飞行自组网拓扑控制研究综述.pdf
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1、2023 年 8 月 Journal on Communications August 2023 第 44 卷第 8 期 通 信 学 报 Vol.44 No.8飞行自组网拓扑控制研究综述 刘亚群1,谢钧1,邢长友1,倪保安2(1.陆军工程大学指挥控制工程学院,江苏 南京 210007;2.中国人民解放军 92771 部队,山东 青岛 250100)摘 要:飞行自组网(FANET)的拓扑结构蕴含着无人机之间以及无人机与基础设施之间通信的路径信息,是影响 FANET 性能的关键因素。对现有 FANET 拓扑控制研究进行综述,首先,介绍了 FANET 的网络架构以及 FANET拓扑控制的研究框架和需
2、求,并将 FANET 拓扑控制算法具体分为 4 类。在此基础上,对每类 FANET 拓扑控制算法进行了全面梳理与详细分析,通过对比总结了不同算法的特点和优缺点。最后,探讨了 FANET 拓扑控制仍面临的挑战及未来的研究方向。关键词:飞行自组网;拓扑控制;无人机;连通支配集;集群 中图分类号:TP393 文献标志码:A DOI:10.11959/j.issn.1000436x.2023155 Comprehensive survey on topology control for flying ad-hoc network LIU Yaqun1,XIE Jun1,XING Changyou1,N
3、I Baoan2 1.College of Command and Control Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210007,China 2.92771 PLA(The Chinese Peoples Liberation Army)Troops,Qingdao 250100,China Abstract:The flying ad-hoc network(FANET)topology contains the path information between UAVs and between UAVs and infrast
4、ructure,which is a key factor affecting the FANET performance.The existing research on FANET to-pology control was reviewed.The FANET architecture and the research framework,requirements of FANET topology control were introduced first.Then,the existing FANET topology algorithms were divided into fou
5、r categories.Based on this,each class of FANET topology control algorithms was summarized and analyzed in detail,and the characteristics,advantages and disadvantages of different algorithms were summarized by comparison.Finally,the challenges and future research directions of FANET topology control
6、were discussed.Keywords:FANET,topology control,UAV,CDS,clustering 0 引言 无人机(UAV,unmanned aerial vehicle)具有快速部署、低成本、易控制、视距通信等特性,已经被广泛应用于多个领域1-2。例如,UAV 可以用于情报侦察、目标打击、信息分发、电子干扰等3,也可以用于实时监控4、交通管理5、空中基站6、网络中继7、数据采集8、货物运输9、灾后救援10等。若干年来,单一的大型无人机一直被用于执行任务11-13。为了维持与地面基站或空中卫星之间的通信,该无人机需要配备昂贵且复杂的硬件14。此外,单无人机携带
