无人机宽带自组网技术分析

随着无人机技术、通信技术和网络技术的发展，无人机运用也越来越广泛，其运用领域已经覆盖工业、农业、遥测、巡检、应急、消防、军事等众多军民领域。在军用领域，空中无人化作战平台成为未来重要的作战力量，多无人机协同作战将成为未来无人机作战应用的必然趋势，将在战争中起着越来越重要的作用。以Ad hoc为技术基础的分布式无中心的IP网络是多无人机协同作战的通信基础，可以支撑各种信息的快速交互共享，实现协同感知、协同处理、协同决策和协同打击，从而大提高无人机的生存能力和整体作战效能。

无人机集群协同

无人机通信组网的发展趋势将是以Ad hoc技术为基本网络架构。美国国防部早在2005年发布的《无人飞行器发展路线图》中已经专门阐述了这一发展趋势，在后面的几版中也重复强调了这一发展趋势。美军之所以如此重视，是因为Ad hoc技术的应用可以使得多架无人机快速形成一个分布式、无中心的多跳路由中继的自组织网络，具有自组织、自恢复、高抗毁的能力，大大扩展无人机群的探测范围，有效提高无人机群协同感知和信息共享能力，从而提升协同处理、协同决策和协同打击的能力。

美军在该领域的应用研究可以说已经领跑多年，TTNT和其简化演进版QNT是以Ad hoc技术和IP架构为基础的战术数据链，在组网规模、传输速率、传输时延、网络扩展性、抗干扰等方面的技战术性能优越，形成了强大的作战协同能力，大大扩展了作战样式。相关资料显示，这两型数据链在无人机协同、空地协同、机弹协同、弹弹协同、X47B着舰、无人机空中加油等方面得到应用。

这里将Ad hoc技术称为自组网技术，以自组网技术为基础的多无人机通信网络称为无人机自组网。经过国内广大科研工作者近20多年研究和实践，投入实用的无人机自组网应用系统还不是很多，其原因有如下几点：

一是网络高动态分布式特性。 网络拓扑会不断发生变化，给信道资源分布式分配和路由快速发现和建立带来很大的困难；

二是无线信道资源的有限性。 MAC协议和路由协议要以尽量少的控制开销来提高信道资源的利用率，有效支撑节点的迟入网和动态退出的条件下动态分配无线信道资源。

三是数据传输****QoS 保障。 在多跳自组网中进行MAC协议和路由协议的优化设计过程中，如何保证各种业务对传输时延、传输速率、传输误包率的不同要求，多参量多目标优化条件下的信道资源的动态分配和传输路由优化选择是一个较为困难的事。

四是作战应用电磁环境的复杂性。 尤其是在有故意干扰的电子对抗环境中，通信链路质量的下降给无人机自组网的整体性能带来极大的不利影响，要求物理层通信波形、数据链路层的MAC协议要能够应对电磁干扰，通信波形要一般采用扩频（跳频、直扩）或智能选频等抗干扰技术，以及强大的纠错编码能力来保证通信链路质量。物理层通信波形要能够对电磁环境进行认知，MAC协议要能够对信道资源进行认知，路由协议要能够对网络拓扑进行认知，并在认知的基础上设计使用合适的抗干扰技术、信道资源分配策略和路由策略。

无人机自组网关键技术，这里要强调的是无人机通信组网部分，不包括应用层的载荷任务部分。

一是物理层通信波形的抗干扰技术。 无人机自组网的军事应用必然要能够应对复杂的电磁环境，能够躲避敌方的干扰，或者消除干扰对通信带来的不利影响，从而保障己方的正常通信。通信抗干扰技术主要有扩频技术和自适应选频技术，其中扩频包括传统的跳频、直扩和扩跳等抗干扰技术。

跳频简而言之就是网络内所有电台的通信载波频率在预先设定的跳频集中按照特定的伪随机序列所控制的跳频图案进行同步跳变，达到抗截获和抗干扰通信的目的。自适应选频采用认知无线电技术对预设的候选频点进行干扰认知和通信质量实时评估，当前工作频点受到干扰、通信质量下降后，可以迅速选择未被干扰的通信质量最好的频率进行通信。

对于自组网系统来说，宽带高速跳频不但要需要解决传统全连通网络的载波同步、位同步、帧同步，还要实现在多跳条件下的全网时间同步和跳频图案的同步，技术实现难度大。对于自适应选频来说，如何实时对预设候选频点（信道）进行通信质量评估，并在当有干扰时，全网如何快速同步切换收敛到通信效果最好的频点，是无人机自组网能够应用于军事领域首先要解决的关键技术。

二是数据链层的****MAC 协议。 在多年的教学科研过程中，我习惯称之为信道接入控制协议/技术，对于无人机自组网而言，就是如何在无中心节点协调的条件下，采用分布式算法动态快速给各个节点分配合适的信道资源，既要达到各个节点公平、高效接入使用有限的信道资源，又要达到低时延、高可靠、高吞吐量的目标，这是无人机自组网要攻克的关键技术和难点之一。

三是网络层的路由协议。 无人机自组网中节点的高速移动，使得网络拓扑不断变化，如何设计一种快速、高效、扩展性好、动态适应能力强的路由算法，具有入网快、路由切换快、收敛快、控制开销小的优良特性，是无人机自组网另一个要攻克的关键技术和难点。

四是****QOS 技术。 现有自组网电台研发过程中大多进行了跨层设计，在MAC协议和路由协议的设计过程中会用到物理层的信号强度指示，误码率等参数，也会融合传输层中的QOS和拥塞控制技术，同时采用一些功率自适应、调制自适应、编码自适应、速率自适应技术，来保证各种业务对时延、速率、丢包率的不同要求。

经过长期的攻关研发改进，T3S和T3M系列电台硬件上基于SDR平台打造，FPGA使用Xilinx的Zynq 7020/7035芯片，ADC采用ADI公司的AD9363/AD9361芯片，具有自适应选频和宽带跳频两种抗干扰功能，非常适合应用于复杂的电磁环境，应对无意或有意的通信干扰，并且综合采用了COFDM、MIMO、分集接收、时隙资源动态分配算法（动态TDMA）、QOS动态路由协议、调制编码自适应、速率自适应、认知无线电等技术，信道估计与均衡、载波同步等技术，具有组网规模大、传输速率高、通信距离远、频率范围宽、抗干扰能力强、通信组网稳定、入网/退网快、动态适应强、可扩展性强、通信安全保密、IP语音清晰、接口丰富、可定制性强等优良特性。单频支持64个节点同时在线稳定组网，峰值速率可达50+Mbps@10MHz、100+Mbps@20MHz，接收灵敏度可达-103dBm，视距通信距离可达300+km，支持UDP组播和广播，VLAN透传，二层路由和三层路由协议可选，提供产品形态、尺寸、频率、功率、接口、协议、配置管理、100%国产化等软硬件深度定制服务。经过众多项目的实践证明，该系列电台信息传输已经达到了协同控制级，非常适合无人集群组网应用。