(yōu)缺點,并對這些技術進行總結(jié)比較和優(yōu)劣分析。(2分析了通信路由協(xié)議的選擇對組網(wǎng)方案性能的影響,研究了不同路由協(xié)議間進行變換時的變換準則。(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。(4將得到的實驗結(jié)果進行分析,對組網(wǎng)方案的選擇和變換準則進行優(yōu)化。論文組織結(jié)構(gòu)安排如下:第一章緒論:本章明確論文選題的背景、意義,介紹國內(nèi)外無人機無人機組網(wǎng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀。第二章無人機通信組網(wǎng)關鍵技術: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。第三章無人機通信組網(wǎng)方案設計:本章針對IP920電臺的技術指標和工作模式設計了幾種組網(wǎng)方案,對這幾種組網(wǎng)方案的優(yōu)缺點進行分析評估,得到不同情況下的最優(yōu)組網(wǎng)方案,并研究了不同組網(wǎng)方案之間進行相互變換的變換準則。第四章仿真實驗與綜合分析:本章利用3臺IP920數(shù)傳電臺進行無人機組網(wǎng)的仿真實驗,并對仿真結(jié)果進行分析。第五章結(jié)論:本章是對全文工作的總結(jié)以及對未來工作的展望。第二章無人機通信組網(wǎng)關鍵技術2.1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。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。它提供了雙路數(shù)據(jù)的通信方式,具有指揮飛行器(AV的位置測量功能,可向地面?zhèn)鬏攤鞲衅鲾?shù)據(jù),能向飛行器發(fā)送精確的相對于地面站位置的坐標偏移量,并為之提供導航。無人機的通信數(shù)據(jù)鏈主要由下列兩部分組成:1、數(shù)據(jù)鏈的機載部分,包括機載數(shù)據(jù)終端(ADT和天線;2、數(shù)據(jù)鏈的地面部分,也稱地面數(shù)據(jù)終端(GDT,包括地面天線子系統(tǒng)、地面控制站、以及連接地面天線和地面控制站的接口單元。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示圖2-1無人機通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2無人機MANET無線自組網(wǎng)技術移動自組網(wǎng)簡稱MANET網(wǎng)絡(MobileAdHocNetworks,又稱為移動MANET網(wǎng)絡,是由具有無線通信能力的移動節(jié)點組成、具有任意和臨時性網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)[2]。其中每個節(jié)點既可作為主機也可作為路由器使用。移動終端具有路由功能,可以通過無線連接構(gòu)成任意的網(wǎng)絡拓撲,這種網(wǎng)絡可以獨立工作,也可以與Internet或蜂窩無線網(wǎng)絡連接。在后一種情況中,MANET網(wǎng)絡通常是以末端子網(wǎng)的形式接入現(xiàn)有網(wǎng)絡。MANET網(wǎng)絡中,每個移動終端兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C兩種功能:作為主機,終端需要運行面向用戶的應用程序;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。在MANET網(wǎng)絡中,節(jié)點間的路由通常由多個網(wǎng)段(跳組成,由于終端的無線傳輸范圍有限,兩個無法直接通信的終端節(jié)點往往要通過多個中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)通信。所以,它又被稱為多跳無線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡、無固定設施的網(wǎng)絡或?qū)Φ染W(wǎng)絡。MANET網(wǎng)絡同時具備移動通信和計算機網(wǎng)絡的特點,可以看作是一種特殊類型的移動計算機通信網(wǎng)絡。2.2.1無人機MANET網(wǎng)的特點基站和無人機組成MANET網(wǎng)絡應當具有以下特點:1、無中心、自組織無人機網(wǎng)絡中所有無人機的地位平等,沒有統(tǒng)一的控制中心,是一個分布式的網(wǎng)絡構(gòu)架。無人機可以接收地面基站的控制指令,也可以依據(jù)分布式的算法來協(xié)調(diào)彼此的行為。無人機網(wǎng)絡不需要任何的預設的網(wǎng)絡設施,可快速展開并且自動形成網(wǎng)絡。2、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。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。3、動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境下,無人機簇按照預定航跡或者實時控制高速飛行,有時需要一定時間的無線電靜默期;或者無人機因為被擊毀、能源耗盡、失控等原因而失效;或者由于戰(zhàn)場環(huán)境的地形影響、天氣、敵方干擾等因素的影響;導致無人機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化。并且變化的模式和時間難以預測,因此網(wǎng)絡需要高效的路由協(xié)議來適應這種動態(tài)的拓撲變化,保證數(shù)據(jù)鏈路的連通。4、較高的安全性和服務質(zhì)量由于無人機MANET網(wǎng)絡在軍事戰(zhàn)場環(huán)境下容易遭受干擾、竊聽和攻擊,并且要求穩(wěn)定可靠的通信服務質(zhì)量,以保證對無人機的控制和無人機偵察信號的回傳。無人機采用無線信號傳輸技術,網(wǎng)絡帶寬較小,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)絡的實際帶寬遠小于理論計算的最大值。在此,我們比較一下蜂窩移動網(wǎng)絡、移動IP和MANET網(wǎng)絡之間的差別,以便可以更加深入地了解MANET網(wǎng)絡的特點。MANET網(wǎng)絡與蜂窩移動網(wǎng)絡有一些相似之處:終端用戶可以自由移動,用戶接入采用無線傳輸方式,接入速率低等;它和移動IP也有一些相似之處:接入點可變,需要位置管理。但是它們之間更多的是不同點,如表2-1所示:蜂窩網(wǎng)絡移動IPMANET網(wǎng)絡網(wǎng)絡基站及小區(qū)位置確定不變,用戶可自由移動接入點可變,但用戶無法在移動中工作無固定設施,部署方便,所有節(jié)點可自由移動靜態(tài)拓撲的主干網(wǎng)絡靜態(tài)拓撲的基礎網(wǎng)絡高動態(tài)的多跳網(wǎng)絡拓撲相對溫和的環(huán)境和比較穩(wěn)定的連接穩(wěn)定的連接強干擾環(huán)境和不穩(wěn)定的連接預先規(guī)劃,安裝后基本固定預先規(guī)劃,安裝后固定不變自組織,隨環(huán)境變化表2-1各網(wǎng)絡的性能和特點總之,從移動IP到蜂窩移動網(wǎng)絡再到MANET網(wǎng)絡,用戶的自由度越來越大,但是對網(wǎng)絡中的用戶管理和路由協(xié)議的復雜度要求也越來越高。