无人机通信链路组网方案设计 - 图文

本 科 毕 业 论 文

题目：

中小型固定翼无人机组网通信链路方案设计

学员姓名： 培养类型：

易骁迪 合训类

学号： 专业： 年级： 职称：

仿真工程 200909012035 2008级 副研究员

所属学院： 指挥军官基础教育学院 指导教员： 所属单位：

张代兵

机电工程与自动化学院自动化研究所

国防科学技术大学训练部制

国防科学技术大学本科毕业论文 目 录

目 录 ...................................................................................................................... I 摘 要 ...................................................................................................................... i ABSTRACT .............................................................................................................. ii 第一章 绪 论 ....................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究进展 ....................................................................................... 2

1.2.1国外无人机系统通信组网发展情况 ................................................... 2 1.2.2无人机组网通信技术现状 ................................................................. 4 1.3 研究内容与组织结构 ................................................................................ 6 第二章 无人机通信组网关键技术 .......................................................................... 8

2.1 无人机通信系统简介 .................................................................................. 8 2.2 无人机MANET无线自组网技术 .............................................................. 9

2.2.1 无人机MANET网的特点 ................................................................. 9 2.2.3 无人机MANET网络的典型应用 .................................................... 11 2.3 基于MANET自组网的路由协议简介和分析 .......................................... 12

2.3.1 无线自组网路由协议 .................................................................... 12 2.3.2 无线自组网路由协议的分类 ......................................................... 13 2.3.3 几种自组网路由协议的简介 ......................................................... 16 2.3.4 性能比较 ........................................................................................ 19 2.4 本章小结 .................................................................................................. 22 第三章 无人机通信组网方案设计 ........................................................................ 23

3.1各种条件下的无人机组网需求分析 ........................................................... 23

3.1.1 战场无人机网络模型 ...................................................................... 23 3.1.2 各种条件下对无人机组网的要求 ................................................. 24 3.2 IP920电台简介 ......................................................................................... 25

3.1.1 IP920电台的性能指标 ................................................................. 25 3.1.2 IP920电台工作模式和网络拓扑简介 ............................................ 28

第I页

国防科学技术大学本科毕业论文 3.3 无人机网络模式分析与评估 .................................................................. 29 3.3.1 两种常见的无人机网络模式 ........................................................... 29 3.3.2 各组网模式的优缺点评估 .............................................................. 30

3.4 无人机组网方案设计 ................................................................................ 31

3.4.1 基于几种组网模式和路由协议的无人机组网方案设计 ................... 31 3.4.2 无人机在不同情况下的网络变换准则 ............................................ 33 3.4 本章小结 .................................................................................................. 34 第四章 仿真实验与综合分析 ............................................................................... 35

4.1 实验环境 ................................................................................................ 35 4.2 实验内容 ................................................................................................ 36 4.3 实验过程及结果分析 .............................................................................. 36

4.3.1 不同拓扑结构下的电台数据传输性能分析 ................................... 36 4.3.2 不同距离下的电台数据传输性能分析 ............................................ 48 4.3.3 不同运动情况下的电台数据传输性能 ............................................ 54 4.3.4 不同节点数量下的电台数据传输性能 .......................................... 57 4.3.5 不同通视程度下的电台数据传输性能 ............................................ 59 4.4 本章小结 .................................................................................................. 60 第五章 结 论 ....................................................................................................... 63

5.1 总结 ....................................................................................................... 63 5.2 未来工作展望 ......................................................................................... 64 致 谢 ................................................................................................................... 66 参考文献 ................................................................................................................ 67

第 II 页

国防科学技术大学本科毕业论文 摘 要

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器，可以执行多种作战任务。随着作战理念和科学技术的发展，各国军队要求无人机具有更高的作战性能和执行更加多样化作战任务的能力，这对无人机通信组网技术提出了更高的要求，研制新的通信设备、设计新的通信组网方案，实现无人机群的编队自主化和通信网络化是十分有必要的。本文针对MANET无线自组网通信技术进行了研究，提出了战场无人机网络模型，并以此为依据进行了无人机组网通信链路方案的设计，具体工作包括：

（1） 需求分析。本文分析了无人机通信网络的特点和要求进行了分析，介绍研究了MANET自组网技术和网络路由协议，对其通信性能进行了比较分析，并建立了无人机战场网络模型。

（2） 方案设计。本文针对任务需求，基于组网技术和可能的组网模式，设计了无人机通信组网方案，并对组网方案内部的各组网模式使用条件、模式之间的变换准则进行了设计。

（3） 仿真实验。本文结合现有硬件Nano IP920电台进行了网络通信实验，完成了电台各拓扑结构在不同环境下的通信性能测试，并进行了简单的性能分析。实验测试了拓扑结构、传输距离、运动情况、网络节点数量和环境通视程度对数据传输性能的影响。结果验证了组网方案设计的正确性。

关键词：通信组网方案；MANET无线自组网；Nano IP920电台

第i页

国防科学技术大学本科毕业论文 络的拓扑结构随时可能发生变化。并且变化的模式和时间难以预测，因此网络需要高效的路由协议来适应这种动态的拓扑变化，保证数据链路的连通。

4、 较高的安全性和服务质量

由于无人机MANET网络在军事战场环境下容易遭受干扰、窃听和攻击，并且要求稳定可靠的通信服务质量，以保证对无人机的控制和无人机侦察信号的回传。无人机采用无线信号传输技术，网络带宽较小，再加上竞争无线信道的冲突、信号衰减、噪声等多种因素，使得网络的实际带宽远小于理论计算的最大值。

在此，我们比较一下蜂窝移动网络、移动IP和MANET网络之间的差别，以便可以更加深入地了解MANET网络的特点。

MANET网络与蜂窝移动网络有一些相似之处：终端用户可以自由移动，用户接入采用无线传输方式，接入速率低等；它和移动IP也有一些相似之处：接入点可变，需要位置管理。但是它们之间更多的是不同点，如表2-1所示：

蜂窝网络 基站及小区位置确定不变，用户可自由移动 静态拓扑的主干网络 相对温和的环境和比较稳定的连接 预先规划，安装后基本固定 移动IP 接入点可变，但用户无法在移动中工作 静态拓扑的基础网络 稳定的连接 预先规划，安装后固定不变 表2-1 各网络的性能和特点

总之，从移动IP到蜂窝移动网络再到MANET网络，用户的自由度越来越大，但是对网络中的用户管理和路由协议的复杂度要求也越来越高。

MANET网络可以在独立的环境下运行，也可以是以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet或者蜂窝核心网。在无人机网络中，这个现有的网络基础设施就是地面控制站。

在MANET网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的协同应用程序;另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分组需要进行分组转发。

第 10 页

MANET网络网络 无固定设施，部署方便，所有节点可自由移动 高动态的多跳网络拓扑 强干扰环境和不稳定的连接 自组织，随环境变化 国防科学技术大学本科毕业论文 2.2.3 无人机MANET网络的典型应用

