空中Wi-Fi网络
Evsen Yanmaz，Samira Hayat
3.1 简介
自主无人机（AUAV）越来越广泛地应用于多样化的民用和商业应用中，如环境和自然灾害监测、边界监视、紧急援助、搜索和救援任务、货物交付和建筑工地[208,132,362,265,434, 110,280,163]。由于无人机的快速部署和广阔覆盖能力，使用单个或多个无人机作为通信中继或空中基站，进行紧急情况下的网络供应以及用于公共安全通信，一直是研究的热
点[331,193,206,429]。除了覆盖范围和容量要求之外，已部署空中平台的尺寸和必要平台的数量是决定机载通信系统的关键因素[73]。
小型多旋翼无人机由于其易于部署、低采购和维护成本、高机动性和拥有悬停能力，在实践中特别受到关注。小型无人机的研发首先集中于控制问题，如飞行稳定性、机动性和鲁棒性，然后设计能够以最少的用户干预按照航路点飞行的自主飞行器。考虑到这些飞行器有限的飞行时间和有效载荷容量以及上述应用可能跨越的区域大小，人们的关注点越来越多地转向用于高效成功执行任务的多无人机协同系统。对于不同的应用，无人机的数量可能从几十到几百架不等，飞行距离从数十米到数公里（如图3-1所示）。
无线通信不仅是向无人机提供网络的必要条件，也是成功部署由多个小型无人机组成的系统的关键因素。对于需要满足特定服务质量要求的数据传输应用（例如监视某些区域），很可能需要高性能的通信链路和三维空间中的连通性[35]。问题是采用哪种无线技术能满足空中网络空对空和空对地的链路需求，且无论飞行高度和方向有何显著差异都可传输数据。考虑到在多种链路上需要满足的服务质量和高节点移动性，为地面网络开发的网络协议是否在无人机网络上易于部署还有待考证。
IEEE 802.15.4、IEEE 802.11x、3G/LTE和红外这几种无线技术可以应用于无人机网络通信[70,302,460,40,31,145,207]。尽管部署时通常假设为二维通信平面，但是无论针对人的低移动性还是地面车辆的高移动性，IEEE 802.11都有广泛的可用性（例如IEEE 802.11p），且其可支持广泛的服务与数据密集型应用的基础设施及其ad hoc（自组织）模式，这些使它成为了大量空中网络研究的候选者。
图3-1 不同应用距离和节点数量的应用领域
本章就单跳和多跳空中Wi-Fi网络的性能做了总结。3.2节中首先提出了三维空间中空中链路的特性，这些特性不同于移动ad hoc网络或车辆ad hoc网络等无线网络。3.3节中着重分析了实现自主空中网络的通信需求，并根据通信需求定义不同级别的自主性。3.4节从吞吐量、延迟、数据交换频率等方面提出了空中网络应用的一些潜在通信需求。3.5节给出了多跳空中Wi-Fi网络的真实测量结果，这些结果以及3.4节提供的定量需求，可以用于确定Wi-Fi技术应用于空中网络的可行性，以及如何调整现有技术以满足必需的服务质量。3.6节总结了研究结果并提出了进一步的展望。
3.2 空中网络特性
根据所使用的设备性质，空中网络有自己特有的性质，这些特性与诸如移动自组织网络（MANET）、车载自组织网络（Vehicular Ad hoc Network, VANET）和无线传感器网络（wireless sensor networks, WSN）[49]等其他网络有很大的不同。接下来分析这些不同的特性以及这些特性对通信系统的要求，我们着重分析以下几点：（1）所采用飞行器的平台类型，因其可能影响通信范围；（2）空中链路的3D特性；（3）空中网络设备的高移动性，因其可能导致频繁的拓扑变化；（4）有效载荷和飞行时间约束，这两点对所部署的网络的规模和网络寿命有直接影响。
3.2.1 飞行器特性
