解决无人机集群通信问题的飞行自组网（FANET）发展综述

01

引言

无人机集群化成为当前无人机系统发展的热点之一，无人机集群设计中所面临的最大问题之一是无人机之间实现协同所需的通信。在多无人机通信网络中，如果所有的无人机系统直接链接到一个基础设施（即卫星或地面站），那么其运行区域被限制在基础设施通信覆盖范围内，当无人机无法实现与基础设施进行连接时，该网络就无法继续工作，同时，依赖该基础设施的通信体系结构限制了多无人机系统的能力，而无人机自组网可解决无人机网络全面依赖基础设施引起的各种问题。

尽管目前在移动自组网（MANET）和车载自组网（VANET）领域开展了许多研究工作，但这些研究尚无法应对无人机网络的独有特性。在这种背景下，一种适合无人机集群通信的自组网——飞行自组网（FANET）的研究越来越受到关注。在FANET中，多架无人机之间可进行通信并建立自组网。网络中的所有无人机执行无人机-无人机通信，而只有无人机簇首与基础设施交互，无需每架无人机装备复杂硬件。而且，即使某架无人机通信链路丢失，由于无人机之间有自组网，因而不会造成与地面站链路的中断。

本文首先对FANET与移动自组网和车载自组网进行比较，在此基础上，分析FANET所面临的挑战，而后，描述FANET的设计考量，最后对FANET路由协议加以研究。

02

FANET面临的挑战

在许多情况下，多无人机系统运行在高动态环境下，在任务过程中，态势不断发生着变化。在无人机自组网实现前，所有的无人机必须链接到一个基础设施，如图1(a)所示。如果多无人机系统能够支持FANET体系结构，那么它可通过其他无人机对链路进行管理，如图2(b)所示，这种连通性增加了多无人机系统的可靠性。

图1 FANET应用场景

根据定义，FANET是一种特殊的移动自组网。FANET还可以归类为车载自组网（VANET）的一个子集，而车载自组网可归类为移动自组网的一个子集。虽然FANET与移动自组网以及车载自组网有许多共同点，但它其设计还要面临一些独特的问题。

在移动网络和车载网络中，节点频繁加入和离开网络，因此，自组网适合大部分情况。另外，为了实现节点间的快速可靠通信，完全适合采用网状网拓扑。而在无人机网络中，节点可能会由于各种各样的原因消失而被新的节点替代。FANET与移动自组网和车载自组网的相似性，使得研究者认为可以在FANET研究中利用移动自组网和车载自组网领域的成果，但这些领域的成果并不能完全适应无人机网络的独有特性。表1列出了移动自组网和车载自组网以及FANET的特性，从中可以看出三者之间的相同点和不同点。

表1 FANET与移动自组网和车载自组网的比较

从表1可以看出无人机网络在许多方面不同于移动自组网和车载自组网。由此，FANET所面临的挑战主要体现在：

（1）高移动性

节点移动性是FANET与其他自组网的最大区别。移动自组网节点的移动相比车载自组网来说较慢，而相比之下，FANET节点移动性程度更高。这种高速飞行的无人机不能由诸如移动互联网协议（IP）这样的传统方法提供服务。而且，由于无人机高速飞行，路由决策效率和无线链路质量会出现波动。媒体接入控制（MAC）层通过保持单跳传输服务质量（QoS）解决这个问题，同时，路由层保证可靠的端到端传送。针对无人机的高移动性，一种潜在解决方案是通过启发式技术预测无人机的位置和移动。但当FANET被用作中继网络时，在距离较远的基础设施之间建立容延链路方面，这种高移动性是非常有利的因素。

（2）移动性模型

移动性模型有助于移动自组网仿真和协议的性能评估。用于移动自组网评估的通用移动性模型包括布朗运动、随机方向、随机游动、随机路点模型。上述移动性模型都不适用于无人机，但这些模型都具有鲜明的特性，例如在随机游动模型中，通过明确定义的参数可以对随机性进行调整。无人机的行为随机性很高，为了支持各无人机建模的不同随机性要求，需要对随机游动模型参数进行适当调整。因而，对移动自组网移动性模型初始版本的修改非常具有可行性，由此看出，移动自组网移动性模型可更适合FANET环境。

（3）拓扑变化

与移动自组网和车载自组网相比，高移动性的FANET配置变化更快。而无人机平台故障也会影响网络配置。当一架无人机出现故障时，包含该无人机的连接也会出现故障，从而引起配置更新。在出现无人机故障时，新无人机的加入也会引起配置更新。另一方面，连接中断也会影响FANET配置。由于无人机的出网和入网以及FANET的高移动性，节点距离、连接质量变化非常快，同样会引起连接中断和配置变化。

