无人机自组网系统设计与实现

JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityDec.2009Vo.l27No.6

无人机自组网系统设计与实现

陈󰀁旿,孙凯将,张󰀁力,肖󰀁鑫

(西北工业大学自动化学院,陕西西安󰀁710072)

摘󰀁要:文章描述了一个无人机自组网验证系统。基于802󰀂11b/g实现了无人机机载嵌入式AdHoc模块。设计了一个面向小规模、网络拓朴结构快速变化的AdHoc网络距离矢量路由协议。优化了UDP协议,以适应将无线遥控信号在无线自组网环境中传输。实现了基于H.264的视频传输系统和基于离线数字证书的安全通信协议。

关󰀁键󰀁词:无人机,AdHoc,802󰀂11,路由,UDP,H.264,数字证书

中图分类号:TP393󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1000󰀁2758(2009)06󰀁0854󰀁05󰀁󰀁无人机在近几次局部战争中被广泛应用,并取得了良好的作战效果,所以世界各军事大国均将无人机作为武器装备的发展重点。可以预见,在未来

战争中,无人机的使用将会非常广泛。无人机正在向无人攻击机、多用途无人机、微型无人机、无人机集群等方向发展,可以用来执行多种战斗作用。

无人机任务和功能的扩展要求无人机具有编组和协同的能力,这就要求无人机从目前的单飞单控工作模式转变为多飞单控或者多飞多控工作模式,组成无人机网络,形成无人机集群。无人机网络必然是一个动态性很强的网络,网络的拓朴结构快速变化,不断会有节点加入或离开网络,因此,AdHoc网络是最适合于建立无人机网络的技术。

通信范围内的节点之间建立通信链路,形成无人机的自组织多跳通信网络。由于地面指挥车与无人机之间是通过无线电遥控信号进行通信,是点到点的通信方式,且不支持TCP/IP协议,因此必须对无人机的通信方式进行改造,改造后的无人机通信方式见图2。

1󰀁总体设计

图1󰀁无人机自组网结构图

本文实现了一个无人机自组织网络的地面演示验证系统,旨在为无人机空中自组网,构成无人机编组,形成协同作战能力进行基础性的技术研究。该

系统包括一个控制指挥车节点和若干个无人机节点,用以验证无人机网络的单控多飞工作状态。其结构如图1所示。图中1台地面指挥车与3架无人机构成了1个无人机自组网。该网中每个节点均具有路由功能,可以通过存储转发技术帮助彼此不在

收稿日期:2008󰀁11󰀁27

图2中,机载AdHoc模块是一个基于XS󰀁cale270的嵌入式系统,是本次无人机自组网验证系统的关键设备,其系统软件结构结构如图3所示。其硬件总体结构图如图4所示。图中的各模块,除支持H.264编码的Hi3510外,均集成在PXA270内完成。图5为该模块的实物照片。

下面对系统中的关键技术进行简要介绍。

基金项目:西安市科技局应用发展研究计划(YF07018)及自然科学基金(60303158)资助

作者简介:陈󰀁旿(1971-),西北工业大学副教授,主要从事无线自组网及网络安全研究。

第6期陈󰀁旿等:无人机自组网系统设计与实现

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图5󰀁机载嵌入式AdHoc模块

进行了很好的实现,但是这些路由协议大都是面向通用系统进行设计的,也就是说为了要适应各种各样的网络场景,使得这些协议变得越来越复杂和庞大

[1]

。而无人机自组网的节点数量一般会比较少,

因此本文根据实际应用的现状,设计了一个专门适用于小规模(不超过254个节点)AdHoc网络的路由协议,通过对网络节点数量的限制来减少路由信息的网络开销,同时通过各种简单有效的机制来解决AdHoc路由协议中的各种问题,使得所设计的路由协议具有简单、高效的特点。