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)關連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施上,如Internet或者蜂窩核心網(wǎng)。在無人機網(wǎng)絡中,這個現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施就是地面控制站。在MANET網(wǎng)絡中,節(jié)點兼?zhèn)渲鳈C和路由器兩種角色。一方面,節(jié)點作為主機運行相關的協(xié)同應用程序;另一方面,節(jié)點作為路由器需要運行相關的路由協(xié)議,進行路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等常見的路由操作,對接收到的信宿不是自己的分組需要進行分組轉(zhuǎn)發(fā)。2.2.3無人機MANET網(wǎng)絡的典型應用無人機MANET網(wǎng)絡典型應用模式主要有3種:戰(zhàn)場覆蓋、戰(zhàn)場延伸和擴展應用。1、戰(zhàn)場覆蓋目前偵察無人機還處于應用基站控制單無人機對戰(zhàn)場進行偵察、監(jiān)視的階段。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。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。圖2-2所示的是多無人機組成MANET網(wǎng)絡對戰(zhàn)場覆蓋的示意圖?；竟?jié)點無人機節(jié)點圖2-2無人機戰(zhàn)場覆蓋示意圖2、戰(zhàn)場延伸戰(zhàn)場延伸主要是針對遠距離目標進行偵察時,基站到目標的距離超出了單無人機的通信距離,因此需要使用多架無人機中繼來傳輸目標的偵察信號。多架無人機采用鏈式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),應用多跳MANET路由技術將偵察數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至基站,大大延伸了無人機能夠偵察的距離。圖2.2所示的是無人機MANET網(wǎng)絡戰(zhàn)場延伸示意圖?；竟?jié)點無人機節(jié)點圖2-3無人機戰(zhàn)場延伸示意圖3、擴展應用無人機網(wǎng)絡通過中繼衛(wèi)星或者無人機地面控制基站連入全球信息柵格網(wǎng)絡,可作為網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的重要信息獲取方式和信息傳輸通道,傳輸偵察信號以及轉(zhuǎn)發(fā)對地面作戰(zhàn)網(wǎng)絡的控制命令。圖2-3所示的是無人機MANET網(wǎng)絡的擴展應用示意圖。2.3基于MANET自組網(wǎng)的路由協(xié)議簡介和分析2.3.1無線自組網(wǎng)路由協(xié)議與單跳的無線網(wǎng)絡不同,自組網(wǎng)節(jié)點之間需要通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制進行數(shù)據(jù)交換,每個節(jié)點都可能充當其他節(jié)點的路由器。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。自組網(wǎng)路由協(xié)議的作用就是在這種環(huán)境中監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變更,交換路由信息,定位目的節(jié)點位置,產(chǎn)生、維護和選擇路由,提供網(wǎng)絡的連通性。路由協(xié)議hi移動節(jié)點互相通信的基礎。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)絡設計,它們的拓撲結(jié)構(gòu)相對固定,不會出現(xiàn)大的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化,自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)則是動態(tài)變化的。若仍使用常規(guī)路由協(xié)議,則將會在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護上付出很大代價,而全網(wǎng)路由也可能始終處于不收斂狀態(tài)。除此之外,自組網(wǎng)不能采用常規(guī)路由協(xié)議還包含如下幾種方面的原因:1、自組網(wǎng)中主機間的無線信道可能是單向的:2、使用常規(guī)路由,無線信道的廣播特性將產(chǎn)生許多冗余鏈路;3、常規(guī)路由協(xié)議路由信息的周期性廣播更新寶文會消耗大量的網(wǎng)絡帶寬。由于無線信道本身的物理特性,它所能提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。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;4、無線移動終端的局限性。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。而常規(guī)的路由協(xié)議通?；诟咝阅艿穆酚善髯鳛橛布脚_,沒有上述限制。比較適合移動組網(wǎng)的路由協(xié)議有DSR、AODV、DSDV和TORA等。在寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡中,由于節(jié)點不定時的隨機移動、加入和離開,會引起網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化,因此需要設計高效、靈活的動態(tài)路由協(xié)議,從而達到快速發(fā)現(xiàn)路由的目的。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(TableDrivenProtocols和按需路由協(xié)議(Source—InitiatedOn-DemandProtocols;根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(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(FlatProtocols和分簇路由協(xié)議(ClusteredProtocols。目前,適合該網(wǎng)絡的比較典型的MANET網(wǎng)網(wǎng)絡路由算法有:目的序列距離矢量路由協(xié)議(DSDV、動態(tài)源路由協(xié)議(DSR、基于位置信息的路由協(xié)議(GEAR、MANET網(wǎng)絡的距離矢量路由協(xié)議(AODV等。這幾種協(xié)議各具優(yōu)缺點,適應于不同的工作條件。選擇合適的路由協(xié)議是設計組網(wǎng)方案的重點,由于無人機的工作環(huán)境復雜多變,對不同類型的數(shù)據(jù)傳送的要求也各有不同。