[科普]无人机的关键技术之集群通信

无人机集群主要是依赖于先进开放的通信网络,无人机之间具备协同交互能力，整个系统呈现群体智能性，单节点具备可替代性。采用无人机集群技术，可以快速有效的完成任务,同时整个系统具备较强的抗毁性、功能分布化等优势。

尽管无人机集群组网通信具有很大的发展潜力，但也存在着一些关键的具有挑战性的问题。无人机集群组网通信有效解决传统的蜂窝无线网络覆盖不足的问题，但是组网模式需要根据具体环境和作业条件进行选择。无人机集群组网通信作业时，数据传输量剧增，静态的频谱分配效率不高，导致机群系统性能下降；在为了保证通信安全的条件下，一味增加发射功率可获得一定的通信可靠性，但是窃听者也会获得高质量的窃听信号，会降低通信的安全性。此外，机型多样化小型化的趋势下，本身能量受限的无人机将会受到更严峻的供能续航的挑战，对多样化任务长时间作业产生重要影响。以上存在的组网、频谱分配、通信安全及能量供给等，都是值得深入研究的问题。

通过上面的分析，我们先来看看目前无人机集群组网通信技术的相关需求及组网模式：

无人机集群组网通信是实现无人机集群间实时信息传输的通信手段，特殊的应用环境要求通信网络必须保证稳定可靠的信息交互，减少通信的延迟,保证信息交互的实时性。无人机集群在执行任务时，单机节点受到破坏，退出机群，使得无人机集群自组网网络架构和拓扑发生变化，无人机集群自组网在满足机群间正常通信需求的同时，还要完成无人机集群网络的动态重构。在某些关键操作上，无人机集群通信网络还必须保证地面操作员能够对无人机任务进行授权和确认。

通信技术需求分析:

无人机集群在执行任务时，需要满足无人机实时跟踪定位、遥控遥测、实时任务规划与协调和任务信息传输等功能,所有这些功能都需要稳定、可靠的通信网络：

(1)实时跟踪定位：对无人机实时连续的位置测量。

(2)遥控遥测：对无人机飞行状态和设备状态参数的控制及测量。

(3)实时任务规划与协调：无人机需要根据任务规划和变动，实时进行任务规划信息传输,以及进行无人机间实时任务协同通信。

(4)任务信息传输：无人机任务载荷传感器信息的传输。

通信组网模式如下：

无人机的通信方案，由单机控制的点对点地空通信方案，发展到一站多机的点对多点的地空通信组网方案，再到满足无人机集群节点间各种任务信息协同协调自组网宽带通信组网方案。无人机集群组网通信主要有以下三种组网模式：

(1)星型组网

星型组网是以地面中心站为中心基站，空中无人机通信终端为节点,所有节点直接链接到地面中心站,实现地面中心站与所有网络节点间直，无人机间以地面站为中心进行交互通信。当无人机集群组网节点数目相对较少、无人机执行任务作业的覆盖区域较小，且无人机任务作业相对简单时,星型组网模式比较合适。星型网络结构比较稳定，采用较简单的路由算法，且规模较小，信息传输的时延小，能够节省网络信道资源,降低能源消耗。

(2)网状自组网

无人机集群网状自组网以地面控制站和空中无人机节点组成，所有节点设备功能相同,都具备终端节点和路由功能。空中无人机节点不能一跳连接到地面中心站时，通过多跳路由到中心站，实现全网所有节点的互联互通。当作战任务较为复杂,无人机集群规模比较大,网络拓扑多变,任务复杂，机间协调通信频繁、作业半径大,自主协同完成任务为主时,适合采用网状自组网。由于无人机集群网络较复杂，节点间相互通信较为频繁,路由时延要求很小，在远距离节点间进行通信时采用按需路由技术,能有效降低路由维护开销,提高网络鲁棒性。

(3)分层混合组网

分层组网采用地面站为星型网络中心站，无人机机载通信终端，具备与地面中心站直通和无人机间自组网功能。当无人机集群作业任务非常复杂时，执行任务的无人机数量庞大，网络拓扑多变，无人机节点之间通信频繁、信息量大，此时比较适合采用分层网络结构。当执行作业任务的无人机数量发生变化时，分层结构的网络拓扑结构快速完成无人机节点的退出或增加，快速实现网络重构，无人机节点维护的路由表相对简单，提高网络的稳定性。