无人机MANET网络典型应用模式主要有3种：战场覆盖、战场延伸和扩展应用。 1、 战场覆盖

目前侦察无人机还处于应用基站控制单无人机对战场进行侦察、监视的阶段。单无人机通信距离和侦察范围有限，不能对远距离大范围的战场域进行有效侦察。因此，为拓展无人机的侦察能力，可以采用多无人机组成MANET网络实现对整个战场空间的覆盖。图2-2所示的是多无人机组成MANET网络对战场覆盖的示意图。

基站节点 无人机节点

图2-2 无人机战场覆盖示意图

2、 战场延伸

战场延伸主要是针对远距离目标进行侦察时，基站到目标的距离超出了单无人机的通信距离，因此需要使用多架无人机中继来传输目标的侦察信号。多架无人机采用链式的网络拓扑结构，应用多跳MANET路由技术将侦察数据转发至基站，大大延伸了无人机能够侦察的距离。图2．2所示的是无人机MANET网络战场延伸示意图。

第11页

国防科学技术大学本科毕业论文

基站节点 无人机节点

图2-3 无人机战场延伸示意图

3、 扩展应用

无人机网络通过中继卫星或者无人机地面控制基站连入全球信息栅格网络，可作为网络中心战的重要信息获取方式和信息传输通道，传输侦察信号以及转发对地面作战网络的控制命令。图2-3所示的是无人机MANET网络的扩展应用示意图。

2.3 基于MANET自组网的路由协议简介和分析

2.3.1 无线自组网路由协议

与单跳的无线网络不同，自组网节点之间需要通过多跳数据转发机制进行数据交换，每个节点都可能充当其他节点的路由器。无线信道质量的不规则变化，节点的移动、加入和退出等均会引起网络拓扑结构的动态变化。自组网路由协议的作用就是在这种环境中监控网络拓扑结构的变更，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，提供网络的连通性。路由协议hi移动节点互相通信的基础。

常规的路由协议，如路由信息协议（RIP）和开放式最短路径互连（OSPF）是为有线网络设计，它们的拓扑结构相对固定，不会出现大的网络拓扑结构变化，自组网结构则是动态变化的。若仍使用常规路由协议，则将会在路由发现和路由维护上付出很大代价，而全网路由也可能始终处于不收敛状态。除此之外，自组网不能采用常规路由协议还包含如下几种方面的原因：

1、 自组网中主机间的无线信道可能是单向的：

第 12 页

国防科学技术大学本科毕业论文 2、 使用常规路由，无线信道的广播特性将产生许多冗余链路；

3、 常规路由协议路由信息的周期性广播更新宝文会消耗大量的网络带宽。由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素，节点可能得到的实际带宽是远远小于理论上的带宽最大值；

4、 无线移动终端的局限性。移动终端在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例如采用电池一类的可耗尽能源提供电源、内存较小、CPU性能较低等要求路由算法简单有效，实现的程序代码短小精悍，需要考虑如何节省能源等。而常规的路由协议通常基于高性能的路由器作为硬件平台，没有上述限制。

比较适合移动组网的路由协议有DSR、AODV、DSDV和TORA等。 在宽带互联网络中，由于节点不定时的随机移动、加入和离开，会引起网络拓扑结构的动态变化，因此需要设计高效、灵活的动态路由协议，从而达到快速发现路由的目的。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将路由协议分为表驱动路由协议(Table Driven Protocols)和按需路由协议(Source—Initiated On-DemandProtocols)；根据网络拓扑结构的差异，又可以将它们分为平面结构的路由协议(Flat Protocols)和分簇路由协议(Clustered Protocols)。目前，适合该网络的比较典型的MANET网网络路由算法有：目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、动态源路由协议(DSR)、基于位置信息的路由协议(GEAR)、MANET网络的距离矢量路由协议(AODV)等。这几种协议各具优缺点，适应于不同的工作条件。选择合适的路由协议是设计组网方案的重点，由于无人机的工作环境复杂多变，对不同类型的数据传送的要求也各有不同。在实用中，由于各个子网中的节点数量少、相对位置变化不大，可以采用表驱动方式的路由协议，使各个节点能够实时掌握子网内所有其它节点的路由信息；而在各个子网间采用按需路由协议，通过动态网关或簇头完成源节点到目的节点的路由发现过程。这种分簇的网络结构不仅具有较短的路由发现时间、较少的路由和控制开销，而且还有很好的扩充性。

此外，为了保证QoS服务质量，可以采用多径跨层路由协议算法，即以某个或多个度量的路由标准(如延时和带宽)为依据，根据MAC层反馈的信息，如缓存队列长度等，在存在的多条路由中选择出一条满足QoS的最佳路径。 2.3.2 无线自组网路由协议的分类

由于自组网路由协议对自组网的重要性，它成了研究的一个热点。到目前为止，

第13页

国防科学技术大学本科毕业论文 已经有相当多的标准和草案推出。当前提出的自组网路由协议可依两种标准进行分类，一种是以触发时机进行分类，一种是以网络拓扑结构进行分类。 一、 依据触发时机进行分类

根据路由出发原理，目前的路由协议可分为三类： 1、 基于路由表驱动（Table Driven）的路由协议

表驱动路由（又称先验路由、主动路由）继承了传统的路由算法，但在消除路由环路和已过时路由等方面进行了适应于自组网特性的改进。传统有线网络的经典路由算法包括链路状态协议和距离矢量两种。链路状态协议中每个节点都要保存整个网络的拓扑信息以及每条链路的开销，为了使所有节点中保存的路由保持一致，每个节点必须周期性地广播其与周围邻居节点的路由信息，其它节点在收到这些信息时更新网络拓扑，以最短路径算法来计算到达目的节点的下一跳节点。然而，某些节点保存的路由可能因为传播的延迟等原因与实际网络中的状态不一致，这时就可能会在网络中生成路由环路。距离矢量算法也会导致路由环路的生成。路由环路问题在无线环境下表现地更为明显，所以继承传统路由协议的表驱动路由协议需在此方面进行了改进。

表驱动路由协议中无论路由是否被用到，每个节点都要进行周期性地路由信息交换以维护路由表。表驱动路由协议的优点是在有信息传送时不需要等待建立路由，源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。而其在无需通信节点之间的路由维护则浪费了大量的网络带宽。常见的表驱动路由协议有DSDV，HSR，GSR，WRP，FSR等。

2、 按需驱动（On-Demand Driven）的路由协议

与表驱动路由相反，源始发的按需驱动路由（又称反应路由）认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护去往其它所有节点的路由。按需驱动路由因其更适合自组网特性，近些年来更被关注。按需路由一般分为路由建立和路由维护两个过程。它仅在需要给目的节点发送报文而又没有去往目的节点路由的时候才按需进行路由发现。因此，路由表是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时，不适合于实时性要求高的应用。 常用的按需驱动路由协议有DSR，AODV，TORA，LAR等。