频繁的拓扑变化是由高移动性引起的，在设计FANET时，必须考虑到这些因素。另外，环境障碍物（如山脉）、网络中无人机故障、新无人机加入、可能的任务更新、运行条件和地理不确定性等，这些都是重新进行路由定义的因素。所有这些因素都会造成拓扑变化，而拓扑变化会引起开销增加、延迟增加和包送达率降低。随着无人机的传输距离的扩展，即，利用媒体接入控制层协议支持传输距离扩展，拓扑变化率可忽略。采用这种解决方案的代价是复杂度和能耗的增加，但无人机具有足够的硬件支持，可以解决这些问题。图2示出FANET拓扑变化。

图2 （a）星形配置（b）多星形配置（c）扁平网状网（d）分层网状网

（4）能量限制

在小无人机网络中，能源受到很大限制。一般来说，小无人机的能量可以支持30分钟的飞行，一方面，信号传送要求低能量，另一方面，链路将由于能量耗尽的无人机离开或毁掉而中断。而在车载网络中，由车用蓄电池提供能量，这种电池可在车辆开动时充电；移动自组网的节点电源可持续使用几个小时。无人机网络通常用于恶劣的环境，由于持续时间长，网络频繁分割。在这样的情况下，传统解决方案无法保证连通性。建议这些网络通过增加存储-携带-转发能力，实现容延容断能力。

03

FANET设计考量

FANET与其他自组网不同的特性使其具有独特的设计考量。本节介绍FANET最主要的设计考量，包括自适应性、可扩展性、低延迟和高可靠性要求。

（1）自适应性

在多无人机系统运行过程中，存在各种不断变化且对FANET产生影响的因素。FANET节点位置始终在变化且高速移动，无人机的飞行路线可能会根据需要而改变，无人机间的距离也不可能固定不变。无人机故障也是必须要考量的另一种挑战。由于技术问题，无人机可能在运行期间发生故障。由于无人机故障，造成无人机数量的减少，需要新无人机的加入。在FANET设计中，这些都是需要考虑的问题。

（2）可扩展性

与单个无人机系统相比，多无人机协同工作可改善系统性能，实际上，这正是利用基于多个无人机系统网络的目的所在。在一些应用中，性能的改善与无人机的数量密切相关。例如，在无人机搜救任务中，无人机数量越大，搜救任务完成越快。为了实现多无人机协同工作，同时又不会对性能产生影响，需要对FANET算法和协议进行设计。

（3）低延迟

延迟是网络设计中要考量的最重要因素，FANET也不例外。FANET对延迟的要求是完全基于应用的。无人机在执行搜索和摧毁作战以及沙漠监视这类任务时，对信息传输速率要求高，因而，必须降低延迟，而降低延迟最原始的方法是减少源点到终点间的跳数。此外，还可采用优先权方案的概念，对于各种信息类型，采用基于优先权的路由协议可获取不同的服务质量。对于实现无人机间的有效碰撞控制和协同，拥塞控制协议至关重要，协议套的合理选择可以满足低延迟需求。

（4）高可靠性

无人机的可靠性决定了其可担负性和可达性。在敏感的军事和监视应用中，要求FANET具有有保障的数据传送能力。在无人机之间建立自组网，旨在当一架无人机丢失链路时，它仍然能够通过其他无人机与基础设施通信，从而保证高可靠性。如果无人机之间没有自组网，每架无人机都需要与基础设施连接。这种场景下，如果一架无人机发生故障，与任务有关的信息可能会丢失。此外，基于数据汇聚的路由协议可满足高精度数据的需要。在这种协议中，通过预定的目的地向网络中其他飞机请求数据，可以应对由链路故障造成的数据丢失，从而保证用于军事和监视中心应用的全部可靠信息的接收。

04

FANET路由协议

由于应用的不同，无人机或高速飞行或低速飞行。作为节点的无人机可能会由于故障或能源限制无法继续提供服务，需要更换无人机。在FANET中，由于无人机位置和地面站位置的变换，可能会经常出现链路中断的情况。另外，由于干扰或自然条件限制，链路可能会出现高误码率。无人机网络具有各种可靠性需求，而话音、数据和视频对带宽的要求也不同。因而，无人机网络要比移动无线网要求更高。节点移动性、网络分割、间歇链路、资源限制和服务质量需求变化，所有这些使得无人机网络路由研究面临挑战。

