周奕捷

【摘 要】无人机集群通信技术是无人机群组网的关键技术之一。随着无人机作业自主性、智能化、多任务等方面要求的提高，无人机从单机作业发展到机群组网，组网通信也遇到了数据传输量剧增、静态的频谱分配效率不高、机群系统性能下降等问题。文章根据无人机群作业需求，梳理了星形组网、网状自组网和分层混合组网等通信组网模式，并根据无人机群组网的特点总结出认知无人机通信技术、大规模高动态无人机组网路由技术、物理层安全传输技术、能量有效通信技术等关键技术，对无人机群通信的频谱资源分配、供能受限、物理层通信安全等关键问题归纳了可行的解决方法，并阐述了无人机群通信未来的发展趋势。

【关键词】无人机;集群;组网模式;认知通信;发展趋势

【中图分类号】V279 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0130-03

近年来，无人机平台的发展取得了长足的进步，出现了各种性能优异的无人机。但是，由于无人机自身尺寸与载重能力有限，无人机难以携带一些体积较大、质量较重的作业载荷，这就限制了无人机作业的精度及范围。特别是随着无人机应用对自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，无人机单机作业效能和智能水平已逐渐无法满足任务应用需求。基于此，出现了无人机集群作业的理念，即通过多架无人机携带相同的载荷来增大无人机作业的范围，通过所携带的不同载荷相互配合来提高无人机作业的精度。无人机集群遥感观测的另一个作用是选取一部分无人机作为通信中继无人机。传统的通信中继方法有卫星网络中继、地面基站中继等，这些方法都存在部署不够灵活、依赖于现有的通讯工具等缺点。通过无人机集群的方式，部分无人机充当通信中继无人机，部分进行作业任务，可提高无人机作业信息传输距离。此外，单机飞行，有限的能量供给限制了飞行距离、作业范围，同时容易遭受各种网络攻击，通信可靠性不高。在此背景下，将多架无人机组成无人机群通信网络可有效提高无人机通信的可靠性，是未来无人机组网的发展方向。

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。采用无人机群技术，可以快速有效地完成任务，同时整个系统具备较强的抗毁性、功能分布化等优势。

1 国内外无人机集群组网现状

无人机集群是目前无人机发展的一个重要方向，该方法的产生来自对自然界生物集群现象的研究。早在2000年，美国国防部就开始了一个名为无人机集群空中战役的研究计划，该计划通过对蚁群信息素的模拟来实现对无人机行为的控制。美国联合部队司令部于2002年对无人机集群的作战效率和适合类型进行了研究，得出结论：无人机集群对一些简单任务的作战效率较高，这些任务所需行为简单，但是任务量大，紧靠单架无人机难以完成，如区域搜索、攻击及侦查等任务。之后，美国空军通过对生物进化理论对无人机集群行为进行了研究，并进行了仿真实验。该研究中，将每架无人机视为生物个体，无人机之间不断优胜劣汰的自然选择及遗传变异，使无人机群体结构不断进化，直到无人機群体能够适应当前任务环境。

在完成无人机群体行为的理论研究后，美国对无人机集群的研究逐渐向实验转变。通过无人机编队飞行来实现无人机群体的控制。2008年，美国宾夕法尼亚大学的研究人员成功实现了16～20架小型四旋翼无人机的室内编队飞行，该编队队形可变化，并可以实现无人机协同飞行，航迹规划，以及避障等行为。在完成室内无人机群体飞行后，研究人员开始探索室外无人机集群飞行的能力。2011年，Hauert等研究人员通过对Boids模型进行研究，在其基础的3条规则上增加迁移控制，从而实现了无人机集群自主室外飞行。但是，为了简化模型，该实验中无人机通过控制飞行高度不同来实现相互之间的规避，未能完全实现无人机个体之间的避障。Timothy Chung团队设计无人机之间利用无线自组织网络进行信息交互，通过领航—跟随者模式进行控制，最终实现了50架无人机的集群飞行。

除美国外的其他国家也对无人机集群进行了一定的研究。2014年，匈牙利一些研究人员对无人机集群分布式控制进行了研究，设定四旋翼无人机与邻近无人机之间进行信息交换，最终实现10架无人机的自主飞行。

