無(wú)人機(jī)集群通信架構(gòu)綜述

無(wú)人機(jī)集群通信架構(gòu)綜述摘要：隨著技術(shù)和政策的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)（UnmannedAerialVehicle,UAV）對(duì)航空業(yè)的影響越來(lái)越大。無(wú)人機(jī)群有可能在沒(méi)有操作員干預(yù)的情況下，進(jìn)行任務(wù)分配并協(xié)調(diào)許多無(wú)人機(jī)的操作。本文調(diào)查了有關(guān)無(wú)人機(jī)群的文獻(xiàn)，并提出了一種利用蜂窩移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信地面站實(shí)現(xiàn)更高水平的群自治和可靠性的群架構(gòu)。該架構(gòu)的使用降低了無(wú)人機(jī)在通信范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、尺寸、重量和功率等方面的使用限制。此外，利用5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)提出建立可靠的地面站。關(guān)鍵詞：自主系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)群，無(wú)線(xiàn)通信。1、簡(jiǎn)介小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(SmallUnmannedAircraftSystems,sUAS)已成為具有潛力的、具有多種商業(yè)用途的載體工具。sUAS在沒(méi)有飛行員的情況下，可將物體、傳感器或其他用途的有效載荷帶入天空中的有效的選擇。對(duì)于載人航空，如果在飛行中發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，存在受傷或死亡的風(fēng)險(xiǎn)。使用無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)，將會(huì)降低這些風(fēng)險(xiǎn)。載人航空成本較高，購(gòu)買(mǎi)或租用通用飛機(jī)的價(jià)格昂貴；飛行員、燃料成本和維護(hù)費(fèi)用較高。由于這些原因，sUAS的實(shí)用性一直是一個(gè)有吸引力的替代方案。sUAS行業(yè)主要定位為服務(wù)行業(yè)主要用于搭載不同類(lèi)型的荷載來(lái)提供各種不同的服務(wù)。例如電影拍攝、農(nóng)業(yè)保值、電力巡檢、安全監(jiān)測(cè)(Canis2015)、測(cè)繪、紅外和多光譜成像、野外搜救等。2.無(wú)人機(jī)集群通信架構(gòu)研究現(xiàn)狀盡管無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展相對(duì)成熟，但集群無(wú)人機(jī)還處于起步階段。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的存在有效載荷輕、飛行時(shí)間短，并且需要人工通過(guò)遙控器或計(jì)算機(jī)來(lái)操作等缺點(diǎn)。對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境的任務(wù)，無(wú)人機(jī)集群相較于單無(wú)人機(jī)來(lái)更有優(yōu)勢(shì)，它解決了單無(wú)人機(jī)的局限性，并且增加了更多功能。群體通常被定義為一組行為實(shí)體，它們共同協(xié)調(diào)以產(chǎn)生期望的結(jié)果[1]。集群本身并不是一項(xiàng)新技術(shù)，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)集群主要用于燈光表演。在現(xiàn)有演示中，自主操作的水平相對(duì)較低。在傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)集群中，通過(guò)對(duì)地面站配置無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，向無(wú)人機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)群的控制。若想實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群更高的自主性，需要在無(wú)人機(jī)上搭載電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)決策。當(dāng)前的無(wú)人機(jī)群常用的通信架構(gòu)有兩種一是基于地面站的集群架構(gòu)、二是自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。2.1基于地面站的集群架構(gòu)基于地面站的集群架構(gòu)由地面站進(jìn)行控制，該地面站可以接收集群中所有無(wú)人機(jī)的信息，并且可以將指令發(fā)給所有無(wú)人機(jī)。主要分為兩種情況，一是每架無(wú)人機(jī)上都通過(guò)程序預(yù)先設(shè)定飛行軌跡，地面站僅用于觀察無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)狀態(tài)；二是地面站會(huì)實(shí)時(shí)與各個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信，向每架無(wú)人機(jī)上進(jìn)行飛行控制器?；诘孛嬲镜募杭軜?gòu)是無(wú)人機(jī)集群最常見(jiàn)的架構(gòu)[2]。該架構(gòu)依賴(lài)于地面站來(lái)協(xié)調(diào)所有無(wú)人機(jī)，這種方式缺乏冗余。如果地面站發(fā)出指令失敗或者受攻擊，整個(gè)集群會(huì)受到影響；同時(shí)也受無(wú)線(xiàn)頻段、傳輸距離和容量影響。2.2自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在文獻(xiàn)[2]中，提出了使用自組網(wǎng)來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)人機(jī)之間的通信。自組網(wǎng)是不依賴(lài)現(xiàn)有地面站來(lái)建立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)是基于動(dòng)態(tài)路由算法動(dòng)態(tài)分配的，節(jié)點(diǎn)間能相互通訊。無(wú)人機(jī)之間的相互通信，為分布式?jīng)Q策提供了基本條件，同時(shí)系統(tǒng)控制提供了了內(nèi)置冗余，可使整個(gè)集群不依賴(lài)于地面站來(lái)執(zhí)行所需的操作。要建立無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)，每架無(wú)人機(jī)都需要搭載通信設(shè)備。無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間的距離是限制無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)通信的一個(gè)因素[3]。同時(shí)無(wú)人機(jī)集群所用到動(dòng)態(tài)路由分配算法很難實(shí)現(xiàn)，不合理的路由分配會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失[4]，因此建立可靠的無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)十分困難。因此提出了一種基于地面站的混合網(wǎng)絡(luò)，利用蜂窩無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群，這種無(wú)人機(jī)集群通信架構(gòu)結(jié)合了兩種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。3.