7、的资源有限,可能无法满足实际需求。随着无人机制造技术的发展以及制造成本的降低,规模化地生产低成本、高性能的小型或微型无人机已经成为可能。由于单一无人机能力有限,由若干小型或微型无人机组成的无人机集群开始被用于执行任务15-17。实践表明,相比于单无人机系统,多无人机系统具有若干优势18-20。例如,在容错性方面,当单无人机系统出现故障时,任务将无法继续执行,而在多无人机系统中,当个别无人收稿日期:20230510;修回日期:20230809 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.62172432)Foundation Item:The National Natural Science Fo
8、undation of China(No.62172432)196 通 信 学 报 第 44 卷 机出现故障后,任务仍可由其他无人机继续执行。在任务性能方面,与单无人机系统相比,多无人机系统的覆盖面积更大,任务执行速度更快。在多无人机系统中,无人机之间以及无人机与地面基站之间的通信架构可以分为 2 种14,21-22:基于基础设施的多无人机系统和飞行自组网(FANET,flying ad-hoc network),如图 1 所示。在基于基础设施的多无人机系统中,所有无人机都与地面基站等基础设施直接建立连接,无人机之间的通信均需要通过基础设施来实现。为了维持无人机与基础设施之间的连接,每个无人机
9、都需要配备复杂的硬件并且维持较高的发送功率,无人机的移动范围受限。此外,由于无人机之间的通信都需要通过基础设施来实现,无人机之间的通信具有较高时延。在FANET 中,只有少量无人机与基础设施直接建立连接,无人机之间以及无人机与地面基站之间的通信可通过若干无人机中继实现,有效解决了基于基础设施的多无人机系统存在的问题。因此,FANET已成为多无人机系统的主要通信架构。图 1 多无人机系统通信架构 不同于其他自组网,FANET 具有节点密度低、移动性高、链路易中断等特点,这对维持 FANET的连通性提出了挑战18,22。此外,FANET 还需要满足不同应用场景下的性能需求。例如,在执行灾后救援任务
10、时,无人机需要将灾情信息实时传输给地面基础设施,因此 FANET 需要具有较低的通信时延23;在执行数据收集任务时,为加快数据收集速度,FANET 需要具有较高的吞吐量24。根据 FANET 的特点及需求,FANET 拓扑控制通过构建和调整 FANET 拓扑结构,维持 FANET的连通性,并提高 FANET 的性能25。具体地,FANET 拓扑控制算法通过调整无人机的组网方式、位置、功率等参数来生成并动态维护满足特定约束且具有较优性能的 FANET 拓扑。FANET 拓扑控制算法具有以下特点:1)在优化变量方面,FANET 拓扑控制优化的变量主要集中在无人机本身,例如,无人机之间的组网方式、无
11、人机的位置和无人机的发送功率等;2)在优化目标方面,FANET 需要优化的性能与其应用场景有关。由于FANET 的应用场景非常广泛,通信性能(如吞吐量、时延、干扰等)、任务性能(如覆盖率等)、能量消耗等均可能成为 FANET 拓扑控制的优化目标;3)在执行频率方面,FANET 中无人机具有高度的移动特性,FANET 拓扑控制需要高频率动态执行。目前,研究人员已经开发出多种 FANET 拓扑控制算法。然而,目前的 FANET 综述还没有对FANET 拓扑控制算法进行全面且详细的分析。因此,本文对 FANET 拓扑控制算法进行了全面的综述,梳理 FANET 拓扑控制算法的研究思路,为FANET 拓
12、扑控制算法的使用与开发提供依据。本文的主要贡献总结如下。1)介绍了 FANET 的网络架构,给出了 FANET拓扑控制的研究框架和需求。2)基于 FANET 拓扑控制算法适用的网络架构,提出了一种 FANET 拓扑控制算法的分类方法。根据每类 FANET 拓扑控制算法的特有属性,对每类FANET拓扑控制算法进行了全面且详细的分析,并通过对比总结了不同算法的特点和优缺点,便于研究人员根据需求选择合适的 FANET 拓扑控制算法以及开发新的 FANET 拓扑控制算法。3)讨论了 FANET 拓扑控制算法仍面临的挑战以及未来的研究方向。1 相关工作 本节梳理了与 FANET 和拓扑控制两大主题有关的