用于空中联网的飞行器不仅不同于在MANET、VANET和传统WSN中使用的设备，而且不同部署的应用需求对应不同形式的飞行器平台。飞行器的分类（如气球、飞艇、滑翔机、螺旋桨和喷气发动机飞机、直升机和多旋翼）与它们的航程、续航能力、对天气和风的依赖性、机动性和有效载荷容量有关，在参考文献[148]中给出了详细的描述。根据网络需求，空中网络可以覆盖一个或多个飞行器平台。当需要与地面设备进行长期连接时，例如通过空中基站提供网络覆盖，由于气球续航能力高，可以选择其作为飞行器平台[351,429]。但由于气球用绳子系在操作者（人或地面车辆）身上，它们的飞行高度和范围有限。如果网络需要覆盖较大区域，例如用于监测和绘图应用的通信网络，固定翼设备由于飞行时间较长可能更有优势。在例如结构监视应用场景中[152]，期望无人机能在飞行机动中稳定悬停在物体的附近，此时旋翼系统是更佳的选择[148]。
飞行器平台的选择影响网络覆盖范围和所需平台的数量。具有专用无线电收发器的大型无人设备通常工作在单个链路上以提供更长的连接距离。反之，如果使用更便宜的开源设备例如采用兼容Wi-Fi的无线电台，则可以使用形成多跳ad hoc网络的多个设备来达到相同的连接距离。小型无人机的有效载荷容量限制了在其机身上安装重型通信基础设施的可能。这种情况下机载天线不仅应该是轻型的，还要能够提供全向覆盖。参考文献[460]中描述了一种能够在三维空间中实现全向性的轻量化天线结构的设计。综上可知，无人机的选择会影响空中网络的通信设计，因为所使用的信道会根据设备的收发器特性而变化。
3.2.2 3D属性
空中网络的另一个重要显著特性是它的3D属性。空中网络中的设备在3D空间中移动的能力，使其在必须绕过障碍物的情况下（例如在城市环境中或者诸如地震等灾害场景）依旧能够提供有效的网络连接。在其他场景比如对大片高海拔区域进行监视和绘图或者在郊野中移动时，空中网络的3D属性依然具有优势。例如在使用多架无人机执行任务的情况下，由于高度差去除了空间相关性，有助于避免设备之间的碰撞[455]。
网络的3D 属性要求能支持各种类型的链路。空中网络中的链路可以是空对空（Air-to-Air , A2A）、空对地（Air-to-Ground , A2G）或地对空（Ground-to-Air, G2A）的。参考文
献[31,460,302]中对这些链路彼此进行了分析，且与地对地（Ground-to-Ground, G2G）链路进行了比较。事实表明，由于这些链路具有不同的信道特性，因此必须对这些链路分别进行建模。链路模型会影响到可支持的网络相关服务质量（Quality-of-Service, QoS），从而影响每种类型链路上的可持续流量。无线信道还受到3D空间中无人机飞过的地形以及空间中障碍物数量的影响。
3.2.3 移动性
在很多应用场景中，空中设备由于其高移动性而具有更好的时效性，例如参考文
献[184,435]中强调，在搜索和救援中可以使用无人机进行更及时的搜救。高移动性使得空中网络不同于MANET和WSN等网络。具有高移动性的无人机经过的地形会频繁发生变化，比如在单次飞行中可能会经过森林、湖泊和建筑物。地形引起的盲区不仅会影响无线信道，也会造成多个设备（无人机、地面用户、基站）之间连接的网络拓扑发生频繁的变化。VANET也具有高移动性，但是VANET的移动模型受到2D路径的约束，比如必须在高速公路或者道路上移动，而空中设备在3D空间中移动。因此不仅无人机飞行经过的平面区域会频繁地发生变化，飞行高度也会因躲避障碍/防撞而改变。
考虑到以上特点，空中网络的通信协议不仅能为快速移动的无人机提供耐久的网络，在移动性建模方面也比VANET协议更加灵活。相比于其他网络无法时时连接，空中网络的移动性很有优势，在空中网络中，高移动性的设备可以按具有时效性的方式部署在优化的位置上以支持某些网络QoS。此外，3D空间中可控的移动性可用于使用定向天线增强通信距离。
3.2.4 有效载荷与飞行时间约束
由于无人机具有较高的成本效益和可用性，其在商业上的应用需求正在增加。尽管商用无人机能在如此广泛的领域得到应用且成本低廉，但却会受到有效载荷承载和飞行时间能力的限制。
无人机的有效载荷与飞行时间能力之间成反比关系[13]，这意味着可以通过减少无人机的有效载荷来增加飞行时间。因此，利用当前的技术使多个无人机共享有效载荷[295]能够延长飞行时间。在这种情况下，无人机之间需要进行严格的同步以保证安全。高精度的成像/位置传感器以及实时通信是防撞的必要条件。