开发良好的路由协议是建立FANET所面临的主要挑战，而现有的移动自组网路由协议不能完全适用于无人机网络。因此，根据无人机特点设计快速、准确、高效、扩展性好、自适应能力强的路由算法成为FANET的重要研究课题。

（1）需要解决的路由问题

除了一般无线网状网的要求外，如发现最有效路由、允许网络扩展、控制延迟、保证可靠性、掌握移动性以及保证服务质量，机载网络的路由还要求位置感知、能量感知、间歇链路强健以及拓扑变化。设计无人机网络的网络层仍然是一项颇具挑战性的工作。

在一些文献中，对可能适用于机载网络的现有路由协议进行了研究。尽管传统自组网路由协议是为移动节点设计的，但由于机载节点动态性的不断变化和链路中断方面的要求，它们不一定适用于机载节点。因而，仍需要根据机载网络的高移动性、动态拓扑和不同的路由传送能力这些特殊需要而定制路由协议，增加送达率，降低延迟和资源消耗。另外，可扩展性、环路避免、能耗和资源有效利用都是需要考量而且必须解决的问题。

（2）现有路由协议的适用性

在移动自组网研究中，开发了大量的路由协议，其中许多协议存在路由开销问题，从而带来可扩展性和带宽方面的限制。基于条件更新的协议可降低开销，但位置管理对于像无人机网络这样的动态网络仍然是个问题，而一些引入簇首概念的协议面临性能和单点故障方面的问题。通过对无线网状网固定或移动节点的研究，可以得出可用的MAC和路由协议不具备足够的可扩展性，而且随着节点数量或跳数的增加，吞吐量明显降低。单层协议的改进将无法解决所有的问题，所以，在FANET中，现有协议需要增强或由新协议替代。

目前，移动自组网路由协议分为静态路由协议、先应式路由协议、反应式路由协议和混合式路由协议。静态路由协议在任务过程中不会对路由表进行更新，由于这种限制，使其不具有容错功能或者不适用于动态变化环境。它们在无人机网络中的应用受到限制。在此，对静态路由协议不加分析。

· 先应式路由协议

先应式路由协议（PRP）能够及时更新路由表，准确反应网络的拓扑结构，具有获取路由时延小的优点，非常适合有实时要求的应用。但是，由于先应式路由中节点之间要不断交互路由信息，当网络规模较大、移动速度较快时，会消耗大量的带宽和节点能量，同时也浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。当网络规模和移动性增加到一定程度时，大部分先应式路由方案都不适用。目前，用于移动自组网和车载自组网的先应式路由协议主要有优化链路状态路由（OLSR）协议和目的序列距离矢量（DSDV）协议等。

- OLSR协议

OLSR协议是一种平面拓扑先应式优化链路状态路由协议，多点中继（MPR）机制是其主要特点。OLSR放弃了传统的每个节点的邻节点无选择性地转发控制包的做法，采用在节点的邻节点中选择一部分节点转发拓扑控制（TC）包的方式，控制拓扑控制包的传播，被选中的节点就是MPR。OLSR通过使用MPR机制减少了协议的开销，对路由协议进行了优化。MPR多点中继技术的优化与拓扑控制信息策略、路由优化技术同时成为设计高效优化链路状态路由协议的主要手段，因此，近年来，OLSR协议以及MPR优化算法已经得到了广泛研究。

- DSDV协议

在DSDV协议中，网络在需求出现之前即已提供给节点从源到目的的每条路径。网络中的每个节点都拥有一个路由表，该路由表列出了所有有效目的节点以及可能到达目的节点的所有节点数量。目的节点路由表中的每个条目都标记一个节点序列号，为了路由表中信息与动态变化的拓扑一致，必须经常更新。DSDV路由表更新分为全部更新和增量更新两种。全部更新就是向其邻节点发送整个路由表，它需要多个包；而增量更新只向其邻节点发送度量变化的那部分路由信息，仅需要一个包。当网络相对稳定时，增量更新可以避免额外的通信量，有利于减轻网络负担。但在无人机网络这样拓扑结构快速变化网络中，增量更新包将变得很大，因此经常会用到全部更新。

· 反应式路由协议

反应式路由协议只有在需要时才启动路由发现程序，所需要的路由信息缓存很小，在网络负载不大时其控制开销远小于先应式路由协议。反应式路由协议由于源节点在数据传送前需要进行路由发现，必须等待有可用路由后才能发送数据，后果是路由收敛时间和传输延迟较大。典型的反应式路由协议有源动态路由（DSR）协议、自组网按需距离向量（AODV）协议等。

