無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信技術(shù)

肖振宇，劉珂，朱立鵬

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系，新加坡 117583）

0 引言

隨著低空空域的開放和無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，作為未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分，無人機(jī)移動(dòng)通信已逐漸成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門研究方向[1-2]。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，無人機(jī)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速收集、處理和傳遞，要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速率以滿足各類應(yīng)用需求[3]。無線通信是無人機(jī)打破信息孤島、提升作業(yè)能力的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中頻段和帶寬是影響無線通信傳輸質(zhì)量的重要因素，而低頻微波頻段被大量占用，6 GHz以下中低頻段的頻譜資源日益短缺、擁擠嚴(yán)重[4]。各類新興業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致現(xiàn)有低頻段已難以滿足無人機(jī)通信對(duì)于大帶寬的需求。在此背景下，毫米波頻段（30～300 GHz）因其豐富的頻譜資源和較強(qiáng)的抗干擾能力將應(yīng)用于無人機(jī)通信中[5]。然而，毫米波信號(hào)衰減嚴(yán)重，需要部署大規(guī)模陣列天線獲取陣列增益彌補(bǔ)路徑傳播損耗。近年來，毫米波基帶、射頻以及天線器件工藝逐漸成熟，已經(jīng)基本具備大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的能力[6]。毫米波信號(hào)頻率高且波長(zhǎng)短，天線尺寸小，毫米波器件多呈小型集成化，可以在不過多增加負(fù)重的情況下在小范圍內(nèi)部署大規(guī)模天線陣列，例如，對(duì)于頻率為38 GHz 的半波天線陣列，25×25 個(gè)天線陣元集成后的面積接近1 dm2，隨著頻率進(jìn)一步增加，天線陣元可以更加密集，或者在相同尺寸下部署更多天線，這對(duì)于尺寸和負(fù)載有限的無人機(jī)平臺(tái)是非常有利的[7-8]。此外，無人機(jī)平臺(tái)具有高度優(yōu)勢(shì)和靈活移動(dòng)的能力，可以利用毫米波波束的捷變能力和高指向性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波束追蹤對(duì)準(zhǔn)。雖然毫米波信號(hào)依賴于視線線路（LoS,line of sight）通信，但無人機(jī)在空中遮擋少，且可以利用移動(dòng)特性主動(dòng)創(chuàng)造LoS 條件。因此，在無人機(jī)上搭載毫米波陣列天線是支持無人機(jī)大容量安全傳輸?shù)挠行侄巍?/p>

1 無人機(jī)典型應(yīng)用場(chǎng)景與挑戰(zhàn)

近年來，關(guān)于無人機(jī)毫米波通信的研究主要集中在空對(duì)地通信系統(tǒng)，即無人機(jī)與地面平臺(tái)、設(shè)備之間的通信，其部分典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示，無人機(jī)不僅可以在復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)中發(fā)揮重要的作用[9]，得益于其低成本和高機(jī)動(dòng)性，還可以為災(zāi)害救援、熱點(diǎn)地區(qū)、航空監(jiān)視、交通運(yùn)輸、設(shè)施巡檢等任務(wù)提供重要支持，同時(shí)，在遠(yuǎn)距離通信中也可以作為中繼輔助信息傳輸，完成遠(yuǎn)距離寬帶回傳任務(wù)，在未來空天地一體化網(wǎng)路的構(gòu)建中也將扮演重要的角色[10]。隨著無人機(jī)通信向集群協(xié)同方向發(fā)展，無人機(jī)機(jī)群需要借助局部交互，以分布式完成大量單無人機(jī)無法完成的協(xié)同任務(wù)[11]。因此，機(jī)間通信的研究尤為重要。值得關(guān)注的是，機(jī)間通信與傳統(tǒng)的地面通信和空對(duì)地通信有著顯著差異。首先，高頻毫米波信號(hào)衰減嚴(yán)重，而機(jī)間通信對(duì)于傳輸距離的要求很高，需要在收發(fā)端搭載大規(guī)模陣列天線以獲取可觀的定向傳輸增益。盡管能耗會(huì)隨著天線規(guī)模增加有所增長(zhǎng)，但指向性波束不僅可以增加傳輸距離，還具有抗干擾、低截獲的特性，可以增加網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性。權(quán)衡在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，性能和能耗也是一個(gè)重要研究問題。其次，收發(fā)無人機(jī)的快速移動(dòng)性與毫米波窄波束的高指向性相矛盾，機(jī)間寬帶傳輸和安全通信需求日益增長(zhǎng)，毫米波波束的持續(xù)追蹤對(duì)準(zhǔn)是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。最后，對(duì)于無人機(jī)自組網(wǎng)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?，通信資源也隨之快速變化，對(duì)于時(shí)效性、生存性、擴(kuò)展性的需求更高，這使無人機(jī)機(jī)間通信面臨前所未有的挑戰(zhàn)。毫米波波束成形技術(shù)可以為提高機(jī)間通信質(zhì)量和通信效率提供技術(shù)支持，為機(jī)間高效組網(wǎng)提供更高的傳輸帶寬和安全性，但目前針對(duì)機(jī)間陣列通信場(chǎng)景的研究十分有限，尚未形成完整的技術(shù)體系，有必要展開更深入的研究。

圖1 無人機(jī)毫米波通信典型應(yīng)用場(chǎng)景

本文著眼于無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信所面臨的挑戰(zhàn)，圍繞機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的信道建模、穩(wěn)健性波束成形設(shè)計(jì)、安全通信以及無人機(jī)自組網(wǎng)中鄰居發(fā)現(xiàn)、路由決策、資源分配和分布式部署展開，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，指出毫米波陣列通信技術(shù)在無人機(jī)機(jī)間通信中發(fā)揮的重要作用。無人機(jī)機(jī)間毫米波通信面臨的問題與挑戰(zhàn)如表1 所示，本文分析其中潛在的、有價(jià)值的研究方向，為未來無人機(jī)通信相關(guān)學(xué)術(shù)研究提供參考。

表1 無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信面臨的問題與挑戰(zhàn)