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)關或簇頭完成源節(jié)點到目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)過程。這種分簇的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不僅具有較短的路由發(fā)現(xiàn)時間、較少的路由和控制開銷,而且還有很好的擴充性。此外,為了保證QoS服務質(zhì)量,可以采用多徑跨層路由協(xié)議算法,即以某個或多個度量的路由標準(如延時和帶寬為依據(jù),根據(jù)MAC層反饋的信息,如緩存隊列長度等,在存在的多條路由中選擇出一條滿足QoS的最佳路徑。2.3.2無線自組網(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。到目前為止,已經(jīng)有相當多的標準和草案推出。當前提出的自組網(wǎng)路由協(xié)議可依兩種標準進行分類,一種是以觸發(fā)時機進行分類,一種是以網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行分類。一、依據(jù)觸發(fā)時機進行分類根據(jù)路由出發(fā)原理,目前的路由協(xié)議可分為三類:1、基于路由表驅(qū)動(TableDriven的路由協(xié)議表驅(qū)動路由(又稱先驗路由、主動路由繼承了傳統(tǒng)的路由算法,但在消除路由環(huán)路和已過時路由等方面進行了適應于自組網(wǎng)特性的改進。傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡的經(jīng)典路由算法包括鏈路狀態(tài)協(xié)議和距離矢量兩種。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。然而,某些節(jié)點保存的路由可能因為傳播的延遲等原因與實際網(wǎng)絡中的狀態(tài)不一致,這時就可能會在網(wǎng)絡中生成路由環(huán)路。距離矢量算法也會導致路由環(huán)路的生成。路由環(huán)路問題在無線環(huán)境下表現(xiàn)地更為明顯,所以繼承傳統(tǒng)路由協(xié)議的表驅(qū)動路由協(xié)議需在此方面進行了改進。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。表驅(qū)動路由協(xié)議的優(yōu)點是在有信息傳送時不需要等待建立路由,源節(jié)點一旦要發(fā)送報文,可以立即獲得到達目的節(jié)點的路由。而其在無需通信節(jié)點之間的路由維護則浪費了大量的網(wǎng)絡帶寬。常見的表驅(qū)動路由協(xié)議有DSDV,HSR,GSR,WRP,FSR等。2、按需驅(qū)動(On-DemandDriven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。按需驅(qū)動路由因其更適合自組網(wǎng)特性,近些年來更被關注。按需路由一般分為路由建立和路由維護兩個過程。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)。因此,路由表是按需建立的,它可能僅僅是整個拓撲結(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點是不需要周期性的路由信息廣播,節(jié)省了一定的網(wǎng)絡資源。缺點是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時,如果沒有去往目的節(jié)點的路由,數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時,不適合于實時性要求高的應用。常用的按需驅(qū)動路由協(xié)議有DSR,AODV,TORA,LAR等。3、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?；旌鲜铰酚蓞f(xié)議在小范圍局部區(qū)域內(nèi)使用表驅(qū)動路由協(xié)議,局部區(qū)域間則采用按需路由協(xié)議。這樣可將表驅(qū)動路由協(xié)議的周期性廣播限定在一個局部區(qū)域內(nèi),從而減輕由全網(wǎng)廣播帶來的路由負荷?；旌下酚蓞f(xié)議實現(xiàn)了按需路由協(xié)議和表驅(qū)動路由協(xié)議強弱互補,具有相對低的帶寬消耗和路由發(fā)現(xiàn)延遲。二、依據(jù)網(wǎng)絡拓樸分類按網(wǎng)絡的拓樸結(jié)構(gòu)分,MANET網(wǎng)絡路由協(xié)議可分為:1、平面結(jié)構(gòu)路由在平面結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡中的所有節(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)絡中,此類協(xié)議主要用在小型網(wǎng)絡中。DSR、AODV、ZRP、TORA、GSR、DSDV等都是基于平面結(jié)構(gòu)的路由。平面結(jié)構(gòu)路由的缺點是當網(wǎng)絡規(guī)模很大時,可能會導致整個網(wǎng)絡都充斥著路由信息報文,網(wǎng)絡的可擴展性差。2、分層結(jié)構(gòu)路由當網(wǎng)絡變得很大時,如果僅使用平面結(jié)構(gòu)路由,則每個節(jié)點要維護的路由信息量很大,路由信息到達邊緣節(jié)點也將花費很長的時間。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。在層次結(jié)構(gòu)的路由中,網(wǎng)絡由多個簇組成,節(jié)點分為三種類型:普通節(jié)點、簇首節(jié)點和網(wǎng)關,處于同一簇的簇首節(jié)點和普通節(jié)點共同維護所在簇內(nèi)的路由信息,簇首節(jié)點負責所管簇的拓撲信息處理,簇間通過網(wǎng)關通信。分簇結(jié)構(gòu)可以提高網(wǎng)絡規(guī)模和減少路由開銷,可擴展性好,符合人類管理大型系統(tǒng)的習慣,適合管理超大型網(wǎng)絡。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。成簇協(xié)議解決如何在動態(tài)分布式網(wǎng)絡環(huán)境下使移動節(jié)點高效地聚集成簇,它是分層路由協(xié)議的關鍵。簇維護協(xié)議要解決在節(jié)點移動過程中的簇結(jié)構(gòu)維護,其中包括移動節(jié)點退出簇和加入新簇,而簇本身又會隨著節(jié)點的加入和退出而產(chǎn)生和消亡。典型的分層結(jié)構(gòu)協(xié)議有CGSR(ClusterheadGatewaySwitchRouting、CBRP(clusterbasedroutingprotocol等,前者為按需驅(qū)動,否則為表驅(qū)動。2.3.3幾種自組網(wǎng)路由協(xié)議的簡介一、DSDV路由協(xié)議DSDV(Destination-SequencedDistance-VectorRouting協(xié)議通過修改RIP協(xié)議而得到,它基于Bellman-Ford算法。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)。