一种无人机网络跨层协议架构分析张继永摘要：无人机网络各节点都以极高的速度和任意的方向进行随机移动，导致网络拓扑结构变化迅速。网络协议跨层设计可以保证节点在高速移动的情况下路由的可靠性，降低网络时延，提高数据转发效率。本文对无人机网络协议套件（AeroTP和AeroNP）进行了分析，对各层信息交互关系和网络层协议的显式跨层机制进行了探究，提出了跨层信息交换在高移动性无人机网络环境中的优势，可为我军无人作战通信网络传输设计提供借鉴。关键词：高动态;无人机网络;协议;跨层中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-9416（2020）09-0031-030引言高动态无人机战术级网络，由于其极端恶劣战场环境和不可预测的移动性，对端到端数据传输提出了强烈挑战。当前基于传输控制协议（TCP/IP）的Internet体系结构，是美军现代战术级通信系统同时跨越全球信息栅格的基石，但并非专门为了无人机作战网络而设计。针对移动无线环境，国内外已经有很多学者进行了研究并设计了无线网状网络、adhoc网络和容断网络协议等。文献[1]提出了一种领域特定架构和协议套件，包括TCP友好的传输协议AeroTP，IP兼容的网络层协议AeroNP以及地理位置感知路由协议AeroRP。这个协议套件支持跨层优化，下面对其基于跨层优化的数据转发机制进行了梳理，对其不同操作模式下的性能提升优势进行了分析总结。1无人机网络特性和有线网络不同，无人机网络的通信环境更加复杂和多变，与传统移动Adhoc网络相比亦有许多不同，其独有特点可以表述为以下4个方面[2]。（1）节点移动性。无人机网络中的节点以1200m/s（约3.5马赫）的速度移动，为此，无人机网络可能是高动态的并具有持续变化的拓扑结构。（2）资源受限性。由于无人机体积、重量和功率等的限制，其信息传输和处理能力都会受到限制，因此，需要通过多跳传输才能到达地面站。（3）通连间断性。由于无人机节点的传输范围有限及其高移动性，任何两个节点间的接触时长非常短暂，并且容易受到干扰和拥塞，因此是间断连通的网络。（4）频谱有限性。由于无人机网络的可用频谱有限，而战场上有大量数据需要传输尤其是态势感知数据，因此无人机网络经常会被带宽严重限制。可见，无人机网络是高动态高速多跳的容断网络，不同层次的协议功能都需要随着网络环境的变化不断地进行自我调整优化，同时不同层次的协议需要相互协同配合才能使得网络整体性能最优。2无人机网络协议套件2.1协议架构概述针对其支持飞行试验的遥测系统无法满足未来发展的需求，美国试验中心和项目评估投资机构（CTEIP）于2004年10月启动了增强遥测综合网（IntegratedNetworkEnhancedTelemetry）项目[3]。iNET对全部飞行数据实时处理，可适应未来信息化试验环境下的空地一体化、多机协同试飞需求，并且具有远程、宽带组网能力。基于这个项目，美国堪萨斯大学的JamesPGS、AbdulJ等人于2011年对协议栈体系进行了研究，如图1所示。相对于传统端到端传输和路由协议，高动态、高速和多跳网络需要对之前的架构做出大量优化和改变，他们针对无人机高动态战术网络提出了一种物理层、MAC层、网络层和传输层之间的跨层设计方案。图中的两个网关分别部署于无人机网络与基于传统TCP/IP的作战指挥网络以及无人机载荷之间。2.2传输层协议数据包格式无人机传输层协议是一种专门为满足高动态网络环境需求而设计的传输协议，使用机会连接来消除传统TCP网络协议的三次握手开销，其数据包格式如图2所示。“模式”字段根据作战指挥业务类别可以分为可靠、近可靠、准可靠和尽力连接以及尽力数据报，第一种是TCP完全兼容、最后一种是UDP完全兼容;“传输协议报头错误校验”字段用于检测报头完整性，以此可以发现无线信道传输产生的误码;只要报头没有损坏，便可以使用前向纠错机制校正出错的有效载荷。在没有单独的网络层数据或链路层数据CRC的情况下，有效载荷校验CRC可以保护无人机网络节点间数据传输的完整性，同时可以测量误码率，以便根據“模式”来跨层调整链路层的纠错码强度。2.3网络层协议数据包格式无人机网络层协议亦是专门为高动态机载环境设计的，其数据包格式如图3所示。该协议的一个显著特点是...