2 無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信

無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信是指兩架無人機(jī)之間的通信，場(chǎng)景如圖2 所示，與傳統(tǒng)的地面通信和空對(duì)地通信有著明顯不同。發(fā)射端和接收端無人機(jī)均處于快速移動(dòng)狀態(tài)，姿態(tài)變化頻繁，還會(huì)由于氣流、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、螺旋槳旋轉(zhuǎn)等的影響造成機(jī)身抖動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)間信道快速變化，這對(duì)于對(duì)角度變化十分敏感的高指向性毫米波信號(hào)的是非常不利的，是機(jī)間毫米波通信面臨的巨大的挑戰(zhàn)，因此，對(duì)快速時(shí)變的信道進(jìn)行建模并進(jìn)行穩(wěn)健性波束成形設(shè)計(jì)是非常有必要的。此外，機(jī)間通信往往具有更高的安全性需求，需要進(jìn)行有效的波束成形設(shè)計(jì)避免信息泄露，并減小接收端受到的干擾[12]。

圖2 無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信場(chǎng)景

2.1 毫米波信道建模

無人機(jī)通常處于高空作業(yè)環(huán)境，毫米波頻段信道在傳播損耗、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)等方面與空對(duì)地通信信道有顯著差異?，F(xiàn)有研究很多是針對(duì)無人機(jī)作為空中基站或中繼協(xié)助地面通信的空對(duì)地信道進(jìn)行建模，而針對(duì)無人機(jī)機(jī)間信道的研究相對(duì)較少[13-15]。無人機(jī)通信信道具有明顯的三維傳播特性，無人機(jī)的位置變化和姿態(tài)變化對(duì)機(jī)間毫米波陣列信道有顯著影響[16]。無人機(jī)快速移動(dòng)過程中，信道指向角快速變化，且具有嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)地面毫米波陣列通信的信道模型并不適用于無人機(jī)機(jī)間通信。對(duì)機(jī)間信道進(jìn)行建模時(shí)，需要特別考慮無人機(jī)平臺(tái)的高速移動(dòng)特性和抖動(dòng)特性，揭示其對(duì)機(jī)間信道的影響機(jī)理。

毫米波信道通常具有角度域離散特性，LoS 分量一般是最強(qiáng)分量且最先到達(dá)的，在可觀的信噪比條件下，非視距（NLoS,non-LoS）分量也可以達(dá)到不可忽略的信號(hào)強(qiáng)度[17]。特別地，對(duì)于機(jī)間毫米波信道，潛在的反射源更少，稀疏性更加明顯，毫米波信道可以視為一條LoS 分量和若干條NLoS 分量的疊加。考慮收發(fā)端均搭載均勻平面陣列（UPA,uniform planar array）的無人機(jī)通信系統(tǒng)，機(jī)間時(shí)變信道可以表示為

其中，t表示時(shí)刻，f表示載波頻率，Nt和Nr分別表示發(fā)射端和接收端的天線數(shù)，L為t時(shí)刻頻率為f的載波上多徑分量總數(shù)，ρl表示第l條路徑的復(fù)增益系數(shù)，νl和τl分別表示第l條路徑的多普勒頻偏和時(shí)延，θr,l、φr,l、θt,l和φt,l分別表示第l條路徑的接收端俯仰角，接收端方位角、發(fā)射端俯仰角和發(fā)射端方位角，ar(·)和at(·)分別表示接收端和發(fā)射端的陣列響應(yīng)向量，定義為

其中，MN為無人機(jī)搭載的均勻平面陣列天線陣元數(shù)，λ為毫米波信號(hào)波長(zhǎng)，d為相鄰天線陣元之間的距離。由式(1)可以看出，無人機(jī)的快速移動(dòng)特性導(dǎo)致信道狀態(tài)在空域、時(shí)域和頻域均處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。在空域，多徑復(fù)增益系數(shù)ρl主要與無人機(jī)間的相對(duì)距離有關(guān)，收發(fā)端指向角由無人機(jī)的相對(duì)位置、姿態(tài)和抖動(dòng)共同決定，即θr,l、φr,l、θt,l和φt,l在宏觀層面會(huì)隨著無人機(jī)的位置變化和姿態(tài)變化而改變；在微觀層面，當(dāng)無人機(jī)機(jī)身存在抖動(dòng)時(shí)，這些角度也會(huì)隨著天線陣列的抖動(dòng)而變化，這種微小的角度變化在大規(guī)模天線陣列毫米波通信中的影響是不可忽略的，值得進(jìn)一步研究。在頻域，多普勒頻移νl主要由無人機(jī)的徑向相對(duì)速度決定；在時(shí)域，傳播時(shí)延τl主要與路徑長(zhǎng)度有關(guān)。值得注意的是，機(jī)間毫米波時(shí)變信道中參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取是實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信的重要前提，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)間高效通信的一大挑戰(zhàn)。因此，探索高效的信道估計(jì)手段是一項(xiàng)具有重要意義的工作，而采用概率模型的信道系數(shù)只能獲取理論上統(tǒng)計(jì)意義下的性能，并不能表現(xiàn)出特定場(chǎng)景下真實(shí)的通信性能，需要對(duì)機(jī)間毫米波通信信道測(cè)量進(jìn)行更多的相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到不同場(chǎng)景下具體信道參數(shù)數(shù)值。

盡管已經(jīng)有很多應(yīng)用于無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的信道模型，但無人機(jī)高時(shí)變性毫米波信道建模研究依然處于初始階段。無人機(jī)因其高度優(yōu)勢(shì)以及空中遮擋少的特性，很容易與其他無人機(jī)建立LoS，因此大多數(shù)機(jī)間信道被簡(jiǎn)化為L(zhǎng)oS 且被視為準(zhǔn)靜態(tài)的[18-19]。而實(shí)際應(yīng)用中高動(dòng)態(tài)情境下的信道建模是非常必要的，Bai 等[20]提出了一種空時(shí)非靜態(tài)無人機(jī)毫米波多輸入多輸出（MIMO,multiple input multiple output）系統(tǒng)信道模型，其中無人機(jī)搭載均勻線性陣列（ULA,uniform linear array），兼顧各種無人機(jī)相關(guān)特性對(duì)信道統(tǒng)計(jì)特性的影響，包括無人機(jī)的移動(dòng)方向、飛行高度、飛行速度等，適合實(shí)際無人機(jī)通信場(chǎng)景。Ma 等[21]針對(duì)無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波MIMO 信道進(jìn)行建模，發(fā)射端和接收端移動(dòng)特性被考慮在內(nèi)，該研究采用二態(tài)連續(xù)時(shí)間馬爾可夫過程來描述散射源的出現(xiàn)和消失，在毫米波頻段，所提出的信道模型的參數(shù)對(duì)信道相關(guān)性和非平穩(wěn)性有顯著影響，對(duì)毫米波機(jī)間MIMO 通信系統(tǒng)的研究具有一定參考價(jià)值。文獻(xiàn)[22]在多無人機(jī)用戶的空對(duì)空毫米波陣列通信場(chǎng)景中，無人機(jī)接入點(diǎn)和無人機(jī)用戶均搭載均勻平面陣列，提出了基于先驗(yàn)軌跡信息和壓縮感知的信道估計(jì)方法，所采用的信道模型考慮了時(shí)延、多普勒頻移以及無人機(jī)位置變化對(duì)信號(hào)的發(fā)射角（AoD,angle of depature）和到達(dá)角（AoA,angle of arrival）的影響，雖然該方法只用于LoS 路徑的信道估計(jì)，但容易擴(kuò)展到多徑場(chǎng)景。

