海洋自主無人系統跨域通信組網技術發展

徐同樂 肖玉杰 何 翼 王 慎 劉 方 毛柳偉 喬永杰

隨著無線傳感網絡、智能與自適應控制理論、微型傳感與通信設備等技術的推陳出新和無人自主裝備的創新發展,無人系統集群化、自主化已逐漸成為未來海戰的新模式和新趨勢.海上跨域無人集群是指將無人機（unmanned aerial vehicle,UAV）、無人艇（unmanned surface vessels,USV）、無人潛航器（unmanned underwater vehicle,UUV）具有顯著功能差異的異構無人系統,通過空中、水面、水下等不同作戰域之間的協同控制,實現集群化作戰[1].作為跨域無人集群實現互連互通的基礎,跨域通信組網技術早已成為保障無人集群指揮協同、載荷控制以及其他數據信息實現聯網互通的關鍵環節[2],其技術水平直接影響整體作戰效能的發揮.國內外對于無人系統通信組網技術的重視程度日益提升,相繼開展了很多基于UAV 集群、USV 集群、UUV 集群的組網技術研究,見文獻[2-6].文獻[7]基于UAV 集群飛行自組網（flying Ad-Hoc networks,FANET）歸納梳理了多址接入協議、路由協議的應用特點,并針對性提出了下階段重點研究方向,進一步豐富了無人集群通信組網的技術方案.但上述研究僅局限于單一作戰域,對于橫跨多作戰域的跨介質通信研究相對較少,值得深入挖掘.

在眾多公開科研項目和學術成果中,可看到美、英、法等國對無人系統跨域協同領域的高度關注和技術革新.早在2005 年,美國海軍空間與海戰系統司令部（Space and Naval Warfare Systems Command,SPAWAR）中心基于UAV、USV、地面無人系統開展了面向“入侵人員”監控與打擊的一系列跨域協作演示;2015 年,多國主導的美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）跨域海上監視和瞄準項目中,圍繞搭建跨域體系結構進行目標監視瞄準和敵對力量拒止,構建了反應迅速、覆蓋面廣的無人作戰能力[8];2017 年,多國主導的OCEAN2020 項目中,開展了一系列無人/有人裝備的指揮協同和相互配合試驗,進一步檢驗了采集信息和整合數據的正確性[9].

國內外無人系統跨域組網領域的研究多是在數據建鏈及傳輸[10]、編隊控制[11]、任務規劃[12]等方面,具體組網技術的實現多是利用多種異構通信手段和中繼節點進行跨域連通,并在2016—2022 年間美國海軍舉辦的“先進技術演習（advanced naval technology exercise,ANTX）”上均有所論證[13].文獻[14-16]基于遂跳矢量轉發（vector-based forwarding，VBF）協議以及改進型協議相繼完成了水下-空中的節點數據傳輸研究,但該類協議節點數量過多,沒有合理利用分簇特性進行系統簡化,同時VBF 協議沒有充分利用空中網絡性能優勢,來彌補水下通信時延過長的自然缺陷.現階段,國內外常用的分簇算法（如LEACH、LIC）均忽略了簇首的選擇對各節點完成轉發任務性能的影響差異.

本文從集群跨域通信組網的概述和內涵入手,圍繞跨域自組網關鍵技術,綜述了集群跨域組網技術發展概況,并就海上跨域無人集群應用特點逐一分析了優缺點,提出了針對不同應用場景的無人集群跨域組網最優設計方式,并梳理了后續研究展望,以期為我國海上無人集群跨域組網建設和發展提供一定的理論支撐.

1 集群跨域通信組網概述

1.1 集群通信組網概念及內涵

無人集群實現通信主要依靠無線自組網（如“Ad-Hoc”）,目前國內學者對于集群通信組網尚未形成成熟完備、高度統一的認識[6].集群通信組網可依據應用領域不同,將其劃分為指揮控制組網、平臺決策組網、導航基準組網等,通過查閱近年來集群通信領域文獻資料和研究成果,對集群通信組網概念及內涵的相關描述進行了梳理歸納,如表1 所示.

表1 典型關于集群通信組網相關概念及內涵的描述Table 1 Typical description of related concepts and connotations of cluster communication networking

國內對于集群通信組網的原理研究主要集中于空中、水面或水下的同構作戰域,而對基于橫跨多作戰域的跨域組網研究較少.本文通過綜合文獻資料,對集群跨域通信組網提出如下概念:集群跨域通信組網是指跨域集群各終端間在Ad-hoc 網絡、無線傳感網絡、無線Mesh 網絡的基礎上,利用無線自組網特性結合空中、水面、水下等作戰域之間的復雜環境特征,實現指揮信息、任務載荷、平臺控制等數據信息的連同入網及應用.