本文将所设计的路由协议称为󰀂特殊优化距离矢量路由协议(EspecialOptimizedDistanceVerctor,EODV) ,EODV是先验式距离矢量路由协议,路径度量值为跳数。选择先验式是为了有更快的收敛速度,选择距离矢量而不是链路状态是因为链路状态方法虽然收敛速度更快,但是其占用主机资源和带宽资源太高,而距离矢量方法实现简单,也可以通过某种机制来加快其收敛速度(加快收敛速度必然会增加网络开销,要根据实际需要来选择收敛速度与网络开销之间的平衡)。选择跳数作为路径度量值,保证了路由信息在网络拓扑上的连通性,其它的如端对端延迟等度量值虽然在理论上能提高路径选择的有效性,但是在现有的实际无线网络通信环境下,取得这些度量值所付出的代价并不一定能带来期望的效果。EODV保留到目的节点跳数最小的网关信息,也支持等价多径路由,即保留一个或多个相同(若存在)的最小跳数网关信息。EODV是针对小

2󰀁路由模块设计

虽然现有典型的AdHoc路由协议已经越来越完善,AODV、OLSR等协议也已经由开源组织对其

规模ADHoc网络的,因此将网络的节点数量做了限制。根据大部分的实际网络情况,节点的有效地址空间取一个字节,最多允许254个节点处于同一个ADHoc网络中,因此运行EODV的所有节点的

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IP地址只有最后8位不同,这样就在很大程度上减少了路由信息包的大小。

EODV采用主动定期(更新周期UCT:UpdateCycleTime)发送广播更新消息RUM(RouteUpdateMessage)来与周围邻居进行路由信息交互。收到路由更新消息后,通过与本节点路由表进行比较计算出最短路径,考虑到AdHoc网络的对等性,路径度量主要为跳数。

EODV的协议格式如下:

标准协议头长度(HeaderLength)为8字节,若超过8字节则表示有附加可选数据。附加可选数据最长为255-8=247字节。

0󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

Editon协议版本号

8󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁16󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁24󰀁󰀁󰀁󰀁32bitsMessageTypeHeaderLengthDataLength消息类型

头长度

数据长度

这就将路由消息精简为以上格式。KN作为此节点路由可靠性的标志,KN越小说明此RDS越不可靠。同样KN说明了RDS的新旧,利用它能有效解决路由环路问题。

协议头中提供32位的认证码:填充时,先将其32bits填0,再把整个数据包用公共密钥经过一种散列算法得出32bits的散列码,将散列码填入认证码段。收到消息包认证时,先取出认证码,再用填充时同样的方法得出散列码,将其与取出的认证码比较即可进行有效性认证(或同时对附加数据和路由数据进行加密和认证)。散列算法的选取以及公共密钥的分配由外加的安全机制确定。

3󰀁传输模块设计

在无人机系统中,需要可靠地传输遥控遥测指令,目前实现可靠数据通信的应用通常采用TCP协议,而TCP在无线Adhoc网络中的应用则面临严重的性能问题。问题产生的原因是在无线自组网环境中,丢包可能是由于拥塞引起的,也可能是由于节点移动或出现误码引起的,而且后者引起丢包的可能性更大。由拥塞引起丢包应当降低数据包的发送速率以减轻拥塞;由于节点移动或出现误码引起的丢包应当尽快重发数据包。传统TCP将丢包均归于网络拥塞,使得其在AdHoc环境下工作时性能会下降。因此,在本文中选用UDP做为传输协议。考虑到无人机遥控遥测指令对可靠性的要求比较高,而且要保证指令的正确顺序,对UDP进行了优化,以适应无人机自组网的特殊要求。

在本文中,提出了一个UDP优化协议∀∀∀ARUDP协议,该协议对UDP协议的优化包括2部分:引入滑动窗口协议实现UDP协议的可靠传输、针对AdHoc环境对滑动窗口协议的确认和重传机制进行优化。ARUDP的格式非常简单,只有2个字节的协议头,表示的内容包含数据类型和数据序号,数据类型分为DATA和ACK,占用1位,序号用余下的15位来表示Data包的序号或ACK包确认的序号。

跟一般的滑动窗口协议一样,ARUDP中通过引入确认及重传机制来保证数据的可靠传输。3󰀂1󰀁确认机制

考虑到无线Adhoc网络环境中较高的丢包率,确认包的丢失往往导致不必要的发送数据重传。为

[2]