第 14 页

国防科学技术大学本科毕业论文 3、 表驱动和按需驱动混合

MANET无线网络中单纯采用表驱动或按需驱动路由协议都不能完全解决路由问题，因此，许多学者提出了结合表驱动和按需驱动路由协议优点的混合式路由协议，如ZRP协议。

混合式路由协议在小范围局部区域内使用表驱动路由协议，局部区域间则采用按需路由协议。这样可将表驱动路由协议的周期性广播限定在一个局部区域内，从而减轻由全网广播带来的路由负荷。混合路由协议实现了按需路由协议和表驱动路由协议强弱互补，具有相对低的带宽消耗和路由发现延迟。 二、 依据网络拓朴分类

按网络的拓朴结构分，MANET网络路由协议可分为： 1、

平面结构路由

在平面结构中，网络中的所有节点都在同一水平位置并且节点的地位是平等的,彼此之间没有层次概念，不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性好，通信流量平均地分散在网络中，此类协议主要用在小型网络中。DSR、AODV、ZRP、TORA、GSR、DSDV等都是基于平面结构的路由。平面结构路由的缺点是当网络规模很大时，可能会导致整个网络都充斥着路由信息报文,网络的可扩展性差。

2、

分层结构路由

当网络变得很大时，如果仅使用平面结构路由，则每个节点要维护的路由信息量很大，路由信息到达边缘节点也将花费很长的时间。对于规模较大的网络，层次结构（基于簇）路由可以被用来解决上面的问题。在层次结构的路由中，网络由多个簇组成，节点分为三种类型：普通节点、簇首节点和网关，处于同一簇的簇首节点和普通节点共同维护所在簇内的路由信息，簇首节点负责所管簇的拓扑信息处理，簇间通过网关通信。分簇结构可以提高网络规模和减少路由开销，可扩展性好，符合人类管理大型系统的习惯，适合管理超大型网络。 分层协议主要包括成簇协议，簇维护协议，簇内路由算法和簇间路由协议。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇，它是分层路由协议的关键。簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点退出簇和加入新簇，而簇本身又会随着节点的加入和退出而产生和消亡。典型的分层结构协议有CGSR(Cluster head Gateway Switch Routing) 、CBRP（cluster based routing protocol）等，前者为按需驱动，否则为表驱动。 第15页

国防科学技术大学本科毕业论文 2.3.3 几种自组网路由协议的简介

一、DSDV路由协议

DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）协议通过修改RIP协议而得到，它基于Bellman-Ford算法。DSDV在每条路由信息中加人由目的节点产生的序列号，以避免路由环。

在DSDV协议中，每个节点周期性地广播它当前的路由表（路由信息包括对应于每个目的节点的距离及最大序列号，还包含发送者自身的序列号，每广播一次就自动加1）。每个收到该广播报文的节点将报文中的对应各目的节点的序列号与自身路由表中相应表项比较，如果报文中的序列号较高，则更新自己的路由表，将发送者指定为下一跳，并将距离增加一跳。在序列号相等但是报文中路由距离更小的情况下，节点也要更新自己的路由表。

当一个节点发现链路失效时，它将所有通过该节点转发的路由的距离设为无穷并将其序列号加1。由于更新了序列号，因此这一消息会传播到整个网络。这样所有这些目的路由指向的目的节点都有效地与此节点断开，直到有新的序列号产生并包含新的路由信息。

二、HSR路由协议

HSR(Hierarchical State Routing)是一种用于分级网络的路由协议，高级节点保存它所有子孙节点的位置信息，沿从最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址，可以用序列地址进行节点寻址。

三、GSR协议

GSR(Global State Routing)协议的工作原理与DSDV协议类似，在该算法中，每个节点维护邻居列表、拓扑表、下一跳节点表和距离表。邻居列表记录所有能侦听到该节点信息的节点列表。对于每个目标节点，拓扑表记录链路状态信息和该信息的时间戳（timestamp），下一跳节点表记录分组转发的下一跳节点，而距离表则记录到达目的节点的最短路径。当链路的状态发生变化时，通过比较报文与本地拓扑表中的目的节点路由序列号大小，决定网络拓扑表的修改，若拓扑表发生变化则广播给其它节点。

四、FSR路由协议

GSR协议中，较长的路由修改报文会浪费相当大的网络带宽，针对这一缺陷，FSR(Fisheye State Routing)对GSR进行了修改，FSR的路由信息报文中并不包含所

第 16 页

国防科学技术大学本科毕业论文 有节点的信息，因此可大大缩短报文的大小。与中心节点的距离越近，信息交换越频繁，每个节点都可获得其邻近节点准确详尽的信息；而随着与中心节点距离的加大，交换频率开始减小，超过节点的鱼眼范围时，信息的准确性降低，但并不影响路由的正确选择。通过这种算法，可大大降低路由修改信息对网络的负荷。这种算法的拓扑组织结构像鱼的眼睛,所以称之为FSR。 五、WRP路由协议 WRP(Wireless Routing Protocol) 是一种距离向量路由算法,每个节点维护距离表、路由表、链路开销表和信息重传列表。信息重传节点列表记录信息更新报文中需要传送的信息序列以及需要对该信息更新报文作出确认的节点列表。节点周期性或者在链路状态改变的情况下交换路由表，信息更新报文中反馈节点列表中的节点需要确认其接收。如果从上次广播更新报文后节点没有新的路由信息需广播，则其需发送HELLO报文，以确认节点之间的连通性。如果节点没有发送HELLO信息,则认为节点的链路信息无效。当节点收到来自邻居节点的信息更新报文后,修改自身的距离表依据该报文寻找更好的路由。如果某个移动节点收到了新节点的HELLO信息,则把新节点信息填入路由表,并且把它自己的路由表发给新节点。 六、DSR路由协议 DSR(Dynamic Source Routing)协议是最早被提出的按需驱动路由协议。DSR的路由发现过程如图2.2所示，当源节点没有到达目的节点的路由时，它广播一个路由请求报文。每个收到该报文的中间节点附上自身的ID然后重新广播。当路由请求到达目的节点(或者某个知道某条到达目的节点的路由的中间节点)时，它就可以决定一条到达目的节点的完整的源路由。目的节点(或中间节点)将所得的源路由包含在路由响应报文中，然后沿着所得路由反向发送回源节点，也可以附带在目的节点的路由请求报文中。源节点收到路由响应报文后，它将源路由存人缓存，并置入每个数据报的报头。中间节点根据数据报头中的路由信息中转数据报文。 路由维护过程也需要使用缓存信息。如果数据报在逐跳传输过程中发现链路失败，则可以由中间节点用缓存中的可用路由来代替报头中含有失效链路的路由，同时向源节点发送一个路由错误报文。和其它路由控制报文一样，路由错误报文可以被中间节点监听到，并且根据它将中间节点中的失效路由删除掉。这样可以使缓存中的错误路由信息的影响最小。如果路由失效，源节点则重新开始一个新的路由发现过程。 第17页