在DSDV協(xié)議中,每個節(jié)點周期性地廣播它當前的路由表(路由信息包括對應于每個目的節(jié)點的距離及最大序列號,還包含發(fā)送者自身的序列號,每廣播一次就自動加1。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,將發(fā)送者指定為下一跳,并將距離增加一跳。在序列號相等但是報文中路由距離更小的情況下,節(jié)點也要更新自己的路由表。當一個節(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)的路由的距離設為無窮并將其序列號加1。由于更新了序列號,因此這一消息會傳播到整個網(wǎng)絡。這樣所有這些目的路由指向的目的節(jié)點都有效地與此節(jié)點斷開,直到有新的序列號產(chǎn)生并包含新的路由信息。二、HSR路由協(xié)議HSR(HierarchicalStateRouting是一種用于分級網(wǎng)絡的路由協(xié)議,高級節(jié)點保存它所有子孫節(jié)點的位置信息,沿從最高級的根節(jié)點到最低級的葉節(jié)點的路徑為節(jié)點分配邏輯序列地址,可以用序列地址進行節(jié)點尋址。三、GSR協(xié)議GSR(GlobalStateRouting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。鄰居列表記錄所有能偵聽到該節(jié)點信息的節(jié)點列表。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。當鏈路的狀態(tài)發(fā)生變化時,通過比較報文與本地拓撲表中的目的節(jié)點路由序列號大小,決定網(wǎng)絡拓撲表的修改,若拓撲表發(fā)生變化則廣播給其它節(jié)點。四、FSR路由協(xié)議GSR協(xié)議中,較長的路由修改報文會浪費相當大的網(wǎng)絡帶寬,針對這一缺陷,FSR(FisheyeStateRouting對GSR進行了修改,FSR的路由信息報文中并不包含所有節(jié)點的信息,因此可大大縮短報文的大小。與中心節(jié)點的距離越近,信息交換越頻繁,每個節(jié)點都可獲得其鄰近節(jié)點準確詳盡的信息;而隨著與中心節(jié)點距離的加大,交換頻率開始減小,超過節(jié)點的魚眼范圍時,信息的準確性降低,但并不影響路由的正確選擇。通過這種算法,可大大降低路由修改信息對網(wǎng)絡的負荷。這種算法的拓撲組織結(jié)構(gòu)像魚的眼睛,所以稱之為FSR。五、WRP路由協(xié)議WRP(WirelessRoutingProtocol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。信息重傳節(jié)點列表記錄信息更新報文中需要傳送的信息序列以及需要對該信息更新報文作出確認的節(jié)點列表。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。如果從上次廣播更新報文后節(jié)點沒有新的路由信息需廣播,則其需發(fā)送HELLO報文,以確認節(jié)點之間的連通性。如果節(jié)點沒有發(fā)送HELLO信息,則認為節(jié)點的鏈路信息無效。當節(jié)點收到來自鄰居節(jié)點的信息更新報文后,修改自身的距離表依據(jù)該報文尋找更好的路由。如果某個移動節(jié)點收到了新節(jié)點的HELLO信息,則把新節(jié)點信息填入路由表,并且把它自己的路由表發(fā)給新節(jié)點。六、DSR路由協(xié)議DSR(DynamicSourceRouting協(xié)議是最早被提出的按需驅(qū)動路由協(xié)議。DSR的路由發(fā)現(xiàn)過程如圖2.2所示,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。每個收到該報文的中間節(jié)點附上自身的ID然后重新廣播。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。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。源節(jié)點收到路由響應報文后,它將源路由存人緩存,并置入每個數(shù)據(jù)報的報頭。中間節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)報頭中的路由信息中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)報文。路由維護過程也需要使用緩存信息。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。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。這樣可以使緩存中的錯誤路由信息的影響最小。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。七、AODV路由協(xié)議AODV(MANETOndemandDistanceVectorRouting協(xié)議是在DSDV協(xié)議的基礎上結(jié)合類似DSR中按需驅(qū)動的思想而提出的。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)。因為在AODV協(xié)議中,各節(jié)點隱式地將路由請求和路由應答分組中的路由信息保存于自身的路由表中,而DSR卻將完整地路由信息顯示地保存在分組中。AODV基于雙向路徑的假設,不支持單向路徑。八、TORA路由協(xié)議TORA(temporarily-orderedroutingalgorithm協(xié)議是在有向無環(huán)圖DAG(directedacyclicgraphic算法的基礎上提出的一種按需驅(qū)動路由協(xié)議。它分為路由發(fā)現(xiàn),路由維護,路由消除三個過程。TORA協(xié)議與其它按需驅(qū)動路由協(xié)議一樣,首先在網(wǎng)中發(fā)送路由請求分組,但是在路由應答部分,則采用了DAG算法。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‖。勢能可以通過從目標節(jié)點的反向廣播來獲得。離目標節(jié)點越遠的節(jié)點,勢能越高,目標節(jié)點勢能最低。在數(shù)據(jù)傳播過程中,數(shù)據(jù)包會從高勢能的節(jié)點向低勢能的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),最終流向目標節(jié)點。當局部鏈路發(fā)生變化時,只需要局部勢能的調(diào)整,這種改變一般不會影響到全局。TORA協(xié)議的主要特點是控制報文定位在最靠近拓撲變化的一小部分節(jié)點處,因此節(jié)點只保留鄰近點的路由信息。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。九、LAR路由協(xié)議LAR(locationaidedrouting協(xié)議是一種依據(jù)節(jié)點物理位置信息而獲得路由信息的算法。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。在路由請求分組中攜帶尋徑范圍信息,尋徑范圍依據(jù)位置信息和節(jié)點平均運動速度而得到。