无人机通信与网络学习笔记
第二章 空对地与空对空数据链路通信
2.1载人航空的空对地通信
是以传统的载人通信技术为基础，结合在移动宽带通信场景下进行的颠覆性创新。
2.1.1 地基飞机识别雷达
1.一次监视雷达
使用一个大的定向天线来发射信号并监听接收到的回波，回波的延迟与飞行时间和飞行距离呈函数关系。
优势：避免在尺寸和重量都受限制的飞行器上安装设备
缺点：能探测到任何引起足够强反射的物体，如鸟类容易引起混淆。而且单雷达的主要缺点是他只能发现物体不能识别。
另一大限制所有的一次监视雷达系统都无法确定飞行器的高度。又有可能让一次监视雷达测量高度的方法是使用波束导引的相控阵天线（贵），雷达图像需要很强的时效性（更新率为5-15s)。
二次监视雷达使用顶端较小的天线。
2.二次监视雷达（Secondary Surveillance Radar, SSR) 主要任务是确定高度和识别飞行器，依赖装在飞行器上的应答器，因此不能用于探测和跟踪不合作的目标。
3.余割平方天线图 P25 表示 雷达信号 天线 和 距离之间的关系 的一个公式
2.1.2雷达以外的距离与方向测量
1.距离测量设备（Distance Measuring Equipment,DME)
测量飞行器到地面转发站的倾斜距离，通过双向分组交换技术实现。
DME经常与甚高频全向范围站（VOR）公址。VOR通过传输信息，让飞行器计算进出站的方位，通常与DME一同计算飞行器的位置。
2.1.3 用于精确定位的仪表着陆系统
仪表着陆系统（ILS）是一种地基无线电系统，帮助飞机进行精确着陆。由两个部分组成：定位器和下滑道。
2.1.4 空地间语音通信
飞机之间进行语音通信，经常使用甚高频（Very High Frequency,VHF ）频段进行通信.
甚高频使用的调制方式为标准幅度调制.使用幅度调制的最大优点在于:同时接受多个信号的用户能听到两种信号的混合，这使得多方交谈可以同时进行。
频率调制具有非常强的捕获效果：如果同时发送两个信号，只接收最强的信号。
2.2 面向未来的现代化空中通信
2.2.1 现代监视与导航技术
现代监视系统一般会使用自动相关监视广播（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast ADS-B）技术来增强监视。这是一种协同监视技术，在没有询问者的情况下，飞行器会定期广播通过卫星导航获得的位置信息。ADS-B需要目标合作不适合国防应用。
ADS-B由ADS-B Out和ADS-B In两种服务组成，ADS-B Out是广播飞行器导航信息的发射器，ADS-B In是一种能够接收其它飞行器或地面站广播信息的接收器。
ADS-B具有以下优点：
1 态势感知
2 提升导航精度
3 识别 ADS-B发射器广播的数据包含唯一的识别码，这使每架飞机都能被唯一识别
4 提升安全性 ADS-B 允许从地面传输数据到飞机
5 搜索与救援 由于飞行器每秒发射一个非常精确的位置，这样更容易预测飞行器可能坠毁的位置
6 占地面积小
7 成本低 比一次和二次雷达站的成本都低
2.2.2 空中交通管理中的数字通信技术
语音通信有很高的开销，很可靠但是频谱效率很低，只有几个数据位可以表示消息的内容。