現(xiàn)有的關(guān)于無人機(jī)機(jī)間毫米波信道建模研究考慮的信道特征如表2 所示，其中Y 表示考慮了多普勒頻移。從表2 可以看出，綜合考慮毫米波陣列通信多徑類型、無人機(jī)位置姿態(tài)變化和多普勒頻移的信道建模研究還非常有限，另外無人機(jī)的抖動(dòng)也是需要重點(diǎn)考慮的影響因素。現(xiàn)有的機(jī)間毫米波通信信道建模研究尚未具備成熟的理論支撐，無人機(jī)在空中的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，機(jī)間快速時(shí)變毫米波信道的建模和準(zhǔn)確的信道估計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)，值得展開更深入的研究以揭示無人機(jī)位置和姿態(tài)變化與信道狀態(tài)變化之間的關(guān)聯(lián)，為未來復(fù)雜無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信研究提供支持。

表2 無人機(jī)機(jī)間毫米波信道建模研究考慮的信道特征

2.2 穩(wěn)健性波束成形

在毫米波陣列通信系統(tǒng)中，天線陣元數(shù)越多形成的波束越窄，極窄的波束對(duì)信道指向角的變化更加敏感，微小的角度偏差也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的波束增益損失，在發(fā)射端無人機(jī)和接收端無人機(jī)均處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)增益損失更嚴(yán)重。采用窄波束發(fā)射和接收信號(hào)需要非常精確的信道狀態(tài)信息，盡管已有很多基于波束碼本、深度學(xué)習(xí)等獲取準(zhǔn)確毫米波信道狀態(tài)信息的信道估計(jì)方法[23-26]，但這些方法的波束訓(xùn)練開銷太大，實(shí)時(shí)性難以保證。對(duì)于快速移動(dòng)中的無人機(jī)來說，實(shí)時(shí)精確的信道狀態(tài)信息是很難獲取的，因?yàn)槠洳煌趥鹘y(tǒng)地面高速通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)具有固定的移動(dòng)軌跡（如高鐵會(huì)沿著軌道運(yùn)行）可以就近連接沿道路分布的基站或接入點(diǎn)[27]，空基通信網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)需要根據(jù)任務(wù)需求及時(shí)靈活地調(diào)整路徑和姿態(tài)，通常是不可預(yù)測(cè)的，且在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更復(fù)雜，多普勒頻移更嚴(yán)重，因此，如何實(shí)現(xiàn)在收發(fā)端波束快速對(duì)準(zhǔn)和持續(xù)跟蹤的同時(shí)對(duì)抗多普勒頻移、實(shí)現(xiàn)機(jī)間穩(wěn)健性波束通信是一個(gè)獨(dú)特的難題。

無人機(jī)在一定飛行高度一般不會(huì)面臨復(fù)雜的散射環(huán)境，毫米波信道多徑分量數(shù)量很少，波束的指向主要依賴于信號(hào)的AoD 和AoA，因此，確定信號(hào)的AoD 和AoA 是進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵。已有研究提出了基于位置預(yù)測(cè)的波束追蹤方案，通過預(yù)測(cè)無人機(jī)的位置獲取信號(hào)的角度域信息，進(jìn)而進(jìn)行波束追蹤[18,28-30]。Xu 等[28]針對(duì)毫米波無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)提出了基于角度域信息的快速波束追蹤算法，首先利用高斯過程機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)無人機(jī)的位置，減少了無人機(jī)為獲取位置而進(jìn)行的機(jī)間信息交互，降低了時(shí)延，然后采用適用于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聚類算法獲取粗略的角度域信息，進(jìn)而在限定的角度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行單波束追蹤或多波束追蹤進(jìn)一步去除粗略角度域的冗余，提高了頻譜效率。該方法可以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜效率和較低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，滿足高動(dòng)態(tài)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。類似地，Zhang 等[18]針對(duì)無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)動(dòng)態(tài)通信場(chǎng)景設(shè)計(jì)了一種基于位置、姿態(tài)預(yù)測(cè)的機(jī)間波束追蹤方案，首先利用已有的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)和位置與姿態(tài)之間的關(guān)系，采用基于高斯過程的機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)無人機(jī)的位置和姿態(tài)，并估計(jì)信號(hào)的AoD 和AoA，再根據(jù)預(yù)測(cè)出的空間指向角采用基于幾何位置的波束追蹤算法設(shè)計(jì)最優(yōu)的模擬波束成形向量，該方法可以有效預(yù)測(cè)無人機(jī)的位置和姿態(tài)，所提出的波束追蹤算法的頻譜效率高于沒有無人機(jī)姿態(tài)預(yù)測(cè)的算法的頻譜效率。為應(yīng)對(duì)無人機(jī)的高動(dòng)態(tài)性，Chiang 等[29]提出了基于Q 學(xué)習(xí)的波束追蹤算法，利用當(dāng)前和過去的觀測(cè)值設(shè)計(jì)來自環(huán)境的獎(jiǎng)勵(lì)促進(jìn)預(yù)測(cè)，以提高數(shù)據(jù)傳輸和波束切換的效率，該波束追蹤算法可以在多無人機(jī)高動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)追蹤。除了無人機(jī)位置的快速變化，無人機(jī)的抖動(dòng)造成的波束失準(zhǔn)問題也需要得到解決，Yuan 等[30]提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)波束成形方案解決由無人機(jī)抖動(dòng)引起的波束失準(zhǔn)，采用基于深度學(xué)習(xí)的方法根據(jù)先前的波束狀態(tài)預(yù)測(cè)無人機(jī)與終端之間的角度，方便無人機(jī)和終端提前準(zhǔn)備波束并快速建立和維持通信鏈路，可以用于無人機(jī)抖動(dòng)環(huán)境可靠通信的建立，具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。

