王旭東，米志超，王 海

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

無人機(jī)（UnmannedAerial Vehicle，UAV）以其自身成本低、易部署、易操作、無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動性能好等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和悠久的歷史。但是，無人機(jī)支持戰(zhàn)場通信服務(wù)保障的相關(guān)研究，目前尚處于初始階段。無人機(jī)可以大大擴(kuò)展戰(zhàn)場環(huán)境中的通信范圍，克服不利地形的約束，提高通信服務(wù)質(zhì)量，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的通信支持單位。但是，單個(gè)大型無人機(jī)的能力是有限的，而小型多無人機(jī)系統(tǒng)（Multi-UAV System）網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場，滿足戰(zhàn)斗人員實(shí)時(shí)信息共享的需要。小型多無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用，比單個(gè)大型無人機(jī)系統(tǒng)具備可生存性更強(qiáng)、可擴(kuò)展性更高、完成任務(wù)更快、雷達(dá)截面小更難被發(fā)現(xiàn)等優(yōu)勢，同時(shí)也面臨著許多實(shí)際問題和獨(dú)特的挑戰(zhàn)。其中，最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)問題是多無人機(jī)間的協(xié)同通信。如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)適用于未來發(fā)展需要、穩(wěn)定可靠的多無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，成為迫切需要解決的問題。

本文介紹無人機(jī)自組網(wǎng)的概念及其特點(diǎn)，總結(jié)概括近年來無人機(jī)自組網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，主要包括物理層的無線電傳播模型和天線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈路層的MAC協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議等。

1 無人機(jī)自組網(wǎng)簡介

近年來，無人機(jī)戰(zhàn)場應(yīng)用越來越受到重視。無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將成為今后戰(zhàn)場通信重要的發(fā)展方向。無人機(jī)自組網(wǎng)（UAVAd-Hoc Network，UANET）在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生，是以傳統(tǒng)移動自組網(wǎng)（MobileAd-Hoc Network，MANET）和車載自組網(wǎng)（VehicleAd-Hoc Network，VANET）為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。UANET可以快速部署并提供安全可靠、抗干擾、抗毀性強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò)，可有效減少單個(gè)無人機(jī)的負(fù)載和開銷，同時(shí)可以輔助其他現(xiàn)有戰(zhàn)場通信方式，大幅提升無人機(jī)作戰(zhàn)平臺作戰(zhàn)半徑和作戰(zhàn)效率。

1.1 UANET基本概念

為了減少多無人機(jī)間協(xié)同通信對地面站或衛(wèi)星等基礎(chǔ)通信設(shè)施的依賴，UANET將每個(gè)無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)間能夠相互收發(fā)數(shù)據(jù)，自動連接搭建起一個(gè)無線移動多跳網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都集成了發(fā)射器、接收器和路由器功能，以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)。

1.2 UANET主要特點(diǎn)

UANET可以看作MANET和VENET的一類特殊演變形式，不但具備MANET固有的一些特點(diǎn)，還具備自身的特殊性。

1.2.1 高速移動的節(jié)點(diǎn)和動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

這是UANET和傳統(tǒng)MANET最明顯的區(qū)別。飛行中的旋翼無人機(jī)速度可以達(dá)到30～460 k m/h[1]。節(jié)點(diǎn)的高速移動會引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁更新，從而嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)通信和協(xié)議性能。此外，無人機(jī)平臺的通信丟失和視距鏈路的不穩(wěn)定性，也是導(dǎo)致鏈路中斷和拓?fù)漕l繁更新的原因。

1.2.2 稀疏的節(jié)點(diǎn)和異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)

無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在戰(zhàn)場環(huán)境的空域中稀疏分布，節(jié)點(diǎn)間大多都相距較遠(yuǎn)。在一定空域內(nèi)，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)可能分布較少，導(dǎo)致無人機(jī)節(jié)點(diǎn)密度降低。因此，網(wǎng)絡(luò)連通性至關(guān)重要。在無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會包括不同類型的無人機(jī)、飛行器或采用分級式架構(gòu)。這些場景中，節(jié)點(diǎn)間彼此都存在一定的差異性，導(dǎo)致整個(gè)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)可能是異構(gòu)互聯(lián)的。