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。當源節(jié)點在當前尋徑范圍內(nèi)尋徑失敗時,它將擴大尋徑范圍。LAR協(xié)議的優(yōu)點是在小范圍內(nèi)尋徑,減少了尋徑開銷;缺點是依賴GPS提供的位置信息,限制了其應用范圍。十、ZRP路由協(xié)議ZRP(zeroroutingprotocol協(xié)議是一個表驅(qū)動和按需驅(qū)動路由協(xié)議的組合,網(wǎng)絡內(nèi)的所有節(jié)點都有一個以自己為中心的虛擬區(qū)。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(Intra-zoneRoutingprotocol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(Inter-zoneRoutingprotocol建立臨時的路由。十一、CGSR路由協(xié)議CGSR協(xié)議是以DSDV協(xié)議為基礎的先應式路由協(xié)議,在CGSR網(wǎng)絡模型中,網(wǎng)絡被劃分為重疊的簇,每個簇通過簇首選擇算法選出一個簇首。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。處于兩個以上簇首通信范圍內(nèi)的節(jié)點為網(wǎng)關節(jié)點,簇首之間必須通過網(wǎng)關實現(xiàn)通信。十二、CBRP路由協(xié)議CBRP(clusterbasedroutingprotocol協(xié)議是一種分層結(jié)構(gòu)協(xié)議。在CBRP路由協(xié)議中,MANET網(wǎng)絡內(nèi)分布的節(jié)點被分為若干交疊或分離的集群,稱為簇。每一個簇由一個―簇首‖來管理簇內(nèi)所有節(jié)點的全部信息及行為。簇首節(jié)點通過網(wǎng)關節(jié)點發(fā)現(xiàn)毗鄰簇并由此尋找路由。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都周期性地向外廣播HelloMessage(周期性握手信息。各節(jié)點通過HelloMessage的交換得知自身周圍分布的一跳及二跳節(jié)點,進一步可知自身所在網(wǎng)絡分部的局域拓撲信息,這些信息是尋找路由的基礎,但并不基于此完成路由。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)關節(jié)點;網(wǎng)關節(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。2.3.4性能比較衡量路由協(xié)議好壞的兩個重要指標是路由發(fā)現(xiàn)延遲和路由開銷。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。平均路由發(fā)現(xiàn)延遲最小的是表驅(qū)動路由協(xié)議,其次是混合型路由協(xié)議,按需路由協(xié)議最長。本文對表驅(qū)動路由和按需驅(qū)動的路由進行了路由開銷、報文發(fā)送率及能源消耗等方面性能的比較,選擇了幾個有代表性的路由協(xié)議進行了對比研究,以DSDV、AODV、TORA、DSR四種路由協(xié)議為例。一、路由時延性能比較根據(jù)表驅(qū)動路由協(xié)議和按需驅(qū)動路由協(xié)議的工作機理,可以發(fā)現(xiàn),表驅(qū)動路由協(xié)議在路由時延上有較大的優(yōu)越性。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,故其路由時延非常小;而按需驅(qū)動路由則是在需要的時候?qū)ふ衣酚?可能造成節(jié)點處于等待狀態(tài),產(chǎn)生較大的時延。二、路由開銷性能比較研究發(fā)現(xiàn),在網(wǎng)絡拓撲變更的情況下,表驅(qū)動的DSDV協(xié)議的路由開銷是基本不變的。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。實際上,自組網(wǎng)總是要工作在網(wǎng)絡拓撲變更較慢的情況下,因為當拓撲結(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)絡帶寬。然而在小范圍內(nèi),由于節(jié)點維護的路由表規(guī)模較小,表驅(qū)動路由協(xié)議的路由開銷會大大降低。三、報文發(fā)送率性能比較表驅(qū)動路由協(xié)議的負荷隨著節(jié)點運動的加快雖基本保持不變,但在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變化加快的情況下,無法及時收斂,從而造成大量的不可靠路由和路由環(huán),引起丟包。當拓樸變更劇烈時,DSDV的報文發(fā)送率急劇下降,此時按需驅(qū)動的路由協(xié)議表現(xiàn)較好。四、能源消耗性能比較電源管理和能量消耗情況是MANET網(wǎng)絡性能的一項重要指標。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。在所有場景里面TORA是性能最差的。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。而在所有的測試場景中,DSDV的能量消耗變化一直都比較平滑,這是由于它是表驅(qū)動路由協(xié)議的緣故。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)絡中,兩者的性能是一樣的。此外,AODV有時能量消耗性能要比DSDV差一些,尤其是在當需要進行較長的路由的時候。根據(jù)上面的結(jié)果可以得出以下結(jié)論:當網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定時,在路由開銷性能方面,按需驅(qū)動的路由方式要比表驅(qū)動的路由方式在性能上有明顯的優(yōu)勢;當網(wǎng)絡變化較快時,在報文發(fā)送率性能方面,按需驅(qū)動的路由方式要比表驅(qū)動的路由方式在性能上有明顯的優(yōu)勢。而在能源消耗方面,表驅(qū)動協(xié)議和按需驅(qū)動協(xié)議各有優(yōu)勢。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。最后,我們用表2-2總結(jié)MANET網(wǎng)絡各協(xié)議的優(yōu)缺點。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,AODV,DSR,TORAODV,DSR,TOCGSR,ZRP,CSTARA,GSR,FSR,HSRA,ABR,SSR,CBRPRA,ABR,WRP,STARAEDAR表2-2MANET網(wǎng)絡各協(xié)議的優(yōu)缺點2.4本章小結(jié)本章對無人機通信組網(wǎng)所用到的關鍵技術進行了介紹。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,并對其典型應用進行了分析;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。