我国在无人机集群的研究上也取得了一定的进展，2016年11月在珠海航展上，中国电子科技集团公司公布了67架规模的无人机集群编队飞行原理验证测试，2017年6月，中国电子科技集团通过现场实验实现了数量高达119架固定翼无人机的集群飞行。2018年5月，1 374架无人机从西安古城墙起飞，在空中编队进行灯光秀表演出现问题，这说明我国无人机集群的研究还存在许多问题，并不能达到实际应用的程度。

虽然无人机集群组网作业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，在机型多样化、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问题，都是值得深入研究。

2 无人机集群组网通信模式

无人机群组网通信是实现无人机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，同时尽可能减少通信时延，保障无人机之间的实时通信。无人机群在执行任务时，单机节点受到破坏，退出机群，使得无人机群自组网网络架构和拓扑发生变化，无人机群自组网在满足机群间正常通信需求的同时，还要完成无人机群网络的动态重构。同时，涉及一些关键环节的授权和认证，需要无人机群能够实时、准确响应这些指令。

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。无人机群组网通信主要有以下3种组网模式。

2.1 星形组网

星形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通;无人机间以地面站为中心进行交互通信。当无人机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，星形组网模式比较合适。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。

2.2 网状自组网

无人机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链接到地面中心站时，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時，适合采用网状自组网。由于无人机群网络较复杂，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。

2.3 分层混合组网

分层组网采用地面站为星形网络中心站，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。

3 无人机集群组网涉及的主要关键技术

3.1 认知无人机通信技术

无人机群组网作业时，高速的移动性和任务实时的变化，无人机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群网络提供更高的系统容量、更宽的覆盖范围。

3.2 大规模高动态无人机组网路由技术

无人机集群的高速移动性使得组网拓扑动态多变，单个无人机自由接入或退出通信子网导致通信质量因频繁组网而不断波动，给无人机集群组网技术带来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。

3.3 物理层安全传输技术

无线信道的开放性及衰落特性，容易受到不利因素的影响，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群组网通信中去。

3.4 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，其主要包括以下2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对功率进行合理分配，文献[5]给出了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。

4 无人机集群通信网络未来发展趋势

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，但是无人机群通信网络的研究还处于起步阶段，无人机群通信网络将成为无人机和无线通信领域的研究热点。

4.1 无人机群通信技术发展趋势

（1）安全化趋势。无人机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）小型化和低功耗趋势。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）通用化和标准化趋势。无人机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）智能化趋势。无人机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，增强了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。

4.2 无人机群通信系统架构发展趋势

未来，无人机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，满足未来无人机群组网通信需求，通过对无人机集群组网模式和主要关键技术的阐述，分析了无人机集群组网的发展趋势，为无人机集群组网技术的发展提供了建设性的意见。

参 考 文 献

[1]彭晖，吴亚超.无人机通信技术研究[J].警察技术，2019（1）：34-37.

[2]刘倩，梁志海，范慧芳.浅谈无人机遥感的发展及其行业应用[J].测绘与空间地理信息，2016（6）：167-169.

[3]刘昕.军用无人机自组网技术研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[4]宋怡然，申超，李东兵.美国分布式低成本无人机集群研究进展[J].飞航导弹，2016（8）：17-22.

[5]王东，张广正，穆武第.多无人机协同作战通信自组网技术[J].飞航导弹，2012（1）：59-63.

[6]欧阳瑞斌.无人机群通信技术研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[7]吴平，唐文照.无人机集群数据链组网技术研究[J].空间电子技术，2012（3）：61-64.

[8]周逊.基于Ad Hoc的无人机网络及其路由协议研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[9]ZHENG Tongxing，WANG Huiming.Optimal power allocation for artificial noise under imperfect CSI against spatially random eavesdroppers[J].IEEE Tr-ansactions on Vehicular Technology，2016（10）：8812-8817.

[10]施君宇，彭美璇，丁雪雯.一种无人机群网络安全通信实现及验证方法[J].通信技术，2018（10）：2470-2475.

[责任编辑：陈泽琦]