国防科学技术大学本科毕业论文 七、AODV路由协议 AODV（MANET On demand Distance Vector Routing）协议是在DSDV协议的基础上结合类似DSR中按需驱动的思想而提出的。它与DSR协议的不同之处在于报头并不携带路由信息，中继节点依据自身的路由表逐跳转发。因为在AODV协议中，各节点隐式地将路由请求和路由应答分组中的路由信息保存于自身的路由表中，而DSR却将完整地路由信息显示地保存在分组中。AODV基于双向路径的假设，不支持单向路径。 八、TORA路由协议 TORA（temporarily-ordered routing algorithm）协议是在有向无环图DAG（directed acyclic graphic）算法的基础上提出的一种按需驱动路由协议。它分为路由发现，路由维护，路由消除三个过程。TORA协议与其它按需驱动路由协议一样，首先在网中发送路由请求分组，但是在路由应答部分，则采用了DAG算法。其主要思想是：对于某一目标节点，网络中每个节点都保留了相对于它的“势能”。势能可以通过从目标节点的反向广播来获得。离目标节点越远的节点，势能越高，目标节点势能最低。在数据传播过程中，数据包会从高势能的节点向低势能的节点转发，最终流向目标节点。当局部链路发生变化时，只需要局部势能的调整，这种改变一般不会影响到全局。TORA协议的主要特点是控制报文定位在最靠近拓扑变化的一小部分节点处，因此节点只保留邻近点的路由信息。该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现路由的开销。 九、LAR路由协议 LAR（location aided routing）协议是一种依据节点物理位置信息而获得路由信息的算法。LAR协议从GPS获得位置信息，且每个节点需知道其它节点的平均运动速度。在路由请求分组中携带寻径范围信息，寻径范围依据位置信息和节点平均运动速度而得到。这样，只有在寻径范围内的节点才转发路由请求分组。当源节点在当前寻径范围内寻径失败时，它将扩大寻径范围。LAR协议的优点是在小范围内寻径，减少了寻径开销；缺点是依赖GPS提供的位置信息，限制了其应用范围。 十、ZRP路由协议 ZRP（zero routing protocol）协议是一个表驱动和按需驱动路由协议的组合，网络内的所有节点都有一个以自己为中心的虚拟区。在区内使用表驱动路由算法，中心节点使用区内路由协议IARP（Intra-zone Routing protocol）维持一个到区内其它第 18 页 国防科学技术大学本科毕业论文 成员的路由表，对区外节点的路由使用按需路由，利用区间路由协议IERP(Inter-zone Routing protocol)建立临时的路由。 十一、CGSR路由协议 CGSR协议是以DSDV协议为基础的先应式路由协议，在CGSR网络模型中，网络被划分为重叠的簇，每个簇通过簇首选择算法选出一个簇首。每个节点保存一个簇成员表（clustermembertable）和路由选择表（routingtable）.前者记录网络中每个节点的簇首并周期广播更新；后者为每个簇保存一条表项，记录通往该簇首的下一节点。处于两个以上簇首通信范围内的节点为网关节点，簇首之间必须通过网关实现通信。 十二、CBRP路由协议 CBRP（cluster based routing protocol）协议是一种分层结构协议。在CBRP路由协议中，MANET网络内分布的节点被分为若干交叠或分离的集群，称为簇。每一个簇由一个“簇首”来管理簇内所有节点的全部信息及行为。簇首节点通过网关节点发现毗邻簇并由此寻找路由。网络中的每个节点都周期性地向外广播Hello Message（周期性握手信息）。各节点通过Hello Message的交换得知自身周围分布的一跳及二跳节点，进一步可知自身所在网络分部的局域拓扑信息，这些信息是寻找路由的基础，但并不基于此完成路由。当某一节点发出路由请求后，该节点将向周围节点发出“RREQ”控制包，各节点根据自身所在的网络分部的拓扑结构以及自身身份采取不同的处理方式：簇首节点将RREQ转发至目的节点或网关节点；网关节点将RREQ转发至目的节点或毗邻的簇首节点；普通成员节点将RREQ发往所在簇的簇首节点或作丢弃处理。 2.3.4 性能比较

衡量路由协议好坏的两个重要指标是路由发现延迟和路由开销。路由延迟是指源节点获取一个新的到达目的节点的路由所需的时间。平均路由发现延迟最小的是表驱动路由协议，其次是混合型路由协议，按需路由协议最长。

本文对表驱动路由和按需驱动的路由进行了路由开销、报文发送率及能源消耗等方面性能的比较，选择了几个有代表性的路由协议进行了对比研究，以DSDV、AODV、TORA、DSR四种路由协议为例。

一、 路由时延性能比较

第19页

国防科学技术大学本科毕业论文 根据表驱动路由协议和按需驱动路由协议的工作机理，可以发现，表驱动路由协议在路由时延上有较大的优越性。由于表驱动路由协议时刻更新维护着路由信息，保持路由的可用性，故其路由时延非常小；而按需驱动路由则是在需要的时候寻找路由，可能造成节点处于等待状态，产生较大的时延。 二、路由开销性能比较 研究发现，在网络拓扑变更的情况下，表驱动的DSDV协议的路由开销是基本不变的。在网络拓扑变更不明显的情况下，按需驱动的DSR、AODV、TORA协议的路由开销远小于表驱动的DSDV协议。实际上，自组网总是要工作在网络拓扑变更较慢的情况下，因为当拓扑结构变化快到一定程度时，任何基于路由协议的数据包转发已经成为不可能，泛洪(flooding)方式成为数据包传输的唯一选择，而泛洪将会耗费大量的网络带宽。然而在小范围内，由于节点维护的路由表规模较小，表驱动路由协议的路由开销会大大降低。 三、报文发送率性能比较 表驱动路由协议的负荷随着节点运动的加快虽基本保持不变，但在网络拓扑结构变化加快的情况下，无法及时收敛，从而造成大量的不可靠路由和路由环，引起丢包。当拓朴变更剧烈时，DSDV的报文发送率急剧下降，此时按需驱动的路由协议表现较好。 四、能源消耗性能比较 电源管理和能量消耗情况是MANET网络性能的一项重要指标。实验对AODV、DSR、TORA(按需)和DSDV(表驱动)协议的能量消耗情况进行了分析，总的而言，纯粹的按需路由协议，如AODV、DSR所表现出来的性能要比DSDV好，比TORA就更好得多。在所有场景里面TORA是性能最差的。此外，随着节点数量的增加，路由维护的开销让TORA的能量消耗迅速恶化。而在所有的测试场景中，DSDV的能量消耗变化一直都比较平滑，这是由于它是表驱动路由协议的缘故。DSR的能量消耗性能通常要比AODV好一点，但是在比较静止的网络中，两者的性能是一样的。此外，AODV有时能量消耗性能要比DSDV差一些，尤其是在当需要进行较长的路由的时候。

