无人机群自组网方法探析

■ 文/ 公安部第一研究所 张旻南

无人机群自组网方法探析

■ 文/ 公安部第一研究所 张旻南

无人机已经在军、民领域得到了广泛应用，本文针对多架无人机共同执行复杂任务的情况，提出了一种无人机群的自主网络方案。该方案采用基于位置信息的簇首选举算法，具有良好的网络自适应能力和开销小等特点。文中简要介绍了移动自主网络的特点及基本结构，给出了基于位置信息的无人机群自主网方案和簇首选举算法，分析了方案的主要特点。

无人机集群 移动自组网 分簇

1 引言

随着无人机技术的蓬勃发展，无人机在各场合的运用越来越普遍。军事上，从早期的侦察无人机、打击无人机到察打一体无人机，功能逐渐增强和多样化。同时，无人机在遥感、灾害监测、搜救等民用领域也发挥了重要作用。按飞行方式，无人机主要可分为固定翼无人机和旋翼无人机等类型。固定翼无人机飞行速度快、巡航高度高、滞空时间长，适合于大面积测绘或长航时飞行；旋翼无人机可以在空中呈悬停状态，但滞空时间较短，适合于对目标进行定点监视和测量。

随着功能的增强，无人机在许多领域发挥的作用也越来越大。在某些复杂应用的情况下，需要几十架无人机协同工作。无人机移动组网成为未来应用的一个重要发展方向。近年来，美国开展了多个无人机集群的项目研究，已经能够实现舰载快速发射30架无人机。国内目前在无人机群的组网方面也展开了相关的研究工作。据报道，中国电子科技集团公司曾成功对67架无人机进行了组网编队飞行。本文设计了一种基于无人机位置信息的双簇首无人机自主网方案，介绍了方案的特点及选举算法，并利用软件对该方法进行了仿真实现。

2 移动自主网络特点

移动自主网是指由不断移动的节点组成的网络，这种网络和固定节点网络相比动态性强，网络拓扑结构变化快。在组成网络过程中，需要采用必要的技术，来提高网络的可靠性和安全性。自组网具有以下特点：

2.1 快速的网络维护

由于节点的运动，节点间的空间位置不断发生变化，因此，网络的拓扑结构变化快，网络的节点构成也在不断改变，需要快速的网络维护功能，以便及时掌握网络的拓扑结构。

2.2 多跳的通信方式

由于无线通信距离受限，自主网络内的节点有时必须依靠邻近节点的中继才能进行远距离通信，这种多跳的通信需要在功率和通信距离间进行折中。

2.3 快速入网、退网机制

节点的运动导致网络的节点组成随时发生改变。节点需要在短时间内建立网络、维护网络、搜索网络、入网和退网。

2.4 动态分配中心节点

节点位置的不断变化需引入中心节点的动态分配算法，以便在原中心节点不满足要求时，快速、优化地从群内节点中分配新的中心节点。这就要求网络能随时掌握自己的拓扑结构，从中心区域优化出新的中心节点。

2.5 网络安全性脆弱

由于自组网都是临时组成且快速变化，甚至会受到恶意干扰，因此需要可靠的算法，保证整个网络能在干扰的环境下安全工作。

3 网络结构

网络的拓扑结构按照网中节点的等级和作用的不同，包括平面结构和分级结构两种。前者各节点的等级相同，为对等式结构，总的来看这种网络结构更为健壮，但覆盖范围有限，网络中节点安全性高；然而当节点很多，且大部分处于运动状态时，网络开销会很大，这是由于节点的移动导致路由中断，需要不断地重复建立路由，从而使数据传输不稳定，因此可扩展性较差。

分级结构适合于大型网络，通常根据相应的标准划分为若干个簇，这些簇再和网关一起组成网络。每个簇由一个称为簇首的节点和若干称为簇内成员的节点组成，复杂的网络还可以定义备用簇首。簇首负责本簇内成员节点的通信，大部分使用分簇算法选举出来，而簇内节点和簇外节点之间的通信，则通过簇首进行数据转发，簇首之间的通信则借助网关或直接通信。图1为移动自组网络的网络体系结构。

图 1 移动自组网络的网络体系结构

根据分级结构的移动自组网使用的硬件配置不同，分为单信道分级网络结构和多信道分级网络结构。在多信道分级结构中，如果存在两级网络，则较高级别网络因网络涵盖范围大，故通信范围大，而较低级网络通信范围小，其中簇首节点之间使用较高频率进行通信，簇首与簇成员通信则使用较低频率。考虑到每个节点都可以当簇首，因此如何选举簇首就需要适当的簇首选举算法，而且为适应网络拓扑变化，算法还要及时更新簇首重新分簇。

对于分级结构的移动自组网，分簇内节点由于功能较为单一，可不需要经过路由而进行直接通信，无形中减少很多开销，因此可以更容易扩展形成更大规模的网络。簇首节点也可以根据需要随时选举，具备很强的抗毁性。但分级结构也有缺陷：首先簇首需要通过合适的选举方法产生，并建立相应的簇维护机制以保证网络结构的稳定；其次，簇首节点需要承担簇与簇之间以及簇内节点之间的通信，因而负载较重，能量损耗较快，从而成为限制网络扩展的瓶颈；最后，簇内成员借助簇首进行通信时，不一定能选择到最佳的路由。