新的数据链路工作在L波段，该波段已经分配在航空通信的次级信道上。
目前有LDACS1,和LDACS2。L波段数字航空通信系统的缩写。通信距离是200海里（370km）
1.LDACS1
是基于正交频分复用调制的频分双工模式，虽然时分双工方法更容易实现，但是由于系统要远距离工作，TDD方法会产生较大的开销。有点事链路可以与DME上行和下行链路保持频率对齐，这大大减少共存约束。
2.3 实际的无人机与微型无人机数据链路
这两种无人机的通信需求由两部分组成，第一能够控制和监视无人机的操作。
2.3.1遥控和遥测
用于此领域的无人机无线链路通常是远距离并且具有高可靠性的，对带宽要求很低。
2.3.2 载荷和应用数据通信
1 IEEE 802.11
2 蜂窝3G/4G
3 模拟系统 主要适用于视频信号的传输
2.4 地面无线宽带解决方案在无人机链路中的应用分析
2.4.1 单天线无人机系统分析
2.4.2 多天线无人机空对空链路分析
多入多出在无人机场景中是无效得。
2.4.3 多天线无人机空对地链路分析
有害干扰测量及模型实验。使用多个天线进行波束成形使对地面和来自地面的干扰最小化是一项关键技术。
第三章 空中Wifi 网络
3.1简介
自主无人机应用场景：环境和自然灾害监测、边界监视、紧急援助、搜索和救援任务、货物交付和建筑工地。
由于无人机的快速部署和广阔覆盖能力，使用单个或多个无人机作为通信中继或空中基站，进行紧急情况下的网络供应以及用于公共安全通信，是研究热点。
除了覆盖范围和容量要求外，已部署空中平台的尺寸和必要平台的数量是决定机载通信系统的关键关键因素。
小型无人机研发首先集中于控制问题，关注点转向用于高效成功执行任务的多无人机协同系统。
ad hoc网络：多跳网。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。
3.2 空中网络特性
3.2.1 飞行器特性
飞行器平台的选择影响网络覆盖范围和平台的数量。
3.2.2 3D属性
3.2.3 移动性
3.2.4 有效载荷和飞行时间约束
无人机的有效载荷和飞行时间能力之间成反比关系。利用当前的技术使多个无人机共享有效载荷能够延长飞行时间。高精度的成像/位置传感器以及上实时通信是防撞的必要条件。
3.3空中自主网络的通信要求
3.3.1 平台自主
根据平台自主级别改变数据交换需求。无人机进行决策的时候需要相互交换某些协调信息流以获得临近无人机的路径计划。
无人机还能自动驾驶。
3.3.2 任务自主
具有中央决策设备的解决方案比分布式决策设备组成的系统更加简单，然而分布式决策可以提供更好的解决方案来避免单点故障。在收到有效载荷和飞行时间限制的空中网中，多个机载设备的并行处理可能是提高时间效率的理想方法。
表3-1 任务自主登记决策矩阵 p44
3.4 量化通信需求
我们将信息流分成实时、周期性和延迟容忍三类。
协调信息流包括遥测、一些传感的信息流、决策和任务分配指令。传感数据包括由无人机上的传感器所产生二等任何信息流。无人机必须支持遥控数据流以保证其可以一直处于遥控范围内。
3.5 空中Wi-fi 网络的实际测量结果
最常见的部署于商业小型无人机上的无线接口是用于数据传输的IEEE 802.11.以及用于遥测和控制数据流的IEEE 802.15.4(XBee).
