无人机集群通信组网系统—无人机自组网(随笔)

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摘要：无人机集群是无人机应用的一个重要方向，受到国内外广泛的关注和重视。无线自组网可临时、动态、快速构建分布式无中心的自治性专用网络，具有自组织，自恢复、高抗毁等许多优点，可以支持无人机临时加入和退出，多跳自动路由中继，网络拓扑动态变化、速率自适应，带宽按需分配等，非常适合无人机集群协同通信组网，因此，可以预见无线自组网是无人机集群通信组网的必然选择，将会运用越来越广泛。
随着无人机技术的不断发展，无人机的种类越来越多，也越来越成熟，除了商用领域的霸主大疆，还有很多的无人机厂家尤如雨后春笋大量涌现出来，已经广泛应用于农业、工业、应急、军事等众多领域，并且发挥出越来越重要的作用。无人机集群是无人机应用的一个重要方向，无人机编队表演是其中的一种大家常见的形式，不过这种应用都是提前做了大量的预先路径规划工作，其通信组网系统大多采用单向通信的窄带数传电台广播分发定位数据和控制指令，按剧本规定动作进行表演，不能协同感知环境，不能根据实际情况做出合理的协同行动，有时候还会出现表演失控的惨痛事故。特别说明一下，本文所聊的无人机集群系统不包含用于表演的无人机编队。
这里不涉及应用背景，只就无人机集群通信组网系统这一话题和大家一起探讨交流。
无人机集群就是多架（3架或更多）无人机组成一个协作团队，每架无人机承担不同的使命，有的无人机负责前线侦察，有的无人机负责信息融合处理，有的无人机负责协调分配任务，有的无人机负责靠后打击，有的负责通信中继等等，也有的无人机承担数种角色，身兼数职。正因为角色和使命不同，不同的无人机携带的传感器不同、装设备也不同，甚至无人机平台也不同。载荷要素的配置与无人机集群的作业样式相关，按需配置。
咱们暂且不考虑这些应用层面的事，还是聚焦到无人机集群通信组网系统上来，组网系统的要求与应用相关，不同的应用需求，对通信组网的要求不一样。下面只是一些中大型无人机集群通信组网要求如下：
（1）网络规模：一般不超过32个节点，在实际应用中，3架、4架、8架无人机的情况居多，随着智能协同控制技术的发展，节点数会越来越多；
（2）网络架构：分布式无中心的Ad Hoc网络，也就是无线自组网，节点可以迟入网，可以临时退网，个别节点的退出不影响整个网络的运行，抗毁性强等；
（3）信道分配：分布式动态按需分配信道资源，也就是说“三个可以”，可以给新入网节点分配信道资源，可以将退网节点原来分配的信道资源回收再分配， 可以给需要传输大数据业务的节点分配更多的信道资源；
（4）动态建网：临时、动态、灵活、快速组网，无需复杂的通信预先规划，可扩展性强，可以按实际需要补充节点，可以分编，也可以合编；
（5）建网时间：30秒（冷启动），5秒（热启动）；
（6）重构时间：5秒；
（7）入网时间：2秒；
（8）多跳中继：能够自动路由中继，可以中继3~5跳，支持在复杂的地形环境中，可以超视距工作；
（9）系统容量：大多在10Mbps左右，不同的应用要求不一样，有一些要求比较高，用来支撑大数据量业务的传输共享；
（10）传输距离：集群内部节点之间的通信距离大多在5~30km，无人机集群与地面控制站的距离大多在50~100km，有些需要达到200~300km;
（11）业务逻辑：部分或所有无人机将光电球采集的视频通过数据链传输回到地面控制站；所有无人机将平台参数（高度、经纬度、速率、油（电）量、姿态等等）通过数据链传输至地面控制站；地面站将对无人机的控制指令通过数据链传送给无人机；无人机之间将各自的某些平台参数通过数据链进行传输共享，用于队形控制、编队协同和防撞；无人机之间将一些传感器采集并处理过后的关键数据通过数据链进行传输共享，实现协同感知、协同处理、任务（目标）分配、协同作业（打击）等等。
（12）数据接口：网口（用于连接采集红外/可见光视频的光电球、采集频谱数据的频谱分析仪等各类大数据传感器），串口RS232\RS422\RS485（用于连接各种产生小数据业务的载荷设备，采集信息或者控制各种设备）；
（13）通信抗干扰：具备扩频、跳频、自适应选频等抗干扰功能，能够应对某些敌意干扰或无意干扰，提升通信组网系统工作于复杂电磁环境的适应能力；
等等
目前社会上所谓的无人机集群通信组网方式有窄带数传电台（microhard p900、digi xtend 900等），4G，WIFI，zigbee，NB-IOT，LORA，无线自组网等等，很显然上述各种方式除无线自组网外，都不能满足上面所描述的无人机集群的通信组网的需求。zigbee，NB-IOT，LORA，p900，xtend 900等窄带数传电台传输速率太低，其点对点和点对多点的工作方式也不支持无人机集群的业务逻辑。4G和WiFi作为宽带通信组网方式，只所以被很多人采纳考虑，主要是项目负责人大多是控制专业出身，对通信专业了解不够深入，经验不足，在探索尝试过程中付出了资金成本和时间成本。即使采用了无线自组网技术，由于自组网技术体制、数据接口、功能和性能存在较大的差异，再加上市场上自组网电台存在以次充好，虚假宣传的现象，也需要认真考虑选型。