除波束追蹤外，機(jī)間通信中收發(fā)端相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很大，毫米波載波頻率高，導(dǎo)致多普勒效應(yīng)比地面低頻段通信系統(tǒng)嚴(yán)重得多，對(duì)通信性能的影響更顯著。因此，無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信系統(tǒng)需要針對(duì)多普勒效應(yīng)進(jìn)行分析和應(yīng)對(duì)。Zhang 等[31]提出了一種多普勒頻移估計(jì)和補(bǔ)償方法，根據(jù)歷史估計(jì)結(jié)果優(yōu)化估計(jì)過程，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、低復(fù)雜度的多普勒頻移估計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行有效的多普勒頻移補(bǔ)償，對(duì)于無人機(jī)毫米波通信中實(shí)現(xiàn)機(jī)間穩(wěn)定、可靠的通信具有重要意義。

現(xiàn)有關(guān)于無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信穩(wěn)健性波束成形方法的研究成果如表3 所示，針對(duì)機(jī)間穩(wěn)健性波束成形設(shè)計(jì)和自適應(yīng)波束追蹤設(shè)計(jì)是機(jī)間通信重要的研究課題之一，且高動(dòng)態(tài)無人機(jī)通信環(huán)境中多普勒頻移會(huì)對(duì)通信質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，機(jī)間快速精確的波束追蹤和多普勒頻移的對(duì)抗是亟須解決的問題，時(shí)效性、計(jì)算復(fù)雜度、收發(fā)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性、模型的實(shí)用性等問題都需要進(jìn)一步考慮，以實(shí)現(xiàn)機(jī)間穩(wěn)定可靠的信息交互，更好地完成復(fù)雜的協(xié)作任務(wù)。

表3 無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信穩(wěn)健性波束成形方法的研究結(jié)果

2.3 安全通信

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，大量隱秘信息也會(huì)通過無線系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，如無人機(jī)執(zhí)行偵查等任務(wù)時(shí)對(duì)于信息的保密程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通通信場(chǎng)景。此外，無人機(jī)本身也可能處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，無線傳輸介質(zhì)的開放性和廣播特性使地面或空中的竊聽者可能破解合法鏈路的信號(hào)，造成信息泄露，干擾源也會(huì)對(duì)有用信息進(jìn)行惡意攻擊造成污染，影響接收端正常接收信號(hào)。因此，安全通信是機(jī)間通信的一個(gè)重要的研究課題。在無人機(jī)上搭載毫米波陣列天線為安全通信提供了更有利的支持，毫米波的寬頻帶可以為跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)提供更多選擇，有利于躲避竊聽者和干擾源；毫米波波束成形技術(shù)也為安全通信提供了更多空域自由度，收發(fā)無人機(jī)之間可以形成極窄的指向性波束，有效降低竊聽者接收信號(hào)的強(qiáng)度，并抑制合法接收端受到的干擾，提高通信安全性。

不失一般性，本文考慮無人機(jī)A 向無人機(jī)B 發(fā)送機(jī)密信號(hào)，同時(shí)地面存在I個(gè)單天線竊聽者和J個(gè)單天線干擾源的通信場(chǎng)景，竊聽者竊取無人機(jī)A 發(fā)出的信號(hào)，干擾源干擾無人機(jī)B 的信號(hào)接收，無人機(jī)均搭載毫米波陣列天線，則無人機(jī)B 的接收信號(hào)可以表示為

其中，wA和wB分別為無人機(jī)A 和無人機(jī)B 的波束成形向量，HAB為無人機(jī)A 到無人機(jī)B 的信道響應(yīng)矩陣，PA為無人機(jī)A 的發(fā)射信號(hào)功率，s為發(fā)送的秘密信號(hào)，hjB為干擾源j到無人機(jī)B 的信道響應(yīng)向量，Pj為干擾源j的發(fā)射信號(hào)功率，sj為干擾信號(hào)，n為無人機(jī)B 處方差為σ2的零均值高斯白噪聲?？梢缘玫綗o人機(jī)A 到無人機(jī)B 的傳輸可達(dá)率為

竊聽者i竊聽到的信號(hào)可以表示為

其中，hAi為無人機(jī)A 到竊聽者i的信道響應(yīng)向量，ni為竊聽者i處方差為σi2的零均值高斯白噪聲。那么竊聽者竊聽信號(hào)可達(dá)率之和為

本文將無人機(jī)機(jī)間安全通信率定義為[32-33]

其中，［x］+表示實(shí)數(shù)x與0 之間的最大值。從式(7)可以看出，無人機(jī)機(jī)間安全通信率與信道響應(yīng)、波束成形、發(fā)射功率、干擾源竊聽者數(shù)量、無人機(jī)的位置、竊聽者和干擾源的位置等因素密切相關(guān)，因此，有效的波束成形是提高機(jī)間安全通信率的關(guān)鍵手段。

關(guān)于無人機(jī)安全通信的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大多針對(duì)無人機(jī)作為信號(hào)源向地面用戶發(fā)送秘密信息[34-35]或者無人機(jī)作為中繼輔助地面秘密信息傳輸[36-37]的場(chǎng)景。Mukherjee 等[38]介紹了幾類典型的反竊聽技術(shù)，如人工噪聲、協(xié)同干擾、發(fā)射端波束成形等，但這些方法主要針對(duì)地面合法用戶或惡意節(jié)點(diǎn)，在無人機(jī)安全通信中可能并不適用，這些經(jīng)典的方法需要專門針對(duì)無人機(jī)通信場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，尋找新的解決方向[39]。Sun 等[40]討論了無人機(jī)無線通信系統(tǒng)中潛在的安全攻擊，針對(duì)主動(dòng)竊聽和被動(dòng)竊聽這兩類典型的安全問題，對(duì)軌跡設(shè)計(jì)、資源分配、多無人機(jī)協(xié)同進(jìn)行了介紹，指出了非正交多址接入（NOMA,non-orthogonal multiple access）、MIMO、毫米波技術(shù)、三維波束成形技術(shù)等在空對(duì)地安全通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用毫米波信道在角度域的離散性，在無人機(jī)上搭載天線陣列進(jìn)行三維波束成形生成窄的、精確的波束，利用合法接收端和竊聽者在空間中的分散特性，提高合法接收端的傳輸效率，減少可能的信息泄露。Wu 等[41]通過聯(lián)合設(shè)計(jì)機(jī)密信號(hào)和人工噪聲的波束成形，在保證最差條件（合法鏈路數(shù)據(jù)率最小、竊聽鏈路數(shù)據(jù)率最大）下的保密通信的前提下實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率最小化，且考慮了無人機(jī)的抖動(dòng)特性對(duì)天線陣列響應(yīng)的影響。