3.3 空中自主网络的通信需求
上一节详细说明了空中网络的一般特性，本节将重点讨论空中自主网络。对于一些假定的无人机应用场景，人们希望无人机系统能朝着设定的目标自主地工作。自主性的高低取决于当前系统的约束和应用的要求，同时它也决定了空中网络的通信需求。随着更大通信能力的实现（例如长距离或大容量链路情况下），多无人机系统可以实现更多的自主性。下面的讨论说明了自主性与通信能力之间的关系。首先对无人机系统的自主性进行分类。我们定义了“平台（设备）自主”和“任务自主”两类空中网络自主类型。
3.3.1 平台自主
平台自主涉及无人机的控制，可以用于确定无人机平台是否具备自主飞行能力，抑或是需要由飞行员进行遥控（Remote Controlled, RC）导航。为了确保安全，法律规定无人机须保持在遥控范围内，以便在紧急情况下可以进行人为干预。无人机自主飞行后，会按照预先计算的路线或自适应航路点航行，这些航路点可以由中央处理设备（如基站）决定，然后通过通信链路发送到无人机上。此外，无人机还可以通过综合机载传感器从环境中收集信息（例如综合考虑地形、障碍物以及其他无人机的存在），在航行中决定其飞行路径。通信需求根据所采用的方法会有所变化，但一定会随着自主水平的提高而增加[406]。
考虑到平台的自主性，我们将传输的信息流分为控制信息流（遥控数据交换）、协调信息流（路点或任务计划交换）以及传感信息流。下文描述了不同平台自主级别下的不同信息流交换需求。例如，当平台没有自主性，操作人员通过遥控控制和导航无人机时，需要在无人机和遥控单元之间交换控制数据。如果在平台自主级别上再进一步，当中央处理设备向无人机提供航路点使其自主飞行时，数据交换需求将改变，其中还包括对协调信息流的支持。对于完全自主的平台，其下一个要飞往的航路点由无人机自身决定，因此无人机需要配备某些传感器，确定自身与障碍物和附近其他无人机的相关位置，在这种情况下，遥控信息流交换伴随着对传感数据交换的需求，这些传感数据将提供给机载处理单元，也将发送至中央处理设备（以备紧急情况下，例如在出现灾害时，让地面人员进行决策，或者为确保安全提供更高水平的冗余度）。此外，无人机进行决策需要相互交换某些协调信息流以获得临近无人机的路径计划。
对于具有故障保险能力的通信系统设计，实现平台自主的基本控制信息交换需求非常重要，这可以帮助确定当前可用的技术是否能够支持这样的信息交换。目前无人机的自动驾驶控制包括俯仰姿态保持、高度保持、速度保持、自动起降、滚转角保持、转弯协调以及航向保持等任务[87]。这就要求系统状态要以20Hz的频率发送至自动驾驶装置[31]，当前的技术可以支撑这样的频率[87]。例如对于AR无人机，控制回路每30ms使用看门狗命令保持一次连接，控制命令有20～60字节，如果在2s内没有接收到命令，则该设备执行紧急着陆。3.4节将详细说明不同应用中协调和传感信息流数据交换的需求。
3.3.2 任务自主
任务自主涉及网络中各实体之间的协调，包括无人机、基站和构成网络的其他设备。就每个机载设备所需的设计和处理能力而言，具有中央决策设备（Decision-Making Entity, DME）的解决方案比分布式决策设备组成的系统更加简单。然而分布式决策可以提供更好的解决方案来避免单点故障。此外，如前所述，在受到有效载荷和飞行时间限制的空中网络中，多个机载设备的并行处理可能是提高时间效率的理想方法。
对于空中网络，我们根据决策设备和决策流程，使用二维决策矩阵定义任务自主和相应的信息流需求，如表3-1所示。我们定义决策设备可以是集中式也可以是分布式的，这用矩阵的行表达；矩阵的列代表决策流程，根据定义，它们可以是离线的也可以是在线的；矩阵的元素描述了可用于完成任务的方法。网络中的自主等级取决于设备和流程的组合。例如，离线、集中式决策可提供最少量的任务自主性，而以分布式方式做出的在线决策确保更高级别的任务自主性。
表3-1 任务自主等级决策矩阵