4 基于位置信息的移动自主网方案

无人机在执行任务过程中所处位置会实时发生变化，可以根据无人机所处位置信息组成网络。本文提出的移动自主网方案就是基于无人机位置信息的双簇首组网方案。本方案的基本思路是：首先，根据节点的位置加权值、节点覆盖范围内的邻居节点数目、参考最优分簇方法事先设置的簇大小的期望值、节点能量的消耗时间等参数，来计算节点作为簇首的总的权重，然后根据结果选取具有最小权重的节点作为簇首，次小的可选举为备用簇首。在簇首通信范围内的节点不再参与簇首的选举，最后重复上述步骤到所有的节点都进行分簇簇首选举结束。

考虑到节点动态移动，为维护簇结构，每个节点分别记录自己的一跳和两跳邻居位置信息并列表，在维护过程中节点通过查看邻居节点信息列表先确定是否有邻居节点移出。如果发现有节点移出，则由此节点决定是自己移出加入其它分簇还是将邻居节点移走。节点若要加入其它簇则必须确定要加入分簇内的所有节点信息都已经位于本节点位置信息列表中。

初始选举分簇时所有的节点通过信息广播自身身份信息，其它节点在收到此广播后将其记录到邻居信息列表中。设定每个节点可以通过分析接收到邻居节点信号的强度来判断出两个节点间的距离，使节点在收到邻居节点信息后可以得到其身份信息并计算出两者相对距离。一旦邻居列表构建完毕，运行分簇算法进行簇首选择，每个节点通过邻居节点的状态信息表可以知道各个节点状况。该方案的主要特点包括：

（1）自适应网络拓扑变化调整簇首而不是周期性地进行选举，因此，簇首更新频率较小，相应也就减少了计算和通信开销；

（2）可以根据系统的需要，参照不同的设定参数通过优化分簇内节点数来提高系统吞吐量，优化网络负载，增加网络寿命；

（3）考虑限制簇首节点的传输范围来节省担任簇首节点的能量以稳定网络结构；

（4）节点移动时要么移出原簇重新加入另外一个簇，此时簇维护开销较小，节点只要找到对应的簇首交换信息加入即可；要么是簇首节点移出分簇覆盖范围，此时可立即启用备用簇首节点作为簇首，此时簇的运行并没有受到影响，选举另一个备用簇首节点的过程也不影响整个簇的数据的通信。

5 选举算法实现

根据上述移动自主网络方案，设计选举算法的软件实现方法如下：

（1）每个节点周期性地向主节点汇报自己的位置信息；

（2）主节点收到所有网络节点的位置信息后根据所有网络节点汇报的位置信息计算出最佳位置点如下：

找到与这个最佳点距离最近的网络节点，将此网络节点作为新的主节点；找到与这个最佳点距离第二近的网络节点，将此网络节点作为新的备用节点；

（3）主节点周期性地将新计算出的簇首和备用簇首向整个网络广播，并且通知所有网络节点在某个时刻新的簇首和备用簇首开始生效；

（4）网络节点必须在上述周期内至少监听广播消息一次，当它发现新的广播消息里有新的簇首信息时做如下判断和处理：如果新的簇首不是本节点的话，准备在指定时刻，变更到新的簇首；如果新的簇首是本节点的话，准备在指定时刻，变成簇首；如果本节点之前是备用节点，而新的簇首或者备用簇首均不是本节点，则在指定时刻，不再是备用节点；

（5）当新的主节点不再是当前节点时，当前节点须在指定时刻退出主节点模式，根据是否是新的备用节点，成为备用节点或者成为一般节点；

（6）新的主节点生效后，继续周期性的进行上述过程。

利用上述算法针对以十架无人机为一组，实现了数十架无人机自组网的软件仿真。

6 结语

随着无人机技术的快速发展，无人机群协同工作越来越重要。本文提出了一种无人机群的自主网络方案。该方案采用基于位置信息的双簇首选举算法，具有对网络拓扑变化自适应能力强，节省信息开销等特点。虽然我们通过组网算法的仿真，实现了无人机群的组网，但在网络无线通信、网络协议等方面还需要开展相应的研究工作，并根据实际需要进一步细化和完善自主网方案和实现方式。

[1]秦明，朱会，李国强.军用无人机的发展趋势[J].飞航导弹. 2007, 6: 36-38.

[2]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报: 信息科学版.2014, 39(5): 505-513.

[3]魏瑞轩，李学仁. 先进无人机系统与作战运用[M].国防工业出版社, 2014.

[4]牛轶峰，肖湘江，柯冠岩.无人机集群作战概念及关键技术分析[J].国防科技. 2013(5):37-43.

[5]卓琨，张衡阳，郑博等.无人机自组网研究进展综述[J].电信科学.2015, 31(4): 127-137.

[6]宋怡然，申超，李东兵.美国分布式低成本无人机集群研究进展[J].飞航导弹. 2016(8):17-22.

[7]罗德林，徐扬，张金鹏.无人机集群对抗技术新进展[J].科技导报.2017, 35(7): 26-31.

[8]王东，张广政，穆武第.多无人机协同作战通信自组网技术[J].飞航导弹. 2012, 1: 59-63.