但現(xiàn)有研究成果大多是針對(duì)無人機(jī)對(duì)地面用戶的安全通信，當(dāng)接收端也處于高速移動(dòng)狀態(tài)并伴隨無人機(jī)抖動(dòng)時(shí)，機(jī)間安全通信的難度會(huì)大大增加，且無人機(jī)機(jī)間通信環(huán)境更開放、電磁環(huán)境更復(fù)雜，抑制干擾、降低泄露的難度更大。目前，關(guān)于無人機(jī)機(jī)間安全通信技術(shù)的研究還很少，尚未形成完善的理論來定量分析毫米波波束成形對(duì)無人機(jī)機(jī)間安全通信的影響，無人機(jī)的位置、波束的形狀、指向等因素對(duì)安全通信的影響尚未明確，有待開展更深入的研究，有效結(jié)合無人機(jī)平臺(tái)的移動(dòng)特性和毫米波通信的波束成形特性，進(jìn)一步提高機(jī)間安全通信率。

2.4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信小結(jié)

本節(jié)總結(jié)了基于毫米波陣列天線的無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信研究，指出現(xiàn)有成果中存在的不足和未來需要解決的實(shí)際問題。首先，對(duì)于機(jī)間快速時(shí)變的毫米波信道，需要綜合考慮無人機(jī)位置、姿態(tài)、抖動(dòng)的影響以及多普勒效應(yīng)，快速、精確的信道估計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)間高效通信重要的技術(shù)突破。其次，為應(yīng)對(duì)無人機(jī)的高動(dòng)態(tài)性造成的影響，高效的動(dòng)態(tài)波束追蹤和多普勒頻移補(bǔ)償是非常重要的，但機(jī)間通信對(duì)于時(shí)效性要求很高，基于訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的算法需要在時(shí)間效率上有所提升。最后，無人機(jī)處于更開放的環(huán)境中對(duì)安全性要求更高，但現(xiàn)有的無人機(jī)安全通信研究大多基于地面通信，對(duì)于無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，需要更適用于機(jī)間安全通信的發(fā)射和接收波束形狀設(shè)計(jì)、波束指向方向設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)部署方法。

3 無人機(jī)自組網(wǎng)

隨著無人機(jī)通信向集群化發(fā)展，無人機(jī)自組網(wǎng)已然成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，多架無人機(jī)共享網(wǎng)絡(luò)資源，相互協(xié)同完成通信任務(wù)，比單無人機(jī)具有更高的可靠性。無人機(jī)飛行自組網(wǎng)（FANET,flying ad-hoc network）具有高度自治、靈活、自愈等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[42-45]。不同于傳統(tǒng)移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET,mobile ad-hoc network）和車載自組網(wǎng)（VANET,vehicular ad-hoc network），無人機(jī)最高飛行速度可達(dá)140 m/s，且伴隨著姿態(tài)的變化，移動(dòng)軌跡會(huì)隨著任務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活調(diào)整，具有不可預(yù)見性，受平臺(tái)負(fù)載和功耗的限制，需要一套專用的組網(wǎng)技術(shù)以完成更高難度的任務(wù)[46-47]。尤其是在電磁環(huán)境復(fù)雜的極端條件下，無法直接采用地面自組網(wǎng)技術(shù)，高吞吐、低泄露、干擾抑制等特殊需求也給無人機(jī)自組網(wǎng)帶來巨大的挑戰(zhàn)。但毫米波豐富的頻譜資源為空中自組網(wǎng)高容量傳輸提供了可能性，且毫米波窄波束的高指向性可以為加強(qiáng)空中自組網(wǎng)的安全性和反干擾性提供有力支持。無人機(jī)自組網(wǎng)毫米波通信場(chǎng)景如圖3 所示，如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)，且滿足時(shí)效性、生存性、擴(kuò)展性要求，是無人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)研究的一大難題，具體包括三維空域鄰居發(fā)現(xiàn)、路由決策、快速空時(shí)頻資源調(diào)度、分布式部署等問題。

圖3 無人機(jī)自組網(wǎng)毫米波通信場(chǎng)景

3.1 鄰居發(fā)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)中2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立通信鏈路需要感知并維持二者之間的連接，即鄰居發(fā)現(xiàn)。無人機(jī)鄰居發(fā)現(xiàn)如圖4 所示，有效的鄰居發(fā)現(xiàn)可以提高上層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)效率，是組網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為滿足擴(kuò)展性需求，無人機(jī)自組網(wǎng)需要根據(jù)任務(wù)需求頻繁地增加更多節(jié)點(diǎn)或關(guān)閉一些節(jié)點(diǎn)，及時(shí)的鄰居發(fā)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)快速網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的前提。根據(jù)天線的工作模式，鄰居發(fā)現(xiàn)算法主要可以分為四類：全向發(fā)送全向接收、全向發(fā)送定向接收、定向發(fā)送全向接收以及定向發(fā)送定向接收[48]。對(duì)于全向天線使能的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)簡(jiǎn)單的廣播信號(hào)可以發(fā)送到傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，鄰居發(fā)現(xiàn)比較容易，但信號(hào)傳播范圍非常有限，且無法滿足特殊場(chǎng)景對(duì)于安全性和隱蔽性的需求。全向發(fā)送定向接收和定向發(fā)送全向接收模式可以視為全向發(fā)送全向接收和定向發(fā)送定向接收之間的平衡，比純定向發(fā)送接收鄰居發(fā)現(xiàn)更容易實(shí)現(xiàn)[49]。而對(duì)于搭載毫米波陣列天線的無人機(jī)自組網(wǎng)，指向性波束所覆蓋的角度范圍有限，且鄰居節(jié)點(diǎn)需要知道什么時(shí)間將波束指向什么方向以發(fā)現(xiàn)彼此，即只有2 個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)將波束指向彼此且收發(fā)模式相反，才能成功實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)[50]。因此，如何在收發(fā)端雙定向的條件下快速進(jìn)行三維全空域的鄰居發(fā)現(xiàn)，是無人機(jī)自組網(wǎng)中的一大挑戰(zhàn)。

圖4 無人機(jī)鄰居發(fā)現(xiàn)