3.5.1 网络架构
表3-2 无人机应用的量化通信需求
| 应用 | 数据类型 | 信息流类型 |
|---|---|---|
| 搜救 | 协调 | 实时 |
| 搜救 | 传感 | 实时 |
| 监测与制图 | 协调 | 周期性或容迟网络 |
| 监测与制图 | 传感 | 容迟网络 |
| 目视跟踪与监视 | 协调 | 实时 |
| 目视跟踪与监视 | 传感 | 实时 |
| 提供网络覆盖 | 协调 | 周期性 |
| 提供网络覆盖 | 传感 | 实时 |
| 施工 | 协调 | 实时 |
| 运送货物 | 协调 | 周期性 |
像植被监测、农业监测、考古遗址监测以及大面积摄影制图等应用不需要实时数据传输，可以再任务完成后使用基础设施模式进行离线数据传输。在需要覆盖大量群体进行目标探测、有大群动物或多处野火的情况下，能够以有效方式覆盖大面积动态目标的分布式无人机群比单一无人机更加有用。
3.5.2 试验结果
多跳网络测试TCP吞吐量，单跳测试UDP吞吐量。
3.6 总结与展望
小型无人机集群是未来空域交通的一部分，可靠的通信和网络是成功实现无人机协同工作的关键。
无人机之间的协调信息流需要高可靠性以确保安全和避免碰撞。现在仍未确定IEEE 802.11 标准是否适用于需要严格遵守延迟期限的无人机分布式协同。仍要为超过两跳且使用IEEE 802.11标准的无人机网络，寻找更高效的路由和机制访问控制协议解决方案。
第四章 容断机载网络和协议
4.2 机载网络环境
机载网络是一类移动无线网络：无线是由于飞行器平台间有无约束的通信链路，移动是由于飞行器平台的移动。
Mesh网络也称为“多跳网络”，它是一个动态的可以不断扩展的网络架构，并能有效地在无线设备之间传输。在传统的无线局域网中，用户如果要进行相互通讯的话，那么首先会访问一个固定的接入点（AP），这种访问的方式被称为单跳网络。而在多跳网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器。这样的好处是：如果最近的节点由于流量大而拥塞的话，那么数据可以重新选择一个小流量路径进行传输。数据包根据网络的情况，从一个节点依次传送到多个节点，最终到达目的地。这样的访问方式就是多跳访问。
军用通信领域使用高动态多跳机载网络。
Ad-hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-hop Network）、无基础设施网（Infrastructureless Network）或自组织网（Self-organizing Network）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。
无人机应用的监管处于起步阶段，包括危险区域的态势感知，娱乐活动以及小型包裹的递送。无人机一般以低速飞行并且有不可预测的飞行路线，由于应用场景多样，某些场景下AD-HOC 网络和容断网络可能会派上用场，移动ad-hoc网络协议适用于有众多成员需要互联的无人机网络，而容断网络协议适用于成员数较小的网络。
部署无人机中继节点的目的是提升机载移动ad-hoc网络的持续连通性或机载容断网络的性能。在机载容断网络中，固定中继节点可提供存储-转发操作。而移动中继节点可在存储-传送模式下传输数据。
无人机可为受灾地区快速部署临时网络基础设施用于该地区域的态势感知、灾害评估、急救人员连通、永久性基础设施恢复之前的临时互联网接入。
单跳网络在机载节点和地面站的链路稳定性分析 p53
航空环境的约束和要求，许多互联网协议在很多方面不适用。这些约束包括物理网络特性（如间断连通性），由移动性引起的、对可靠端到端通信提出严峻挑战的动态拓扑。
一个典型的机载战术级网络由三类节点组成：机载节点（AN），地面站（GS)、中继节点（RN）。
4.3 相关工作
机载网络很大程度上依赖现有基于TCP/IP的嵌入式设备将数据传输到现有的基于IP的系统和应用程序中，因此理解在机载环境下使用传统互联网协议是非常重要的。
