0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)自首次提出以來，引起了學術界與工業(yè)界的廣泛關注^[1]。物聯(lián)網(wǎng)旨在通過將體域網(wǎng)、D2D通信、無人機網(wǎng)絡、衛(wèi)星網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡技術相融合，實現(xiàn)萬物互連，可在任意地點、使用任意網(wǎng)絡來提供任意服務，具有巨大的民用與軍事應用潛力。

    無人機(UAVs)已廣泛應用于軍事與民用領域。由于其可動態(tài)部署、配置方便、高度自主等特點，無人機在物聯(lián)網(wǎng)領域同樣扮演著極其重要的角色^[2-4]。無人機通過機載物聯(lián)網(wǎng)裝置（包括傳感器、攝像機、RFID等）實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的收集，如圖1所示。在物聯(lián)網(wǎng)中，由于部分無線裝置有限的傳輸范圍,無人機可以作為無線中繼用來改善網(wǎng)絡連接,延伸無線網(wǎng)絡覆蓋范圍；同時，由于無人機可調(diào)整的飛行高度和可移動性，可以方便高效地收集地面物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)。目前已有智能無人機管理平臺，可通過各種終端設備同時操作數(shù)架無人機，按需定制飛行路線，獲取所需用戶數(shù)據(jù)^[5]；智能交通系統(tǒng)(ITS)可利用無人機實現(xiàn)交通監(jiān)控與執(zhí)法^[6]。此外，無人機也可以作為空中基站來改善無線網(wǎng)絡容量。谷歌在SkyBender項目中使用無人機利用毫米波技術試驗了5G互聯(lián)網(wǎng)應用，速率達到了4G系統(tǒng)的40倍^[7]；通過基于無人機的軟件定義無線電平臺可用于基礎設施出現(xiàn)癱瘓時的應急通信^[8]。

    隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的不斷深入和快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)無人機應用由過去單一的服務投遞(如亞馬遜包裹投遞、電力線路監(jiān)控等)發(fā)展至無人機集群協(xié)同完成的諸多物聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務（如城市污染監(jiān)控、地質(zhì)災害的防治、軍事“蜂群”無人機技術等），可以完成單一無人機因能量和計算資源受限等無法完成的物聯(lián)網(wǎng)任務。同時，隨著智慧城市^[9]、水下物聯(lián)網(wǎng)^[10]、車聯(lián)網(wǎng)^[11]、軍事物聯(lián)網(wǎng)^[12]、空天地一體網(wǎng)絡^[13]等物聯(lián)網(wǎng)應用的興起，均需充分借助無人機技術有效獲取和傳遞相關數(shù)據(jù)信息，包括地理空間信息、傳感數(shù)據(jù)信息、指控信息等，從而進一步推動包括云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等在內(nèi)的其他物聯(lián)網(wǎng)增值服務。物聯(lián)網(wǎng)無人機應用將對物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展具有極其重要的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)無人機應用關鍵技術

    為了適應物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的多樣性和為用戶提供更好的服務,無人機應用需要研究以下的關鍵技術。

1.1 無人機網(wǎng)絡拓撲控制技術

    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展以及無人機自身資源的限制,無人機的應用逐漸由控制單一無人機轉(zhuǎn)向控制無人機群，協(xié)同實施和完成物聯(lián)網(wǎng)服務。

    無人機群所構成的網(wǎng)絡稱為飛行自組織網(wǎng)絡(FANETs)，但與MANETs和VANETs相比，有其自身的特點^[14]。地面控制站或衛(wèi)星對無人機群網(wǎng)絡拓撲的控制將直接影響到無人機群的協(xié)同和對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集、共享和處理。以下是典型的無人機網(wǎng)絡控制拓撲，如圖2所示^[14]。

    (1)星型控制拓撲：在該控制拓撲下，所有無人機直接連接至一個或多個地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各無人機之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2(a)所示。在該控制方式下可由地面控制站集中式地控制所有單個無人機，在民用領域里有著廣泛應用。但隨著無人機群的不斷擴大，存在地面控制站將成為瓶頸節(jié)點并導致更大延時、無人機間無法直接通信等問題。

    (2)大星型控制拓撲：在該控制拓撲下，所有無人機劃分為多個組，各個組內(nèi)無人機構成一個星型結構并由各組中心節(jié)點直接連接至一個或多個地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各組無人機中心節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2(b)所示。在該控制方式下允許部分無人機間直接通信，從而可有效減少對下行鏈路帶寬的要求，降低延時等。但由于各無人機組之間無法直接互通和無人機網(wǎng)絡拓撲的快速動態(tài)變化，存在網(wǎng)絡魯棒性不足等問題。

    (3)Mesh型控制拓撲：在該控制拓撲下，所有無人機劃分為多個組，各個組內(nèi)無人機構成一個Mesh型結構并由各組中心節(jié)點直接連接至一個或多個地面控制站（或衛(wèi)星），同時，各無人機組間可直接互通，如圖2(c)所示。在該控制方式下允許各組無人機間直接通信，從而可進一步減少對下行鏈路帶寬的要求，降低延時，改善了網(wǎng)絡魯棒性。

