無人機集群技術-智能組網(wǎng)與協(xié)同 課件全套 第1-8章 緒論- 無人機集群任務分配

無人機集群技術第一章緒論國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程jian’y1.1課程導入1.2目錄CONTENT課程性質(zhì)與特色1.3無人機集群概述課程導入1.1直升機/無人機混合集群協(xié)同電磁作戰(zhàn)（關鍵技術：集群組網(wǎng)、群體智能、數(shù)字孿生）運輸直升機飛赴戰(zhàn)區(qū)集結無人集群投放無人機集群協(xié)同電子偵查目標截獲定位無人機集群自主航跡規(guī)劃協(xié)同電磁干擾武裝直升機開辟突防通道遂行攻擊任務課程導入1.14課程性質(zhì)與特色1.2課程性質(zhì)與特色現(xiàn)代計算機技術、通信技術和微電子技術的迅速發(fā)展、相互滲透和多元融合形成了信息革命。其中一個重要方面就是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡技術的產(chǎn)生和發(fā)展。無人機集群技術屬于通信網(wǎng)絡的一個分支，它是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿，涉及飛行器設計與工程（082002）、信息工程（080706）等多個傳統(tǒng)工科專業(yè)，符合新工科專業(yè)建設的發(fā)展方向。因此，本課程是一門跨專業(yè)、跨學科的學科拓展專業(yè)課程。1.26無人機集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿課程性質(zhì)與特色1.2

小精靈項目

CODE項目

“灰山鶉”項目

LOCUST項目中國電科中國電子科技集團公司成功完成了119架固定翼無人機集群飛行試驗，演示了密集彈射起飛、空中集結、多目標分組、編隊合圍、蜂群行動等動作。7課程主要內(nèi)容

1、無人機分類與多旋翼無人機；2、無人機集群體系結構與控制架構；

3、無人機集群通信與組網(wǎng)；

4、無人機集群協(xié)同控制；

5、虛擬仿真實驗。課程學時安排

1、必修：課堂教學28學時+實驗教學8學時，共計36學時；

2、選修：實驗室開放日，科創(chuàng)，競賽。培養(yǎng)目標：旨在幫助學生掌握無人機集群相關的基礎理論知識。培養(yǎng)探究式的思維方式和解決復雜問題的綜合能力，為進一步學習后續(xù)課程以及從事相關專業(yè)的科學研究、工程技術及管理工作提供必備的理論基礎。課程性質(zhì)與特色1.28集群節(jié)點數(shù)量多，實驗成本高1集群覆蓋范圍廣，空域申請難2易發(fā)墜機等事故，實驗風險大3結果難重現(xiàn)，不利于探究性教學4無人機集群相關實驗教學面臨嚴重困難課程性質(zhì)與特色1.292020年國家級一流本科課程：多旋翼無人機裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實驗課程性質(zhì)與特色1.210能實不虛虛實結合多旋翼無人機裝配與參數(shù)調(diào)試無人機集群鏈路預算與組網(wǎng)無人機集群協(xié)同與自主避障實驗目的：使學生掌握多旋翼無人機裝配與參數(shù)調(diào)試、無人機集群鏈路預算與組網(wǎng)、無人機集群協(xié)同與自主避障相關技術原理和實驗方法，培養(yǎng)學生探究式的思維方式和解決復雜問題的綜合能力課程性質(zhì)與特色1.211無人機PID調(diào)參仿真環(huán)境中的無人機PID調(diào)參無人機集群協(xié)同飛行測試仿真環(huán)境中的無人機集群協(xié)同飛行高階性創(chuàng)新性挑戰(zhàn)度仿真程序和數(shù)據(jù)來源于科研中的實際程序實測數(shù)據(jù)課程性質(zhì)與特色1.212國家級一流課程建設體系無人機集群技術國家級一流本科課程、工信部“十四五”規(guī)劃教材、高等教育出版社數(shù)字課程課程性質(zhì)與特色1.213無人機集群概述1.3什么是無人機？無人機是無人航空飛行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）的簡稱，是一種由動力驅動、機上無人駕駛、可控制、可執(zhí)行特定任務的航空飛行器。無人機的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點：小型化、智能化；高空化、長行時化；低造價、低損耗。1.315無人機的分類無人機最主要可分為固定翼和多旋翼兩大類。1.316單無人機的缺陷單架無人機雖然具有機動性強、隱蔽性強、適應性強等優(yōu)點，但存在以下問題：在執(zhí)行任務中，由于各種意外而造成無人機出現(xiàn)故障；偵查范圍有限，可能遺漏目標；在覆蓋范圍、殺傷半徑、摧毀能力和攻擊精度等方面不足。無人機集群1.317什么是無人機集群由一定數(shù)量的單功能、多功能的UAV共同組成。可實現(xiàn)單個平臺行為自主決策、平臺間行為協(xié)同。