1.2 無線自組網的特性

無線自組網中各網絡節點兼具發送和接收功能,可充分利用多跳特性實現網絡組建.主要具備如下特性[17]:

1）獨立性.Ad-Hoc 網絡中的各節點能夠通過路由協議和分簇算法（又稱分布式算法）獨立、自主地完成通信網絡的組建.

2）動態性.節點可因環境變化獲得移動性,致使拓撲結構和鏈路有效性隨著節點運動動態變化,從而實現動態拓撲,進一步強化無線自組網的動態適應性.

3）對等性.為保證網絡在不同情況下的運行安全,Ad-Hoc 網絡可以通過分簇算法進行網絡劃分,實現“去中心化”組網.“去中心化”是指各網絡節點具有同等權限和地位,具有“平等化、開源化、扁平化”的網絡結構.

4）多跳性.當節點部署完成后,可能存在部分節點沒有被對方通信覆蓋的現象,源節點將按照路由協議以多跳形式向通信范圍外的目的節點傳輸數據.網絡多跳是指各節點兼具發包、收包等功能,相互之間均可實現直接通信、轉發.

通信組網的拓撲結構、分簇算法（分布式算法）、路由協議作為無線自組網充分發揮自身特點的關鍵技術,是其有效進行通信連通的關鍵因素.

2 集群跨域組網拓撲結構概況

2.1 無線自組網拓撲結構簡介

無線自組網拓撲結構主要包括平面結構、單頻分級結構、多頻分級結構[18],下面依次扼要介紹結構特點:

1）平面結構.平面結構,如圖1 所示,又稱對等式結構,是最為普遍的拓撲結構,其中,每個節點均兼具發送和接收功能,還能實現轉發.它的全局節點對等結構,使得網絡對于節點運動性更強的動態網絡有更好的適應性.這種全局節點對等結構使得數據信息傳輸負載較大,網絡能耗激增,會使生命周期縮短.

圖1 平面結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of planar structure

2）單頻分級結構.在單頻分級結構中,如圖2 所示,網關節點采用相同頻率實施組網,簇首與網關節點構成骨干網絡.單頻分級結構可以在一定程度上規避節點擾動.多跳路由策略可以在不增加帶寬消耗的前提下提高系統吞吐量.但若分簇算法不考慮簇首節點的輪換機制或負載均衡,將使一些充當簇首角色的節點提前消耗能量,使拓撲結構遭到破壞.

圖2 單頻分級結構示意圖Fig.2 Single frequency hierarchical structure map

3）多頻分級結構.在多頻分級結構中,如圖3 所示,網絡進一步被劃分為多層級或簇,屬于同一層級或者簇的節點之間采用同一通信頻率,在不同的層級或者簇的節點之間又采用不同通信頻率.高層級節點可訪問不同級別,使節點通信可以采用多種頻率來實現,進而完成數據發送與轉發.多頻分級結構能進一步減少節點擾動,提高傳輸效率,但要占用更多頻寬資源,不適合頻寬資源短缺的網絡系統.

圖3 多頻分級結構示意圖Fig.3 Multi-frequency hierarchical structure map

圖4 靜態二維?？站W絡結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of static 2-D sea and air network structure

2.2 ?？站W絡拓撲結構特點

?？窄h境下,其網絡拓撲結構與陸上網絡相比,最大差異在于由介質特點造成的水下網絡,水下網絡通信方式主要有電磁波通信、光通信、量子通信以及水聲通信,前三者相對于水聲通信均有一定劣勢,如表2 所示,因此,水聲通信日益成為水下通信的主導技術[18].但水聲通信中節點能量不便補給,且在設備性能受限的情況下,節點通信距離、傳輸效率均落后于水上傳輸.?？站W絡拓撲結構可劃分為靜態二維?？站W絡拓撲結構,靜態三維?？站W絡拓撲結構以及動態三維?？站W絡拓撲結構3 種[19].