本章為下一章進行無人機組網(wǎng)方案設計奠定了技術基礎。第三章無人機通信組網(wǎng)方案設計3.1無人機組網(wǎng)通信需求分析3.1.1戰(zhàn)場無人機網(wǎng)絡模型設計無人機組網(wǎng)方案需要對無人機網(wǎng)絡進行建模,并合理假設模型特性:用網(wǎng)絡圖G=(V,E表示一個無人機移動自組網(wǎng),其中V={v1,v2,……vn}表示移動自組網(wǎng)G中的無人機和基站節(jié)點集合(設基站節(jié)點為v1,E={e1,e2,……em}表示為G的鏈路集合。由于移動自組網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,鏈路集合將可能隨時間不斷變化。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?；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。超出互相通信范圍的兩個節(jié)點要進行通信時,利用其他節(jié)點作為中繼器進行多跳通信。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。一、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)1G=形助表示一個無人機移動自組網(wǎng),y表示無人機和基站節(jié)點集合。假設網(wǎng)絡中的通信鏈路都為雙向通信鏈路。2網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量有限,節(jié)點的分布和無人機應用的具體場景相關,典型的應用場景有戰(zhàn)場覆蓋和戰(zhàn)場延伸,都需要對無人機的航跡進行規(guī)劃,從而影響了網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化。3不考慮障礙,氣候?qū)π盘杺鬏數(shù)挠绊?當兩個節(jié)點在通信范圍內(nèi)時,即不大于最大通信距離時,兩個節(jié)點可以直接通信。4如果兩個節(jié)點間存在一跳或多跳連接,則兩者的通信需要多跳路由。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。2每個節(jié)點具有全局唯一的ID號。3每個無人機節(jié)點具有相同的通信帶寬能力。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。5節(jié)點只有一個通信頻率。6各節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送過程會互相影響,各節(jié)點的失效也不是相互獨立的。三、通信內(nèi)容1網(wǎng)絡傳輸基站對無人機群的控制信號。2無人機向基站按需發(fā)送偵察視頻、圖片、聲音信號。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。四、無線信道1由于系統(tǒng)主要是對路由協(xié)議進行研究,MAC層模型進行了適當?shù)暮喕幚怼?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。3.1.2各種條件下對無人機組網(wǎng)的要求首先介紹一下無人機通信鏈路的特點。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:1、拓撲結(jié)構(gòu)變化快。2、多跳通信。3、要求網(wǎng)絡拓撲變化時,路由開銷變化不能過大。4、信息多,易擁塞。5、時效性強。6、設備受電源限制。7、機載硬件性能低。8、分布式,節(jié)點既是路由器,又是主機。9、戰(zhàn)場覆蓋和戰(zhàn)場延伸(多跳通信技術。10、充分考慮負載平衡,提高鏈路生存時間?？盏劓溌酚幸韵绿攸c:1、數(shù)據(jù)量大。2、鏈路固定。3、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。此時不采用多跳通信。4、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。根據(jù)以上機間鏈路的特點,我們要求機間鏈路應當具有較小的路由時延和較低的網(wǎng)絡負荷,機群網(wǎng)絡要具有較好的抗毀傷性能,且機間數(shù)據(jù)傳遞要盡可能地節(jié)約能源,以延長無人機的滯空時間。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。3.2NanoIP920電臺及VIPn2400電臺簡介本論文研究中小型固定翼無人機的組網(wǎng)方案,基于NanoIP920電臺及VIPn2400電臺設計運行,針對NanoIP920電臺和VIPn2400電臺的幾種工作模式進行組網(wǎng)模式的設計。下面簡略介紹一下NanoIP920電臺和VIPn2400電臺的性能指標。圖3-1NanoIP920電臺(左和VIPn2400電臺(右3.1.1NanoIP920電臺和VIPn2400電臺的性能指標工作頻率902–928MHz擴頻方式跳頻無線波特率172Kbps檢錯冗余多項式(32-bitCRC,自動重傳請求(ARQ加密方法有線等效保密/網(wǎng)路保護訪問(128-bitWEP/WPA傳輸距離60+英里(100+公里無遮擋接收靈敏度-106dBm輸出功率100mW–1W(20--30dBm系統(tǒng)增益140dBW/RubberDucky天線150dBW/6dBi天線串行接口RS232:RxD,TxD,RTS,CTS,DCD,DSR,DTRRS422:Tx+,Tx-,Rx+,Rx-RS485:4線/2線串行波特率300bps–230.4Kbps以太網(wǎng)接口10/100M雙絞線,符合IEEE802.3標準網(wǎng)絡協(xié)議TCP,UDP,TCP/IP,ARP,ICMP,DHCP,HTTP,SNMP,FTP,serialoverIP,QoS管理localserialportconsole,Telnet,WebUI,SNMP,FTPUpgrate,RADIUSauthentiation,VLAN工作模式點對點,點對多點,前向重復器,對等網(wǎng)絡診斷方式電壓駐波比(VSWR,電池電壓,溫度,接收信號強度(RSSI,遠程診斷抑制優(yōu)良的抗強干擾和抑制特性供電電壓9-30VDC連接器天線RP-TNC數(shù)據(jù)RS232DB-9F,RJ45鎖緊螺釘連接器太網(wǎng)接RJ-45工作溫度-40℃--+70℃重量約420g體積121.5mmx95.3mmx44.5mm認證FCC15.247,ICRSS210表3-1NanoIP920電臺性能表工作頻率2.400–2.4835GHz擴頻方式跳頻無線波特率54Mbps檢錯冗余多項式(32-bitCRC,自動重傳請求(ARQ加密方法WEP,WPA,WPA2MAC認證,RADIUS服務器,MAC阻塞傳輸距離16千米接收靈敏度-97dBm(6Mbps,-74dBm(54Mbps輸出功率30dBm(1w系統(tǒng)增益140dBW/RubberDucky天線150dBW/6dBi天線串行接口RS232:RxD,TxD,RTS,CTS,DCD,DSR,DTRRS422:Tx+,Tx-,Rx+,Rx-RS485:4線/2線串行波特率300bps–230.4Kbps無線操作IEEE802.11b/g以太網(wǎng)接口局域網(wǎng),10/100M雙絞線,符合IEEE802.3標準,RS232/RS485/RS422網(wǎng)絡協(xié)議TCP,UDP,TCP/IP,ARP,ICMP,DHCP,HTTP,SNMP,FTP,serialoverIP,QoS,VoIP管理Telnet,WebUI,SNMP,FTPUpgrate,RADIUSauthentiation工作模式接入點,站點,中繼器,Adhoc,MESH診斷方式狀態(tài)顯示,遠程診斷,鏈接測試抑制優(yōu)良的抗強干擾和抑制特性供電電壓9-30VDC連接器天線RP-TNC數(shù)據(jù)RS232DB-9F,RJ45鎖緊螺釘連接器太網(wǎng)接RJ-45工作溫度-40℃--+85℃重量約250g體積57mmx98mmx43mm認證FCC15.247表3-2表3-2VIPn2400電臺性能表3.1.2NanoIP920電臺與VIPn2400電臺工作模式和網(wǎng)絡拓撲簡介一、電臺工作模式NanoIP920電臺有三種工作模式,即Master模式、Repeater模式和Remote模式。