1.2.3 無線電傳播模型的特殊性

UANET和其他移動自組網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境之間的差異會影響無線電傳播特性。MANET和VANET節(jié)點(diǎn)非常接近地面，許多情況下，發(fā)送者和接收者之間不存在視距鏈路。所以，無線電信號受地形地理結(jié)構(gòu)的影響較多。然而，UANET節(jié)點(diǎn)可能都遠(yuǎn)離地面。在大多數(shù)情況下，無人機(jī)之間存在視距鏈路，受地形地理結(jié)構(gòu)的影響較少。

1.2.4 移動模型特殊性

通常，MANET節(jié)點(diǎn)在特定地形上移動，VANET節(jié)點(diǎn)在高速公路上移動，而UANET節(jié)點(diǎn)在空中飛行。MANET通常選擇隨機(jī)路點(diǎn)移動模型，其節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇移動方向和移動速度。VANET節(jié)點(diǎn)限制在高速公路或道路上移動。因此，VANET移動模型中的節(jié)點(diǎn)具有明確的可預(yù)測性。UANET中的節(jié)點(diǎn)通常具有自身獨(dú)特的運(yùn)動規(guī)律，移動模型會對UANET的通信服務(wù)、移動性管理和整體性能等產(chǎn)生重要影響。在某些選擇全局路徑規(guī)劃的多無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用中，無人機(jī)的移動軌跡具有一定的可預(yù)測性。文獻(xiàn)[2]針對執(zhí)行偵察巡視任務(wù)的無人機(jī)開發(fā)了兩種無人機(jī)移動模型。一種是實(shí)體隨機(jī)移動模型，即依據(jù)事先指定的馬爾可夫隨機(jī)過程進(jìn)行方向控制的概率獨(dú)立性隨機(jī)運(yùn)動；另一種是分布式集群信息素排斥模型（Distributed Pheromone Repel mobility model，DPR），即根據(jù)無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中產(chǎn)生的信息素?cái)?shù)量多少來指引無人機(jī)移動，具有準(zhǔn)確、可靠的搜尋特性。文獻(xiàn)[3]針對在某一空域內(nèi)做盤旋運(yùn)動的無人機(jī)，提出了一種半隨機(jī)圓周 移 動（semi-random circular movement，SRCM）模型，依據(jù)一個(gè)二維圓形區(qū)域，推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)移動概率的近似分布函數(shù)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)無人機(jī)在飛行軌跡中需要克服急停和急轉(zhuǎn)現(xiàn)象、保持平滑航跡的應(yīng)用需求，提出了一種增強(qiáng)型高斯馬爾可夫移動模型（enhanced Gauss-Markov mobility model，EGM），通過修正GM模型中的方向偏離，可有效實(shí)現(xiàn)邊界避免機(jī)制，并獲取更貼近實(shí)際的無人機(jī)飛行航跡。文獻(xiàn)[5]提出了兩種基于圓形軌跡的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)移動模型，它們允許改變飛行高度。第一個(gè)模型捕獲所有三維之間的運(yùn)動相關(guān)性，第二個(gè)模型z維運(yùn)動（高度）獨(dú)立于其他兩個(gè)維度。文獻(xiàn)[6]提出了PPRZM模型（Paparazzi Mobility Model），給出了五種運(yùn)行狀態(tài)，分別是停留（Stay-At）、方向點(diǎn)（Way-point）、八字（Eight）、掃描（Scan）和橢圓（Oval），即通過調(diào)整不同狀態(tài)的運(yùn)行概率來執(zhí)行更多不同的任務(wù)。表1為UANET與MANET和VANET的區(qū)別總結(jié)。

表1 UANET與MANET和VANET的區(qū)別

2 UANET組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展

UANET基于無線信道且存在快速變化的無線網(wǎng)絡(luò)。無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的快速移動會引起網(wǎng)絡(luò)的波動和拓?fù)涞念l繁更新，從而導(dǎo)致UANET無法直接采用傳統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié)議。因此，針對UANET網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法需要全面考慮各方面因素，在犧牲最小性能的前提下確保網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