在交感網(wǎng)絡的支撐下，節(jié)點之間進行信息交互與反饋、激勵與響應等交感行為。最終產(chǎn)生能力涌現(xiàn)的自主式空中移動系統(tǒng)。

1.318無人機飛行控制方式1.遙控方式。一般利用地面指揮控制系統(tǒng)內(nèi)的遙控面板和外部遙控協(xié)同的方式。需要地面操控人員的參與。3.監(jiān)控方式的自主飛行。無人機具有自動化程度高的飛控系統(tǒng)，具有在線規(guī)劃、任務分配、飛行重構等能力。

無人機在飛行過程中完全自主控制、決策和管理，操縱人員只是對無人機狀態(tài)進行監(jiān)視、當其出現(xiàn)故障時進行校正。

2.預編程控制。無人機按照機載計算機預先編好的程序飛行，需要簡單的機載自動駕駛儀。魯棒性差，只能執(zhí)行簡單任務。1.319無人機集群適合完成的任務無人機集群需要具有感知、任務分析、規(guī)劃、推理、決策和動作執(zhí)行等功能。與單個無人機相比，無人機集群更適合完成以下任務：

區(qū)域監(jiān)測、遍歷類任務外界環(huán)境過于危險的任務有冗余性的任務

1.320無人機集群的民用場景在民用領域，無人機集群可用于農(nóng)業(yè)植保、航空攝影、應急救災難和飛行表演等。農(nóng)業(yè)植保：用無人機噴藥，防治病蟲害。航空攝影：低空無人機集群攝影系統(tǒng)。應急救災：森林火災探測、無人機滅火。飛行表演：重大活動的夜間空中燈光秀。1.321無人機集群基于合作策略和協(xié)調(diào)機制，應具有以下屬性：具有自適應、自組織特性具有柔性和魯棒性具有人為監(jiān)測干預的受控系統(tǒng)無人機自組織與人弱控制交互作用的動態(tài)系統(tǒng)

無人機集群的集群屬性1.322無人機集群內(nèi)部各無人機有目的、有意識的運行/演變活動稱為集群行為。

按運行層次及參與無人機個數(shù)，集群行為可分為獨立行為、

交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；獨立行為指未與其他無人機交互而自行發(fā)生的行為，一般存在于標志無人機(主節(jié)點)。交互行為是集群內(nèi)無人機間交互與反饋、激勵與響應等智能行為，多種形式、多種意圖的交互行為產(chǎn)生集群能力。

無人機集群的集群行為1.323

按運行層次及參與無人機個數(shù)，集群行為可分為獨立行為、交互行為、協(xié)同行為、系統(tǒng)行為；協(xié)同行為是獨立行為和交互行為共同產(chǎn)生作用的結果。系統(tǒng)行為是集群整體層面的行為，在行為調(diào)控和自組織作用下，控制無人機集群遂行任務，是系統(tǒng)自組織特性的具體體現(xiàn)。

無人機集群的集群行為1.324無人機集群需要具備的能力群體智能能力

引入人工智能。感知、運算和決策能力如同一群鳥在空中飛，需要知道方向，位置，地形狀態(tài)等

如何適應環(huán)境，如何完成任務。通信能力

無人機之間通過通信鏈路進行信息交互。

航跡規(guī)劃能力

設計飛行路線，具有一定的冗余度。

1.325任務環(huán)境的復雜性。體現(xiàn)在復雜的對抗性環(huán)境，可能包含多種既有的和突發(fā)的威脅、障礙、極端天氣等。任務需求的復雜性。不同的任務在目標、時序約束、時間敏感性約束、任務指標等各個方面均可能存在差異。