13、综述,并讨论了本文与这些相关工作的不同之处,以凸显本文的创新性。一些文献已经从多个角度对FANET的相关研究进行了总结。文献18是第一篇有关 FANET 的综述,它从应用场景、设计特点、通信协议、测试方法等角度对 FANET 进行了综述。文献26总结了 FANET 中的路由协议。文献27专门总结了 FANET 中基于集群的路由协议。文献19总结了 FANET 的特征,并围绕路由、服务切换、能量等关键问题对 FANET 进行了综述。文献21-22,28-30主要从 FANET 特征、应用场景、通信架构、路由协议、移动性模型和安第 8 期 刘亚群等:飞行自组网拓扑控制研究综述 197 全性等角度对
14、 FANET 进行了全面的综述。虽然这些文献已经对 FANET 的相关研究进行了全面的综述,但是它们并没有关注 FANET 中的拓扑控制问题。本文主要对 FANET 拓扑控制的相关研究进行综述。此外,一些文献对无线传感网(WSN,wireless sensor network)中的拓扑控制算法进行了综述。在WSN 中,拓扑控制主要通过调整节点的功率、状态等来维持网络连通性、增大网络覆盖范围、延长网络寿命等。文献31主要从功率调整、功率模式、聚类和混合 4 个方面讨论了 WSN 中以节能为目标的拓扑控制算法。文献32则通过覆盖性和连通性2 个性能指标对 WSN 中的拓扑控制方法进行综述。文献33
15、介绍了水下 WSN 拓扑控制的特性、潜力以及挑战,并从功率控制、无线接口模式管理和移动辅助 3 个角度对其拓扑控制算法进行综述。然而,FANET 与 WSN 之间存在诸多不同,WSN 中的拓扑控制算法无法有效应用于 FANET。例如,切换节点状态是 WSN 中常用的拓扑控制技术,而无人机停留在空中需要持续消耗能量,因此状态切换技术不适用于 FANET。目前,有关 FANET 拓扑控制的综述还相对较少。文献34主要总结了 3 种基于虚拟力的 FANET拓扑控制算法,但对目前已经出现的大量其他种类的 FANET 拓扑控制算法没有系统分析。文献25基于 FANET 拓扑控制算法的执行方式和数学模型对
16、 FANET 拓扑控制算法进行了分类,并对 FANET拓扑控制算法进行了详细的分析。然而,在文献25提出的分类方法中,不同种类的算法之间区分不明显,每种算法的特有属性无法体现。此外,文献25仅分析了部分具有代表性的FANET拓扑控制算法,对现有 FANET 拓扑控制算法的综述不够全面。本文提出了一种全新的 FANET 拓扑控制算法的分类方法,并根据每一类算法的特有属性,对现有FANET 拓扑控制算法进行了全面的综述。2 飞行自组网拓扑控制概述 2.1 飞行自组网架构 本文将 FANET 的架构分为 3 种:展平式FANET、基于连通支配集(CDS,connected domi-nating s
17、et)的 FANET 和基于集群的 FANET35,如图 2 所示。其中,基于 CDS 的 FANET 和基于集群的 FANET 都属于分层式 FANET。图 2 FANET 分类 在展平式 FANET 中,所有无人机都具有相同的角色,各无人机在通信过程中地位平等。在分层式 FANET 中,各无人机具有不同的角色。具体地,无人机可以分为领导者和跟随者。其中,领导者充当跟随者的汇聚节点,负责将跟随者发送的数据包转发至目的地。相较于展平式 FANET,分层式FANET 将大多数转发操作集中到少量的领导者,在路由设计、可扩展性、能量效率、时延等方面更具优势,因此被广泛应用于大规模无人机网络。在基于
18、CDS 的 FANET 中,领导者是构成 CDS 的无人机节点,也被称为支配节点,跟随者是其余的无人机节点,也被称为被支配节点。被支配节点发送数据包时,会首先将数据包发送至其支配节点,然后由支配节点转发至目的地。支配节点之间形成一个虚拟主干网络,承载 FANET 的主要流量。在基于集群的 FANET 中,所有无人机被划分为若干集群,每个集群由一个集群首领和若干集群成员组成。集群首领作为领导者,负责管理其集群内部的通信。集群成员作为跟随者,在与其他集群内的无人机通198 通 信 学 报 第 44 卷 信时会首先将数据包发送至其集群首领,然后由集群首领转发至目的地。集群首领之间形成一个虚拟主干网络
19、,承载 FANET 的主要流量。基于 CDS 的FANET 和基于集群的 FANET 的目的都是将大量的转发操作集中于少量的领导者。然而,这两者之间也存在若干不同:1)在领导者选择方面,基于 CDS的 FANET 的领导者是组成 CDS 的支配节点,而基于集群的FANET的领导者是每个集群的集群首领;2)在跟随者管理方面,基于 CDS 的 FANET 中的支配节点负责管理其邻居节点中的被支配节点,而基于集群的 FANET 中的集群首领负责管理其所在集群内的所有集群成员;3)在领导者通信方面,基于CDS 的 FANET 中的支配节点在给定无人机通信距离的情况下是连通的,而基于集群的 FANET