2.1 物理層

物理層處理基本的信號傳輸技術(shù)，如調(diào)制解調(diào)或信號編碼。各種數(shù)據(jù)比特序列可以通過改變信號的頻率、幅度和相位，用不同的波形表示?？傮w而言，在物理層中，數(shù)據(jù)比特被調(diào)制為正弦波形，并利用天線發(fā)送到空中。為了開發(fā)適用于UANET的穩(wěn)定、可持續(xù)的數(shù)據(jù)通信體系結(jié)構(gòu)，物理層必須提供可靠支持。其中，研究無線電傳播模型和天線結(jié)構(gòu)是影響UANET物理層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

2.1.1 無線電傳播模型

電磁波從發(fā)射機(jī)發(fā)出后，通過無線信道到達(dá)接收機(jī)。無線電波傳播的特征表示為一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，稱為無線電傳播模型。與其他類型的無線網(wǎng)絡(luò)相比，UANET環(huán)境在無線電傳播方面有幾個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)：通信距離的變化；天線輻射圖中通信對的方向；地面反射效應(yīng)；無人機(jī)平臺和機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)生的陰影；機(jī)身姿態(tài)（俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等）對無線鏈路質(zhì)量的影響；環(huán)境條件；干擾和敵對干擾。

由于上述因素，通信鏈路在UANET中隨著時(shí)間推移表現(xiàn)出不同的質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]研究了無人機(jī)之間、無人機(jī)到地面和地面到無人機(jī)通信鏈路的特征。這項(xiàng)研究中，對每種鏈路類型、自由空間和兩個(gè)地面的近似模型進(jìn)行比較。當(dāng)無人機(jī)接近地面時(shí)，觀察到灰色區(qū)域的存在?；疑珔^(qū)域表明，無人機(jī)到無人機(jī)鏈路的無線電傳播模型類似于雙射線地面模型，且UANET協(xié)議的設(shè)計(jì)必須意識到由于衰落造成的灰色區(qū)域的存在。文獻(xiàn)[8]研究了無人機(jī)之間通信的信道建模問題。研究中觀察到無人機(jī)之間的無線信道的誤差統(tǒng)計(jì)是非平穩(wěn)的。根據(jù)無人機(jī)之間距離的變化，提出了一個(gè)雙態(tài)馬爾科夫模型，以結(jié)合研究適用于強(qiáng)視線路徑的Rician衰落的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該無線電模型能夠模擬非平穩(wěn)誤差統(tǒng)計(jì)下的分組丟包。文獻(xiàn)[9]提出基于Nakagami-m的無線電傳播模型用于UANET通信。該模型估計(jì)了覆蓋衰落效應(yīng)的多徑環(huán)境的接收信號強(qiáng)度，并將其表示為兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)——平均接收無線電強(qiáng)度和衰落強(qiáng)度。此外，針對合作無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出Nakagami-m衰落信道上的中斷概率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。文獻(xiàn)[10]中，基于多載波中繼的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能分析，在衰落信道上進(jìn)行分析建模，給出了無人機(jī)之間和無人機(jī)對地面站鏈路中斷概率的一般分析公式。文章指出，衰落信道模型應(yīng)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境來選擇。例如，瑞利衰落可能更適合于低空擁擠區(qū)域應(yīng)用，而有高衰落參數(shù)的Nakagami-m和威布爾衰落最適合高空開放空間任務(wù)。

2.1.2 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)是高效UANET通信體系結(jié)構(gòu)的最重要因素之一。無人機(jī)之間的距離相對更遠(yuǎn)，且直接影響UANET天線結(jié)構(gòu)。雖然可以使用更高功率的無線電來克服這個(gè)問題，但是在更遠(yuǎn)距離上仍然會出現(xiàn)高鏈路損耗和變化。為了克服這種現(xiàn)象，可以部署多個(gè)接收器節(jié)點(diǎn)，以利用無線信道的空間和時(shí)間分集來提高分組傳送速率。結(jié)果表明，無人機(jī)接收器節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間尺度上表現(xiàn)出較差的分組接收相關(guān)性，最終需要使用多個(gè)發(fā)射器和接收器提高分組傳送速率。天線類型是影響UANET性能的另一個(gè)因素。文獻(xiàn)中為UANET應(yīng)用部署了兩種類型的天線——定向和全向天線。全向天線在全方位輻射接收功率，而定向天線可以通過期望的方向收發(fā)數(shù)據(jù)。

