無人機(jī)的MANET路由協(xié)議

隨著無人機(jī)技術(shù)和空中交通管理的進(jìn)步，機(jī)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(jī)之間的通信以及無人機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。本文將詳細(xì)介紹無人機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)

無人機(jī)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)載節(jié)點（AN）

這是指安裝在無人機(jī)上的通信設(shè)備或系統(tǒng)。機(jī)載節(jié)點不僅負(fù)責(zé)與其他無人機(jī)或地面站進(jìn)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(jī)群集操作中，每架無人機(jī)作為一個機(jī)載節(jié)點，通過無線鏈路與其它無人機(jī)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(jī)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的核心控制中心。它負(fù)責(zé)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的狀態(tài)、收集來自不同無人機(jī)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(dān)著維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的重要職責(zé)，確保敏感信息不被未授權(quán)方訪問。對于復(fù)雜的無人機(jī)群集操作，地面站可能還需要實時協(xié)調(diào)各無人機(jī)的行動，以確保任務(wù)的成功完成。

中繼節(jié)點（RN）

當(dāng)中某些無人機(jī)由于距離或其他因素?zé)o法直接與地面站或其他無人機(jī)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(jī)、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(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、增強(qiáng)信號強(qiáng)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(yuǎn)地區(qū)，通過部署中繼無人機(jī)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?fù)浣Y(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?fù)?/a>不變或者變化較少的情況下非常有效。然而，在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點不斷地進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?，這對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提出了巨大挑戰(zhàn)。

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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)相互連通，主機(jī)即可充當(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變動以及復(fù)雜的通信環(huán)境，為無人機(jī)機(jī)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(qiáng)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(jī)均可以自由移動，主機(jī)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(jī)）的中繼，因此，MANET屬于多跳（multihop）無線網(wǎng)絡(luò)，所有主機(jī)既是端系統(tǒng)又可以用作路由器。為了進(jìn)行有效的通信，移動主機(jī)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(jī)群集操作尤為重要，因為它允許無人機(jī)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓那闆r下仍能保持通信。

多跳路由

當(dāng)單個無人機(jī)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(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和可靠性。

適應(yīng)性強(qiáng)

能夠迅速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，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(jī)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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)群集操作。

● DSR（Dynamic Source Routing）：源路由機(jī)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(hù)。這種方法特別適合于小型無人機(jī)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(jī)群集來說，OLSR提供了良好的可擴(kuò)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?fù)渥兓?。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(jī)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)由機(jī)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(jī)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(qiáng)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