此外，無人機(jī)自組網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)處于快速移動(dòng)狀態(tài)，需要頻繁的鄰居探測(cè)來更新鄰居列表并維持網(wǎng)絡(luò)連接，最簡(jiǎn)單的方法是在整個(gè)任務(wù)過程中始終進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，但持續(xù)的鄰居探測(cè)會(huì)消耗大量能量和資源，引起不必要的開銷，而不時(shí)地打開或關(guān)閉探測(cè)過程也會(huì)造成不確定的發(fā)現(xiàn)時(shí)延[51]。因此，應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)鄰居發(fā)現(xiàn)波束探測(cè)的頻率，以平衡效率和開銷。Wei 等[52]提出了一種基于定向發(fā)送全向接收的雙向握手鄰居探測(cè)方法，信號(hào)通過定向發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)全向接收可以降低波束對(duì)準(zhǔn)的難度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸和波束對(duì)準(zhǔn)速度的平衡?？紤]到無人機(jī)的部署、機(jī)動(dòng)性以及功耗的問題，無人機(jī)以一定概率在發(fā)射、接收、休眠3 種模式中切換，休眠狀態(tài)中無人機(jī)暫停鄰居發(fā)現(xiàn)過程，休眠概率取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的概率，無人機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)越快，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居列表需要越頻繁地更新以及時(shí)去除離開的無人機(jī)、發(fā)現(xiàn)新加入的無人機(jī)，相應(yīng)的休眠概率就越小。該研究通過設(shè)計(jì)并解決與無人機(jī)位置和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的最優(yōu)化問題得到最優(yōu)的休眠概率，實(shí)現(xiàn)了開銷和鄰居發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確度之間的平衡，所提出的算法適用于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

除了方法和頻率，鄰居發(fā)現(xiàn)還需要考慮到同步、時(shí)延問題以及無人機(jī)抖動(dòng)造成的波束失準(zhǔn)等問題[53-54]。除了空域的波束對(duì)準(zhǔn)外，在時(shí)域和頻域也需要完善對(duì)準(zhǔn)和同步策略，但這也進(jìn)一步增加了鄰居發(fā)現(xiàn)的開銷和時(shí)延，為系統(tǒng)時(shí)效性帶來挑戰(zhàn)。在毫米波頻段定向傳輸時(shí)，為快速發(fā)現(xiàn)鄰居并實(shí)現(xiàn)快速收斂，節(jié)點(diǎn)具有部分先驗(yàn)知識(shí)（如鄰居節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)）是非常有利的，但實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)無人機(jī)的三維位置和速度也很困難。因此，無人機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)對(duì)于簡(jiǎn)化鄰居發(fā)現(xiàn)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接至關(guān)重要。此外，聾問題和隱藏終端問題也會(huì)對(duì)無人機(jī)自組網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)和上層定向通信協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，需要有針對(duì)性地展開研究[55-56]。

鄰居發(fā)現(xiàn)通常會(huì)受到無人機(jī)平臺(tái)能耗、計(jì)算能力和覆蓋能力的限制。因此，地面或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的無人機(jī)鄰居發(fā)現(xiàn)會(huì)更加高效可行。在無人機(jī)自組網(wǎng)中，一般會(huì)有專門用于連接地面控制中心和其他無人機(jī)的專用無人機(jī)，用于接收控制信息（如預(yù)定的飛行高度、合適的速度等）并回傳網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和收集到的信息，以擴(kuò)大覆蓋范圍。因此可以將部分計(jì)算任務(wù)在地面控制中心完成，以減少無人機(jī)的能耗并延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間[57]。當(dāng)無人機(jī)自組網(wǎng)受地域等因素限制無法連接地面控制中心時(shí)，也可以選擇接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星獲取節(jié)點(diǎn)位置信息，有助于無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的鄰居發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星可以支持無人機(jī)機(jī)間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)交換，也可以利用衛(wèi)星的廣域覆蓋，將收集到的信息傳送到遠(yuǎn)距離的地面控制中心，實(shí)現(xiàn)更高效的鄰居發(fā)現(xiàn)[57-58]。

3.2 路由決策

在無人機(jī)自組網(wǎng)中完成鄰居發(fā)現(xiàn)后，需要設(shè)計(jì)各節(jié)點(diǎn)間的路由和沿著這些路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的機(jī)制，當(dāng)一架無人機(jī)向其他無人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂叫枰紤]通信質(zhì)量要求、數(shù)據(jù)流量要求、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化以及傳輸時(shí)延等因素，還需要特別考慮無人機(jī)的三維移動(dòng)特性。傳統(tǒng)移動(dòng)自組網(wǎng)和車載自組網(wǎng)通?？梢杂傻孛婊咎峁┹o助路由，而無人機(jī)自組網(wǎng)很多時(shí)候無法經(jīng)由地面基站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，且無人機(jī)自組網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)更靈活，距離更遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)范圍更大，頻繁的節(jié)點(diǎn)加入和離開導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化，位置數(shù)據(jù)需要快速更新，其移動(dòng)路徑也需要根據(jù)任務(wù)和環(huán)境及時(shí)調(diào)整，周期性的拓?fù)渥兓团R時(shí)的鏈路故障是常態(tài)。因此，無人機(jī)自組網(wǎng)需要具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化的能力和更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)能力，即具備時(shí)效性和生存性。此外，為了避免碰撞，無人機(jī)自組網(wǎng)對(duì)于數(shù)據(jù)包傳輸距離和時(shí)延的要求也更高。特別地，為無人機(jī)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議還應(yīng)考慮安全性和隱蔽性問題，尤其是在對(duì)敵作戰(zhàn)模式下。綜上，為移動(dòng)自組網(wǎng)和車載自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的路由方案已無法滿足無人機(jī)自組網(wǎng)的需求，這給無人機(jī)自組網(wǎng)的路由設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)[59-60]。