全向天線的優(yōu)點(diǎn)是可以全方位輻射功率，不需要知道節(jié)點(diǎn)位置信息，但通信范圍和空間復(fù)用之間有一個(gè)折衷。定向天線的優(yōu)點(diǎn)是傳輸范圍比全向天線的傳輸范圍更大。對于UANET來說，這是一個(gè)重要的優(yōu)勢。較長的傳輸范圍減少跳數(shù)，且可以降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。尤其是在實(shí)時(shí)UANET應(yīng)用中，時(shí)延是最主要的設(shè)計(jì)因素之一?；诙ㄏ蛱炀€的系統(tǒng)，可以同時(shí)處理UANET的通信范圍和空間復(fù)用的問題。它可以增加通信范圍，但不會限制空間復(fù)用。定向天線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相對于全向天線具有更高的安全性，抗干擾能力更強(qiáng)。表2為全向天線和定向天線的對比。

表2 全向天線和定向天線的對比

2.2 MAC協(xié)議

MAC協(xié)議的質(zhì)量直接影響有限帶寬的資源效率，并對UANET的通信性能產(chǎn)生重要影響。目前，UANET的MAC協(xié)議面臨如下問題：

（1）由于節(jié)點(diǎn)高移動性導(dǎo)致的鏈路質(zhì)量變化頻繁和節(jié)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)造成信道中斷；

（2）多跳共享廣播信道會帶來嚴(yán)重的報(bào)文沖突問題；

（3）由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)功率、節(jié)點(diǎn)所處地理位置的差異、周圍環(huán)境的差異等因素影響，可能造成單通信道，嚴(yán)重影響MAC協(xié)議的性能；

（4）由于無線信道本身的物理特性，以及報(bào)文沖突、信號衰減、信道噪聲等因素，信道實(shí)際可用帶寬非常有限，會遠(yuǎn)小于理論設(shè)計(jì)的最大帶寬。

MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)要求：要有更高的空間復(fù)用能力，以實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)通信需求；由于報(bào)文沖突將嚴(yán)重影響無線信道的利用效率，因此需要提供沖突避免和解決方案；應(yīng)該降低對硬件設(shè)備的依賴，即不能對無線收發(fā)機(jī)做太多假設(shè)，從而讓任何滿足基本功能假設(shè)的設(shè)備都能采用該MAC協(xié)議。

在唐宋詞中，“憑欄”意象高頻出現(xiàn)，有其主要的社會淵源。憑欄又可作憑闌，或者倚欄桿，抑或倚樓。憑欄應(yīng)該說是作者心靈寄托的一種表現(xiàn)。在宋代，前期由于社會安定國家統(tǒng)一，所以意象多見于思婦懷人，繼承了唐代溫庭筠的花間詞派的影響，后期由于社會動蕩，多數(shù)表現(xiàn)作者壯志難酬、家仇國恨以及羈旅思鄉(xiāng)之情。

2.2.1 基于定向天線的MAC協(xié)議

定向天線大大增加了通信距離，抗干擾能力增強(qiáng)，有較大的前向增益。定向天線還帶來了獨(dú)特的設(shè)計(jì)問題，特別是對于MAC層。雖然現(xiàn)有的大多數(shù)定向天線MAC層都是針對MANET和VANET提出的，但也有少數(shù)關(guān)于定向天線的UANET的MAC層設(shè)計(jì)的研究。文獻(xiàn)[11]中，Alshbatat和Dong提出了無人機(jī)自適應(yīng)MAC協(xié)議方案（AMUAV）。AMUAV通過其全向天線發(fā)送其控制包（RTS、CTS和ACK），而DATA包則由定向天線發(fā)送，證明了基于定向天線的AMUAV協(xié)議可以提高多無人機(jī)系統(tǒng)的吞吐量、端到端時(shí)延和誤碼率。

