摘要：無人機集群是無人機應用的一個重要方向，受到國內外廣泛的關注和重視。無線自組網可臨時、動態、快速構建分布式無中心的自治性專用網絡，具有自組織，自恢復、高抗毀等許多優點，可以支持無人機臨時加入和退出，多跳自動路由中繼，網絡拓撲動態變化、速率自適應，帶寬按需分配等，非常適合無人機集群協同通信組網，因此，可以預見無線自組網是無人機集群通信組網的必然選擇，將會運用越來越廣泛。

隨著無人機技術的不斷發展，無人機的種類越來越多，也越來越成熟，除了商用領域的霸主大疆，還有很多的無人機廠家尤如雨后春筍大量涌現出來，已經廣泛應用于農業、工業、應急、軍事等眾多領域，并且發揮出越來越重要的作用。無人機集群是無人機應用的一個重要方向，無人機編隊表演是其中的一種大家常見的形式，不過這種應用都是提前做了大量的預先路徑規劃工作，其通信組網系統大多采用單向通信的窄帶數傳電臺廣播分發定位數據和控制指令，按劇本規定動作進行表演，不能協同感知環境，不能根據實際情況做出合理的協同行動，有時候還會出現表演失控的慘痛事故。特別說明一下，本文所聊的無人機集群系統不包含用于表演的無人機編隊。

本人10多年前開展了無人機集群協同的關鍵技術研究和原型實驗系統的研制工作。這里不涉及應用背景，只就無人機集群通信組網系統這一話題和大家一起探討交流。

無人機集群就是多架（3架或更多）無人機組成一個協作團隊，每架無人機承擔不同的使命，有的無人機負責前線偵察，有的無人機負責信息融合處理，有的無人機負責協調分配任務，有的無人機負責靠后打擊，有的負責通信中繼等等，也有的無人機承擔數種角色，身兼數職。正因為角色和使命不同，不同的無人機攜帶的傳感器不同、裝設備也不同，甚至無人機平臺也不同。載荷要素的配置與無人機集群的作業樣式相關，按需配置。

咱們暫且不考慮這些應用層面的事，還是聚焦到無人機集群通信組網系統上來，組網系統的要求與應用相關，不同的應用需求，對通信組網的要求不一樣。下面只是一些中大型無人機集群通信組網要求如下：

（1）網絡規模：一般不超過32個節點，在實際應用中，3架、4架、8架無人機的情況居多，隨著智能協同控制技術的發展，節點數會越來越多；

（2）網絡架構：分布式無中心的Ad Hoc網絡，也就是無線自組網，節點可以遲入網，可以臨時退網，個別節點的退出不影響整個網絡的運行，抗毀性強等；

（3）信道分配：分布式動態按需分配信道資源，也就是說“三個可以”，可以給新入網節點分配信道資源，可以將退網節點原來分配的信道資源回收再分配， 可以給需要傳輸大數據業務的節點分配更多的信道資源；

（4）動態建網：臨時、動態、靈活、快速組網，無需復雜的通信預先規劃，可擴展性強，可以按實際需要補充節點，可以分編，也可以合編；

（5）建網時間：30秒（冷啟動），5秒（熱啟動）；

（6）重構時間：5秒；

（7）入網時間：2秒；

（8）多跳中繼：能夠自動路由中繼，可以中繼3~5跳，支持在復雜的地形環境中，可以超視距工作；

（9）系統容量：大多在10Mbps左右，不同的應用要求不一樣，有一些要求比較高，用來支撐大數據量業務的傳輸共享；

（10）傳輸距離：集群內部節點之間的通信距離大多在5~30km，無人機集群與地面控制站的距離大多在50~100km，有些需要達到200~300km;

（11）業務邏輯：部分或所有無人機將光電球采集的視頻通過數據鏈傳輸回到地面控制站；所有無人機將平臺參數（高度、經緯度、速率、油（電）量、姿態等等）通過數據鏈傳輸至地面控制站；地面站將對無人機的控制指令通過數據鏈傳送給無人機；無人機之間將各自的某些平臺參數通過數據鏈進行傳輸共享，用于隊形控制、編隊協同和防撞；無人機之間將一些傳感器采集并處理過后的關鍵數據通過數據鏈進行傳輸共享，實現協同感知、協同處理、任務（目標）分配、協同作業（打擊）等等。

