無人機的MANET路由協(xié)議

隨著無人機技術(shù)和空中交通管理的進步，機載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得越來越重要，如物流配送、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、災(zāi)害響應(yīng)等。這些應(yīng)用對無人機之間的通信以及無人機與地面站之間的通信提出了更高的要求。傳統(tǒng)的固定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)由于其依賴于預(yù)設(shè)的基站和路由器，無法滿足無人機動態(tài)變化的通信需求。因此，移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）作為一種自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成為了無人機機載網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。本文將詳細介紹無人機機載網(wǎng)絡(luò)的組成、空中網(wǎng)絡(luò)的獨特挑戰(zhàn)，并探討適用于這種環(huán)境的MANET路由協(xié)議。

01、無人機機載網(wǎng)絡(luò)

無人機機載網(wǎng)絡(luò)是由多個關(guān)鍵組件構(gòu)成的一個復(fù)雜系統(tǒng)，包括機載節(jié)點（AN）、地面站（GS）和中繼節(jié)點（RN）。每個組成部分在確保無人機能夠高效、安全地執(zhí)行任務(wù)方面都發(fā)揮著重要作用。

機載節(jié)點（AN）

這是指安裝在無人機上的通信設(shè)備或系統(tǒng)。機載節(jié)點不僅負責與其他無人機或地面站進行數(shù)據(jù)交換，還可以作為移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的一部分參與信息傳遞。例如，在無人機群集操作中，每架無人機作為一個機載節(jié)點，通過無線鏈路與其它無人機和地面站保持聯(lián)系，實現(xiàn)協(xié)同工作。

地面站（GS）

地面站是整個無人機機載網(wǎng)絡(luò)的核心控制中心。它負責監(jiān)控無人機的狀態(tài)、收集來自不同無人機的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要向它們發(fā)送指令。此外，地面站還承擔著維護網(wǎng)絡(luò)安全的重要職責，確保敏感信息不被未授權(quán)方訪問。對于復(fù)雜的無人機群集操作，地面站可能還需要實時協(xié)調(diào)各無人機的行動，以確保任務(wù)的成功完成。

中繼節(jié)點（RN）

當中某些無人機由于距離或其他因素無法直接與地面站或其他無人機通信時，中繼節(jié)點就發(fā)揮了重要作用。中繼節(jié)點可以是其他無人機、專用通信衛(wèi)星甚至是地面上的固定設(shè)施。它們通過轉(zhuǎn)發(fā)信號來擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、增強信號強度及質(zhì)量，并支持動態(tài)組網(wǎng)。例如，在災(zāi)難現(xiàn)場或偏遠地區(qū)，通過部署中繼無人機等手段快速搭建臨時通信網(wǎng)絡(luò)。

02、空中網(wǎng)絡(luò)特性

空中網(wǎng)絡(luò)具有幾個顯著的特點，節(jié)點的高度移動性、拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁變動以及可能存在的高干擾環(huán)境。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，例如路由器和基站，這在網(wǎng)絡(luò)拓撲不變或者變化較少的情況下非常有效。然而，在機載網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點不斷地進入和離開網(wǎng)絡(luò)，導致網(wǎng)絡(luò)拓撲快速變化，這對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了巨大挑戰(zhàn)。

● 連接不穩(wěn)定：由于節(jié)點的高速移動，傳統(tǒng)的路由協(xié)議難以維持穩(wěn)定的連接。

● 延遲增加：尋找最佳路徑的時間增加，可能導致通信延遲增大。

● 資源浪費：為保持連接而頻繁地更新路由信息，消耗了大量寶貴的帶寬和能量資源。

03、MANET解決方案

由于空中網(wǎng)絡(luò)具有這樣的特性，傳統(tǒng)的基于固定基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以滿足無人機機載網(wǎng)絡(luò)的需求。相比之下，移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）作為一種無需依賴于預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施即可運作的無線網(wǎng)絡(luò)類型，非常適合應(yīng)用于無人機環(huán)境中。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET),是一種無中心的自組織網(wǎng)絡(luò)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)—不需要物理基地站，各主機相互連通，主機即可充當服務(wù)器。其最早提出是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的單兵通訊，世界各國在2000年以后開始大力研究此技術(shù)。[1] ? ?MANET的特點使其能夠有效應(yīng)對節(jié)點的高速移動性、拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁變動以及復(fù)雜的通信環(huán)境，為無人機機載網(wǎng)絡(luò)提供了一個可行且高效的解決方案。

MANET是獨立的網(wǎng)絡(luò)自治系統(tǒng)，不依賴于固定主干網(wǎng)（但可以與其配合）或基站，該系統(tǒng)能快速部署到位，建立起一套完整、強大、高抗毀的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，提供有效的數(shù)據(jù)和多媒體通信服務(wù)。MANET使用無線通信技術(shù)，所有主機均可以自由移動，主機間以無線鏈路連接。由于無線信號所能覆蓋的范圍有限，端-端之間的數(shù)據(jù)傳遞需要中間結(jié)點（其他移動主機）的中繼，因此，MANET屬于多跳（multihop）無線網(wǎng)絡(luò)，所有主機既是端系統(tǒng)又可以用作路由器。為了進行有效的通信，移動主機間必須建立合適的路由器。[1]

自組織性

無需預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，節(jié)點可以自動形成網(wǎng)絡(luò)并相互傳遞信息，這對于無人機群集操作尤為重要，因為它允許無人機在網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷變化的情況下仍能保持通信。

多跳路由

當單個無人機的傳輸范圍不足以覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)時，數(shù)據(jù)可以通過多個中間節(jié)點傳遞到目的地。這增強了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和可靠性。

適應(yīng)性強

能夠迅速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化，確保即使在網(wǎng)絡(luò)條件惡劣的情況下也能保持通信。這對于無人機在緊急情況下執(zhí)行任務(wù)至關(guān)重要。

04、MANET路由協(xié)議

為了支持無人機機載網(wǎng)絡(luò)的高效運行，采用了多種MANET路由協(xié)議。

以下是幾種典型的MANET路由協(xié)議及其特點：

● AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing）：按需路徑發(fā)現(xiàn)機制，僅在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時啟動路由查找過程，減少不必要的資源消耗。適合于中等規(guī)模的無人機群集操作。

● DSR（Dynamic Source Routing）：源路由機制，所有路徑信息都包含在數(shù)據(jù)包頭部，簡化了路由表維護。這種方法特別適合于小型無人機群集，因為它的開銷相對較低。

● OLSR（Optimized Link State Routing）：基于鏈路狀態(tài)的優(yōu)化算法，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，減少了控制消息的數(shù)量。對于大型無人機群集來說，OLSR提供了良好的可擴展性和效率。

● TORA（Temporally Ordered Routing Algorithm）：時間順序路由算法，通過分配虛擬時間戳來管理路由更新，有效地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓撲變化。這種方法有助于提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

無人機機載網(wǎng)絡(luò)由機載節(jié)點、地面站和中繼節(jié)點共同構(gòu)成，旨在克服無人機操作中遇到的獨特挑戰(zhàn)。由于空中網(wǎng)絡(luò)的特殊性，傳統(tǒng)的固定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)難以滿足其需求，而移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）憑借其自組織性、多跳路由和強大的適應(yīng)性，成為解決這些問題的理想方案。

來源聲明：

[1]?https://zhuanlan.zhihu.com/p/348937900