态势感知是一种基于环境的、动态、整体地洞悉安全风险的能力，是以安全大数据为基础，从全局视角提升对安全威胁的发现识别、理解分析、响应处置能力的一种方式，最终是为了决策与行动，是安全能力的落地。
4.3.1 传统互联网协议
1.传输控制和用户数据报协议
TCP UDP
2.空间通信协议标准——传输协议（SCPS-TP）是对TCP的一系列扩展和修正，改善了卫星通信环境。是在连接建立时议定的，允许SCPS-TP代理与非SCPS代理通信时模拟TCP。
它对于高动态机载网络并非理想方案，它过于依赖在多个端到端连接上预先配置或逐步学习的信道条件信息。这一过程无法很好地适应快速变化的空中环境，也不能适时地利用基于逐跳的可用带宽。
3.互联网协议（IP）
互联网协议需要路由的汇聚并且天生不支持机载网络环境中的固有动态拓扑。
4.3.2移动无线网络协议
1.无线网状网络（WMN）是节点不移动的固定无线网络。无线网状网络技术可适用于机载网络。
2.Ad-hoc路由协议
在动态拓扑结构下节点的移动性需要频繁改变链路的关联。该协议按需距离矢量和动态源路由等反应式路由协议可以适应拓扑变化，试图按需构建源端到目的端的路径，但会因此受到按需查找路径所产生延迟的影响，该延迟可能超出高动态机载网络节点下节点的持续时间范围。某些主动路由协议试图在转发路由表的过程中试图保持完整的网络拓扑结构，所以路由的频繁更新会导致开销的增长，因此不适合高动态机载网络，尤其是带宽受限时。
专门针对高动态机载网络的移动ad-hoc网络协议包括AeroRP（航空路由协议）他在数据包报头中含位置和速度矢量。
3.容断和容迟网络
是向挑战性网络和间断性链接网络及其之间提供互操作通信最著名的方法。容迟网络假设通信节点间不存在稳定端到端路径并且经常出现网格分割。
普遍采用的技术：当节点不能立即转发到下一跳节点时存储-转发 信息。当通信范围内能使用移动节点将信息物理传送到下一跳节点时存储-传送信息。
4.3.3 传输网络协议
移动无线网络协议总体而言正日益适用于车载环境和机载环境，尤其是机载环境。
1.车载自组织网络
2.航空移动ad-hoc 网络
4.3.4 跨层
由于移动性、有限带宽、低能耗和服务质量的需求，网络栈的严格分层并不适用于无线网络。在高动态的情况下，带宽受限的网络可能会提供满足战术级应用需求的唯一可行解决方案。因此，我们需要促进跨多个层的跨层。
4.4 航空协议架构
介绍一组针对极高动态航空环境设计，描述一组针对极高动态航空环境设计的协议：AeroTp，一种TCP友好型传输协议。AeroNP，一种IP兼容型网络协议，AeroRP，面向高动态机载结点的路由协议。其中机载节点或中继节点彼此通信，使用这一特定域的协议栈与地面站通信。地面站的网关转换为基于TCP/IP的全球互联网，机载节点也配置了用于自身机上TCP/IP网络的网关。
通信可以包括任何类型的分组信息，可以直接从地面站传至机载节点、从机载节点传至地面站、从机载节点传至机载节点也可以使用中间的中继节点。
4.4.1 AeroTP ：TCP友好型传输协议
是一种为满足高动态网络环境需求而设计的特定域传输协议，同时对TCP"友好"以允许与地面站内和机载节点上位于AeroGW的常规TCP进行有效拼接。它通过机载网络传输TCP和UDP并以一种有效方式满足该环境的需求：容断、动态资源共享、面向公平和优先的服务质量支持、实时数据服务以及双向通信。
1.链接管理和传输控制
AeroTP使用适用于无线网络环境的连接管理范式。传输协议数据单元大小可以使用标准路径最大传输单元发现机制得到。AeroTP从网络层使用跨层仪器来用基于开环速率的传输控制决定初始速率，并通过背压来控制阻塞。
2.分段结构和网关功能
网管的功能支持IP和AeroNP间的转换及TCP/UDP和AeroTP间的拼接，一个数据包可以再源到目的地的路径上通过两个网关，入口网关将TCP段转换为AeroTPDU，出口网关将AeroTPDU转换为TCP段。