表2 水下網絡通信主要方式特點分析Table 2 Analysis of main mode and characteristics of underwater network communication

2.2.1 靜態二維?？站W絡

該網絡中的網關節點固定于同一平面,同時傳感器節點使用纜繩固定于同一海洋深度平面或直接固定于海底.在這種情況下,網關節點一般不被賦予動態性,故較多應用于長時間監測任務,如反潛、反水雷等.靜態二維?？站W絡的拓撲結構布放方便,結構穩定性強,所應用的算法與協議更容易實現,效率更高,但適用范圍一般只限于長時間低動態的任務環境,并且檢測范圍受限.

2.2.2 靜態三維?？站W絡

該網絡中各水下節點具備不同的深度范圍,并且可以在水下環境立體分布,如圖5 所示.其中,網關節點主要通過海底纜線或浮標懸掛等方式進行節點布放.由于節點采用立體分布,因此,能夠采集到整個區域內的海洋數據,常用于多層次、大面積的數據采集任務環境,比如海戰場勘察等,在一定程度上填補了二維靜態?？站W絡的不足.另外由于采用動態路由機制,該系統具有更好的穩定性,可靠性與可擴展性,同時降低了通信能耗.但在節點布防上,需從多個方面綜合考慮匯聚節點的設計,造成布防難度和費用的增加.

圖5 靜態三維?？站W絡結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of static 3-D sea and air network

2.2.3 動態三維?？站W絡

該網絡主要通過新增水下移動網關的方式使水下網絡更加適應動態任務的需要,如圖6 所示.動態三維?？站W絡能夠有效提高網絡對動態任務需求的適應能力,跨域無人集群遂行作戰行動即可采用這種拓撲結構.但其需要節點具有更高性能,一般用于高成本?？站W絡中.

圖6 動態三維?？站W絡結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic 3-D sea and air network structure

3 集群跨域組網分簇算法概況

過于繁雜的拓撲結構將導致節點之間數據傳輸發生碰撞或沖突,造成全網數據傳輸效率和吞吐量的驟減,而過于簡單稀疏將會減少可行鏈路數量,造成孤立節點或者割裂網絡的出現,致使網絡穩定性降低.為解決這類問題,引入前文提到的分簇算法來優化拓撲結構.分簇算法又稱為層次型拓撲控制算法,其主要概念和理論由BAKER 等在1981 年提出,主要內容是通過選舉簇首、簇成員對網絡等級進行劃分,使簇首成為匯聚和轉發的主要節點[20].分簇算法的最大優點在于能夠使得網絡冗余降低,有助于增強網絡功耗,實現負載均衡控制,從而提高網絡壽命,自提出以來一直成為無線自組網領域的研究熱點.本文簡要介紹幾種常見的分簇算法,并逐一分析其特點,如表3 所示[21-25].

表3 常見的分簇算法及其特點分析Table 3 Common clustering algorithm and analysis of its characteristics

海洋自主無人集群所屬環境橫跨水上水下,勢必要重點考量水下網絡性能的受限性、可靠性,因此,無需全局信息、具有較低計算開銷特性的LEACH 分簇算法適用性相對較高.

4 集群跨域組網路由協議概況

本文簡要介紹幾種常見類型的路由協議,并逐一分析其特點,如表4 所示.

表4 常見的路由協議及其特點分析Table 4 Common routing protocols and analysis of their characteristics

通過對不同種類路由協議優缺點和實用性的研究分析,主動式與反應式路由協議通常被應用在具有良好性能的水上網絡,而基于地理位置路由通常被應用在性能不佳的水下網絡.

5 集群跨域組網關鍵技術分析

5.1 跨域傳輸技術

跨域無人集群由于需橫跨多類通信域,對其跨域連通和數據傳輸提出了更高要求.常見的跨域傳輸技術主要有: 1）動態頻譜感知與接入技術.主要通過人工智能算法,確定頻譜資源接入方法,實現空閑資源的尋找和連接,例如基于支持向量機的頻譜感知算法、基于卷積神經網絡的頻譜感知算法[26].2）多模態自主鏈路接入技術.主要是引入強化學習技術,動態選取最佳接入方法,實現自適應接入.3）大規模集群仿生智能組網技術.主要是結合仿生技術,使其在個體感知和行為的基礎上涌現集體仿生行為,如鳥群、狼群等[27],實現“自組織”組網.