無人機集群成員間的差異。組成集群的單個無人機存在運動學與動力學特性、功能、信息收集與處理和通信能力等的差異。通信約束的復雜化。通信拓撲結構變化、帶寬受限、通信于擾、通信延時等，甚至可能會出現(xiàn)虛假通信等問題。

無人機集群協(xié)同控制的復雜性1.326航跡規(guī)劃是無人機編隊飛行的關鍵技術。它是指根據(jù)已知的敵情和地形信息在出發(fā)點和目標點之間尋找一條綜合指標最優(yōu)的飛行路徑。1.地形和敵情的信息處理及建模。需要建立地形數(shù)據(jù)庫，如美國的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（DTED）。敵情則通過衛(wèi)星和情報手段獲得。無人機集群的航跡規(guī)劃1.3272.威脅突防模型：包括地形地物、電磁干擾、雷達探測和地空導彈威脅等。通過建模分析，提高無人機集群的生存概率，盡最大可能成功完成任務。

3.航跡規(guī)劃算法

靜態(tài)航跡規(guī)劃決定了生成航跡的合理性和可靠性；

動態(tài)航跡規(guī)劃決定了規(guī)劃的實時性和有效性。

常用的算法包括：虛擬勢場法、A-Star算法、蟻群算法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等。

無人機集群的航跡規(guī)劃1.328謝謝！國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程《無人機集群技術》第二章

無人機集群網(wǎng)絡體系結構與協(xié)同控制架構目錄2.1網(wǎng)絡體系結構的分層設計2.2網(wǎng)絡體系結構的常用術語2.3網(wǎng)絡體系結構的各層主要功能2.4無人機集群網(wǎng)絡體系結構2.5無人機集群協(xié)同控制架構2.6基于圖論的無人機集群協(xié)同控制方法2.7本章小結網(wǎng)絡體系結構的分層設計2.1網(wǎng)絡分層的形成網(wǎng)絡體系結構提出的背景網(wǎng)絡的復雜性和異質(zhì)性不同的通信介質(zhì)：有線、無線……不同的設備類型：終端、路由器、交換機……不同的操作系統(tǒng)：Linux、Unix、Windows……不同的軟、硬件接口和通信協(xié)議對于如此復雜的網(wǎng)絡結構，用什么方法能合理地組織？分而治之——分層?。?！2.133采用分層設計方法的原因1為什么網(wǎng)絡協(xié)議棧的設計要采用分層的方法？分層可以將龐大而復雜的問題，轉化為若干簡單問題來解決對等層是有共識的用戶快遞公司運輸部門運輸通道網(wǎng)絡分層的形成2.134獨立性強易實現(xiàn)和維護【每層不需要知道它的上、下層是如何進行功能實現(xiàn)的】【各層可采用最適合的技術】靈活度高【當任意層發(fā)生變化時，只要接口不變，上下層均不受影響】促進標準化【各開發(fā)商的設計標準得到統(tǒng)一，進而可以協(xié)同開發(fā)】分層的網(wǎng)絡體系結構帶來哪些優(yōu)勢呢？分層的優(yōu)勢與設計2.135分層優(yōu)勢與設計分層設計的原則層間通過接口進行通信，跨越接口的信息量盡可能少34把應用程序和通信管理程序分開。還要將通信管理程序分為若干個模塊，通信接口標準化。12根據(jù)功能需要分層每層獨立，功能明確層數(shù)適中，不能太多：避免體系結構過于龐大。層數(shù)不能過少：避免多種功能混于同一層，造成協(xié)議太復雜2.136網(wǎng)絡分層的研究方法研究方法：

1.按功能抽象分層2.定義層間的接口和提供的服務

3.定義同層間通信的規(guī)則——協(xié)議網(wǎng)絡體系結構的三要素：

1.層

2.服務：垂直的，由下層向上層通過層間接口提供。

3.協(xié)議：水平的，控制對等實體間的通信的規(guī)則。2.137網(wǎng)絡的各層及其協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡的體系結構網(wǎng)絡分層的形成2.138網(wǎng)絡分層的形成OSI協(xié)議集發(fā)展歷史ISO（國際標準化組織）和CCITT（國際電報電話咨詢委員會）對網(wǎng)絡管理的標準化工作始于1979年，并于1981年正式推薦了聯(lián)合制定的OSI(OpenSystemInterconnect，開放式系統(tǒng)互連)國際標準。TCP/IP協(xié)議集發(fā)展歷史TCP/IP（Transmissioncontrolprotocol/Internetprotocol）協(xié)議產(chǎn)生于20世紀70年代后期，當時ARPA為實現(xiàn)異構網(wǎng)之間的互聯(lián)和互通，大力資助互聯(lián)技術的研究和開發(fā)，從而導致了TCP/IP的發(fā)展。