了解完它的需求及通信组网模式，关于无人机集群组网通信相关的核心技术我们也一定要知晓：

(1)认知无人机通信技术

无人机集群组网作业时，高速的移动性和任务实时的变化，无人机集群内部和外部之间通信链路和质量会发生剧烈变化，需要解决隐藏、暴露终端和协调多节点有限频谱共享的问题。认知无线电就是频谱共享的关键技术之一，无人机集群可自我学习周围无线电环境，感知并利用周围空闲的频谱资源，节点间认知信息的共享可以有效解决隐藏、暴露终端的问题。同时，认知无线电本身具有可重构性的功能，在组网环境发生变化的条件下,可进行系统重构,动态的频谱共享为功率受限的无人机集群网络提供更高的系统容量，更宽的覆盖范围。

(2)大规模高动态无人机组网路由技术

在大规模无人机集群应用中，由于无人机节点的高速移动造成了网络拓扑高动态变化、链路质量频繁波动,这都对组网路由技术提出了更高的要求和挑战。传统针对固定和机动通信网络设计的组网路由技术难以满足大规模、高动态无人机组网需求，在组网路由的设计方面需要克服网络节点多、移动速度快、多跳远距离传输等造成的不利影响，能适应拓扑剧烈变化、链路寿命短暂等问题”,建立具有快速组网、抗摧毁、自愈合、安全可靠等特点的路由机制，这对有效支撑无人机多样化任务起到了关键作用。

(3)物理层安全传输技术

无线信道的开放性及衰落特性，容易受到不利的影响，无人机通信安全受到威胁。目前用于改善物理层安全的常见方法主要包括多输入多输出技术、人工噪声技术及中继协同技术”。这些方法比较成熟，可以有效运用到无人机集群组网通信中去。

(4)能量有效通信技术

无人机的能量主要供给是依靠自身携带的电池，尽管在过去一段时间内电池技术有了明显的增长，但无法解决能量受限的问题。为此，采用能量有效通信技术提高能量使用效率，其主要包括两种方法:优化功率分配及能量采集技术。在系统硬件组成大部分采用轻量化、低功耗设计的条件下,在无人机间节点间选择最佳的数据传输轨迹进行合理地功率分配，在节点设备功率一定和高信噪比情况下，通过协调源节点和中继路由节点的发射功率，使得系统性能提升的方案。另外能量采集可以缓解无人机能量供给紧张的问题，能量的来源可以是太阳能、风能或周围无线电信号中的能量。

无人机通信技术，主要是单机飞行的点对点通信已经有了多年的研究积累，但是无人机集群通信网络的研究还处于起步阶段，无人机集群通信网络将成为无人机和无线通信领域的研究热点，那么在接下来的无人机集群通信研究过程中也一定要把握以下几点：

(1)安全化

无人机集群组网规模越来越大、业务数据越来越重要,通过利用物理信道的物理特征，有望从根本上解决无人机通信过程中遭受非法攻击的问题。

(2)小型化低功耗

无人机因其作业需要,会采用外形尺寸较小的机体,限制了自身携带能量，采用能量有效的通信方式可以有效缓解功耗问题，为机群续航和功能多样化提供保障。

(3)通用化和标准化

无人机集群需要统一协调控制和作业载荷多样化，需要无人机具备统一的标准化接口和兼容的系统体制，降低系统复杂度,提高通用性。

(4)智能化

无人机集群引入认知通信技术，在机群系统协同作战的能力大大增强，认知周围复杂环境能力的构建,增强系统的自适应、及抗毁性能力。在测控通信一体化上,通信组网能融合多种类型、多种功能的传输手段，合理分配网络资源，形成一体化、综合性的信息处理体系，实现一体化协同作业系统的目标。

无人机集群通信系统架构发展趋势

无人机集群通信技术，作为无人机集群研究的核心技术之一，只是我们无人机集群研究过程中的冰山一角，整个无人机智能集群研究的道路上，它所涉相关知识的广度，深度不言而喻。

未来,无人机集群通信网络系统架构会形成以地面基站、空中无，人机节点、卫星链路等立体宽带通信体系，兼容公共网络、无线通信专网和卫星通信网络，实现空天一体化,满足未来无人机集群组网通信需求。