自组织网络在无人机卫通链路中的应用和优化研究

亢 超

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

1 自组织网络在无人机卫通链路中的应用意义

自组织网络作为一种新兴的网络架构，具有集中式控制、可编程性和灵活性等优势。自组织网络将网络控制平面与数据转发平面分离，通过集中式控制器实现对网络的动态管理和控制。自组织网络作为一种新兴的技术，主要具有无中心、多跳路由、自组织能力以及动态拓扑结构等特点。自组织网络所组成的无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）卫通链路类似于一个蜘蛛网，节点之间都存在着多个连接放线，即使无人机卫通链路中某一个连接通道出现了故障，也可以通过其他的通道完成数据传输。这种移动的自组织网络中，各终端间的数据互联互通，并没有相应的控制中心，只有一个进行数据存储的控制终端，其内部涉及的各种网络节点都处于一种平等的地位。自组织网络的每一个网络节点都具有数据交换和微操作系统，这就使得自组织网络的运行并不需要各种预设的核心控制设备以及基础网络设施作为基础，其中的各个网络节点主要是利用私有协议和相应的独特算法，将无人机卫通链路不同节点的行为加以同步协调[1]。

2 自组织网络在无人机卫通链路中的应用设计

2.1 自组织网络在无人机卫通链路中的应用的架构设计

自组织网络是不依赖于预定义基础设施的自治网络，可以随时随地快速建立网络连接。网络中每个节点单独充当移动路由器，与网络中其他节点随机构成邻接关系。自组织网络没有中心路由器进行转发，在网络中的每一个主机既是信息的发送者也是信息的接收者，还要充当路由器的将收到的信息再转发出去，因此路由协议更加复杂。同时，自组织网络结构远没有传统网络的拓扑结构稳定，随时加入和退出的主机都可能会改变路由线路，导致路由表的更新频率远远增大。

自组织网络在无人机卫通链路中的应用可以使用集中式、分布式或混合架构。集中式架构指定一个节点设备作为控制器，其他节点设备连接到该控制器，控制器控制整个设备自组织网络的运行。分布式架构是指所有节点设备具有相同的功能和权限，各节点设备共同完成网络管理和数据传输。混合架构结合了集中式和分布式体系结构，以提供更高效的解决方案。

2.2 节点设备设计

节点设备主要由物理层、数据链路层和网络层3部分组成。

2.2.1 物理层

物理层结构模型如图1 所示。自组织网络在无人机卫通链路中的物理层应满足IEEE 802.11 系列标准。由于Wi-Fi 技术的成熟，在不同的成本和功耗要求下，可以提供多种设备选择。为提高设备的可靠性和灵活性，应支持双通道、双工作模式和双天线。

图1 物理层模型

2.2.2 数据链路层

自组织网络在无人机卫通链路中的数据链路层应支持多节点间的无线收发。该层主要负责数据帧的传输和识别。在设计时，应尽量利用设备硬件的加速特性，减少软件算法的占用，通过硬件加速实现高效的数据帧传输。数据链路层模型如图2 所示。

图2 数据链路层模型

2.2.3 网络层

自组织网络在无人机卫通链路中的网络层应该支持路由协议，使其成为多节点设备自组织网络的一个关键主题。网络层模型如图3 所示，由于节点设备数量较多，需要优化节点设备的功耗、频谱、内存等资源。

图3 网络层模型

3 自组织网络在无人机卫通链路中的应用方法

3.1 无线传感网络技术

无线传感网络技术具有不受地理位置限制和受天气状况影响小的特点。同时，无线传感网络技术的组网结构较为简单，适合山区、野外等无公网信号场景下的应急通信，且传输方式较为安全。无人机卫通链路传统的通信设备较为复杂，在实际使用过程中存在不便。目前，国内无线传感网络技术采用的频段以Ku 波段和Ka 波段为主。虽然Ka 波段比Ku 波段的带宽相对较高，但Ka 波段无线传感网络技术的雨衰较大，下雨时通信的带宽及稳定性大幅度下降。自组织网络在无人机卫通链路中的应用其自身具有更加强大的数据传输服务功能和更加可靠的数据传输稳定性，同时容错率更高。在无人机卫通链路工作使用的无线传感技术中，会存有更多的传感节点，自组织网络在无人机卫通链路的应用可以应用于多种不同的场合，其覆盖范围相对广泛[2]。

3.2 移动通信网络技术

移动通信网络技术是自组织网络体系中的一种新型自组织网络使用形式。该网络能够进一步保证无人机卫通链路的畅通性和可靠性。无人机卫通链路使用的移动通信网络技术具有更高的独立性与自动配置性，不需要过多的人工操作干预，能够支持更多的接口技术，应用于多种不同的工作[3]。