3.错误控制和基于服务指令的传输模式
AeroTP支持映射到不同业务类的别的多种传输模式：可靠连接、近可靠连接、准可靠连接、不可靠连接和不可靠数据报。
4.4.2 AeroNP:IP兼容型网络协议
AeroNP是专门为高动态机载环境设计的网络协议。
4.4.3 AeroRP ：面向高动态机载节点的路由协议
高速机载节点间的短时间接触会导致频繁的路由变化，这就需要一种智能多跳路由协议支持在高动态物理拓扑上进行可靠通信。
重要设计特征：
- 主动行为：AeroRP是一种基本的主动路由协议，通过有限的更新降低协议开销。
- 利用跨层控制：AeroRP旨在利用AeroNP提供的显式跨层支持以及节点处可用的地理节点位置和轨迹信息。
- 每跳行为：和现有协议不同，AeroRP基于部分本地信息和路由来每跳转发数据，从而避免了全局收敛必要性，使之特别适合于高动态环境。
- 多模态：机载网络场景和应用程序在其运行参数方面呈现高水平的湖边。
1.协议操作
第一阶段，每个机载节点在任意给定节点及时学习并给出可用邻居列表。第二阶段是旨在找到合适的下一跳来转发数据包。操作的两个阶段是邻居发现和数据转发。
2.数据转发算法
3.服务质量
AeroRP协议使用报头的两个字段来制定网络中数据包的服务质量。节点上的调度算法是基于类型和优先级的“加权公平队列”算法。
4.拥塞控制
4.5 性能评估
做了一些仿真实验啊 结果挺好的 真不戳
4.6 总结
AeroTP 提供了灵活及可组合的容断机制，可以在具有挑战性场景下在机载节点间端到端传输信息。通过基于轨迹信息预测链路何时可用，以及主动监听附近节点，AeroRP可以向目的地随机大宋数据，并更有效利用可用的网络容量。
第五章 无人机系统和网络：仿真和现场演示验证
5.1 无人机平台系统
无人机系统（UAS）平台的主要目的是为无人机能够在国家空域系统(NAS）这样的共享空域环境中自主飞行提供保障手段。确保此类系统具有高度的安全性和可靠性标准就成为主要问题。
5.2 无人机网络系统
5.2.3 网络模拟
网络仿真工具：ns-2,ns-3,OPNET,QualNet.planetLab,Netbad,MNE,通常涉及专用试验台，
CORE：一个能在一台或多台上进行网络模拟的工具，可以模拟路由器、个人计算机以及其他主机的网络堆栈，并且仿真他们之间的网络链接。
EMANE可以在第一层和第二层上工作。而CORE侧重于模拟第三以上的层。
5.2.4 网络协议
1.移动自组织网络（MANET）
该路由协议主要在网络拓扑结构动态变化的移动环境中处理数据包转发。有相关研究表示，没有一种协议适用于所有情况，并且针对不同的网络条件设计不同类型的协议。
2.自适应移动ad-hoc网络（A-MANET）
在链接断开、间断和低带宽环境中提供增强的性能，开发了自适应路由（又称多模路由），可以根据网络动态变化在主动式、反应式和泛洪式路由策略之间实现自动切换。
自适应路由避免将网络组织成为节点区域或邻域，而是以每个源/目的地或每个流为基础而运行。
5.4 总结
1）对控制、通信和计算机系统的正确需求对于确保无人机系统的系统全局安全至关重要。
2）无人机平台（单个无人机内部和不同无人机之间）的推进、电力和监测系统之间的资源分配是实现预期涌现行为的关键所在，并会直接影响无人机的续航能力。
3）多个故障条件的场景表明，在一些服务降级导致几个故障同时发生的情况下， 网络依然能够维持联通。
4）在故障场景下，网络展现出诸如网络分区、网络合并和网络故障转移等节点移动性相关的影响。
第六章 将无人机系统（UAS）集成到国家空域系统（NAS）中——监管、技术和研究挑战
6.1 民航监管框架——过去和现在
6.1.1适航认证
适航性描述了飞行器在所有可能的环境和可遇见情况下对飞行操作的适应性，从监管的角度来看，适航性是指得兴起满足既定的安全飞行标准的能力。
1.型号合格证
是民航局在申请人证明飞行器或飞行器产品符合民航局认为必要的适用法规时，颁发的设计批准书。
和研究方向没啥关系 省略了。