可以注意到，通信需求并不完全取决于任务自主性，这些需求随着在线处理过程中交换的信息量的增加而增加。通信需求还取决于分布式决策是在单个设备上进行的还是通过网络设备（例如多架无人机）之间的共识来完成的。相比基于个体的决策，基于共识的决策[51]对通信组件的设计提出了更高要求[458]。这是因为分布式个体决策不需要网络中设备之间的协调信息交换，这种情况下的通信模块需要支持的数据如表3-1所示。我们把交换的任务数据分成遥测、协调和传感数据，分类基于每个类型的数据所提供的功能不同，正如它们的名称所示。更确切地说，遥测数据包括IMU（Inertial Measurement Unit, 惯性测量单元）和GPS（全球定位系统）信息。协调数据是为了协调网络中的设备而需要交换的任何数据，可能包括同步信息、飞行路径决策、路由信息等。传感数据包括用于测量物理环境的所有数据。此处没有考虑任务开始之前（离线决策传播）的信息交换以及遥控数据交换。
3.4 量化通信需求
本节我们从文献里总结了无人机应用中与通信相关的定量需求。表3-2总结了无人机网络预期应用所需的数据交换频率、吞吐量、延迟和信息流类型，我们将信息流类型分为实时、周期性和延迟容忍（Delay Tolerant, DT）三类。我们给出了在3.3节中定义的协调和传感数据类型的值。协调信息流包括遥测、一些传感的信息流、决策和任务分配指令。传感数据包括由无人机上的传感器所产生的任何信息流[35]。对所有应用来说，由下行链路上的遥测数据和上行链路上的控制指令组成的控制数据都是通用的，遥测数据交换的标准频率是4Hz～5Hz或者更小[214]。出于安全考虑，无人机必须支持遥控数据流以保证其可以一直处于遥控范围内，因此控制数据的交换将更频繁（20～50Hz）以实现系统对遥控指令的实时响应[87]。遥测数据的吞吐量预计约为24kbps，而控制数据由于数据包非常小（8通道遥控数据包=11字节），预期吞吐量非常低（~5kbps）。
表3-2中所列出的应用在节点数量、无人机需要跨越的区域大小、空中网络所部署的地形等方面非常多样化。因此，服务质量需求有显著不同，这给通信技术的使用带来了限制。我们设想表中所提供的值可以有助于为当前的应用场景设计出一个耐久的网络。当已知区域大小以及对可靠数据传输的吞吐量需求时，也更容易估算出是使用多跳来实现区域的完全连通性更能满足吞吐量需求，还是使用容迟网络（Delay Tolerant Network, DTN）[40]更合适。另一个需要注意的重要问题是，对于同一网络，如果使用多跳而不是单跳，网络中要支持的链路不仅包括空对地和地对空，还包括空对空链路。此外，从单跳变为多跳后网络中支持的吞吐量也将减少[459]，这就是为什么表3-2中提供的所有需求值都指定了端到端连接的最低需求。网络中使用的节点数量取决于所考虑的任务区域的大小、收发器特性以及网络中使用的节点的类型。直观来看，较大的网络区域可能需要更大的节点密度来覆盖，然而，某些收发器提供了较长距离的通信，并且可以使用比其他短距离收发器更少的设备。尽管如此，这种收发器通常是专门定制且昂贵的重型设备，对于已商品化且有效载荷受限的无人机，使用更便宜的商用现货设备可能更有利[460,31,40,459]。
3.5 空中Wi-Fi网络的实际测量结果
与空中网络应用的多样性类似，有各种各样的无线技术可应用于无人机网络。最常见的部署于商业小型无人机上的无线接口是用于数据传输的IEEE 802.11以及用于遥测和控制数据信息流的IEEE 802.15.4（XBee）。虽然这种选择主要是因为它们的高可用性、大小、成本等，但我们也可以从表3-2中观察到，大多数IEEE 802.11接口可以支持众多应用的服务质量要求。本节将首先为不同的无人机应用提供潜在的网络架构，然后给出多跳空中Wi-Fi网络的实际测量结果。
3.5.1 网络架构