3.3 混合式网络技术

自组织网络和集成蜂窝式网络的混合式网络，通过自组织网络进行消息传递，为无人机卫通链路中的信息传递提供便捷通道，同时是一种对自组织网络的使用形式。在发生情况严重的自然灾害现象时，固有的蜂窝无线网络基站会受到破坏导致无法正常使用，即便没有受到破坏也会因为过多的信息业务量而发生无法及时访问的现象。网络节点会自动的从直接BS通信方式转换成自组织网络模式，然后通过不断的跳转来形成一条直通BS 的路由。当自组织网络与蜂窝集成式网络组成的混合式网络正式使用时，能够有效避免无人机卫通链路中的通信中断，进一步减轻无人机卫通链路担负的通信压力[4]。

3.4 无线局域网技术

无线局域网技术采用无线多址通道作为传输介质，通过电磁波实现数据交换，具有经济、安装方便、使用灵活以及易扩展等优点。无线局域网的组网控制方式通常分为2 种：一种是基于预置网络的集中控制网络，另一种是典型的自组织网络。基于预置网络的无人卫通通信链路以无线基站为中心，由无线基站接入和控制。自组织网络结构属于无中央控制的网络，通过临时快速的自动组网实现复杂条件下的移动通信。无人机卫通链路的核心是给功能线程提供最优的天线资源，无线局域网技术的所有资源处于短波通信资源池。当无人机卫通链路行时，无人机卫通链路在天线资源池选择可用的天线，完成天线与功能线程所在信道资源链路连接，并标记该天线被使用的状态和对应功能线程。

4 自组织网络在无人机卫通链路中的优化策略

随着无人机卫通链路的兴起，传统的网络架构的灵活性、可管理性和安全性等方面受到限制。无人机卫通链路中，传统网络通常采用分布式控制和静态配置的方式，导致网络管理复杂且缺乏灵活性。此外，由于无人机卫通链路网络中设备数量庞大、流量密集，传统网络往往无法提供足够的性能。

自组织网络作为一种新兴的网络架构，具有集中式控制和可编程性的特点，还具有显著的灵活性和延展性，可以改善无人机卫通链路的使用性能。在山林或电信信号弱的区域，设备间组网可利用自组织网络技术将信号延伸，全面覆盖弱信号区域，保障通信的稳定性。基于这种特性，自组织网络技术可应用于紧急救灾工作。尤其是自组织网络技术中的中继通信模式，不受环境影响，在地面上进行远距离的通信交流。

一方面，将自组织网络技术搭载于无人机卫通链路中就可以构建起无人机通信系统，借助无人机设备的灵活性与极强的适应性，并借助自组织网络系统传递信息和实现数据连通等功能，实现随时随地进行通信。目前，虽然无线通信和网络技术已经覆盖了我国大部分国土面积，人们可以在无线信号等技术的支撑下随时随地与外界展开联络，但是仍有一部分地区由于地形地势条件特殊，或具体位置较为偏远如山区、海洋、森林以及草原等，其往往由于地区海拔相差悬殊，跨度范围较广，人们处于其中难以满足自身的通信需求。而常规的通信技术也并不能很好地解决这一问题，因此就可以使用自组织网络搭载于无人机卫通链路的方法，构建无人机通信系统。一旦有人在无线信号的覆盖盲区如旅行遇险等，就可以借助通信设备发射微波信号，与外界联络。同时，外界可以派遣无人机对无线信号全面覆盖，且人迹罕至的地方进行监控与巡视，并通过无人机设备与自组织网络技术与其中人员进行沟通联络，快速确定其所在位置[5]。

另一方面，利用自组织网络技术检测光缆信号的区域线路。利用自组织网络技术对光缆信号等线路进行巡检，具有以下优点。一是线路巡检效率方面，该方法可以显著提高线路巡检的工作效率，无人机飞行速度快，并且可以克服该地区许多恶劣的自然环境条件。二是从检测工作的质量角度来看，无人机可以克服众多障碍，完成人工维护无法完成的维护和检测任务。同时，由于人员不需要参与现场维护，保护了工作人员的人身安全。三是检查工作的成本方面，无人机的加入大大减少了人力资源的参与，降低了检查工作的运行成本，具有经济优势。四是无人机夜间传统无线通信方式主要是由基站高度所决定，很容易受地形环境因素的影响，导致通信效果交叉。为减少夜间因素对通信效果和质量产生的影响，相关行业不断创新和改善无人机技术，保证自组织网络建设的建设效果，利用自组织网络的优势，避开相关的障碍物，建立良好的通信链路，快速有效地将夜间巡检数据参数进行传输，为行业的进步与发展奠定基础与保障。五是数据处理和传输方面，自组织网络技术具有灵活、稳定、传输及时等优点，可以实现对返回检测数据的实时处理，节省故障修复等工作的时间[6]。

5 结 论

自组织网络通过对无无人机卫通链路的部署，来提升网络容量以及覆盖的能力，更好地为行业进步提供基础的参考。自组织网络在无人机卫通链路中具有巨大的发展潜力，可以为无人机卫通链路提供更好的网络体验和服务。随着技术的不断发展和应用的深入推进，自组织网络技术将在无人机卫通链路领域发挥越来越重要的作用，为无人机卫通链路的可持续发展做出贡献。