（12）數據接口：網口（用于連接采集紅外/可見光視頻的光電球、采集頻譜數據的頻譜分析儀等各類大數據傳感器），串口RS232\RS422\RS485（用于連接各種產生小數據業務的載荷設備，采集信息或者控制各種設備）；

（13）通信抗干擾：具備擴頻、跳頻、自適應選頻等抗干擾功能，能夠應對某些敵意干擾或無意干擾，提升通信組網系統工作于復雜電磁環境的適應能力。

目前社會上所謂的無人機集群通信組網方式有窄帶數傳電臺（microhard p900、digi xtend 900等），4G，WIFI，zigbee，NB-IOT，LORA，無線自組網等等，很顯然上述各種方式除無線自組網外，都不能滿足上面所描述的無人機集群的通信組網的需求。zigbee，NB-IOT，LORA，p900，xtend 900等窄帶數傳電臺傳輸速率太低，其點對點和點對多點的工作方式也不支持無人機集群的業務邏輯。4G和WiFi作為寬帶通信組網方式，只所以被很多人采納考慮，主要是項目負責人大多是控制專業出身，對通信專業了解不夠深入，經驗不足，在探索嘗試過程中付出了資金成本和時間成本。即使采用了無線自組網技術，由于自組網技術體制、數據接口、功能和性能存在較大的差異，再加上市場上自組網電臺存在以次充好，虛假宣傳的現象，也需要認真考慮選型。

這里稍微多聊聊4G（5G），本人認為其根本不適合用于無人機集群，理由是多方面的。（1）現有基站架設，一般使用平板天線，天線方向角指向朝下，不指向天空，并不能覆蓋具有一定高度的無人機空域，實際通信效果比較差；（2）4G基站在很多的偏遠山區、戈壁、海洋等地域沒有開設；再其次，即使使用臨時架設地面4G基站，這是一種有中心的星形網，無人機節點之間的通信需要經過4G基站的中轉，時延大；（3）由于基站作為組網中心，信道資源的分配完全依賴于基站，抗毀性很差；（4）4G基站和CPE搭配使用滿足不了很多無人機集群的對通信距離要求；

WIFI有兩種工作模式，一種是集中式，也就是咱們經常用的無線局域網WLAN，顯然也滿足不了上面描述的無人機集群通信組網的要求；另一種是分布式，就是自組網方式，這種方式具有很多優勢，比較適合小范圍（10km以內）協同作業的民用領域無人機集群通信組網的要求，成本相對比較低。但是，因其WiFi 802.11標準，讓WiFi自組網存在一些不足：（1）MAC協議使用CSMA/CA機制進行資源分配共享使用，當網絡規模較大，業務量較大的時候，數據包的發送容易產生沖突，組網很不穩定；（2）該標準的通信波形和MAC協議是專門為近距離組網而設計的，信道估計與均衡算法、糾錯編碼技術、幀間保護間隔、數據鏈路層MAC協議等不適合遠距離傳輸，會隨著距離的增加，傳輸速率下降很快；（3）沒有采用抗干擾技術，不能應對各種復雜的電磁環境，更不用說能用在戰場電子對抗環境之中；（4）WIFI標準是公開的，基本上沒有抗截獲能力和抗破解能力，容易遭到入侵，通信保密安全沒有保障。