这里稍微多聊聊4G（5G），本人认为其根本不适合用于无人机集群，理由是多方面的。（1）现有基站架设，一般使用平板天线，天线方向角指向朝下，不指向天空，并不能覆盖具有一定高度的无人机空域，实际通信效果比较差；（2）4G基站在很多的偏远山区、戈壁、海洋等地域没有开设；再其次，即使使用临时架设地面4G基站，这是一种有中心的星形网，无人机节点之间的通信需要经过4G基站的中转，时延大；（3）由于基站作为组网中心，信道资源的分配完全依赖于基站，抗毁性很差；（4）4G基站和CPE搭配使用满足不了很多无人机集群的对通信距离要求；
WIFI有两种工作模式，一种是集中式，也就是咱们经常用的无线局域网WLAN，显然也满足不了上面描述的无人机集群通信组网的要求；另一种是分布式，就是自组网方式，这种方式具有很多优势，比较适合小范围（10km以内）协同作业的民用领域无人机集群通信组网的要求，成本相对比较低。但是，因其WiFi 802.11标准，让WiFi自组网存在一些不足：（1）MAC协议使用CSMA/CA机制进行资源分配共享使用，当网络规模较大，业务量较大的时候，数据包的发送容易产生冲突，组网很不稳定；（2）该标准的通信波形和MAC协议是专门为近距离组网而设计的，信道估计与均衡算法、纠错编码技术、帧间保护间隔、数据链路层MAC协议等不适合远距离传输，会随着距离的增加，传输速率下降很快；（3）没有采用抗干扰技术，不能应对各种复杂的电磁环境，更不用说能用在战场电子对抗环境之中；（4）WIFI标准是公开的，基本上没有抗截获能力和抗破解能力，容易遭到入侵，通信保密安全没有保障。
无线自组网是无人机集群通信组网的必然选择，主要是因为它存在以下优良特性：（1）无人机自组网中每个节点兼具无线通信和动态路由的功能，既可以完成传统点对点通信测控的功能，又可以实现数据包择优路径的中继转发；（2）无人机自组网中的动态路由协议支持多无人机网络形成星形网、网状网、链状网等多种拓扑结构，尤其是多跳路由中继转发的功能使得无人机可以组成链状状网，大大提升测控的距离和作业的范围，并通过节点合理部署，能够适应山地峡谷等复杂的地形环境，实现超视距通信；（3）无人机自组网的信道接入控制协议（MAC协议），信道资源动态分配，使得节点可动态入网和退网，无需要通信组网预规划，非常适合临时调度无人机的数量来满足实际应用的需要；（4）无人机自组网得益于新技术（上面提到的动态资源分配，动态路由中继、负载均衡拥塞控制等），使得网络内的信道资源可以按需要调整分配，优化选择传输路径，保证业务QoS 。总而言之，无线自组网是一种不依赖于现有基础通信设施，可动态快速构建分布式、无中心网络的技术，具有自组织，自恢复、高抗毁等许多优点，速率可以自适应，带宽可以按需分配，无人机可以临时加入或退出，可以多跳中继，节点可以随意移动，网络拓扑可以动态变化等。
通过上面的描述，大家在做无人机集群通信组网方案时，应该知道如何选择何种体制的通信手段了。不过话又说回来，最终还是要根据实际的应用需求来做出方案选择，适合的才是最好的。如果确定了要采用无线自组网方案，采购无线自组网电台时，就要认真仔细考虑采购WIFI自组网电台还是非WIFI自组网电台。笔者在对接项目时，一般会先了解项目在通信组网方面的具体需求，然后再推荐适用的自组网电台。目前，跳跳通宽带自组网产品已经广泛应用于无人机集群自组网系统。为了避免大家在电台选型迷惘，这里做个简单介绍和指导， T3W、T3S、T3M三个系列的主要参数说明及对比如下表：


T3W系列电台基于高通平台打造，采用OFDM、 MIMO、CSMA/CA、智能路由等技术开发研制，具有组网规模较大、中继跳数较多、通信距离较远、传输速率高、频谱扫描、接口丰富、可定制性强等特性。性能良好，性价比高，比较适合组网规模在10个节点左右，通信距离10~20km左右，且对成本比较敏感的无人机集群应用。
T3S系列基于SDR平台（ZYNQ70xx+AD936x）打造，综合采用COFDM、 分集接收、动态TDMA、智能路由等新技术开发研制，具有组网规模大、中继跳数多、通信距离远、传输速率高、通信组网稳定、工作频率范围宽、入网/退网快、路由切换速度快、支持节点高速移动、通信安全保密、IP语音清晰、通信抗干扰能力强、接口丰富、可定制性强等优良特性。该电台成本较高，性能优异，可稳定支持64个节点通信组网，适合30~200km的远距离大规模集群组网应用场景。
T3M系列电台和T3S系列电台同平台打造，T3M系列电台是T3S系列电台传输速率增强版。T3M系列电台在T3S系列电台的基础上，采用了MIMO技术，10MHz带宽下峰值速率可达50+Mbps，20MHz带宽下峰值速率可达100+Mbps，在不增加带宽和发射功率的情况下，大大地提高了频谱利用率和网络系统容量。
T3S和T3M系列电台都具有自适应选频和宽带跳频两种抗干扰功能模式。其中，自适应选频抗干扰功能，网络系统可实时对候选频点进行通信质量评估，当前工作频点受到干扰后，可以自动快速切换到未被干扰的频率进行通信，自动躲避各种干扰。宽带跳频抗干扰功能，载波频率按照预设的特定的跳频图案进行快速跳变，跳速大于1000hop/s，带宽大于200MHz，跳频点数最多支持256个，具有很强的抗干扰能力和抗截获能力，保证信息传输的可靠性。抗干扰功能一般适用于需要应对复杂电磁环境的通信抗干扰的应用场景，由于实现难度大，价格相对比较高，主要面向军用领域或民用高端领域。抗干扰功能模式是可选功能，大家可以选择不选配抗干扰功能来达到降低成本的目的。