根据上面的结果可以得出以下结论：当网络结构比较稳定时，在路由开销性能方面，按需驱动的路由方式要比表驱动的路由方式在性能上有明显的优势；当网络变化较快时，在报文发送率性能方面，按需驱动的路由方式要比表驱动的路由方式

第 20 页

国防科学技术大学本科毕业论文 在性能上有明显的优势。而在能源消耗方面，表驱动协议和按需驱动协议各有优势。如果某类网络对报文发送的实时性要求不高，能容忍路由发现延迟，则应优先考虑按需驱动的路由协议。 最后，我们用表2-2总结MANET网络各协议的优缺点。 分类角度 路由类型 路由发现策略 表驱动路由按需驱动路由协协议 当节点需要发送数据分组时，只需要查询路由表优点 中是否有到目的节点的路由条目存在，整个路由计算收敛速度较快 维护路由表信息的开销较大，通过使路由表更新缺点 与拓扑变化同步，使得网络中充斥控制信息，对网络资源的占用度较高 典型协议 DSDV,WRP,AODV,DSR,TORAODV,DSR,TO第21页

网络逻辑视图 平面路由 分层路由 议 节点地位平等，网络中业务流无需周期性的广平均且分散，路播控制信息，节由协议鲁棒性省了网络资源 较好，无需进行节点移动性管理 网络由多个分簇组成，可扩展性较好，适合规模较大的自组织网络 簇首节点的发送数据分组的可靠性和稳时候，如果路由可扩展性相对定性对网络缓存中没有到达较差，随着网络性能影响较目的节点的路由规模的扩大，协大，为支持节条目存在，需要议的效率受到点在不同分发起路由发现过较大影响 程，时延较大 群之间移动将产生一定的开销 CGSR,ZRP,C国防科学技术大学本科毕业论文 STARA,GSR,FSR,HSR A,ABR,SSR,CBRP RA,ABR,WRP,STARA EDAR 表2-2 MANET网络各协议的优缺点

2.4 本章小结

本章对无人机通信组网所用到的关键技术进行了介绍。首先介绍了无人机通信系统及其构成；接着介绍了无人机MANET无线自组网技术，并对其典型应用进行了分析；最后对MANET自组网协议进行了研究，并对几种常用的协议进行了介绍，还从三个方面比较了各协议的优缺点。本章为下一章进行无人机组网方案设计奠定了技术基础。

第 22 页

国防科学技术大学本科毕业论文 第三章 无人机通信组网方案设计

3.1无人机组网通信需求分析

3.1.1 战场无人机网络模型

设计无人机组网方案需要对无人机网络进行建模，并合理假设模型特性： 用网络图G=(V,E)表示一个无人机移动自组网，其中V={v1，v2，……vn}表示移动自组网G中的无人机和基站节点集合(设基站节点为v1)，E={e1,e2,……em}表示为G的链路集合。由于移动自组网的拓扑结构动态变化，链路集合将可能随时间不断变化。每个无人机节点具有一个全向天线，其通信半径为R，但是当无人机在基站的近距离全向通信范围内或远距离定向通信范围内时，可认为无人机能与基站通信，因为基站的通信装置的灵敏度更高。基站在近距离全向天线的通信半径也为R，远距离定向的通信半径R’，上下左右的角度为α。超出互相通信范围的两个节点要进行通信时，利用其他节点作为中继器进行多跳通信。当无人机节点i在基站或者其他无人机j的通信范围内，则表示节点i和J存在一条双向的通信链路。 一、网络拓扑结构

1)G=形助表示一个无人机移动自组网，y表示无人机和基站节点集合。假设网络中的通信链路都为双向通信链路。

2)网络中的节点数量有限，节点的分布和无人机应用的具体场景相关，典型的应用场景有战场覆盖和战场延伸，都需要对无人机的航迹进行规划，从而影响了网络拓扑结构的变化。

3)不考虑障碍，气候对信号传输的影响，当两个节点在通信范围内时，即不大于最大通信距离时，两个节点可以直接通信。

4)如果两个节点间存在一跳或多跳连接，则两者的通信需要多跳路由。 二、节点

1)节点分为无人机节点和基站节点，两者的通信范围不同。 2)每个节点具有全局唯一的ID号。

3)每个无人机节点具有相同的通信带宽能力。

4)基站通信能力较强，但在远距离上定向天线有一定的通信角度。

第23页

国防科学技术大学本科毕业论文 5)节点只有一个通信频率。

6)各节点的数据包发送过程会互相影响，各节点的失效也不是相互独立的。 三、通信内容

1)网络传输基站对无人机群的控制信号。

2)无人机向基站按需发送侦察视频、图片、声音信号。

3)无人机节点连续不断地向基站发送侦察信号时，网络处于重负载状态，不需要目的节点发送收到数据包的确认信号。 四、无线信道

1)由于系统主要是对路由协议进行研究，MAC层模型进行了适当的简化处理。 2)不考虑由于信道误码引起的丢包现象，而仅考虑由于数据包碰撞而导致的丢包现象，即为理想无线信道。 3.1.2 各种条件下对无人机组网的要求

首先介绍一下无人机通信链路的特点。无人机通信链路分为机间链路和空地链路，其中机间链路有以下特点：

1、 拓扑结构变化快。 2、 多跳通信。

3、 要求网络拓扑变化时，路由开销变化不能过大。 4、 信息多，易拥塞。 5、 时效性强。 6、 设备受电源限制。 7、 机载硬件性能低。

8、 分布式，节点既是路由器，又是主机。 9、 战场覆盖和战场延伸（多跳通信技术）。 10、

充分考虑负载平衡，提高链路生存时间。

空地链路有以下特点： 1、 数据量大。 2、 链路固定。

3、 当无人机在基站的远距离定向通信范围内时，可认为无人机能与基站通信，因为基站的定向天线的灵敏度更高。此时不采用多跳通信。

4、 路由协议能够提供足够的带宽支持图像、视频、语音、控制命令的传递。

第 24 页

国防科学技术大学本科毕业论文 根据以上机间链路的特点，我们要求机间链路应当具有较小的路由时延和较低的网络负荷，机群网络要具有较好的抗毁伤性能，且机间数据传递要尽可能地节约能源，以延长无人机的滞空时间。

根据以上空地链路的特点，我们要求空地链路具有较大的链路带宽、较强的电台功率、较小的误码率和较小的路由时延，而对能源方面的要求则不是很高。

3.2 Nano IP920电台及VIPn2400电台简介

本论文研究中小型固定翼无人机的组网方案，基于Nano IP920电台及VIPn2400电台设计运行，针对Nano IP920电台和VIPn2400电台的几种工作模式进行组网模式的设计。下面简略介绍一下Nano IP920电台和VIPn2400电台的性能指标。

图3-1 Nano IP920电台（左）和VIPn2400电台（右）

3.1.1 Nano IP920电台和VIPn2400电台的性能指标

工作频率 扩频方式 无线波特率 检错 加密方法 902 – 928MHz 跳频 172Kbps 冗余多项式(32-bit CRC), 自动重传请求（ARQ） 有线等效保密/网路保护访问（128-bit WEP/WPA） 第25页

