图4 不同控制平面消息管理机制
模拟期间的剩余能量[19]
2.2.2 分布式部署
通过上一小节的综述可知，在网络中设置集中式的SDN控制器能够较好地解决FANET中的网络管理、负载均衡、吞吐量和时间延迟等问题，但也存在一定的局限性，如FANET的部分应用场景还存在用户和基础设施分布不均衡、单点控制器鲁棒性差和网络规模限制等问题，极大地限制了SDN架构在FANET中的作用发挥。基于此，Hu等人[10]提出了一种基于区块链平台的SDN控制器分布式平面。以区块链的核心技术为基础，在SDN控制平面设置多个不同物理分布的控制器，对一定区域的基础设施进行管理，这样就能在较好地增加网络灵活性和可编程性的基础上大幅度提升安全性能。具体做法是：利用了能够抵御拜占庭攻击的共识算法，防止分布式控制平面中少量控制器失控导致整个网络瘫痪；区块链通过P2P网络提供了全局一致的信息视图，这意味着无论无人机选择哪个控制器或接入点，都可以获得相同的信息视图，无需考虑权限控制和隐私保护，真正实现了无处不在的接入；利用数据加密和哈希链技术保证了数据传输的真实性；针对控制器或无人机节点失控时协议的执行时间和执行过程发生变化的问题，利用区块链的智能合约技术确保协议按照约定规则进行执行。
Zhou等人[20]提出了一种面向灾害应急的分布式SD-FANET架构，将FANET分为了应用层、控制层、转发层和访问层。其中，应用层能够根据控制层的无人机采集的数据情况，结合用户需求来制定策略，包括路由策略计算、安全策略和资源管理策略，然后将策略发送至控制层无人机，以指导无人机间的通信。而控制层分为无人机控制层、空间控制层和地面控制层，其中SDN控制器以物理分散的形式布置在地面控制层。无人机控制层主要由3架高空无人机构成，能够实现对整个网络的覆盖。高空无人机在收集了网络的链路信息后，通过一致性协议实现与空间控制层和地面控制层的同步；应用层的指令能够由地面控制层同步至无人机控制层，再转发给其他无人机，该过程通过OpenFlow流表分发的形式完成；转发层和访问层分布的主要是只具备基本接入和转发过程的中低空无人机，由于无人机中控制决策与转发实现分离，因此相比于传统FANET，配置这一类无人机的成本更低。实验仿真表明，该架构能够比传统方案节省30%～50%的网络能耗，降低了信令开销，并且提供了一个相对稳定的业务响应能力，在显著提高网络的生命周期的基础上满足用户的业务需求。
Qi等人[21]提出了一种具有SDN集群控制器和协同控制器的新型分簇飞行传感器网络(Flying Ad-hoc Sensor Network，FASNET)架构。为了提高网络的可扩展性，在该架构设计中，无人机被分成几个集群域，每个集群域由一个上层固定飞艇控制。控制器负责获取整个抽象集群网络视图，实现网络资源的统一调度，并指导数据的处理和转发。此外，还有一种协作式飞艇控制器，旨在实现单域控制器之间的交互。一旦在应用层上编写了多个模块，FASNET体系结构就可以同时执行不同的任务。在此基础上，作者还提出了一种集中式流量区分路由(Traffic-differentiated Routing,TDR)算法，该架构旨在保证时延敏感和可靠性要求较高的业务的QoS要求。不同的权重根据它们对延迟的敏感性和重要性级别被分配给不同的流程。特别地，在TDR中引入了一个既考虑链路可用性又考虑节点转发能力的传输可靠性预测模型。仿真结果表明，TDR不仅降低了对延迟敏感的应用的平均延迟，而且提高了对可靠性要求较高的应用的数据完整性。
Fei等人[22]提出了基于消息队列遥测传输(Message Queue Telemetry Transport，MQTT)的SD-FANET架构，充分结合了分布式和集中式的结构特点，能较好地应用于战场、灾区等恶劣环境。具体做法为：首先在无人机上设置控制器，然后在无人机蜂群中利用选举机制选举出主控制器和从控制器。两者的差别在于从控制器在应用平面上不具备通信管理、编队管理和安全管理功能，控制平面中，从机主要负责信息收集，主机则负责信息上传。基于此，该结构不仅能够有效地低于单点故障引发的整个网络瘫痪的问题，还能始终保证网络中存在一个指挥与决策的中心，保证任务执行的高效性。同时，集群中的每一架无人机都具有相同的内部部件和结构，该选举机制还能够支持主节点在无人机之间的迁移，一旦有任务需要或者主控制器发生瘫痪，其他从控制器就可以通过开启某些部件和功能来充当主控制器的角色。作者还采用了一种具有低处理能力、低内存的轻量级网络设备——MQTT作为简化网络应用运行和扩展的中间件，能够较好地契合灾区、战场等恶劣环境资源受限的特点。
2.3 与MEC的结合
目前，SD-FANET中无人机计算能力还十分有限，难以承载的数据量较大的计算密集型任务，因此亟需一种稳定的就近的计算服务模式，承载高密度任务的数据处理任务，以保证更低的传输时延。基于此，移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)开始在SD-FANET领域实现应用。其核心思想即通过实现集中化的云计算平台与网络边缘甚至用户终端本身相融合，将原本在中心云上的计算资源“下沉”到边缘侧，以实现终端用户在边缘侧就能获得较好的计算服务，计算处理请求能及时得到响应，用户的QoS获得提高。鉴于无人机移动性能好，部署灵活方便，成本低廉，是作为承载MEC服务器的理想平台。