根據(jù)所采用的路由策略，現(xiàn)有的無人機(jī)自組網(wǎng)路由方案可以分為基于拓?fù)渎酚?、基于位置路由、混合路由和仿生路? 種類型，這些協(xié)議中有的是新提出的協(xié)議，有的根據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)[59]。4 種路由協(xié)議的工作模式和特點(diǎn)如表4 所示。基于拓?fù)渎酚筛鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?，在?shù)據(jù)傳輸開始之前獲取從發(fā)送端到目的端的路由信息，主要分為主動(dòng)路由協(xié)議（proactive protocol）和被動(dòng)路由協(xié)議（reactive protocol）2 種模式，在主動(dòng)路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都持有向網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)的最新的路由信息，而被動(dòng)路由協(xié)議則只在需要建立路由時(shí)進(jìn)行全局路由發(fā)現(xiàn)和鏈路建立[61-62]。基于位置路由根據(jù)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，適用于無人機(jī)自組網(wǎng)場(chǎng)景[63-64]?；旌下酚扇诤狭嘶谕?fù)渎酚珊臀恢寐酚傻臋C(jī)制，設(shè)計(jì)了基于拓?fù)渎酚芍袛鄷r(shí)采用基于位置路由傳輸信息的應(yīng)對(duì)模式，保證了快速移動(dòng)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)包傳送率，適用于高動(dòng)態(tài)、大規(guī)模、密集的無人機(jī)自組網(wǎng)[65-66]。特別地，近年來仿生算法因其出眾的解決復(fù)雜優(yōu)化問題的能力而備受關(guān)注，仿生路由策略，如人工蜂群算法和蟻群算法[67-70]，被應(yīng)用于無人機(jī)自組網(wǎng)路由發(fā)現(xiàn)，該過程可以模擬為蜂群的采蜜過程，也可以模擬為蟻群的食物發(fā)現(xiàn)過程，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和自組織能力。Zhao 等[68]介紹了一種高斯馬爾可夫移動(dòng)模型來描述無人機(jī)在三維空間中的移動(dòng)，使基于人工蜂群算法的路由發(fā)現(xiàn)策略適用于由節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓那闆r，實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)包傳輸率和低端到端時(shí)延。Yu 等[70]提出了一種由蟻群算法和動(dòng)態(tài)元路由算法集成的無人機(jī)自組網(wǎng)多態(tài)感知路由算法，通過感知路由的距離、穩(wěn)定性以及擁塞程度來建立路由的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以有效避免擁塞和中斷，保證較低的平均端到端時(shí)延、路由開銷和較高的數(shù)據(jù)包投遞率，該算法還可以針對(duì)不同無人機(jī)編隊(duì)調(diào)整路由策略，能夠滿足無人機(jī)自組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。各類路由發(fā)現(xiàn)算法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景，當(dāng)路由確定后，指向性波束成形可以用來增加傳輸距離、減少路由建立時(shí)間、減少數(shù)據(jù)包碰撞[71]。

表4 4 種路由協(xié)議的工作模式和特點(diǎn)

在很多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，路由選擇和資源分配往往是耦合的，因此，路由路徑選擇的建模過程可能會(huì)比較困難[71-72]。如何求解該耦合問題并找到一個(gè)全局的解決方案將會(huì)是非常有價(jià)值的研究。

3.3 資源分配

無人機(jī)自組網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)需要互相協(xié)作以完成實(shí)際傳輸任務(wù)，但節(jié)點(diǎn)對(duì)于通信資源的獨(dú)占性會(huì)導(dǎo)致資源沖突和資源競(jìng)爭(zhēng)問題。為提高無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能，大規(guī)模無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要?jiǎng)討B(tài)管理各種資源的機(jī)制，需要對(duì)無線資源進(jìn)行合理分配以減少干擾并提高吞吐量，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合理的空間、時(shí)間、頻率等有限資源的共享至關(guān)重要。此外，功率控制在能效方面對(duì)于毫米波無人機(jī)自組網(wǎng)也是非常關(guān)鍵的。隨著無人機(jī)集群規(guī)模的增加，計(jì)算任務(wù)大大增加，計(jì)算資源的高效分配也是無人機(jī)自組網(wǎng)需要的技術(shù)突破。

在時(shí)域方面，半雙工模式的毫米波無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中合理的幀設(shè)計(jì)可以保證有效的信息傳輸，避免多徑和多跳路由造成的沖突[73]，而全雙工模式下需要精心設(shè)計(jì)調(diào)度算法以減小干擾，達(dá)到提高頻譜效率、減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的目的[74]。在空域方面，盡管毫米波頻段波束成形技術(shù)可以有效提高頻譜效率、抑制干擾、增加空間復(fù)用，但在高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞M(jìn)行波束管理依然是巨大的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行快速的波束跟蹤和資源重構(gòu)，同時(shí)應(yīng)盡量減小沖突和干擾。在頻域方面，合理的頻譜分配可以有效提高頻譜利用率、減小干擾以及保證無線組網(wǎng)系統(tǒng)高效的數(shù)據(jù)傳輸[75]。隨著三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化，實(shí)時(shí)的全局頻譜分配是資源分配面臨的巨大挑戰(zhàn)。在功率方面，傳輸功率控制、負(fù)載平衡和節(jié)點(diǎn)休眠是無人機(jī)自組網(wǎng)中需要著重考慮的問題，對(duì)于儲(chǔ)能有限的小型無人機(jī)來講至關(guān)重要[76]。在計(jì)算資源方面，數(shù)據(jù)量隨著無人機(jī)數(shù)量的增加而急劇增長(zhǎng)，而無人機(jī)設(shè)備通常對(duì)時(shí)延的要求很高，無人機(jī)自組網(wǎng)需要超高計(jì)算能力和超低響應(yīng)時(shí)延，這對(duì)于功耗和計(jì)算能力有限的無人機(jī)平臺(tái)來說很難完成，將計(jì)算任務(wù)分配到移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC,mobile-edge computation）平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)合適的功率分配是解決無人機(jī)自組網(wǎng)計(jì)算能力限制的有效方法[77]。

隨著自組網(wǎng)規(guī)模增加、動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)，資源優(yōu)化的計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理的時(shí)效性提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無線資源分配通?；趦?yōu)化技術(shù)，且大多基于已知、精確的信道狀態(tài)信息，在大規(guī)模毫米波陣列天線通信中可能并不適用[78-81]。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用越來越廣泛，基于深度學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)的資源分配策略引起越來越多的關(guān)注[82-83]。但基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法復(fù)雜度高，需要著重考慮時(shí)效性問題，這也是未來無人機(jī)自組網(wǎng)資源分配需要解決的重要問題。

3.4 分布式部署

無人機(jī)的高移動(dòng)性和靈活部署特性可以全時(shí)全域地建立空中自組織網(wǎng)絡(luò)，但高動(dòng)態(tài)、大規(guī)模、密集的部署面臨很大的挑戰(zhàn)，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的高效協(xié)作、提升系統(tǒng)性能和資源利用率，節(jié)點(diǎn)的分布式部署和所有可用資源的聯(lián)合優(yōu)化是非常有必要的。