国防科学技术大学本科毕业论文 传输距离 接收灵敏度 输出功率 系统增益 60+英里（100+公里）无遮挡 -106dBm 100mW – 1W(20 -- 30dBm) 140dB W/Rubber Ducky 天线 150dB W/6dBi 天线 串行接口 RS232: RxD,TxD,RTS,CTS,DCD,DSR,DTR RS422: Tx+, Tx-, Rx+, Rx- RS485: 4线/2线 串行波特率 以太网接口 网络协议 300bps – 230.4Kbps 10/100M 双绞线, 符合IEEE802.3标准 TCP,UDP,TCP/IP,ARP,ICMP,DHCP,HTTP,SNMP,FTP,serial over IP,QoS 管理 local serial port console，Telnet, WebUI,SNMP,FTP Upgrate,RADIUS authentiation, VLAN 工作模式 诊断方式 点对点，点对多点，前向重复器，对等网络 电压驻波比（VSWR），电池电压，温度，接收信号强度（RSSI）,远程诊断 抑制 供电电压 连接器 太网接 工作温度 重量 体积 认证 天线 数据 优良的抗强干扰和抑制特性 9-30V DC RP-TNC RS232 DB-9F, RJ45锁紧螺钉连接器 RJ-45 -40℃ -- +70℃ 约420g 121.5mm x 95.3mm x 44.5mm FCC 15.247, IC RSS210 表3- 1 Nano IP920电台性能表

第 26 页

国防科学技术大学本科毕业论文 工作频率 扩频方式 无线波特率 检错 加密方法 2.400 – 2.4835GHz 跳频 54Mbps 冗余多项式(32-bit CRC), 自动重传请求（ARQ） WEP,WPA,WPA2 MAC认证,RADIUS服务器,MAC阻塞 传输距离 接收灵敏度 输出功率 系统增益 16千米 -97dBm （6Mbps）,-74dBm(54Mbps) 30dBm(1w) 140dB W/Rubber Ducky 天线 150dB W/6dBi 天线 串行接口 RS232: RxD,TxD,RTS,CTS,DCD,DSR,DTR RS422: Tx+, Tx-, Rx+, Rx- RS485: 4线/2线 串行波特率 无线操作 以太网接口 300bps – 230.4Kbps IEEE802.11b/g 局域网,10/100M 双绞线,符合IEEE802.3标准,RS232/RS485/RS422 网络协议 TCP,UDP,TCP/IP,ARP,ICMP,DHCP,HTTP,SNMP,FTP,serial over IP,QoS,VoIP 管理 Telnet, WebUI,SNMP,FTP Upgrate,RADIUS authentiation 工作模式 诊断方式 抑制 供电电压 连接器 太网接 第27页

接入点,站点,中继器,Ad hoc,MESH 状态显示,远程诊断，链接测试 优良的抗强干扰和抑制特性 9-30V DC 天线 数据 RP-TNC RS232 DB-9F, RJ45锁紧螺钉连接器 RJ-45 国防科学技术大学本科毕业论文 工作温度 重量 体积 认证 表3- 2

-40℃ -- +85℃ 约250g 57mm x98mm x 43mm FCC 15.247 表3-2 VIPn2400电台性能表

3.1.2 Nano IP920电台与VIPn2400电台工作模式和网络拓扑简介

一、电台工作模式

Nano IP920电台有三种工作模式，即Master模式、Repeater模式和Remote模式。将电台配置为这三种模式可以使电台分别以主机、中继器和从机的方式运行。

1、 主机（Master）

主机控制着网络系统中流过的的数据流量。 2、 中继器（Repeater）

中继器只有在必须建立主机和从机之间的通信路径时才会被配置。添加一个中继器会使网络吞吐量减半，但继续增加更多的中继器不会使网络吞吐量继续减小。

3、 从机（Remote）

从机可以直接与主机通信或者通过一个或多个中继器与主机进行多跳通信。 VIPn2400电台有四种工作模式，即Access point模式、Repeater模式、Client模式和Mesh point模式。这四种模式分别是主机、中继器、从机和MANET网络节点。前三种模式与Nano IP920电台基本一致，这里介绍一下Mesh point模式。

当VIPn2400电台工作在Mesh point模式时，所有节点地位平等，不存在主机与从机的概念。

二、电台拓扑结构

Nano IP920电台网络有四种拓扑结构，分别是point to multipoint、point to point、peer to peer、everyone to everyone。其中 point to multipoint结构适用于一台主机与多台从机之间的数据传输，其中从机还可以作为中继器使用；point to point结构适用于一台主机与一台从机之间的直接通信（中间可以有中继器的参与）；peer to peer结构适合于两台从机之间的直接数据传输；everyone to everyone结构适用于所有主、从机之间的数据传输。

第 28 页

国防科学技术大学本科毕业论文 VIPn2400电台则不存在网络拓扑结构的设置，只需要将电台的工作模式配置正确，无人机网络就能正常运行。根据电台的工作模式，电台网络可以工作在以下几个网络拓扑结构：

1、 主机—从机结构（Access point-Client模式）

2、 主机—中继器—从机结构（Access point-Repeater-Client模式） 3、 MANET自组网结构（Mesh point模式）

3.3 无人机网络模式分析与评估

3.3.1 两种常见的无人机网络模式

根据电台网络的几种拓扑结构和无人机在战场上面对的环境和情况，结合国际上的研究成果，本文列举了以下两种常见的组网模式：

模式一：该网络模式为平面结构，是一种分布式的MANET网络，由地面控制站网络与空中无人机网络构成。其中地面控制站与空中无人机的数量相同，且每个控制站与一台无人机一一对应，构成一个子系统。地面站之间采用有线连接，成星型拓扑结构，设置一台中心控制站进行信号总处理，各控制站之间的通信需要经过中心控制站进行。空中网络中各无人机可以互相通信，采用平面结构的MANET网络，远距离的无人机采取多跳通信的通信方式。所有节点地位平等，自组织水平较高。地面控制站与其对应的电台采用point to point模式进行通信，其中地面站设置为主机，无人机设置为从机。其结构图如下：

图3-2 平面结构示意图

第29页

国防科学技术大学本科毕业论文

模式二：该模式为分级结构，分级结构中，网络被划分成群，每个群由一个群首和多个群成员组成，这些群首形成高一级的网络。在高一级网络中，又可以分群，再次形成更高一级的网络，直至最高级。群中群首和群成员动态变化，节点仍是自动组网，群首负责群间数据的转发。

为实现群首之间的通信，需要网关节点的支持，网关节点是同时处于两个群内的节点，且该节点到两个群首间的跳数最短。群首和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨干。其结构图如下：

群首 网关 群成员

图3-3 分级结构示意图

3.3.2 各组网模式的优缺点评估

根据两种组网方案的网络拓扑结构特点，对组网模式的优缺点进行评估如下。 平面结构的主要优点有：

1、 网络结构比较简单，无需结构维护过程;

