无人机的MANET路由协议

随着无人机技术和空中交通管理的进步，机载网络系统变得越来越重要，如物流配送、农业监测、灾害响应等。这些应用对无人机之间的通信以及无人机与地面站之间的通信提出了更高的要求。传统的固定基础设施网络由于其依赖于预设的基站和路由器，无法满足无人机动态变化的通信需求。因此，移动ad hoc网络（MANET）作为一种自组织网络技术，成为了无人机机载网络的理想选择。本文将详细介绍无人机机载网络的组成、空中网络的独特挑战，并探讨适用于这种环境的MANET路由协议。

01、无人机机载网络

无人机机载网络是由多个关键组件构成的一个复杂系统，包括机载节点（AN）、地面站（GS）和中继节点（RN）。每个组成部分在确保无人机能够高效、安全地执行任务方面都发挥着重要作用。

机载节点（AN）

这是指安装在无人机上的通信设备或系统。机载节点不仅负责与其他无人机或地面站进行数据交换，还可以作为移动ad hoc网络的一部分参与信息传递。例如，在无人机群集操作中，每架无人机作为一个机载节点，通过无线链路与其它无人机和地面站保持联系，实现协同工作。

地面站（GS）

地面站是整个无人机机载网络的核心控制中心。它负责监控无人机的状态、收集来自不同无人机的数据，并根据需要向它们发送指令。此外，地面站还承担着维护网络安全的重要职责，确保敏感信息不被未授权方访问。对于复杂的无人机群集操作，地面站可能还需要实时协调各无人机的行动，以确保任务的成功完成。

中继节点（RN）

当中某些无人机由于距离或其他因素无法直接与地面站或其他无人机通信时，中继节点就发挥了重要作用。中继节点可以是其他无人机、专用通信卫星甚至是地面上的固定设施。它们通过转发信号来扩大网络覆盖范围、增强信号强度及质量，并支持动态组网。例如，在灾难现场或偏远地区，通过部署中继无人机等手段快速搭建临时通信网络。

02、空中网络特性

空中网络具有几个显著的特点，节点的高度移动性、拓扑结构的频繁变动以及可能存在的高干扰环境。传统网络依赖于固定的基础设施，例如路由器和基站，这在网络拓扑不变或者变化较少的情况下非常有效。然而，在机载网络中，节点不断地进入和离开网络，导致网络拓扑快速变化，这对传统网络提出了巨大挑战。

● 连接不稳定：由于节点的高速移动，传统的路由协议难以维持稳定的连接。

● 延迟增加：寻找最佳路径的时间增加，可能导致通信延迟增大。

● 资源浪费：为保持连接而频繁地更新路由信息，消耗了大量宝贵的带宽和能量资源。

03、MANET解决方案

由于空中网络具有这样的特性，传统的基于固定基础设施的网络架构难以满足无人机机载网络的需求。相比之下，移动ad hoc网络（MANET）作为一种无需依赖于预设网络基础设施即可运作的无线网络类型，非常适合应用于无人机环境中。

无线自组织网络(MANET),是一种无中心的自组织网络。无线自组织网络—不需要物理基地站，各主机相互连通，主机即可充当服务器。其最早提出是应用在军事领域的单兵通讯，世界各国在2000年以后开始大力研究此技术。[1]    MANET的特点使其能够有效应对节点的高速移动性、拓扑结构的频繁变动以及复杂的通信环境，为无人机机载网络提供了一个可行且高效的解决方案。

MANET是独立的网络自治系统，不依赖于固定主干网（但可以与其配合）或基站，该系统能快速部署到位，建立起一套完整、强大、高抗毁的网络通信系统，提供有效的数据和多媒体通信服务。MANET使用无线通信技术，所有主机均可以自由移动，主机间以无线链路连接。由于无线信号所能覆盖的范围有限，端-端之间的数据传递需要中间结点（其他移动主机）的中继，因此，MANET属于多跳（multihop）无线网络，所有主机既是端系统又可以用作路由器。为了进行有效的通信，移动主机间必须建立合适的路由器。[1]

自组织性

无需预设的网络架构，节点可以自动形成网络并相互传递信息，这对于无人机群集操作尤为重要，因为它允许无人机在网络拓扑不断变化的情况下仍能保持通信。

多跳路由

当单个无人机的传输范围不足以覆盖整个网络时，数据可以通过多个中间节点传递到目的地。这增强了网络的覆盖范围和可靠性。

适应性强

能够迅速响应网络拓扑的变化，确保即使在网络条件恶劣的情况下也能保持通信。这对于无人机在紧急情况下执行任务至关重要。

04、MANET路由协议

为了支持无人机机载网络的高效运行，采用了多种MANET路由协议。

以下是几种典型的MANET路由协议及其特点：

● AODV（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing）：按需路径发现机制，仅在需要发送数据时启动路由查找过程，减少不必要的资源消耗。适合于中等规模的无人机群集操作。

● DSR（Dynamic Source Routing）：源路由机制，所有路径信息都包含在数据包头部，简化了路由表维护。这种方法特别适合于小型无人机群集，因为它的开销相对较低。

● OLSR（Optimized Link State Routing）：基于链路状态的优化算法，适用于大规模网络，减少了控制消息的数量。对于大型无人机群集来说，OLSR提供了良好的可扩展性和效率。

● TORA（Temporally Ordered Routing Algorithm）：时间顺序路由算法，通过分配虚拟时间戳来管理路由更新，有效地应对网络拓扑变化。这种方法有助于提高网络的稳定性和响应速度。

无人机机载网络由机载节点、地面站和中继节点共同构成，旨在克服无人机操作中遇到的独特挑战。由于空中网络的特殊性，传统的固定基础设施网络难以满足其需求，而移动ad hoc网络（MANET）凭借其自组织性、多跳路由和强大的适应性，成为解决这些问题的理想方案。

来源声明：

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/348937900