《在多无人机系统中利用软件定义无线电共享位置信息》

软件定义无线电（SDR）为军民两用的无线通信基础设施提供了灵活、可复现且更持久的无线电工具。SDR是一种无线电通信系统，其组件通过软件实现。本研究旨在利用飞行自组网（FANET）在两个SDR之间建立多信道无线通信，以共享位置信息，并在实际测试环境中对其进行检验。我们采用多令牌循环作为信道接入协议，并使用GNU Radio平台进行SDR软件开发。包括文献研究所建议的协议、通信系统和网络结构在内的通信层结构，通常在仿真环境中进行测试。仿真环境为研究人员提供了快速便捷的开发和测试手段，但也存在劣势。这些劣势会导致产品开发时与硬件、软件和成本影响相隔绝，测试时则与影响通信信道的环境因素相隔绝。本研究的另一贡献是清晰、可复现地呈现了开发的模块图和代码。所开发的软件和模块图可在 github.com/knrl/uav-in-802.11-gnuradio 获取。

无人机（UAV）是一种因其易于使用、成本低和机动性高等特点（Shakhatreh 等人，2019）而在军事和各种民用领域得到应用的技术。这些飞行器可以通过改变其设计或有效载荷，适应不同行业中的各种用途。它们在机动性方面的多用途性和有效载荷的多样性进一步增强了这些飞行器的功能。包含多架无人机的编队（即多无人机系统）能够更有效地执行更复杂、更具挑战性的任务（Gupta 等人，2015）。此外，它们具有较小的雷达散射截面，并且易于针对各种任务进行扩展（Bekmezci 等人，2013）。Zhou 等人通过将多无人机应用划分为五个层次（决策层、路径规划层、控制层、通信层和应用层），提出了一个更易于管理的模型（Zhou 等人，2020）。

执行复杂任务时，确保这些系统协调合作行动是一个极具挑战性的过程。特别是，确保无人机之间无缝通信至关重要。本研究提出了一种基于多令牌循环的方法，以促进多无人机系统中的通信。该方法利用飞行自组网（FANET）结构，实现了无人机之间快速可靠的通信。本研究使用正交频分复用（OFDM）技术进行通信、软件定义无线电（SDR）构建测试环境、以及 GNU Radio 平台进行软件开发，建立了一个真实的多无人机通信系统。虽然仿真环境为研究人员提供了开发和测试通信层相关应用的快速便捷途径，但也存在诸多劣势。其中一个劣势是它们隔绝了产品开发中涉及的硬件、软件和成本因素，以及测试期间影响通信信道的环境因素。

设计多无人机系统的最根本挑战是通信（Bekmezci 等人，2013）。要使多无人机能在可靠稳定、针对特定应用场景的网络结构中运行，有许多问题需要解决（Gupta 等人，2015）。有效的通信对于这些系统成功高效地完成任务至关重要。无论是让集群和谐移动，还是让每架无人机执行其指定任务，无人机之间的无缝通信和信息传递都是必不可少的。多无人机系统成功完成任务的关键在于信息的有效传递和准确获取（Zhou 等人，2020）。随着多无人机系统中无人机数量的增加，通信挑战的复杂性也随之上升。对于一个每架无人机在三维空间中运行速度不同、仅依靠其电池容量驱动的系统来说，建立高效的网络结构和通信至关重要。确保系统范围通信的一种方法是，通过卫星或其他基础设施将所有无人机连接到地面控制站（Bekmezci 等人，2015）。然而，依赖基础设施或基于卫星的通信架构可能限制多无人机系统的运行能力（Bekmezci 等人，2015）。Frew 等人强调了多无人机系统在未来的应用中将面临的运行网络挑战（Frew 和 Brown, 2009），并将这些挑战总结为三个主要领域：数据传输、网络连接和服务发现（Frew 和 Brown, 2009）。由于在处理这三个关键问题上的有效性，多无人机系统通常优先选择自组织网络解决方案（George 等人，2011）。

本研究旨在通过消除假设、通过多信道分发令牌、共享位置信息并分析环境影响，建立一个完全真实的测试环境。本研究的另一贡献是，将以开放且易于复现的方式提供所开发的、旨在助力该领域未来研究的模块图与代码。根据所进行的文献综述，尚未发现描述在单信道上分发多令牌或跨多信道循环传递多令牌技术的相关研究。一些文献提出了多令牌循环协议，并为多令牌循环构建了公共或多信道模型。然而，这些文献是在具有各种假设的仿真环境中进行评估的。尽管在文献中软件定义无线电（SDR）被广泛用于无人机（UAV）应用，但尚未发现应用碰撞避免协议的研究。此外，尽管飞行自组网（FANET）在多无人机（UAV）研究中被广泛采用，但极少有研究使用SDR构建测试环境。本研究建立了一个真实的测试环境。本研究的另一项贡献是共享了所有已开发的、可复现的模块图与代码。