AuthenticateCode(32bits)

消息认证码OptionData(customsize)附加可选数据(自定义大小)

Data(neededsize)路由数据(所需大小)

目前消息类型有3种:NORRT󰀁0、NEWRT󰀁1、REQRT󰀁2。NORRT是定期发送的路由更新消息;NEWRT是由触发机制触发更新的消息;REQRT为路由消息请求,不需要路由数据,所以其DataLength为0,收到REQRT的节点将向源节点返回一个NE󰀁WRTRUM,REQRT的特殊用途就是通过给网内所有节点发送REQRT,以得到所有节点的路由表,从而计算出整个网络的拓扑结构。

数据长度(DataLength)的单位为3字节,即数据最长为255*3=765字节,路由数据的格式为3个字节一段:RDS󰀁RouteDataSegment(D,H,K)

DestNode目的节点

HopCount跳数

KN(KillNode)节点删除标记

考虑到AdHoc网络的临时性和专用性,EODV对节点总数有限制,RDS中DestNode只有一个字节,即节点IP地址只有最后8位不同,所以EODV最多允许256-2=254个节点处于同一个AdHoc网络(254对于AdHoc网络来说已经很庞大了)。

第6期陈󰀁旿等:无人机自组网系统设计与实现

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提高确认的效率,ARUDP协议采用了成组确认方法。另一方面,为使数据尽快得到确认,设计确认机制时包括2种方案:按时确认和加急确认。

(1)按时确认:协议中设计专门的定时器来启动确认功能,当定时器过期,查看当前接收窗口左边沿是否已收到数据报文,若收到,则对已收到的所有连续报文进行一次性确认,确认序号为已收到的连续报文中的最大序列号;同时,接收窗口右移,计时器重新启动。

(2)加急确认:若接收到的数据报文乱序,即后收到序号较小的数据,且该数据处在接收窗口的左边沿,则立即对发送方进行确认。

其中,按时确认主要是面向正常的数据应用设计,考虑到数据重传的定时限制,接收方应在一定时间内对已经接收的数据进行确认,而加急确认则是为了尽快对重传的数据进行确认,以避免进一步不必要的重传。3󰀂2󰀁重传机制

在面向Adhoc网络的应用中,由于经常性的由于误码、断路、路由重构等引起的丢包,重传的设计将显著地影响协议的性能。在ARUDP协议中,重传机制包括接收方ACK重传和发送方数据重传2个部分:

(1)接收方ACK重传:接收方如果接收到落在接收窗口以外的数据报文,或在一定长度时间内没有接收到任何数据,将重新发送已经确认过的最大数据报文的ACK。这个机制主要用来解除可能由ACK包丢失引起的死锁。

(2)发送方数据重传:由于AdHoc中的丢包比较严重,采用选择重传协议或成组重传均会造成传输效率下降,所以,ARUDP协议采用了完全不同的重传方案,其中包括了普通数据重传和加速数据重传2种定时器。详细的机制如下:当普通数据重传定时器过期时,若发送窗口内数据未接收到任何确认,则发送方重传当前发送窗口中最左边的数据。重传同时,重新设立一个新的重传定时器,即加速重传定时器,该定时器对应的超时长度小于普通数据重传定时器,默认值设为普通数据重传定时器过期长度的1/2,若加速重传计时器过期时,仍未收到任何确认,则继续发送当前数据,同时将加速重传定时器清零;若收到确认数据,则将确认序号与当前发送窗口右沿(即已发送的最大序号)进行比较,若相等,则取消加速重传计时器;若确认序号小于右沿序

号,则以确认序号下一个包为起始,重传连续2个报文(若都在发送窗口范围内),并继续将加速重传定时器清零。再一次过期时,进行类似判断,所不同的是,若确认序号仍小于发送窗口右沿,则以确认序号下一个包为起始,重传连续4个报文(若都在发送窗口范围),以此类推。

