无人机集群通信架构综述

姚克义 ,韩兵兵

摘要：随着技术和政策的不断发展，无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）对航空业的影响越来越大。无人机群有可能在没有操作员干预的情况下，进行任务分配并协调许多无人机的操作。本文调查了有关无人机群的文献，并提出了一种利用蜂窝移动无线通信地面站实现更高水平的群自治和可靠性的群架构。该架构的使用降低了无人机在通信范围、网络容量、尺寸、重量和功率等方面的使用限制。此外，利用5G蜂窝网络提出建立可靠的地面站。

关键词：自主系统，无人机群，无线通信。

1、简介

小型无人机系统 (Small Unmanned Aircraft Systems, sUAS) 已成为具有潜力的、具有多种商业用途的载体工具。 sUAS 在没有飞行员的情况下，可将物体、传感器或其他用途的有效载荷带入天空中的有效的选择。对于载人航空，如果在飞行中发生严重错误，存在受伤或死亡的风险。使用无人驾驶飞机系统，将会降低这些风险。载人航空成本较高，购买或租用通用飞机的价格昂贵；飞行员、燃料成本和维护费用较高。由于这些原因，sUAS的实用性一直是一个有吸引力的替代方案。

sUAS 行业主要定位为服务行业主要用于搭载不同类型的荷载来提供各种不同的服务。例如电影拍摄、农业保值、电力巡检、安全监测(Canis 2015)、测绘、红外和多光谱成像、野外搜救等。

2.无人机集群通信架构研究现状

尽管无人机行业发展相对成熟，但集群无人机还处于起步阶段。传统无人机的存在有效载荷轻、飞行时间短，并且需要人工通过遥控器或计算机来操作等缺点。对于在复杂环境的任务，无人机集群相较于单无人机来更有优势，它解决了单无人机的局限性，并且增加了更多功能。群体通常被定义为一组行为实体，它们共同协调以产生期望的结果[1]。

集群本身并不是一项新技术，现有的无人机集群主要用于灯光表演。在现有演示中，自主操作的水平相对较低。在传统的无人机集群中，通过对地面站配置无线收发器，向无人机发送和接收数据，实现对无人机群的控制。若想实现无人机集群更高的自主性，需要在无人机上搭载电脑进行实时决策。当前的无人机群常用的通信架构有两种一是基于地面站的集群架构、二是自组织网络架构。

2.1基于地面站的集群架构

基于地面站的集群架构由地面站进行控制，该地面站可以接收集群中所有无人机的信息，并且可以将指令发给所有无人机。主要分为两种情况，一是每架无人机上都通过程序预先设定飞行轨迹，地面站仅用于观察无人机集群系统状态；二是地面站会实时与各个无人机进行通信，向每架无人机上进行飞行控制器。

基于地面站的集群架构是无人机集群最常见的架构[2]。该架构依赖于地面站来协调所有无人机，这种方式缺乏冗余。如果地面站发出指令失败或者受攻击，整个集群会受到影响；同时也受无线频段、传输距离和容量影响。

2.2自组织网络架构

在文献[2]中，提出了使用自组网来协调网络中所有无人机之间的通信。自组网是不依赖现有地面站来建立的无线网络，节点是基于动态路由算法动态分配的，节点间能相互通讯。

无人机之间的相互通信，为分布式决策提供了基本条件，同时系统控制提供了了内置冗余，可使整个集群不依赖于地面站来执行所需的操作。要建立无人机集群自组网，每架无人机都需要搭载通信设备。无人机与无人机之间的距离是限制无人机集群自组网通信的一个因素[3]。同时无人机集群所用到动态路由分配算法很难实现，不合理的路由分配会导致数据包丢失[4]，因此建立可靠的无人机集群自组网十分困难。因此提出了一种基于地面站的混合网络，利用蜂窝无线通信实现无人机集群，这种无人机集群通信架构结合了两种架构的优势。

3. 集群架构

所提出的架构是该地面站具有完整的无人机到无人机通信，其中每架无人机通过蜂窝移动地面站与其他每架无人机进行通信。在该架构中，决策分布在无人机之间，而地面站纯粹用于传输数据。

3.1第五代 (5G) 网络

第四代 (4G) 蜂窝技术拥有 1 Gbps 的最大下载速度。 5G 通信系统将拥有 10 Gbps 的最大下载速度，网络延迟低至1毫秒。无人机通信的数据包大小一般在17到263字节之间。虽然4G网络已经足以处理这些数据包，但是5G可以允许更多数据的传输，例如来自机载摄像头拍摄的视频或来自机载激光雷达的数据等。同时5G的低延迟的提高无人机群通信交互能力。随着 5G 系统速度的提高和地面站的更新，性能将会提高。

3.2拟议架构的优势

这种架构的优点很多。首先，无人机可以通信的范围实际上是无限的，只要有网络信号的地方无人机之间就可以进行通信。基于蜂窝基站的可靠性，无人机集群通信网络的可靠性和冗余性比传统的依赖地面站的无人机群架构更优。

3.3. 初步设想

初步设想是使用蜂窝网络的控制单个无人机、及实现无人机间的实时通信，包括通过无人机集群自组网发送基本飞行命令。具体来说，在无人机集群中将某架无人机定义为主无人机，剩余的无人机为从无人机。首先给主无人机预先设定飞行轨迹，当这个主无人机开始飞行时，从无人机接收主无人机的信息。同时，从无人机之间可以相互通信，通过设定的算法从无人机将自主跟随主无人机，并且集群中的任何无人机都不会发生碰撞。

本文的主要目的是为无人机集群的通信建立可靠的地面站。蜂窝无线地面站的提议有望解决在自主无人机群的初步开发中遇到的许多限制因素，这种架构很有前景。

5. 结论

本文为使用蜂窝网络作为无人机群的通信地面站提供了概念级建议和文献综述。它概述了 sUAS 行业、无人机群的应用。基于蜂窝网络作为无人机集群的使用，对推进无人机集群通信和协调能力的发展至关重要。虽然群体技术尚未在商业应用中得到实际应用，但潜力巨大。蜂窝移动框架的使用减轻了传统无人机群通信方法的限制因素。特别是在具有M2M 通信能力的 5G 网络的基础上，无人机群将大大提高群效率和商业效用。

参考文献

[1]Jeffrey M C, Subramanian S, Yan C, et al. A scalable architecture for ordered parallelism[C]//Proceedings of the 48th International Symposium on Microarchitecture. 2015: 228-241.

[2]Bekmezci I, Sahingoz O K, Temel Ş. Flying ad-hoc networks (FANETs): A survey[J]. Ad Hoc Networks, 2013, 11(3): 1254-1270.

[3]Sahingoz O K. Networking models in flying ad-hoc networks (FANETs): Concepts and challenges[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2014, 74(1): 513-527.