2.2.2 具有全雙工無線電和多分組接收的MAC協(xié)議

在傳統(tǒng)無線通信中，接收和發(fā)送不能同時(shí)進(jìn)行。隨著無線電電路的最新進(jìn)展，現(xiàn)在可以在同一個(gè)信道上實(shí)現(xiàn)全雙工無線通信。另一個(gè)關(guān)于傳統(tǒng)無線通信的限制是數(shù)據(jù)包接收。如果有多個(gè)發(fā)件人，則接收機(jī)無法正確接收發(fā)送來的數(shù)據(jù)。然而，在多分組接收（Multi-Packet Reception，MPR）無線電電路的幫助下，使得來自多個(gè)信號源的數(shù)據(jù)接收成為可能。全雙工和MPR無線電電路對UANET的MAC層有重大影響。信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）是全雙工無線電最重要的參數(shù)之一。在高度動態(tài)的環(huán)境中，幾乎不可能確定完美的CSI。文獻(xiàn)[12]中，提出了一種新的基于標(biāo)記的UANET MAC層協(xié)議，具有全雙工和多分組接收（MPR）無線電，目的在頻繁更新CSI，以便無人機(jī)可以隨時(shí)獲得最新的CSI信息。CSI更新的基于令牌的結(jié)構(gòu)，消除了數(shù)據(jù)包沖突。性能結(jié)果顯示，提出的MAC協(xié)議性能較為突出。

2.3 路由協(xié)議

路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的主要功能。UANET中節(jié)點(diǎn)之間的通信服務(wù)通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，這將需要路由協(xié)議決定如何進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。但是，由于UANET特有的問題，如鏈路質(zhì)量的快速變化和節(jié)點(diǎn)的高速移動性等，大多數(shù)MANET路由算法對于UANET并不理想。

2.3.1 基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議

基于拓?fù)涞穆酚煽煞譃橹鲃邮胶捅粍邮?，其根?jù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息傳輸數(shù)據(jù)。它的運(yùn)行原理是通過跳數(shù)（Hop）尋找最短可用路徑，但在較大型網(wǎng)絡(luò)和高度動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中無法保證數(shù)據(jù)包的傳輸速率。為了滿足高動態(tài)UANET的通信需求，提出了許多可行的路由協(xié)議。

（1）主動式路由

文獻(xiàn)[15]提出了使用GPS信息的預(yù)測OLSR，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的相對速度，測量預(yù)期傳輸計(jì)數(shù)（ETX），然后通過它進(jìn)行輔助路由決策。該協(xié)議有效解決了UANET頻繁切換路由引起的數(shù)據(jù)包丟失問題。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)移動性和負(fù)載感知的OLSR協(xié)議，稱為ML-OLSR協(xié)議。該算法將節(jié)點(diǎn)移動性和負(fù)載感知算法引入OLSR協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了更好的傳輸性能和更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

Linhua Ma[17]提出了一種用于高速移動航空網(wǎng)絡(luò)的鏈路感知OLSR（OLSR-LA）路由協(xié)議。該協(xié)議通過使用收到的2個(gè)連續(xù)的Hello數(shù)據(jù)包中煩人多普勒頻率和其他信號特征，推算2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的相對移動速度和移動趨勢，以及2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的鏈路保持時(shí)間。通過鏈路感知，使用負(fù)載均衡算法來避免擁塞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化算法能有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，降低數(shù)據(jù)包端到端時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。此外，文獻(xiàn)[18]提出NCR-OLSR路由協(xié)議，通過引入鄰居變化率（Neighbors Change Rate，NCR）的概念，充分利用局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)化MPR選擇算法，提升傳輸穩(wěn)定性和成功率。

（2）反應(yīng)式路由

反應(yīng)式路由協(xié)議旨在克服維護(hù)路由表引起的路由開銷問題。AODV（Ad-Hoc按需距離矢量路由）是一種Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的典型無源路由協(xié)議。AODV在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路徑上廣播以查找消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到路由并查找消息時(shí)，它會檢查本地節(jié)點(diǎn)是否是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)響應(yīng)路由請求；否則，將源節(jié)點(diǎn)地址加入到本節(jié)點(diǎn)的路由表中并轉(zhuǎn)發(fā)該消息。文獻(xiàn)[19]為UANET提出了AODV的時(shí)隙版本。當(dāng)AODV以隨機(jī)接入模式發(fā)送其控制分組時(shí)，按時(shí)間點(diǎn)播的協(xié)議使用專用時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)分組。仿真結(jié)果指出，它可以有效減少數(shù)據(jù)包沖突，并提高數(shù)據(jù)包傳輸率。

