姚荣彬 李晓欢 唐欣
摘 要：无人机即时快速自组网已经成为多无人机协作应用的瓶颈问题，本文设计了一种大范围、连续覆盖的无人机自组网系统。该系统基于Batman-adv路由协议，通过混频器将无线信号进行上下变频，实现了多无人机即时快速自组网。测试结果表明，该系统发射信号质量良好，具备多个无人机节点的自组网与通信能力，验证了自组网系统的可行性。
关键词：无人机;自组网;batman-adv;TCP/IP;紧急通信
中图分类号：TN929.5;V279 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）10-0060-03
Abstract：In order to solve of the problem of unmanned aerial vehicles（UAVs）failing to establish ad hoc network，this paper proposes an extensive and continuous covered UAV ad-hoc network system which bases on the Batman-adv routing protocol and shifts the entire wireless signal to a new frequency range（either up or down in spectrum）through a mixer to realize real-time and fast ad hoc network for multi-UAV. The results of the experiment show that the radio signal of the system is strong enough to enable the nodes of UAVs to establish an ad hoc network and communicate with each other，which indicate that the system is feasible.
Keywords：unmanned aerial vehicle;ad hoc network;batman-adv;TCP/IP;emergency communication
0 引 言
当前，无人机在航拍、农业、灾难救援、观察野生动物、测绘、电力巡检等领域应用广泛，但单一无人机无法实现一些大范围、不适宜人直接参与的临时性应用部署，需要设计若干个具有无线收发装置的机载自组网节点组成的多跳、对等的无中心节点的临时性无线自组网，以完成在特殊应用情景下无人机即时快速组网，实现大范围、无人直接参与的信息采集与传输。而无线自组网是无人机自组网、无线传感器网络及智慧城市等领域的关键技术[1-3]，无线节点之间采用动态网状连接，任何一个节点的离开或消失不会影响整个网络的运行，网络鲁棒性好[4]。因此，为了满足大范围、连续的且不适宜人直接参与的信息采集与传输需求，本文设计了一种无人机自组网系统，通过软硬件集成设计，并验证该系统能够实现多个无线节点的开机组网与通信，基本满足应急快速自动组网的通信业务需求。
1 无人机自组网硬件设计
无人机自组网系统硬件主要由WLAN模块、混频器、LNA/PA模块、处理器模块及其附属接口模块组成。自组网硬件架构如图1所示。
硬件系统主要利用混频原理将WLAN模块发射的2426～2448MHz射频信号下变频到1438～1460MHz;同时，WLAN模块将接收到的1438～1460MHz频段信号上变频至2426～2448MHz频段。由于混频器输入为差分信号，因此在输入前端加入一颗阻抗比率为1：4的巴伦，将单端信号转化为差分信号输入到混频器中。另外，为提高整个系统的信号发射功率，在混频模块后设计了一个PA模块，采用双PA级联的方案放大混频后的中频信号，以增加无人机自组网节点单跳覆盖范围。
2 无人机自组网软件设计
根据无人机自组网系统的功能需求，其软件系统主要由Linux、TCP/IP协议、路由协议以及无线网卡驱动组成。图2对自组网系统软件架构进行说明，列出所需要的软件组件。
软件系统采用的是Linux-4.1.13，自组网路由协议采用Batman-adv的2018.1版本，需要在现有Linux-4.1.13内核上进行编译并放至文件系统中。Batman-adv默认添加名为bat0的MESH网络接口设备，那么就需要把通信设备添加到该网络中才能实现路由。另外，由于Batman-adv会在以太网帧中添加32字节的控制信息，所以MTU需要设置为1532。系统启动需要运行以下初始化命令：
› ifconfig wlan0 mtu 1532
› batctl if add wlan0
› ifconfig bat0 up
3 系统测试
3.1 信号质量测试
机载自组网节点发射的信号经过混频放大之后，其中心频率为1.449GHz，再将该频段信号接上40dB的衰减器，得到信号的平均功率、频谱与星座图如图3所示。
3.2 点对点测试
点对点通信测试结果如图4所示，在TCP模式下，使用Iperf工具测试两个节点（约2000米）之间的带宽，持续测试100秒，测试结果平均带宽22Mbps，速度稳定，说明经过混频之后信号还原度好。
3.3 无人机组网测试
无人机自组网系统测试如图5所示，A，B，C分别表示三台无人机搭载自组网通信模块，悬停空中相对静止组网，IP地址分别为10.1.10.2、10.1.10.3和10.1.10.4。其中A和C均不在彼此1跳通信范围内，A发送的数据需经节点B路由转发至C节点，实现A、B、C三个节点互通，进而测试节点A到节点C的带宽，测试的平均带宽为8.93Mbps，验证了该自组网系统具备组网通信能力。无人机自组网系统组网测试结果如图6所示。
4 结 论
本文设计了一种无人机自组网系统，实现了在无基础设施环境下的大范围、连续的临时组网信息传输。测试结果表明，该系统具备多个无线自组网节点的开机快速组网和通信功能，数据传输带宽基本满足无人机组网需求，具有良好的实际应用价值。
参考文献：
[1] Yahiaoui S，Belhoul Y，Faoudi F，et al. TopCoF：A Topology Control Framework for Wireless Ad Hoc Networks[C]// Mobile Ad-hoc and Sensor Networks（MSN），2010 Sixth International Conference on. S.l.：s.n.，2010：222-225.
[2] Landolsi T，Sagahyroon A，Mirza M.Pollution Monitoring System using Position-Aware Drones with 802.11 Ad-Hoc Networks [C]. Malaysia：IEEE Conference on Wireless Sensors（ICWiSe），2018.
[3] Kim B S ，Kim K I ，Roh B S ，et al. Hierarchical Routing for Unmanned Aerial Vehicle Relayed Tactical Ad Hoc Networks [C]// 2018 IEEE 15th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems（MASS）. IEEE，2018.
[4] Zhang J，Liu K. Survey of Ad-Hoc Network Technology for UAV [C]. Chongqing，China.2018 IEEE 18th International Conference on Communication Technology（ICCT），2018.
作者简介：姚荣彬（1984.04-），男，汉族，广西玉林人，实验师，硕士，主要研究方向：自组网通信与嵌入式系统;通讯作者：李晓欢（1982.06-），男，汉族，重庆人，副研究员，博士，主要研究方向：物联网、仪器联网、智慧实验室。