4󰀁视频模块

由于AdHoc网络带宽较低,要求在低码率的情况下获得更高的处理质量,所以视频传输采用H.264协议

[3]

。H.264编解码单元采用的是Hi3510

芯片。Hi3510是一款基于ARM9、DSP双处理器内核以及硬件加速引擎的高集成、可编程、支持MPEG󰀁4AVC/H.264等多协议的高性能通信媒体处理器。分别采用UDA1341和TVP5105作为音频和视频A/D,并通过扩展总线实现与主处理器的通信。

5󰀁安全协议

传统的AdHoc网络是一个分布式网络,没有中心节点,所以,实现各节点的安全认证和通信是很难解决。本文用于无人机网络,与传统的纯分布式AdHoc网络有着一定的区别:首先,在无人机网络中,所有的AdHoc终端都必然会与控制车发生联系;其次,所有的AdHoc终端必然是统一管理的。因此,采用离线数字证书的方式实现对每个节点入网的身份认证,较简单地解决了安全认证和通信问题。

6󰀁总󰀁结

无人机自组网与普通的移动自组织网络相比,其特殊性表现在:网络拓朴结构变化比较快、节点相对比较少、要求传输视频信息、需要将遥控遥测指令转换为TCP/IP数据格式。本文针对上述特殊问题提出了相应的解决方案:提出了一种面向小规模AdHoc网络的路由协议,保证了路由的快速收敛,以满足无人机自组网拓朴结构变化比较快的特点;采用专用的编解码芯片实现基于H.264协议的视频传输,实现了小带宽情况下的高质量视频传输;优化了UDP协议,实现了将遥控遥测指令转换为TCP/IP

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西󰀁北󰀁工󰀁业󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报第27卷

数据格式;最后将上述技术集成,完成了3个基于XScale270的嵌入式演示验证终端及1套指挥车软件工具。目前已经完成了地面原理性试验。在试验中,除了完成AdHoc网络基本的多跳、自组织、自俞愈重构外,还实现了三跳视频传输、三节点同时传输

视频、安全加密通信等功能。经实测,系统达到了如下性能指标:

带宽:54M;入网时间#6s;视频分辨率:CIF,20帧/s;视频传输延迟:#1s;节点失效时的路由修复时间#6s;节点失效时的视频恢复时间#11s。

参考文献:

[1]󰀁CorsonS,MackerJ.MobileAdhocNetworking(MANET):RoutingProtocolPerformanceIssuesandEvaluationConsidera󰀁

tions.IETFRFC2501.1999

[2]󰀁FuZ,MengX,LuS.HowBadTCPCanPerforminMobileadHocNetworks.Procofthe7thIntSymponComputersandCom󰀁

munications(ISCC02),2002:298~303

[3]󰀁TarekRSheltam.iPerformanceEvaluationofH.264ProtocolinAdhocNetworks.JournalofMobileMultimedia,4(1):59~

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DesigningandImplementingSelf󰀁OrganizedUnmanned

AerialVehicle(UAV)AdHocNetwork

ChenWu,SunKaijiang,ZhangL,iXiaoXin

(DepartmentofAutomaticContro,lNorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi∃an710072,China)

Abstract:ThefullpaperpresentsanAdhocUAVnetworktestbed.WiththehelpofFig.4,section1explainsinsomedetailtheestablishmentofanembeddedUAVadhocmoduleasshowninFig.5.Usingthedistance󰀁vectormethod,section2implementsanovellow󰀁costroutingprotocolforthesmall󰀁sizedandswiftly󰀁changingtopologyof

anadhocnetwork.Section3optimizestheuserdatagramprotocol(UDP)toensurethecorrecttransmissionofwirelessremotecontrolinstructionsignalsthroughtheadhocnetwork.Section4explainshowtointegratetheH.264videotransmissionunitintotheUAVadhocmodule.Section5implementsthesecuritycommunicationpro󰀁tocolbasedontheoff󰀁linedigitalcertification.

Keywords:unmannedaerialvehicles(UAV),adhocnetwork,routingprotoco,luserdatagramprotocol(UDP),

digitalcertification