    以上各種拓撲控制機制均存在進一步提高無人機群網(wǎng)絡性能、自主控制能力等的空間，以充分利用無人機群資源(包括能量資源、計算資源、群智資源等)，有效提高無人機群實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的高效、智能和自主化。

1.2 無人機防碰撞技術

    物聯(lián)網(wǎng)無人機應用往往發(fā)生在人口密集的城市空域，確保無人機與無人機、無人機與其他障礙物（如建筑、樹、鳥等）不發(fā)生碰撞是無人機應用的關鍵之一。

    為實現(xiàn)無人機避免發(fā)生碰撞，無人機需具備兩項能力：障礙感知能力和規(guī)避障礙決策能力。為使無人機具備障礙感知能力，當前已有的解決方案包括協(xié)作型和完全自主型障礙感知技術。對于協(xié)作型障礙感知技術，可以構建針對無人機的空管系統(tǒng)來對無人機間可能的碰撞實施告警。文獻[15]提出了無人機空中交通管理系統(tǒng)（TM-UAS）用于跟蹤和告警空中所有的無人機，確保無人機間保持安全的距離。此外，還可以通過所有無人機廣播共享三維坐標、航向、航速等信息來實現(xiàn)碰撞感知。對完全自主型障礙感知技術主要通過無人機配備光電傳感器、微波傳感器、導航傳感器等來實現(xiàn)障礙感知。隨著制造工藝的不斷進步，光電傳感器體積小、重量輕、功耗低，可以很好地裝備于各型無人機上。但是，基于可見光光譜的光電傳感器障礙感知技術面臨的困難是，檢測算法需要能夠應對各種復雜的圖像背景、照明、圖像抖動等；同時還要保證光電傳感器圖像數(shù)據(jù)的實時處理。為使無人機具備規(guī)避障礙決策能力，則需要通過多種數(shù)據(jù)融合技術，包括多目標跟蹤技術等來獲取障礙物的相對位置和速度等信息，從而作出規(guī)避障礙的合理決策^[16]。

1.3 無人機群智能技術

    無人機群智能技術主要應用于軍事物聯(lián)網(wǎng)領域,實現(xiàn)通過極少的人工干預控制無人機群對不同目標完成偵察、攻擊等任務。由于無人機群的高動態(tài)性，傳統(tǒng)集中式控制方式難以應用于針對無人機群的控制。無人機群智能技術可以分布式地控制無人機群，使得無人機間可以智能地相互協(xié)同，高效地完成任務目標。

    群智能技術主要借鑒的是生物學中的蜂群自組織行為模式算法^[17]。蜂群的行為模式目的是使得蜜源搜索最大化。其自組織的步驟是^[18-19]：

    (1)構建搜索空間；

    (2)構建偵察群和搜索群；

    (3)偵察群搜索出潛在有價值的站點；

    (4)從潛在站點中選出基本站點，以便搜索其臨近站點；

    (5)偵察群與搜索群交換需要搜索的站點信息；

    (6)搜索群成員選擇基本站點；

    (7)搜索群成員選擇基本站點附近潛在的站點。

    蜂群行為模式關鍵在于確定基本站點及其附近潛在有價值的站點。為了進一步提高蜂群搜索成功概率，出現(xiàn)了改進的人造蜂群算法（ABC）^[20]。

    群智能技術是人工智能領域的一個分支,對解決無人機自組織網(wǎng)絡中的部分問題被證明具有其高效性。無人機群智能技術在軍事中的應用場景包括：(1)敵方目標靜止地隨機分布在目標區(qū)域內(nèi)，無人機群在有限時間內(nèi)對目標區(qū)域內(nèi)的敵方目標進行協(xié)同搜索；(2)敵方目標在目標區(qū)域內(nèi)以隨機速度向隨機方向移動，無人機群從目標區(qū)域某地點發(fā)射，在有限時間內(nèi)對目標區(qū)域內(nèi)的敵方目標進行協(xié)同搜索、發(fā)現(xiàn)并摧毀。

1.4 無人機群動態(tài)數(shù)據(jù)路由

    由無人機群構成的無人機自組織網(wǎng)絡(FANET)有其自身的特性，比如網(wǎng)絡拓撲的高動態(tài)變化、通信鏈路頻繁間斷、無人機節(jié)點因能量受限失效而導致的網(wǎng)絡分割等。因此，有效的無人機動態(tài)數(shù)據(jù)路由需要具備對延遲和中斷容忍功能。移動自組織網(wǎng)絡(MANET)和車輛自組織網(wǎng)絡(VANET)中的很多路由協(xié)議難以直接照搬到無人機自組織網(wǎng)絡中應用，例如AODV路由中發(fā)出請求和收到響應的路由建立機制等。