接下来将研究几种真实场景中无人机通信系统应用的网络类型。我们将网络架构分为基础设施和自组织（ad hoc）两种模式。参考文献[459]中比较了基础设施网络和ad hoc网络的性能并总结了网络特性的差别，如吞吐量、延迟和抖动。虽然基础设施模式提供了用于设备之间连接的中央接入点（Access Point, AP），但是ad hoc模式能保证点对点（Peer-to-Peer, P2P）连接。直观来说，如果要实现集中式决策，而且每个设备从中央决策设备获得其任务并向其提供信息，则基础设施网络更加可行。另一方面，分布式决策可能要求设备形成P2P连接，每个设备在个体或共识的基础上对决策过程做出贡献。如3.3节所述，可以基于表3-1中介绍的决策矩阵，使用多种方法来实现无人机网络的应用。例如，在参考文献[404]中描述的以小型农村区域为中心的SAR项目选择了基础设施模式作为网络架构，然而在中等规模的城市和农村环境中执行SAR项目时，网络实现有多种选择，一些项目倾向于使用基础设施网络实现[184，77]，而其他项目则选择ad hoc模式作为网络架构[412，435]。覆盖任意区域大小、地形和信息流类型的网络应用，都可以通过基础设施和ad hoc网络实现。在参考文献[429]中实现了一个基础设施网络，它建立了机载基站以便在紧急情况下为大型郊区或农村地区提供网络覆盖。参考文献[352]中提及在大城市中通过ad hoc网络提供紧急网络覆盖。对于这两种情况，网络数据流都包含了实时、周期性和延迟容忍数据，对于实时信息流，参考文献[75]中指出，ad hoc网络已经用于在中型区域的城市环境中形成中继链，另一方面，参考文献[353]指出基础设施网络也可用于相同的信息流、区域大小和地形。像植被监测、农业监测、考古遗址监测以及大面积摄影制图等应用不需要实时数据传输[129]，因此可以在任务完成后使用基础设施模式进行离线数据传输。然而在其他情况下，例如在需要覆盖大量群体以进行目标探测、有大群动物或多处野火的情况下[301]，能够以有效方式覆盖大面积动态目标的分布式无人机群比单一无人机更加有用[97]，在这种情况下，对于合作覆盖，需要进行P2P连接来避免碰撞[48]。参考文献[152]中有观点称，单个无人机覆盖小型区域完成任务时，基础设施网络是首要选择。
表3-2 无人机应用的量化通信需求
3.5.2 试验结果
空中网络中不同设备承载不同类型的信息流，每种信息流都具有自己的网络需求[35]，相应地，无人机上的网络接口模块需要能够满足这些特定的需求。此外，如上所述，在大范围区域内部署多架无人机时需要构建ad hoc多跳网络。为了测试不同无线接口在多个设备之间实现联网的可行性，科研人员已经进行了一些实验，测试的重点放在了传感数据传送上，这是由于传感数据比协调和遥测数据需要更大的通信容量。
实验评估了使用不同802.11技术实现传感信息流时的空中网络特性。参考文献[70]重点分析了在无人机ad hoc网络中使用802.11b无线技术时，空中节点的吞吐量和通信范围以及地面客户端的连通性。类似地，参考文献[302]中通过在无人机上安装802.11g无线电模块并使用标准的802.11s网状实现，形成了一个网状网络，这项工作比较了两个不连通的地面用户之间的空中中继与地面中继。参考文献[39]中对802.11n的吞吐量性能进行了分析，比较了使用固定物理层数据速率与自适应速率控制的网络吞吐量。实验表明，采用商用现货网络接口模块的自适应速率控制时，802.11n无线技术的性能比预期的要低得多。作者分别在采用内部平面和外部环形天线的固定翼及四旋翼无人机平台上进行了实验。他们的结论是：性能下降可能是四旋翼的底盘阻挡通信链路并导致数据包丢失造成的。另一方面，参考文献[460]说明了天线定向对无人机网络性能的影响，提出了一种三天线结构以提供全向覆盖并使用802.11a、802.11n和802.11ac兼容的无线电技术进行了测试[460,207]。参考文献[207]表明，在采用三天线结构的四旋翼平台上使用商业化的802.11n模块，可以在较长距离上获得更高的吞吐量。图3-2比较了当Ptx=12dBm时，在满足传输控制协议（Transfer Control Protocol, TCP）信息流的单跳基础设施模式下，采用三天线结构的四旋翼无人机平台使用802.11a和802.11n的吞吐量。