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。1、主機(Master主機控制著網(wǎng)絡系統(tǒng)中流過的的數(shù)據(jù)流量。2、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。添加一個中繼器會使網(wǎng)絡吞吐量減半,但繼續(xù)增加更多的中繼器不會使網(wǎng)絡吞吐量繼續(xù)減小。3、從機(Remote從機可以直接與主機通信或者通過一個或多個中繼器與主機進行多跳通信。VIPn2400電臺有四種工作模式,即Accesspoint模式、Repeater模式、Client模式和Meshpoint模式。這四種模式分別是主機、中繼器、從機和MANET網(wǎng)絡節(jié)點。前三種模式與NanoIP920電臺基本一致,這里介紹一下Meshpoint模式。當VIPn2400電臺工作在Meshpoint模式時,所有節(jié)點地位平等,不存在主機與從機的概念。二、電臺拓撲結(jié)構(gòu)NanoIP920電臺網(wǎng)絡有四種拓撲結(jié)構(gòu),分別是pointtomultipoint、pointtopoint、peertopeer、everyonetoeveryone。其中pointtomultipoint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;pointtopoint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;peertopeer結(jié)構(gòu)適合于兩臺從機之間的直接數(shù)據(jù)傳輸;everyonetoeveryone結(jié)構(gòu)適用于所有主、從機之間的數(shù)據(jù)傳輸。VIPn2400電臺則不存在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的設置,只需要將電臺的工作模式配置正確,無人機網(wǎng)絡就能正常運行。根據(jù)電臺的工作模式,電臺網(wǎng)絡可以工作在以下幾個網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu):1、主機—從機結(jié)構(gòu)(Accesspoint-Client模式2、主機—中繼器—從機結(jié)構(gòu)(Accesspoint-Repeater-Client模式3、MANET自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Meshpoint模式3.3無人機網(wǎng)絡模式分析與評估3.3.1兩種常見的無人機網(wǎng)絡模式根據(jù)電臺網(wǎng)絡的幾種拓撲結(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)絡模式為平面結(jié)構(gòu),是一種分布式的MANET網(wǎng)絡,由地面控制站網(wǎng)絡與空中無人機網(wǎng)絡構(gòu)成。其中地面控制站與空中無人機的數(shù)量相同,且每個控制站與一臺無人機一一對應,構(gòu)成一個子系統(tǒng)。地面站之間采用有線連接,成星型拓撲結(jié)構(gòu),設置一臺中心控制站進行信號總處理,各控制站之間的通信需要經(jīng)過中心控制站進行。空中網(wǎng)絡中各無人機可以互相通信,采用平面結(jié)構(gòu)的MANET網(wǎng)絡,遠距離的無人機采取多跳通信的通信方式。所有節(jié)點地位平等,自組織水平較高。地面控制站與其對應的電臺采用pointtopoint模式進行通信,其中地面站設置為主機,無人機設置為從機。其結(jié)構(gòu)圖如下:圖3-2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。在高一級網(wǎng)絡中,又可以分群,再次形成更高一級的網(wǎng)絡,直至最高級。群中群首和群成員動態(tài)變化,節(jié)點仍是自動組網(wǎng),群首負責群間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。為實現(xiàn)群首之間的通信,需要網(wǎng)關節(jié)點的支持,網(wǎng)關節(jié)點是同時處于兩個群內(nèi)的節(jié)點,且該節(jié)點到兩個群首間的跳數(shù)最短。群首和網(wǎng)關形成了高一級的網(wǎng)絡,稱為虛擬骨干。其結(jié)構(gòu)圖如下:群首網(wǎng)關群成員圖3-3分級結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2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)絡拓撲結(jié)構(gòu)特點,對組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點進行評估如下。平面結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有:1、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較簡單,無需結(jié)構(gòu)維護過程;2、所有節(jié)點完全對等,原則上不存在瓶頸,所以比較健壯;3、節(jié)點覆蓋范圍比較小,相對比較安全。分級結(jié)構(gòu)的主要缺點有:1、網(wǎng)絡規(guī)模受限,可擴充性差;2、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。分級結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要有:1、群成員的功能比較簡單。基本上不需要維護路由,這大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量。2、易擴充,網(wǎng)絡規(guī)模不受限制。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。3、群首節(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生,因此具有很強的抗毀性。