無線自組網是無人機集群通信組網的必然選擇，主要是因為它存在以下優良特性：（1）無人機自組網中每個節點兼具無線通信和動態路由的功能，既可以完成傳統點對點通信測控的功能，又可以實現數據包擇優路徑的中繼轉發；（2）無人機自組網中的動態路由協議支持多無人機網絡形成星形網、網狀網、鏈狀網等多種拓撲結構，尤其是多跳路由中繼轉發的功能使得無人機可以組成鏈狀狀網，大大提升測控的距離和作業的范圍，并通過節點合理部署，能夠適應山地峽谷等復雜的地形環境，實現超視距通信；（3）無人機自組網的信道接入控制協議（MAC協議），信道資源動態分配，使得節點可動態入網和退網，無需要通信組網預規劃，非常適合臨時調度無人機的數量來滿足實際應用的需要；（4）無人機自組網得益于新技術（上面提到的動態資源分配，動態路由中繼、負載均衡擁塞控制等），使得網絡內的信道資源可以按需要調整分配，優化選擇傳輸路徑，保證業務QoS 。總而言之，無線自組網是一種不依賴于現有基礎通信設施，可動態快速構建分布式、無中心網絡的技術，具有自組織，自恢復、高抗毀等許多優點，速率可以自適應，帶寬可以按需分配，無人機可以臨時加入或退出，可以多跳中繼，節點可以隨意移動，網絡拓撲可以動態變化等。

通過上面的描述，大家在做無人機集群通信組網方案時，應該知道如何選擇何種體制的通信手段了。不過話又說回來，最終還是要根據實際的應用需求來做出方案選擇，適合的才是最好的。如果確定了要采用無線自組網方案，采購無線自組網電臺時，就要認真仔細考慮采購WIFI自組網電臺還是非WIFI自組網電臺。筆者在對接項目時，一般會先了解項目在通信組網方面的具體需求，然后再推薦適用的自組網電臺。目前，跳跳通寬帶自組網產品已經廣泛應用于無人機集群自組網系統。為了避免大家在電臺選型迷惘，這里做個簡單介紹和指導， T3W、T3S、T3M三個系列的主要參數說明及對比如下表：

T3W系列電臺基于高通平臺打造，采用OFDM、 MIMO、CSMA/CA、智能路由等技術開發研制，具有組網規模較大、中繼跳數較多、通信距離較遠、傳輸速率高、頻譜掃描、接口豐富、可定制性強等特性。性能良好，性價比高，比較適合組網規模在10個節點左右，通信距離10~20km左右，且對成本比較敏感的無人機集群應用。

T3S系列基于SDR平臺（ZYNQ70xx+AD936x）打造，綜合采用COFDM、 分集接收、動態TDMA、智能路由等新技術開發研制，具有組網規模大、中繼跳數多、通信距離遠、傳輸速率高、通信組網穩定、工作頻率范圍寬、入網/退網快、路由切換速度快、支持節點高速移動、通信安全保密、IP語音清晰、通信抗干擾能力強、接口豐富、可定制性強等優良特性。該電臺成本較高，性能優異，可穩定支持64個節點通信組網，適合30~200km的遠距離大規模集群組網應用場景。

T3M系列電臺和T3S系列電臺同平臺打造，T3M系列電臺是T3S系列電臺傳輸速率增強版。T3M系列電臺在T3S系列電臺的基礎上，采用了MIMO技術，10MHz帶寬下峰值速率可達50+Mbps，20MHz帶寬下峰值速率可達100+Mbps，在不增加帶寬和發射功率的情況下，大大地提高了頻譜利用率和網絡系統容量。

T3S和T3M系列電臺都具有自適應選頻和寬帶跳頻兩種抗干擾功能模式。其中，自適應選頻抗干擾功能，網絡系統可實時對候選頻點進行通信質量評估，當前工作頻點受到干擾后，可以自動快速切換到未被干擾的頻率進行通信，自動躲避各種干擾。寬帶跳頻抗干擾功能，載波頻率按照預設的特定的跳頻圖案進行快速跳變，跳速大于1000hop/s，帶寬大于200MHz，跳頻點數最多支持256個，具有很強的抗干擾能力和抗截獲能力，保證信息傳輸的可靠性。抗干擾功能一般適用于需要應對復雜電磁環境的通信抗干擾的應用場景，由于實現難度大，價格相對比較高，主要面向軍用領域或民用高端領域。抗干擾功能模式是可選功能，大家可以選擇不選配抗干擾功能來達到降低成本的目的。

審核編輯：符乾江