图5所示为基于MEC和SD-FANET架构结合的云边端模型，分为三层：第一层为云服务器层，配置了相应的云SDN控制器；第二层为MEC服务器层，主要搭载在部分无人机和地面基站上，配置了相应的边缘SDN控制器；第三层为用户终端层。在网络中，计算任务可以在用户本地进行处理，也可以上传到MEC服务器上，然后将处理结果回传给用户或者上传给云服务器。通常，搭载了MEC服务器的无人机设置在距离用户一跳或两跳通信距离的网络边缘，对一定范围的用户进行通信覆盖，能够有效解决覆盖范围内用户的计算卸载问题。与此同时，将网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)的概念集成到MEC服务器中，将MEC服务器的计算和存储资源虚拟化，以承载不同应用和服务的功能。SDN控制模块也运行在启用了NFV的MEC服务器上，利用网络全局信息对虚拟化的资源进行有效分配。并且，每一个MEC服务器能够将自己的状态信息，包括从不同用户上传数据和QoS需求，通过预处理后上传至云SDN控制器，控制器根据接收到的信息对MEC服务器之间的任务迁移做出决策[23]。
图5 基于MEC和SD-FANET架构结合的云边端模型
Zhao等人[24]提出了一种基于SDN的无人机辅助车载计算卸载优化框架，以最小化车载计算任务的系统成本。在该框架中，无人机承载的MEC服务器可以代表车辆用户工作，执行延迟敏感和计算密集型任务。同时，无人机也可以作为中继节点部署，协助将计算任务转发到MEC服务器。作者将卸载决策问题描述为多玩家计算卸载顺序博弈，并设计了无人机辅助车辆计算成本优化(UAV-assisted Vehicular Computation Cost Optimization,UVCO)算法。通过与未结合SDN的传统方案，即基于车辆的云中继方案[25](Vehicle-Based Cloudlet Relaying,VCR)和深度监督学习方法[26](Deep Supervised Learning，DSL)进行对比，从仿真结果上看，随着数据大小的增加，UVCO算法所需的平均系统成本更少，提供的吞吐量更大，在性能上更具先进性。这正是得益于SDN架构中控制器提供的全局信息的设计，它可以节省大量的信息收集时间，避免资源浪费的现象发生，降低网络中的成本，并且提升网络的吞吐量。
Li等人[27]提出了一种基于MEC辅助SD-FANET的最优SDN控制器布置算法，并利用博弈论的思想，研究了降低控制器之间开销、控制器与转发无人机之间开销以及两者通信成本均衡的三种方案。通过实验仿真，这三种方案在不同的场景下都具备一定的优势，可根据业务需求灵活应用。
目前来看，针对MEC辅助SD-FANET的研究成果甚少，但本文认为面向MEC技术的结合会成为未来FANET和SD-FANET架构研究的一大趋势。这是因为目前MEC系统已经在基于SDN的传统移动自组织网络[28-29]中实现了应用，而FANET中无人机具有移动迅速、空中通信阻碍少和临时组网快等性质，相比于车辆和静态的地面基站其承载MEC平台更具优势，而文献[24]也验证了SDN架构在基于MEC的无人机网络中的可行性与先进性。
3 应用场景
由于SD-FANET具有一定的灵活性和可靠性，路由管理更加便捷快速，本节主要介绍该类网络架构的应用场景。
3.1 临时通信覆盖
综合上述研究来看，目前临时应急通信已成为SD-FANAT常见的应用场景[15,17,20]。当大型自然灾害发生时，灾区的商业网络往往会被破坏，此时面向灾区的应急通信尤为重要。而SD-FANET由于移动性和适应性强，并且可以轻松跨越数平方公里，因此能够极大地改善灾后的通信环境。通常，应急SD-FANET的部署采用小型旋翼无人机系统，其价格低廉，但网络拓扑也较为频繁，而SDN的应用能够较好地解决拓扑变化的问题，延长网络的生命周期，提升网络的QoS。
3.2 山地通信
相比于MANET和VANET，FANET具有更可靠的视距(Line-of-sight，LOS)链路[30]，能够避免地面无线通信存在的路径损耗、阴影效应以及多径效应。山地地形复杂，不确定因素多，而SD-FANET的可编程性使得无人机在执行任务期间面临突发事件能够及时做出响应，实时根据任务情况调整无人机之间的相互合作关系。
3.3 海上通信
在6G移动通信中，“空天地海”无缝全球深度立体覆盖一直作为典型的应用场景。尽管5G已经基本实现了陆地的通信覆盖，但海面依旧是处在一个与外界孤立的状态[31]。海面用户(如渔船、军事舰艇、石油作业海上平台等)一般移动速度较快，分布面积广泛，位置不固定，具有一定的临时性，基于此，SD-FANET能够作为中继通信面向海面用户，实现海面与外界的互联互通。