集群架構(gòu)所提出的架構(gòu)是該地面站具有完整的無(wú)人機(jī)到無(wú)人機(jī)通信，其中每架無(wú)人機(jī)通過(guò)蜂窩移動(dòng)地面站與其他每架無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信。在該架構(gòu)中，決策分布在無(wú)人機(jī)之間，而地面站純粹用于傳輸數(shù)據(jù)。3.1第五代

(5G)

網(wǎng)絡(luò)第四代(4G)蜂窩技術(shù)擁有1Gbps的最大下載速度。5G通信系統(tǒng)將擁有10Gbps的最大下載速度，網(wǎng)絡(luò)延遲低至1毫秒。無(wú)人機(jī)通信的數(shù)據(jù)包大小一般在17到263字節(jié)之間。雖然4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足以處理這些數(shù)據(jù)包，但是5G可以允許更多數(shù)據(jù)的傳輸，例如來(lái)自機(jī)載攝像頭拍攝的視頻或來(lái)自機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)等。同時(shí)5G的低延遲的提高無(wú)人機(jī)群通信交互能力。隨著5G系統(tǒng)速度的提高和地面站的更新，性能將會(huì)提高。3.2擬議架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很多。首先，無(wú)人機(jī)可以通信的范圍實(shí)際上是無(wú)限的，只要有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方無(wú)人機(jī)之間就可以進(jìn)行通信?；诜涓C基站的可靠性，無(wú)人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和冗余性比傳統(tǒng)的依賴(lài)地面站的無(wú)人機(jī)群架構(gòu)更優(yōu)。3.3.

初步設(shè)想初步設(shè)想是使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制單個(gè)無(wú)人機(jī)、及實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)間的實(shí)時(shí)通信，包括通過(guò)無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)發(fā)送基本飛行命令。具體來(lái)說(shuō)，在無(wú)人機(jī)集群中將某架無(wú)人機(jī)定義為主無(wú)人機(jī)，剩余的無(wú)人機(jī)為從無(wú)人機(jī)。首先給主無(wú)人機(jī)預(yù)先設(shè)定飛行軌跡，當(dāng)這個(gè)主無(wú)人機(jī)開(kāi)始飛行時(shí)，從無(wú)人機(jī)接收主無(wú)人機(jī)的信息。同時(shí)，從無(wú)人機(jī)之間可以相互通信，通過(guò)設(shè)定的算法從無(wú)人機(jī)將自主跟隨主無(wú)人機(jī)，并且集群中的任何無(wú)人機(jī)都不會(huì)發(fā)生碰撞。本文的主要目的是為無(wú)人機(jī)集群的通信建立可靠的地面站。蜂窩無(wú)線(xiàn)地面站的提議有望解決在自主無(wú)人機(jī)群的初步開(kāi)發(fā)中遇到的許多限制因素，這種架構(gòu)很有前景。5.

結(jié)論本文為使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)人機(jī)群的通信地面站提供了概念級(jí)建議和文獻(xiàn)綜述。它概述了sUAS行業(yè)、無(wú)人機(jī)群的應(yīng)用?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)人機(jī)集群的使用，對(duì)推進(jìn)