20、一般不考虑集群首领的通信距离,默认集群首领之间可以互相通信。2.2 飞行自组网拓扑控制的研究框架和需求 2.2.1 研究框架 本文将 FANET 拓扑控制研究框架分为三步:模型构建、算法设计及效果评估,如图 3 所示。在模型构建阶段,需要根据 FANET 的应用场景,确定FANET 的架构,设计拓扑控制算法需要满足的约束、优化的目标以及可调整的参数。在算法设计阶段,需要根据拓扑控制的实施阶段、约束、目标以及可调整的参数,选择合适的数学工具来设计相应的拓扑控制算法。根据拓扑控制算法的实施阶段,FANET 拓扑控制算法可分为拓扑构建算法和拓扑维护算法。其中,拓扑构建算法用于在没有无人机初始位置、发
21、送功率和连接关系的情况下,从零开始构建 FANET 拓扑;拓扑维护则用于在现有 FANET 拓扑的基础上,通过调整相关变量,进一步优化 FANET 拓扑。最后,在效果评估阶段,需要评估 FANET 拓扑控制算法的性能,并进一步优化 FANET 拓扑控制算法。图 3 FANET 拓扑控制研究框架 2.2.2 需求 本文将 FANET 拓扑控制的需求总结如下。1)连通性 在 FANET 中,连通性指任意一对无人机之间以及任意一个无人机与基础设施之间至少存在一条通信路径。FANET 是一种为实现无人机之间以及无人机与基础设施之间通信而设计的网络架构,因此连通性是 FANET 拓扑控制最基本的要求。2
22、)网络性能 FANET 的网络性能是指无人机之间以及无人机与地面基站等基础设施之间通信的性能。FANET需要优化的网络性能与其应用的场景有关,因此,FANET 拓扑控制需要根据 FANET 的应用场景设计合适的 FANET 拓扑,以满足特定场景对 FANET 的网络性能要求。通常,FANET 拓扑控制优化的网络性能有链路时延、链路吞吐量、无人机之间的干扰、负载均衡等。3)任务性能 FANET 的任务性能是指各无人机执行任务的性能。FANET 需要优化的任务性能同样与其应用的场景有关,以 FANET 辅助地面用户通信为例,FANET 拓扑控制优化的任务性能有地面用户覆盖率、总吞吐量、最小吞吐量等
23、。4)容错性 FANET 在任务执行期间可能会遇到无人机故障、障碍物、恶劣天气等不确定性情况。因此,FANET 拓扑控制需要设计具有容错性的 FANET。一方面,在 FANET 发生故障前,FANET 拓扑控制可以设计具有容错性的 FANET 拓扑,使 FANET 在个别无人机发生故障后仍能正常运行。例如,FANET 拓扑控制可以构建具有k(2k)连通性质的 FANET 拓扑。另一方面,当 FANET 发生故障后,FANET 拓扑控制添加无人机以及调整无人机的位置恢复 FANET 的正常运行36-37。5)执行频率 FANET 中的无人机具有高移动性的特点,无人机之间的相对位置频繁变化。因此,
24、FANET 拓扑控制需要高频率动态更新 FANET 拓扑,以维持 FANET的性能。为了满足FANET拓扑控制动态执行的需求,FANET 拓扑控制需要在较短时间内完成。6)执行方式 FANET 拓扑控制算法的执行方式分为集中式执行和分布式执行 2 种。其中,集中式执行的 FANET拓扑控制算法需要由中央控制单元集中执行。相比之下,分布式执行的拓扑控制算法可以由各无人机自主执行,具有更小的通信开销,算法收敛速度更快,更适合于具有高移动性特点的 FANET。第 8 期 刘亚群等:飞行自组网拓扑控制研究综述 199 7)能量消耗 无人机的能量消耗由通信能量消耗和飞行能量消耗两部分组成,其中飞行能量消
25、耗远大于通信能量消耗,因此 FANET 拓扑控制主要考虑无人机的飞行能量消耗。根据文献38,假设无人机的飞行速度恒定为V,飞行时间为T,固定翼无人机的飞行能量消耗可以表示为 321aET aVV(1)其中,a1和a2是与无人机的重量、机翼面积和空气密度等因素有关的常量。旋翼无人机的飞行能量消耗可以表示为 212124232423111422oooVET cqVVcdsAVvv(2)其中,c1和c2是与无人机的重量、旋翼速度、旋翼盘面积、叶片角速度和空气密度等因素有关的常数,q是旋翼叶尖速度,od是机身阻力比,ov是平均旋翼速度,是空气密度,s是旋翼密度,A是旋翼盘面积。由式(1)和式(2)可以
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