文獻(xiàn)[20]提出了IMAODV（改進(jìn)的AODV）路由協(xié)議。該協(xié)議改進(jìn)了Hello消息機(jī)制和路由修復(fù)機(jī)制，同時(shí)改進(jìn)MAC層，允許節(jié)點(diǎn)具有監(jiān)聽功能，旨在高速運(yùn)動條件下建立穩(wěn)定可靠的路由，減少數(shù)據(jù)包端到端傳輸時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)可用帶寬。文獻(xiàn)[21]同樣基于AODV協(xié)議，在路由查找過程中使用最小跳數(shù)的原則，使用路由更新、路徑長度和路徑可靠性來進(jìn)一步優(yōu)化路由。

文獻(xiàn)[22]提出了AODV-NM路由協(xié)議，協(xié)議基于節(jié)點(diǎn)移動性和可用鄰居數(shù)量，并通過設(shè)定門限值來確定鏈路質(zhì)量，可以選擇準(zhǔn)確可靠的路由。文獻(xiàn)[23]介紹了一種新的基于輔助維護(hù)的改進(jìn)AODV路由協(xié)議，稱為CSE-AODV路由協(xié)議。在CSEAODV協(xié)議中，為了提升局部修復(fù)的速度和修復(fù)率，優(yōu)化了AODV協(xié)議的動態(tài)TTL估計(jì)算法，并設(shè)計(jì)了輔助節(jié)點(diǎn)的維護(hù)機(jī)制。同時(shí)，為了提高路徑的穩(wěn)定性和優(yōu)化路徑選擇機(jī)制，增加了基于快速局部路由算法的鏈路穩(wěn)定性度量機(jī)制和穩(wěn)定性閾值觸發(fā)機(jī)制。

動態(tài)源路由（DSR）是一種簡單而有效的反應(yīng)式路由算法，文獻(xiàn)[24]中開發(fā)了帶有動態(tài)源路由（DSR）[25]協(xié)議的UANET測試平臺，并針對UANET提出了一種優(yōu)化的UAV-DSR算法，可以根據(jù)不同的阻塞狀態(tài)和能量等級，建立相應(yīng)的RREQ響應(yīng)策略。文獻(xiàn)[26]提出REDSR協(xié)議，對于強(qiáng)信號UANET限制了最大跳數(shù)的路由請求，可以節(jié)省本地節(jié)點(diǎn)的存儲空間，減少路由開銷。文獻(xiàn)[27]提出UEDSR協(xié)議來研究小型無人機(jī)的任務(wù)，引入了能量均衡機(jī)制，可以有效減少熱點(diǎn)過多的能量消耗，并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

2.3.2 基于位置的路由協(xié)議

基于地理位置的路由協(xié)議是為移動Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)提出的一種新穎的路由設(shè)計(jì)策略。它根據(jù)最短距離或最近的方向確定下一跳節(jié)點(diǎn)?；诘乩砦恢玫穆酚蓞f(xié)議可以實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)、分布式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)樗恍枰紤]全局鏈路狀態(tài)。因此，它更適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[28]表明，當(dāng)與基于拓?fù)涞穆酚杀容^時(shí)，貪婪周邊無狀態(tài)路由（GPSR）協(xié)議性能更優(yōu)越。文獻(xiàn)[29]開發(fā)了一種基于位置的路由協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)框架，驗(yàn)證了GPSR協(xié)議適用于節(jié)點(diǎn)密度較大的UANET，但在節(jié)點(diǎn)密度較小的網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)較差。

文獻(xiàn)[30]介紹了地理位置移動導(dǎo)向路由（GPMOR），使用高斯—馬爾可夫移動模型來預(yù)測節(jié)點(diǎn)移動，并選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[31]中的UANET傳統(tǒng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略，當(dāng)發(fā)生路由漏洞時(shí)采用分組恢復(fù)策略。文獻(xiàn)[32]提出了用于UANET的多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)母倪M(jìn)GPSR協(xié)議。在選擇最佳下一跳時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)位置、相對移動速度和移動方向等因素。此外，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的反饋信息，實(shí)現(xiàn)全局路徑最優(yōu)化。

文獻(xiàn)[33]提出負(fù)載平衡地理路由（LBGR）協(xié)議，適用于三維高動態(tài)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議將以“到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信范圍以內(nèi)的時(shí)間”作為主要路由決策依據(jù)，代替GPSR使用的“最接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)”決策原則，以提高高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的有效性環(huán)境路線選擇和可靠性。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間流量合理分配，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡，有效減少了擁塞問題。GRAA（航空器Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的地理路由協(xié)議）[34]根據(jù)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置信息和速度信息，在一段時(shí)間后選擇到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最近節(jié)點(diǎn)作為下一跳路由選擇的依據(jù)。