1980年，ARPANET上所有的機器采用TCP/IP協(xié)議，以ARPANET為主干建立了Internet。到80年代末90年代初，TCP/IP協(xié)議集成為了Internet事實上的標準。2.139網(wǎng)絡分層的形成

對TCP/IP協(xié)議集的評價

TCP/IP是Internet的支撐協(xié)議，是目前使用最廣泛的協(xié)議。TCP/IP網(wǎng)絡體系結構的主要優(yōu)點：1、簡單、靈活、易于實現(xiàn)。2、充分考慮不同用戶的需求。AndrewS.Tanenbaum在書中指出TCP/IP：1、沒有明顯地區(qū)分出協(xié)議、接口和服務的概念。2、不通用，只能描述它本身。3、主機-網(wǎng)絡層只是個接口。4、不區(qū)分物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

——有缺陷的協(xié)議，但很難被替換。

2.140網(wǎng)絡分層的形成

對OSI協(xié)議集的評價

OSI是20世紀80年代計算機網(wǎng)絡技術國際標準，網(wǎng)絡體系結構的主流。OSI網(wǎng)絡體系結構的核心貢獻：

1、分層模型

2、服務、接口和協(xié)議

AndrewS.Tanenbaum在書中評價OSI：

1、糟糕的提出時機（太晚，上世紀80年代提出，90年代修訂）2、糟糕的技術（模型和協(xié)議都有缺陷）3、糟糕的實現(xiàn)（龐大，笨拙，緩慢）4、糟糕的策略（政府和組織的官僚）

2.141網(wǎng)絡的主要功能網(wǎng)絡的主要功能

1、數(shù)據(jù)通信：實現(xiàn)網(wǎng)絡中不同節(jié)點之間的各種數(shù)據(jù)傳輸。它是網(wǎng)絡最基本的功能，也是其他功能實現(xiàn)的基礎；2、資源共享：實現(xiàn)數(shù)據(jù)、硬件和軟件三類資源的共享。它是構建網(wǎng)絡的主要目的；3、負荷均衡：將網(wǎng)絡中的負荷均勻地分配給網(wǎng)絡中的系統(tǒng)，如當網(wǎng)絡上某個系統(tǒng)的負載過重時，通過網(wǎng)絡程序的控制和管理，將負荷交給網(wǎng)絡上的其他系統(tǒng)去處理。4、分布處理：將任務分配給多個計算機去處理，以提高系統(tǒng)的處理能力。2.142網(wǎng)絡體系結構的常用術語2.2實體與協(xié)議實體entity

實體是指層中的活動元素。它可以是軟件，也可以是硬件。不同節(jié)點中位于同一層次的實體稱為對等實體（peerentity）。實體若要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的規(guī)則。這種控制兩個對等實體（或多個實體）進行通信的規(guī)則的集合，就稱為網(wǎng)絡協(xié)議，簡稱協(xié)議。協(xié)議protocol

2.244協(xié)議的組成協(xié)議的組成：3語序1語義2語法指需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作及做出何種應答。（要做什么）描述數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，包括?shù)據(jù)及控制信息的格式、編碼及信號電平等。（該怎么做）事件實現(xiàn)順序的詳細說明，定義了何時進行通信及以多快的速率發(fā)送等。（做的順序）2.245服務與服務訪問點定義：(n)實體向(n+1)實體提供的相互通信的能力，是(n+1)實體能看見的(n)實體提供的功能集合。

服務與功能的區(qū)別：每一層提供的功能很多，但只有被上層調(diào)用的才叫做服務。

服務訪問點（ServiceAccessPoint,SAP）：

是指在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行信息交換的地方。SAP是一個抽象的概念，本質(zhì)是一個邏輯接口。服務service