    因此，當網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化時，無人機自組織網(wǎng)絡路由可以通過存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的方式，對待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包暫時予以存儲和攜帶，當轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的最佳機會出現(xiàn)時再轉(zhuǎn)發(fā)出去，這種隨機路由方式取決于節(jié)點間的相遇概率，相關的路由協(xié)議如文獻[21]等；當無法確定最佳的轉(zhuǎn)發(fā)機會時，則可以采取依概率隨機轉(zhuǎn)發(fā)的方式。對于配備有較高精度導航傳感器（如GPS、北斗、格洛納斯等）的無人機自組織網(wǎng)絡，采用具有較少拓撲探測開銷的地理信息輔助路由也是較好的選擇，如文獻[22]等。此外，洪泛路由也是適合無人機自組織網(wǎng)絡可選路由之一^[23]。在該路由協(xié)議中，無人機節(jié)點將向多個中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)同一數(shù)據(jù)包，中繼節(jié)點再向其他相遇節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，從而很快將數(shù)據(jù)包投遞至網(wǎng)絡連通部分，具有較高投遞率和較低投遞延時。但該路由協(xié)議要求節(jié)點具有足夠的緩存空間來攜帶和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以及較高的網(wǎng)絡開銷，通過改進洪泛路由協(xié)議，可以有效提高其性能。

    對于在無人機群中應用的路由協(xié)議不一定始終適用和有效，需要依據(jù)無人機群的運動模式和動態(tài)性適時加以調(diào)整。

1.5 無人機航跡規(guī)劃

    無人機航跡規(guī)劃是指在滿足一定條件的基礎上（如剩余燃料、飛行距離、任務數(shù)量等），為了保障無人機飛行安全和順利完成任務的需要而規(guī)劃出來的一條最優(yōu)飛行航線。

    由于無人機的航線規(guī)劃需要綜合考慮包括燃料、航程、地形地貌、氣象條件、空域限制、任務目標等多種限制條件，可以歸結為多條件目標優(yōu)化問題，文獻[24]提出的航線規(guī)劃搜索算法是此類問題最常用的解決方法。對于具有較高自主控制能力的自組織無人機群，其航線規(guī)劃算法需要具備較高的實時性和自適應性^[25]。

2 物聯(lián)網(wǎng)無人機發(fā)展趨勢

    對于物聯(lián)網(wǎng)無人機應用及其關鍵技術未來的發(fā)展，主要表現(xiàn)出以下幾個方面的發(fā)展趨勢。

2.1 采用基于SDN的無人機自組織網(wǎng)絡控制技術

    由于無人機自組織網(wǎng)絡需要有效應對包括能量受限、高延遲、鏈路頻繁中斷、網(wǎng)絡拓撲高動態(tài)變化等多種挑戰(zhàn)，需要高效地利用和分配各種網(wǎng)絡資源。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的不斷深入，不同異構網(wǎng)絡的融合與互通也有著迫切的需求。軟件定義網(wǎng)絡（SDN）將數(shù)據(jù)面與控制面分離，可以通過編程的方式對網(wǎng)絡進行控制，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)各種全新應用和業(yè)務的需要。文獻[26]通過實際驗證平臺的測試，已成功驗證了OpenFlow應用于小規(guī)模無線Mesh網(wǎng)絡中的可行性；同時也對SDN未來應用于動態(tài)移動網(wǎng)絡具有重要意義。由于SDN屬于集中式控制，可有效改善無線資源的利用率，提高網(wǎng)絡效率。典型的基于SDN的無人機自組織網(wǎng)絡如圖3所示。

2.2 針對無人機的空管系統(tǒng)

    隨著物聯(lián)網(wǎng)無人機應用不斷普及與深入，無人機妨礙民航客機起降、通過無人機運送毒品、無人機意外墜落傷人等事件時有發(fā)生，針對無人機的空管系統(tǒng)呼聲日益高漲。

    NASA研制的無人機空管系統(tǒng)已于2015年8月成功進行了演示驗證，旨在監(jiān)視和管理民用無人機的飛行，提高無人機的自主飛行能力，提高無人機應對突發(fā)事件的飛行安全^[27]。未來針對無人機的空管系統(tǒng)將融入更多的智能控制機制，包括強制著陸、障礙規(guī)避等功能，提高無人機的飛行安全。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)無人機應用安全與隱私保護

    隨著物聯(lián)網(wǎng)無人機應用的日益廣泛和深入，安全與隱私保護是無人機應用中一個不可回避的問題。一方面，由于無人機在物聯(lián)網(wǎng)中的應用將起到對用戶數(shù)據(jù)和服務的承載和傳遞，比如位置、速度等敏感信息，無人機的身份認證與數(shù)據(jù)的安全加密是十分必要的，以防惡意攻擊。另一方面，當無人機用于實時性要求很高的交通安全應用時，比如車聯(lián)網(wǎng)中車輛間的碰撞檢測等需要作出快速決策的應用，無人機應具備針對不同應用和服務自身處理能力自動評估的能力，確保應用安全。

3 結語

    本文較詳細地介紹了物聯(lián)網(wǎng)無人機應用典型架構及其特點以及實現(xiàn)的技術難點。同時，詳細介紹了物聯(lián)網(wǎng)無人機應用中的關鍵技術及其應用案例。最后，對物聯(lián)網(wǎng)無人機應用未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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作者信息：

劉青龍1，2，董家山2

（1.華南理工大學 電信學院，廣東 廣州510640；2.廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州510663）