2、 所有节点完全对等，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮; 3、 节点覆盖范围比较小，相对比较安全。 分级结构的主要缺点有： 1、 网络规模受限，可扩充性差;

2、 每个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，由于节点的移动性，维护这些动态路由需要耗费大量的控制信息。

第 30 页

国防科学技术大学本科毕业论文 分级结构的优点主要有:

1、 群成员的功能比较简单。基本上不需要维护路由，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。

2、 易扩充，网络规模不受限制。必要时可以通过增加群的个数或网络的级数来增加网络的容量。

3、 群首节点可以随时选举产生，因此具有很强的抗毁性。 分级结构主要缺点有: 1、 2、 3、

需要较为复杂的群首选举算法和群维护机制。 群首节点任务相对较重，可能会成为网络的瓶颈。

群间的信息都要经过群首寻路，群首的路由不一定是最佳路由。

但总的来说，在相同网络规模的条件下分级结构的路由开销要比平面结构小。如果群内通信的信息量占较大比例时，各群可以互不干扰地进行通信，系统的吞吐量显然比平面结构的要高。因此，针对无人机群的特点，在无人机MANET网络中，适合选择分级结构进行拓扑控制研究。

3.4 无人机组网方案设计

3.4.1 基于几种组网模式和路由协议的无人机组网方案设计

由于无人机工作环境具有高度不确定性，使用一种组网模式进行工作往往并不是一个明智的选择。根据前面所介绍的两种组网模式可以看出，平面结构组网模式和分级结构组网模式具有很强的互补性，对两种组网模式进行综合，显然是一种更好的选择。（平面结构和MANET网络的联系）

1、当网络内无人机节点数目较少、无人机任务区域覆盖较小且无人机任务较简单时，无人机通信网络采用平面结构组网模式，这样既可以平均分摊路由负荷，避免出现网络瓶颈，又可以降低路由算法的复杂性，减少硬件负荷。在这种情况下，网络结构比较稳定，且规模较小，路由发现的时间可以得到最大程度的缩短，故采用按需驱动的路由协议更加能够节省网络信道资源；另外，能源消耗情况是必须考虑的一个方面，结合各路由协议的能源消耗性能，平面结构的组网模式应尽量采用DSR路由协议。

2、当作战任务较为复杂，无人机群规模比较大，通信任务较重时，可以采取

第31页

国防科学技术大学本科毕业论文 平面结构或分级结构。当采取分级结构组网模式时，由于网络通信量大，要求路由时延小，应采用表驱动路由与按需驱动路由混合搭配的方式。以每个节点为中心，划分一个两跳以内的路由区域。在这个区域内采用表驱动路由能够使节点快速地与区域内的节点进行数据交换，提高小范围内无人机的灵敏性。由于每个节点只需要维护两跳以内的路由表信息，故可以大大减少路由维护的开销；而在两跳以外进行数据通信时，可采用按需驱动路由，利用区域的边界节点进行多跳转发通信。虽然路由时延相比表驱动路由不占优势，但因为距离中心节点距离较远（两跳以上），路由时延的干扰可以降到最低。且由于网络较复杂，在远距离通信上采用按需路由协议，可以减少路由开销，降低网络瘫痪的可能性。其具体结构如图3-4：

两跳内节点 中心节点 两跳外节点

图3-4 混合路由驱动模型

当采用分级结构组网模式时，由于群内节点所占比重要远多于群首节点，分级结构组网模式可以大大节省群内的路由开销，提高网络性能。

3、当作战任务非常复杂，无人机群规模庞大多变，节点通信量很大时，采用分级结构是最好的选择。当无人机群数目出现变化时，分级结构的网络拓扑结构可以方便地进行节点的增减或群首的重新选举；且节点不需要维护一个规模庞大的路由表，这一点在大规模的网络中是很重要的，否则网络必将由于维护路由表而产生的开销而瘫痪。此时应当采用分层结构路由。

第 32 页

国防科学技术大学本科毕业论文 3.4.2 无人机在不同情况下的网络变换准则

由于无人机编队执行任务时外部环境和任务内容复杂多变，其编队队形、网络拓扑结构也具有高度的不确定性，因此，在不牺牲组网方案的自组性的前提下，我们需要为无人机编队在不同情况下进行网络拓扑结构的变换设计一定的规则，即变换准则。

一、节点退出和进入时的网络变换 1、普通节点的退出和进入

1）当网络规模较小，机群组网采用平面结构模式、路由协议采用单一协议时，由于各节点完全对等，节点的增减对网络其他节点并无影响，网络拓扑不需要进行变换。

2）当机群组网采用表驱动协议与按需驱动协议混合的路由协议时，由于每个节点的退出和进入都有可能改变各节点之间的路由跳数，因此，需要设计特定的跳数统计算法，定期更新跳数信息和相应的路由表，一遍在节点进入和退出时生成新的网络。当机群由于节点退出导致网络内内节点的数目小于一定的阈值时，可以将当前网络拓扑结构变更为低一级的网络拓扑结构。当机群由于节点进入导致网络内节点的数目大于一定的阈值时，可以将当前网络拓扑结构升级为高一级的网络拓扑结构。

3）当机群组网采用分级路由协议时，由于分级结构群内普通群成员节点的变更对网络其他节点无影响，故只要更新群内的路由信息，不需要进行网络拓扑的变换。当机群由于节点退出导致网络内节点的数目小于一定的阈值时，可以将分级模式的网络拓扑结构变更为平面结构的网络拓扑模式。

2、群首节点的退出和进入

当分级结构中群首成员因意外因素退出网络时，会对网络造成较大的影响，因为群首负责该群的群内通信和外部信息的转发。此时必须采用群首生成算法生成新的群首，如最小ID算法；当新节点加入分级结构时，必须按照分群算法的规则进行群首判断，若节点符合群首条件，则原有的群必须做出调整，组成新的群。

3、网关节点的退出

若分级结构中网关节点由于意外因素退出网络，则相关的群之间需要通过相应的群算法选择新的网关节点并通过指令适当调整两群之间的物理位置；若两群由于距离过远导致群内没有符合条件的节点，则两群之间的联系中断，群首向地面控制

第33页

国防科学技术大学本科毕业论文 站报告情况，由地面控制站对两群的相对位置进行调整，进而形成新的网关节点。而一个不是网关的节点将被设置成永远不能挑战现有的网关节点，以节约路由资源。

二、任务变化时的网络变换

当无人机执行不同的任务时，其所传输的数据也不尽相同，有视频、音频、图像、文本等。当无人机执行侦查拍摄等任务时，由于链路所需要传输的数据量很大，应当采用通信路由开销小的组网模式和路由协议，如按需驱动的路由协议；当无人机执行飞行难度较大、对飞行路径精确性要求很高的任务时，应适当牺牲路由开销方面的性能要求，采用路由时延小的组网模式及路由协议，此时按需路由将不再适合网络通信。