值得說明的是，無人機(jī)位置部署與資源分配是相互影響的，優(yōu)化變量相互耦合，而通常具有多個(gè)耦合變量和因果約束的問題是非凸的，最優(yōu)解的求取相當(dāng)困難。文獻(xiàn)[84]考慮了無人機(jī)自組網(wǎng)作為中繼系統(tǒng)、多無人機(jī)協(xié)作輔助多個(gè)發(fā)射端與其對(duì)應(yīng)接收端之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膱?chǎng)景，通過聯(lián)合優(yōu)化各節(jié)點(diǎn)的位置、功率和帶寬分配以最大化最小的通信率，為解決該復(fù)雜非凸問題，該研究將變量解耦，采用塊坐標(biāo)下降法和連續(xù)凸逼近算法，在給定位置的條件下優(yōu)化帶寬和功率，在給定帶寬和功率的條件下優(yōu)化位置，以此循環(huán)迭代直至收斂，得到了原問題的次優(yōu)解。文獻(xiàn)[85]針對(duì)典型的多無人機(jī)高效協(xié)作的監(jiān)視系統(tǒng)場(chǎng)景，將無人機(jī)分為若干集群，每個(gè)集群由一個(gè)簇頭和若干簇成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，自組網(wǎng)中另有負(fù)責(zé)邊緣計(jì)算的無人機(jī)，集群內(nèi)無人機(jī)將收集到的信息發(fā)送到簇頭，簇頭根據(jù)自身能耗和計(jì)算能力決定信息處理任務(wù)在本地完成還是交由邊緣計(jì)算無人機(jī)完成，以及交由哪個(gè)邊緣計(jì)算無人機(jī)（即任務(wù)調(diào)度）完成，邊緣計(jì)算無人機(jī)需要對(duì)每個(gè)任務(wù)分配相應(yīng)的計(jì)算資源以及最優(yōu)化移動(dòng)路徑，從而最小化所有集群內(nèi)無人機(jī)的能量消耗，這是一個(gè)混合整數(shù)非凸問題，該研究將原問題分解為任務(wù)調(diào)度計(jì)算資源分配子問題和邊緣計(jì)算無人機(jī)路徑規(guī)劃子問題，分別采用分支定界法和連續(xù)凸逼近法求解。可以看出，無人機(jī)軌跡和資源分配往往需要將原始復(fù)雜問題分解、簡(jiǎn)化、逐個(gè)求解、迭代優(yōu)化，逐步逼近最優(yōu)解。

盡管已有相當(dāng)一部分無人機(jī)自組網(wǎng)分布式部署聯(lián)合資源分配的研究成果，但極少有針對(duì)毫米波陣列通信輔助的無人機(jī)集群進(jìn)行部署和資源分配聯(lián)合優(yōu)化的方法，且大多數(shù)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度較低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。當(dāng)采用毫米波陣列通信技術(shù)輔助機(jī)間通信以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)時(shí)，多無人機(jī)的位置部署會(huì)面臨毫米波波束覆蓋范圍有限、波束調(diào)度任務(wù)更復(fù)雜、波束移交更頻繁等問題，需要進(jìn)一步展開研究。

3.5 組網(wǎng)通信小結(jié)

本節(jié)總結(jié)了無人機(jī)自組網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來研究方向。首先，無人機(jī)為滿足擴(kuò)展性需求需要快速的節(jié)點(diǎn)變更，及時(shí)進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)更新路由鏈表、快速網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和規(guī)劃最優(yōu)路由是滿足時(shí)效性、生存性的關(guān)鍵前提。其次，毫米波陣列通信中空間、時(shí)間、頻率、功率、計(jì)算等資源的高效動(dòng)態(tài)分配是無人機(jī)自組網(wǎng)性能提升的關(guān)鍵基礎(chǔ)。最后，解決高動(dòng)態(tài)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署與資源分配的耦合問題以實(shí)現(xiàn)機(jī)間高效協(xié)作是進(jìn)一步完善無人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵突破。無人機(jī)自組網(wǎng)是一個(gè)開放性非常高、應(yīng)用非常廣泛的研究方向，本節(jié)所提到的問題都是有待解決的重要研究課題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信的潛力和挑戰(zhàn)進(jìn)行了綜述，首先介紹了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中信道建模、穩(wěn)健性波束設(shè)計(jì)以及安全通信面臨的挑戰(zhàn)，總結(jié)了現(xiàn)有的研究成果并指出其中存在的問題。之后，指出無人機(jī)自組網(wǎng)中需要進(jìn)行有效的、實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)管理，總結(jié)了鄰居發(fā)現(xiàn)、路由決策、資源分配和分布式部署方面的相關(guān)成果以及值得展開深入研究的問題。

現(xiàn)有無人機(jī)機(jī)間毫米波陣列通信的研究還處于初始階段，尚未形成完整的理論和技術(shù)體系，機(jī)間信道的空-時(shí)-頻演變機(jī)理有待揭示，以挖掘平臺(tái)機(jī)動(dòng)性與信道狀態(tài)和通信性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為無人機(jī)機(jī)間毫米波通信和無人機(jī)自組網(wǎng)提供支持。無人機(jī)機(jī)間通信還需要設(shè)計(jì)可靠的定向傳輸和快速波束追蹤用以對(duì)抗信道狀態(tài)的快速變化、平臺(tái)抖動(dòng)和多普勒頻移，此外，毫米波三維波束成形可以為機(jī)間的安全通信提供額外的空間自由度，如何利用空間自由度提升通信安全性能需要進(jìn)一步探究。對(duì)于多無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)，三維空間高動(dòng)態(tài)特性為組網(wǎng)的時(shí)效性、生存性和擴(kuò)展性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何在收發(fā)端定向的條件下進(jìn)行快速鄰居發(fā)現(xiàn)、在高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行高效的路由決策、在通信資源快速時(shí)變條件下進(jìn)行空-時(shí)-頻資源調(diào)度以及三維空間中的部署等，都是有待解決的重要問題。無人機(jī)自組網(wǎng)也是未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中空基平臺(tái)的重要組成部分，不僅是無人機(jī)機(jī)間組網(wǎng)，無人機(jī)與衛(wèi)星、其他空基平臺(tái)、地面設(shè)施協(xié)同的大型網(wǎng)絡(luò)的多址接入、資源調(diào)度、路由協(xié)議設(shè)計(jì)等問題也是亟須解決的重要研究課題。