5.2 安全防護技術

無人集群所面臨的電磁環境更為惡劣,要求通信網絡具有低截獲概率、抗欺騙能力、高安全性以及足夠的抗干擾能力.常見的安全防護技術主要有:1）無線網絡輕量級認證技術[28].可以針對寬帶受限的復雜戰場環境,通過輕量級認證協議實現安全認證,防止非法接入.2）無人集群分布式密鑰管理技術[29].可以針對實戰場景中,人員動態調整、密鑰易遺失的需求,采用基于證書、身份ID 的等密鑰管理方法,如基于Blom 算法設計的密鑰分配方案采用組內和組間雙空間密鑰管理機制,可以最大程度減少計算,提高效率.

5.3 自主智能化技術

無人系統相比有人系統的顯著特點是無人化、智能化,與其相應的通信網絡也應具備自主化、智能化能力.常見的無人運行管理技術主要是面向任務流程的網絡建模技術.主要是通過深入分析任務背景需求,采用基于圖論的結構模型進行網絡建模,針對帶寬、時延、抖動需求以及無人平臺間的信息交互關系,快速設計生成網絡結構.

5.4 通信抗干擾技術

無人系統集群化后,由于平臺數量增多,致使相互之間通信擾動增強,因此，需要大力推進通信抗干擾技術,常用通信抗干擾技術主要有擴頻、功率控制、間斷傳輸、多用戶檢測等技術.近年來興起了一些新技術,諸如多輸入多輸出技術,該技術在數據發射端、接收端均部署多根天線,通過增大信道容量,使其適應更大范圍的數據速率變化.此外,結合正交頻分復用（(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)）等技術可實現時域、頻域、空域多維抗干擾.

6 集群跨域組網發展趨勢分析

6.1 探究多通信手段以實現功能互補

在今后的海上聯合作戰中,無人系統支持下的聯合戰術跨域協同,見圖7,必然要和天基、岸基、空中、水面、水下多類型有人/無人平臺合作,實施預警探測、態勢共享、火力打擊,以及其他各種作戰任務需要經常和其他節點進行通信連接,同時兼顧體積,功耗等因素，在布局和其他要素的情況下,集成水聲和光學、電磁和其他各種通信手段,實現與其他作戰平臺/作戰系統之間的有效信息通聯.

圖7 跨域無人集群聯合作戰概念圖Fig.7 Joint operations concept diagram of across-domain unmanned clusters

6.2 改善現有技術以提高傳輸速率

增強分簇算法對網絡移動的適應性.傳統分簇算法如LEACH 等,這是一種以“輪”概念為基礎的周期維護分簇算法,但現實無人集群系統移動性過強,部分節點常常移動到通信覆蓋范圍之外,造成節點失去簇首.以下研究中,要求分簇算法能夠使簇首維護和更新機制得到改善,從而提高對網路節點高移動性的適應能力.

提高鏈路時延估計的準確性.現階段路由協議主要是根據距離和節點通信范圍,通過鏈路預估時延算法進行跳數預估,從而進行選擇和決策,但實際鏈路會造成實際距離與相對距離存在偏差.以下研究中,要求分簇算法引入較多參數進行鏈路時延預估,以此來提高精度,確保網絡在選擇低時延鏈路時能夠做到更科學、準確.

6.3 推行模塊化、小型化,以實現標準化、通用化發展

相較于有人平臺,無人裝備小巧輕便,搭載能力受限,且大多采用電池供電,要求通信模塊必須能夠保證性能要求,即減小模塊體積,降低功耗,提高可完成任務的時間.現有各類型無人裝備種類多樣,生產廠家繁多,外形、尺寸、載荷能力均有較大差異,所以現階段不同平臺的通信載荷共用性較差.以跨域無人集群聯合作戰為例,每一個無人平臺都必然會按照不同的平臺規格,逐漸走向規范化和標準化,因此,通信模塊還應朝著標準化、通用化的方向發展,以提高通信載荷適裝性與可維護性.

7 結論

海上跨域無人集群正在呈現出智能化、自主化的發展趨勢,從作戰運用的角度來看,集群跨域組網技術的更新迭代,對進一步深化貫穿各作戰域的無人作戰新質能力,全面構建無人系統戰術跨域協同作戰體系有著極為關鍵的推動作用.介紹了國內外無人集群跨域組網領域研究成果和發展概況,圍繞跨域自組網技術從拓撲結構、分簇算法、路由協議3 個方面,闡述了集群跨域組網技術發展概況,并就海上跨域無人集群應用特點逐一分析了優缺點,選取了較為適用的集群跨域組網設計方式.從探究多通信手段、改善現有技術、推行標準化發展等方面提出了后續研究展望,以期為我國海上無人集群跨域組網建設和發展提供一定的理論支撐.