3.4 本章小结

本章的主要工作是进行无人机组网方案的设计。首先对无人机组网通信进行了需求分析，明确了机间链路与空地链路对网络性能的要求；接着介绍了组网所用电台Nano IP920电台；然后针对已有的无人机通信网络模式进行了研究与分析；最后结合以上的研究与分析结果进行了无人机组网方案与变换准则的设计。

第 34 页

国防科学技术大学本科毕业论文 第四章 仿真实验与分析

4.1 实验环境

1、 软件环境：DiscoverIP附近IP搜索软件、cmd命令提示符软件

图4- 1 DiscoverIP软件截图

2、 硬件环境，如表4-1：

硬件设备 Lenovo Y450笔记本电脑（笔记本电脑A） 数量 备注 Intel Core 2 Duo CPU T6600、1 2.4GHz主频、2G内存、32位windows7操作系统 Intel Core 2 Duo CPU T6500、1 2.1GHz主频、2G内存、32位windows7操作系统 1 Intel Core i5 2450M CPU、2.5GHz主频、2GB内存、32位windows7Lenovo G430笔记本电脑（笔记本电脑B） ThinkPad E420笔记本电脑（笔记本电脑C） 第35页

国防科学技术大学本科毕业论文 操作系统 ThinkPad X230笔记本电脑（笔记本电脑D） Nano IP920数传电台（电台A、B、C） VIPn2400数传电台（电台D、E、F、G） Intel Core i7 3250M CPU、2.9GHz1 主频、4GB内存、32位windows7操作系统 3 见表3-1 4 表4-1 仿真实验硬件环境

见表3-2 4.2 实验内容

为验证基于Nano IP920电台和VIPn2400电台构建的通信网络性能，我们通过多次仿真实验对不同拓扑结构、不同节点分布情况下的网络内通信性能进行了测试，即主要验证内容包括：

一、 通信链路数据传输速率 二、 通信链路路由发现延迟 三、 通信链路数据传输丢包率

四、 各种环境对通信链路数据传输性能的影响

4.3 实验过程及结果分析

4.3.1 不同拓扑结构下的电台数据传输性能分析

本实验为了验证不同的电台组网拓扑结构对电台数据传输性能的影响，使用了Nano IP920电台和VIPn2400电台，总体划分为两大部分：MANET网络体系的拓扑结构实验（实验A）和非自组网网络体系的拓扑结构实验（实验B）。在实验中，控制了电台位置、运动状态、外界干扰程度等环境因素保持不变，分别测试了电台工作在每种网络拓扑结构下的空载数据传输性能，并对其间的差异做了简要的分析。

一、MANET网络数据传输性能实验

第 36 页

国防科学技术大学本科毕业论文 1、 环境设置 （1） 实验A：

实验A使用了4台VIPn2400电台和一台笔记本电脑（笔记本电脑D）进行了MANET网的搭建，以模拟无人机无线自组网。具体参数设置如下：

设备 笔记本电脑D 电台D 电台E 电台F 电台G 名称 UAV2 Jijian1 nanoVIPEXP DIMIANJIANKONG Jijian3 IP地址 192.168.1.10 192.168.1.81 192.168.1.83 192.168.1.85 192.168.1.87 其中笔记本电脑D 与电台F通过网线互相连接，进行网络状态的监控，四台电台构成了一个MANET网络。

图4- 2 MANET网实验用可移动电台

设定D电台与F电台距离15米，G电台与D电台距离5米，F电台与G电台距离19米，E电台在DG的平行线上来回运动，具体结构如下图

第37页

国防科学技术大学本科毕业论文 电台D 电台G 电台F与笔记本D 电台E（移动节点）

图4- 3实验A电台位置关系图

（2） 实验B：

实验A使用了3台Nano IP920电台和三台笔记本电脑分别配成3对，以模拟无人机的空中组网情况和空空、空地链路数据交换情况。具体参数设置如下：

设备 笔记本电脑A 笔记本电脑B 笔记本电脑C 电台A 电台B 电台C 名称 Zhangle Administrator Wangxu IPnano YIxiaodi IPnano1 表4-2 实验参数设置

IP地址 192.168.1.1 192.168.1.3 192.168.1.5 192.168.1.2 192.168.1.4 192.168.1.6

其中笔记本电脑A与电台A、笔记本电脑B与电台B、笔记本电脑C与电台C分别通过网线互相连接配对，模拟三对地面站和无人机的组合。

设定三台电台处于同一房间内，其中A电台距B电台约8米，B电台距C电台约4米，C电台距A电台约5米。3台电台之间无障碍，皆可通视。

第 38 页

国防科学技术大学本科毕业论文 电台C与笔记本C 电台A与笔记本A 电台B与笔记本B

图4-1 实验B电台位置关系图

2、 实验过程 （1） 实验A：

首先将四个电台都配置为Mesh point工作模式，具体方法如下图：

图4- 4 Mesh point配制方法

配置完成后可以发现四台电台已经组成了一个Mesh网。

第39页

国防科学技术大学本科毕业论文

图4- 5

在E、F距离为10米时用笔记本电脑D通过电台F ping电台D，得到如下结果：

图4- 6 电台F与电台D通信情况

可以看出，MANET网络在数据传递方面具有良好的性能，网络延迟很小，而且没有丢包的现象发生。

（2） 实验B

1) Point to Point（PTP）模式

将电台A设置为从机，电台B设置为主机，具体配置见下图：

第 40 页

国防科学技术大学本科毕业论文

图4-1 电台A配置

图4-2 电台B配置

第41页

国防科学技术大学本科毕业论文 图4-3 从机通过DIscoverIP软件搜索附近电台的结果

通过笔记本电脑B用Windows命令ping笔记本电脑A，模拟主机向从机传输数据，发送20个具有32字节的数据包，查看平均延迟及丢包率。如下图：

图4-4 B ping A

接下来用从机A ping主机B，得到的测试结果是丢包率为0，路由时延为35ms，与主机ping从机的性能基本一致。

2) Point to Multipoint（PMP）模式

将电台A设置为从机、电台B设置为主机、电台C设置为中继器。具体配置如下：

图4- 7

第 42 页

国防科学技术大学本科毕业论文

图4- 8 DiscoverIP发现情况

用A、B电台互ping，得到如下结果：

Ping的方向 A ping B B ping A 平均时延 54 27 表4- 1

最大时延 105 92 最小时延 67 49 3) Peer to Peer（P2P）模式

将电台A、C设置为从机，电台B设置为主机，具体配置如下：

图4-5 电台A配置

第43页

国防科学技术大学本科毕业论文

图4-6 电台B配置

图4-7 电台C配置

图4- 9 DiscoverIP发现情况

该模式下，主机不能与从机进行通信，故测试从机之间相互通信的性能。用A笔记本电脑与C笔记本电脑互ping，测试丢包率与链路延迟：

第 44 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wte5.html