- DSR协议

DSR协议是一种应用广泛的标准化的反应式自组路由协议。DSR协议中的每个数据包都包含了一个完整的路由节点列表，这样所有的转发或侦听到这个包的节点就会存储该路由信息备用，因此不管节点如何移动，都能在快速地网络拓扑变化中保持较好的性能。

该协议支持非对称链路，它能在单向链路的环境下成功发现路径并转发数据包。当链路失效时，只有那些需要通过该链路转发包的节点才需要接收路由通知。DSR允许源节点接收或存储多条指向目的节点的路径，当链路失效时，中间节点就可以选择缓存中的另外一条路径来转发包。这样一来，路由发现过程引入的路由开销会进一步减少，某些情况下，数据延迟也会降低。

- AODV协议

AODV协议是基于先应式DSDV协议改进的一种反应式协议。它不维护整个网络的全局路由信息，不属于某个路由的节点不用保留该路由信息，这样节点无需发送或接受拓扑更新包，只有需要的活动路由信息。更进一步的，网络拓扑的变化只需要发送给需要的节点，因为拓扑改变只出现在本地邻居且不会影响其他的远距离路由。AODV最大的缺点是不支持非对称链路，它只支持两方都能转发包的对称链路。

AODV协议的路由发现过程包含请求和应答。节点发送数据的时候先查找路由表，如果存在到目的节点的路径，则按路由表的下一跳转发。若没有可用路径，则源节点向邻节点广播路由请求（RREQ），收到非重复RREQ的节点建立或更新逆向路由后，再广播RREQ，直到目的节点或有到目的节点有效路由的中间节点收到RREQ后，沿着逆向路径回复一个路由应答（RREP）到源节点。当RREP沿着逆向路径回传时建立前向路由条目，源节点收到RREP时，建立从源到目的节点的路由。

· 混合路由协议

单纯的先应式或反应式路由协议都不能完全解决路由问题，由于先应式和反应式路由协议的优点和缺点具有互补性，因此结合两者优点的混合式路由协议具有实用意义。通过在相邻节点间采用先应式算法而在较远节点间采用反应式算法，在网络开销和传输延迟中找到一种平衡点，并增加网络的扩展性。这种协议既可以减少路由开销，也能有效改善时延特性。但是，混合式路由协议也面临诸多困难，如簇的选择和维护、先应式和反应式路由协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。混合路由协议最具代表性的是区域路由协议（ZRP）。

- 区域路由协议（ZRP）

ZRP是一种结合了先应式和反应式路由协议特点的路由协议，它把节点的先应式协议更新包的传播范围限制在一个以跳数为度量的区域内，从而减小路由控制包的数量和传播，在与区域外的节点通信时，则选用反应式路由协议完成。与单纯的先应式路由协议相比，ZRP协议能够极大的降低路由开销，而与单纯的反应式路由协议相比，它的路由收敛时间和传输延迟又比较小，在网络规模很大、负载较大的情况下性能降低不多，是一种有发展潜力的路由协议。目前，ZRP协议中的网络半径一般为预先指定，无疑限制了协议的适应性，因此自适应网络半径的ZRP改进协议是目前的一个研究热点。

05

结语

FANET是针对当前无人机应用功能扩展和多无人机协同作战要求而提出的一种解决方案，开展FANET技术研究具有重要意义。

FANET具有高移动性、频繁拓扑变化、低延迟要求、高可靠性要求等特点，导致更多的包丢失和网络路由的重新选择，从而大大增加网络开销，加剧网络阻塞，增加数据传输延迟，严重影响网络性能。因而，有必要对FANET路由策略提出更高的要求，为解决FANET所面临的各种技术挑战，应该有针对性地开展相关研究。

网络安全性也是不容忽视的问题之一，无人机面临的环境非常复杂，除了要克服固有的安全弱点之外，还要防止各种信息窃取和攻击。这就要求FANET必须研究和设计适用性好、安全性强的分布式安全策略和方法。与此同时，还必须做好安全机制与网络通信性能之间的平衡。

此外，FANET的无线传输带宽有限，而无线信道竞争使得链路带宽更加受限，因而有必要对大量包含很多冗余的无人机信息进行预处理，但是，受技术和机载环境的影响，无人机机载平台的处理能力相对有限。因此，在FANET设计中，还必须解决好网络带宽有限和机载预处理能力相对不足的问题。

电科小氙