结果展示为平均吞吐量和标准偏差（σ）曲线，由图可得，在距离100m时，802.11n的吞吐量是802.11a的五倍。然而与802.11a链路相比，802.11n网络中的链路质量衰减得更为剧烈，可以看到，在距离基站150m～350m的范围内，吞吐量的提升只有一倍。在距离500m时，悬停的无人机仍然能够实现30Mbps的吞吐量，对于移动的无人机，其平均吞吐量仅略好于802.11a链路。还可以看出，在802.11n链路中，在较远距离处的吞吐量偏差远高于近距离处。与参考文献[39]相比，802.11n的性能差异表明，当在无人机上部署通信系统时必须要注意网络的3D属性，特别是机载天线需要针对当前应用进行调整以优化性能。802.11ac是一种更新的通信技术，已经在参考文献[207]中进行了测试。虽然实验室测试表明802.11ac比802.11n有明显的改善，但是在100m以上的距离进行室外测试时，802.11n和802.11ac的吞吐量相差无几。此外，在参考文献[459]中对两跳无人机网络的性能进行了分析，其中比较了使用标准802.11a实现基础设施模式和使用802.11s实现网状模式的性能差异。除了参考文献[70,459,302]，参考文献[241]还分析了固定翼小型无人机的多跳网络，该无人机上安装有ad hoc模式的IEEE 802.11n无线接口，并且实现了优化的链路状态路由（Optimized Link-State Routing, OLSR）。
图3-2 Ptx=12dBm时单跳基础设施模式下的TCP吞吐量
表3-3总结了几种IEEE 802.11技术标准在空中Wi-Fi网络中的吞吐量测量结
果[35,460, 40,70,241,302,459,207]。多跳网络测试测量TCP吞吐量，单跳测试测量用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）吞吐量，如果没有另外说明，则使用最大发射功率（Ptx）。
表3-3 地对地（G2G）与空对空（A2A）、空对地（A2G）、地对空（G2A）的目视链路空中Wi-Fi网络吞吐量比较
3.6 总结与展望
小型无人机集群是未来空域交通的一部分，可靠的通信和网络是成功实现无人机协同工作的关键。由于IEEE 802.11技术在当前网络设备中的广泛可用性、具有高性能链路以及适合于小型无人机。在商业小型无人机上通常使用IEEE 802.11技术来实现网络连接。然而在服务质量方面，通信需求取决于无人机所部署的应用场景，并且需要进一步研究以确定Wi-Fi是否是适合当前应用的通信技术。在没有特定应用场景的情况下，研究人员对目视场景下应用不同IEEE 802.11标准的无人机进行了若干实际测量。测量结果表明，就所需的平均吞吐量和延迟而言，Wi-Fi技术可以支持众多需要在通信节点之间进行少量跳转的应用。然而尚未明确这些结论是否能扩展到更大的无人机网络中，并且现有的ad hoc网络协议实现需为多跳空中网络进行调整。此外，类似于车载ad hoc网络（VANET）的实现，尚不清楚是否需要为空中网络开发新的IEEE 802.11标准。尽管如此，研究人员正在对可部署的空中通信架构进行研究，由于需要支持在目视和障碍物遍布的环境中通过空对空、地对空、空对地链路进行通信，且无视高度或方位差异，因此需要为小型无人机定制天线结构。一些文献中已经说明了天线结构的影响并提出了一些解决方案，然而这些天线增强的空中Wi-Fi网络没有针对不同的应用场景进行测试，例如需要支持实时信息流或可靠联网的网络，特别是无人机之间的协调信息流需要高可靠性以确保安全和避免碰撞。虽然目前已经部署了一些无人机集群，但仍未确定IEEE 802.11标准是否适用于需要严格遵守延迟期限的无人机分布式协同。总的来说，虽然研究结果是令人鼓舞的，但我们仍然需要为超过两跳且使用IEEE 802.11标准的无人机网络，寻找更高效的路由和介质访问控制协议解决方案。