文獻(xiàn)[35]提出基于節(jié)點(diǎn)移動預(yù)測的MPGR（基于移動性預(yù)測的地理路由）。該協(xié)議通過鄰居節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)之間的距離以及鄰居節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，判斷下一跳路由選擇。在DGLAR（Dynamic Geographic LoadAware Routing，動態(tài)地理負(fù)載感知路由）[36]中，路由選擇考慮了節(jié)點(diǎn)相對運(yùn)動速度和數(shù)據(jù)擁塞，定義了一個(gè)新的度量標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境調(diào)整動態(tài)路由因子。但是，根據(jù)具體的理論，實(shí)際應(yīng)用中很難獲得有效的路由因子。

2.3.3 分級路由協(xié)議

為解決網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性問題，開發(fā)了另一組用于UANET的分級路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)不同任務(wù)區(qū)域的集群組成。每個(gè)集群都有一個(gè)簇首（Cluster Head，CH），且集群中的所有節(jié)點(diǎn)都在CH的直接傳輸范圍內(nèi)。CH與上層無人機(jī)或衛(wèi)星直接或間接連接形成分級網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)任務(wù)區(qū)域很大時(shí)，該模型可以產(chǎn)生更好的性能結(jié)果。分級路由最重要的設(shè)計(jì)問題之一是集群的形成。

移動性預(yù)測分級協(xié)議是為UANET開發(fā)的分級形成算法[37]。UANET節(jié)點(diǎn)的高移動性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頻繁的集群更新，且移動性預(yù)測集群目的是通過預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓聛斫鉀Q這個(gè)問題。它通過字典Trie結(jié)構(gòu)預(yù)測算法[38]和鏈路到期時(shí)間移動性模型，預(yù)測無人機(jī)的移動結(jié)構(gòu)。它需要這些模型的加權(quán)總和，且其鄰居中具有最高權(quán)重的無人機(jī)被選為CH。仿真研究表明，這種CH選擇方案可以增加群組和CH的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[39]中，提出了另一種用于無人機(jī)組網(wǎng)的分級算法。它首先在地面上構(gòu)建集群，然后在多無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行期間更新它。地面分級規(guī)劃計(jì)算分級方案，然后根據(jù)地理信息選擇CH。部署無人機(jī)后，根據(jù)任務(wù)信息調(diào)整集群結(jié)構(gòu)。仿真研究表明，它可以有效提高穩(wěn)定性，保證動態(tài)組網(wǎng)的能力。表3為路由協(xié)議分類匯總。

表3 路由協(xié)議分類匯總

3 結(jié) 語

近年來，UANET受到廣泛關(guān)注，因?yàn)樗哂懈蟮牟僮鞣秶⒏鼜V闊的應(yīng)用場景和完成更復(fù)雜的任務(wù)等優(yōu)勢。但是，UANET的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)涉及到諸多方面的先進(jìn)技術(shù)，面臨著諸多不同的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而通信服務(wù)問題是UANET極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題之一。本文從移動性、節(jié)點(diǎn)密度、拓?fù)渥兓o線電傳播模型和移動模型等方面，討論了UANET和其他Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)類型之間的差異，以分層方式介紹了近年來有關(guān)UANET的相關(guān)研究。其中，物理層的特性直接影響其他層的設(shè)計(jì)和整體UANET性能?，F(xiàn)有的與UANET物理層相關(guān)的研究，主要集中在無線電傳播模型和天線結(jié)構(gòu)上。MAC協(xié)議的質(zhì)量直接影響有限帶寬的資源效率，并對UANET的通信性能產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)有的一些MAC層研究中使用定向天線技術(shù)或者全雙工無線電技術(shù)有效降低報(bào)文沖突，提升了整體網(wǎng)絡(luò)性能。路由協(xié)議的質(zhì)量直接影響了通信服務(wù)中數(shù)據(jù)傳遞的效率和性能?，F(xiàn)有的路由協(xié)議研究針對不同的應(yīng)用場景和需求設(shè)計(jì)了不同的路由協(xié)議，各有優(yōu)劣。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的需求，選取不同方式的路由協(xié)議。