分級結(jié)構(gòu)主要缺點有:1、需要較為復雜的群首選舉算法和群維護機制。2、群首節(jié)點任務相對較重,可能會成為網(wǎng)絡的瓶頸。3、群間的信息都要經(jīng)過群首尋路,群首的路由不一定是最佳路由。但總的來說,在相同網(wǎng)絡規(guī)模的條件下分級結(jié)構(gòu)的路由開銷要比平面結(jié)構(gòu)小。如果群內(nèi)通信的信息量占較大比例時,各群可以互不干擾地進行通信,系統(tǒng)的吞吐量顯然比平面結(jié)構(gòu)的要高。因此,針對無人機群的特點,在無人機MANET網(wǎng)絡中,適合選擇分級結(jié)構(gòu)進行拓撲控制研究。3.4無人機組網(wǎng)方案設計3.4.1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。根據(jù)前面所介紹的兩種組網(wǎng)模式可以看出,平面結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式和分級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式具有很強的互補性,對兩種組網(wǎng)模式進行綜合,顯然是一種更好的選擇。(平面結(jié)構(gòu)和MANET網(wǎng)絡的聯(lián)系1、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。在這種情況下,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,且規(guī)模較小,路由發(fā)現(xiàn)的時間可以得到最大程度的縮短,故采用按需驅(qū)動的路由協(xié)議更加能夠節(jié)省網(wǎng)絡信道資源;另外,能源消耗情況是必須考慮的一個方面,結(jié)合各路由協(xié)議的能源消耗性能,平面結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)模式應盡量采用DSR路由協(xié)議。2、當作戰(zhàn)任務較為復雜,無人機群規(guī)模比較大,通信任務較重時,可以采取平面結(jié)構(gòu)或分級結(jié)構(gòu)。當采取分級結(jié)構(gòu)組網(wǎng)模式時,由于網(wǎng)絡通信量大,要求路由時延小,應采用表驅(qū)動路由與按需驅(qū)動路由混合搭配的方式。以每個節(jié)點為中心,劃分一個兩跳以內(nèi)的路由區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)采用表驅(qū)動路由能夠使節(jié)點快速地與區(qū)域內(nèi)的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換,提高小范圍內(nèi)無人機的靈敏性。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。雖然路由時延相比表驅(qū)動路由不占優(yōu)勢,但因為距離中心節(jié)點距離較遠(兩跳以上,路由時延的干擾可以降到最低。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。其具體結(jié)構(gòu)如圖3-4:兩跳內(nèi)節(jié)點中心節(jié)點兩跳外節(jié)點圖3-4混合路由驅(qū)動模型當采用分級結(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)絡性能。3、當作戰(zhàn)任務非常復雜,無人機群規(guī)模龐大多變,節(jié)點通信量很大時,采用分級結(jié)構(gòu)是最好的選擇。當無人機群數(shù)目出現(xiàn)變化時,分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以方便地進行節(jié)點的增減或群首的重新選舉;且節(jié)點不需要維護一個規(guī)模龐大的路由表,這一點在大規(guī)模的網(wǎng)絡中是很重要的,否則網(wǎng)絡必將由于維護路由表而產(chǎn)生的開銷而癱瘓。此時應當采用分層結(jié)構(gòu)路由。3.4.2無人機在不同情況下的網(wǎng)絡變換準則由于無人機編隊執(zhí)行任務時外部環(huán)境和任務內(nèi)容復雜多變,其編隊隊形、網(wǎng)絡拓撲結(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)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變換設計一定的規(guī)則,即變換準則。一、節(jié)點退出和進入時的網(wǎng)絡變換1、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。2當機群組網(wǎng)采用表驅(qū)動協(xié)議與按需驅(qū)動協(xié)議混合的路由協(xié)議時,由于每個節(jié)點的退出和進入都有可能改變各節(jié)點之間的路由跳數(shù),因此,需要設計特定的跳數(shù)統(tǒng)計算法,定期更新跳數(shù)信息和相應的路由表,一遍在節(jié)點進入和退出時生成新的網(wǎng)絡。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)。當機群由于節(jié)點進入導致網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點的數(shù)目大于一定的閾值時,可以將當前網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)升級為高一級的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。3當機群組網(wǎng)采用分級路由協(xié)議時,由于分級結(jié)構(gòu)群內(nèi)普通群成員節(jié)點的變更對網(wǎng)絡其他節(jié)點無影響,故只要更新群內(nèi)的路由信息,不需要進行網(wǎng)絡拓撲的變換。當機群由于節(jié)點退出導致網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點的數(shù)目小于一定的閾值時,可以將分級模式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)變更為平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡拓撲模式。2、群首節(jié)點的退出和進入當分級結(jié)構(gòu)中群首成員因意外因素退出網(wǎng)絡時,會對網(wǎng)絡造成較大的影響,因為群首負責該群的群內(nèi)通信和外部信息的轉(zhuǎn)發(fā)。此時必須采用群首生成算法生成新的群首,如最小ID算法;當新節(jié)點加入分級結(jié)構(gòu)時,必須按照分群算法的規(guī)則進行群首判斷,若節(jié)點符合群首條件,則原有的群必須做出調(diào)整,組成新的群。3、網(wǎng)關節(jié)點的退出若分級結(jié)構(gòu)中網(wǎng)關節(jié)點由于意外因素退出網(wǎng)絡,則相關的群之間需要通過相應的群算法選擇新的網(wǎng)關節(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