2.246服務用戶與服務提供者第n層的兩個“實體（n）”之間通過“協(xié)議（n）”進行通信。第n層向上面的第n+1層所提供的服務實際上已包括了在它以下各層所提供的服務。協(xié)議(n+1)SAPSAP交換原語交換原語實體(n+1)服務提供者第n層第n+1層實體(n+1)服務用戶實體(n)實體(n)協(xié)議(n)2.247協(xié)議其實現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務對上層的服務用戶是透明

是“水平的”服務上層使用服務原語獲得下層所提供的服務上層的服務用戶只能看見服務，無法看見下層協(xié)議是“垂直的”協(xié)議服務的關系2

1、服務是各層向上層提供的一組原語（操作），只定義接口不涉及具體實現(xiàn)。只告訴上層能干什么，以及怎么調(diào)用，上層并不知道究竟是怎么實現(xiàn)的。

2、協(xié)議定義同層對等實體的具體規(guī)則，協(xié)議是服務的實現(xiàn)。

3、實體利用協(xié)議實現(xiàn)服務定義的接口；只要服務不變，可以任意改變協(xié)議。服務與協(xié)議2.248數(shù)據(jù)單元網(wǎng)絡中信息傳送的單位為數(shù)據(jù)單元對等實體在協(xié)議的控制下交換信息對等層之間：協(xié)議數(shù)據(jù)單元相鄰層實體按服務交換信息層與層之間：服務數(shù)據(jù)單元網(wǎng)絡各層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元2.249網(wǎng)絡層次中間設備定義作用物理層中繼器Repeater一種最簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)設備將信號放大，使信號能傳的更遠集線器Hub一種能夠提供多端口服務的中繼器，也稱為“多端口中繼器”可實現(xiàn)多臺計算機之間的互聯(lián)，把每個輸入端口的信號放大再發(fā)到別的端口去數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)橋Bridge一個局域網(wǎng)與另一個局域網(wǎng)之間建立連接的橋梁根據(jù)MAC地址來轉發(fā)幀交換機Switch交換機使用硬件來完成以往網(wǎng)橋使用軟件來完成過濾、學習和轉發(fā)過程的任務能分辨幀中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意兩個端口間建立聯(lián)系網(wǎng)絡層路由器Router路由器利用IP地址來區(qū)別不同的網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的互連為IP數(shù)據(jù)包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點網(wǎng)絡層以上網(wǎng)關Gateway僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關是一個翻譯器中間設備2.250IP地址與硬件地址IP地址

InternetProtocolAddressIP地址的含義是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，給網(wǎng)絡上的每一臺主機（或路由器）的每一個接口分配一個在聯(lián)通范圍內(nèi)是唯一的標識符。兩級的IP地址可以記為：硬件地址網(wǎng)絡中每臺設備都有一個唯一的網(wǎng)絡標識，這個地址叫MAC地址（MediaAccessControlAddress）或硬件地址，由網(wǎng)絡設備制造商生產(chǎn)時寫在硬件內(nèi)部。2.251IP地址與硬件地址

兩類地址的區(qū)別使用IP地址的IP數(shù)據(jù)報一旦交給了數(shù)據(jù)鏈路層，就被封裝成MAC幀。MAC幀在傳送時使用的源地址和目的地址都是硬件地址，這兩個硬件地址都寫在MAC幀的首部中。2.252網(wǎng)絡體系結構各層的主要功能2.3五層協(xié)議的體系結構數(shù)據(jù)鏈路層5應用層4運輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網(wǎng)絡層(networklayer)數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)2.354應用層每個應用層協(xié)議都是為了解決某一類應用問題而設計的，應用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應用進程在通信時所遵循的協(xié)議。許多應用層的協(xié)議都是基于客戶服務器方式。客戶服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務關系?？蛻羰欠照埱蠓?，服務器是服務提供方。2.355傳輸層從通信和信息處理的角度看，傳輸層向它上面的應用層提供通信服務，它屬于面向通信部分的最高層，同時也是用戶功能中的最低層。當網(wǎng)絡的邊緣部分中的兩個節(jié)點使用網(wǎng)絡的核心部分的功能進行端到端的通信時，只有位于網(wǎng)絡邊緣部分的主機的協(xié)議棧才有傳輸層，而網(wǎng)絡核心部分中的路由器在轉發(fā)分組時都只用到下三層的功能。2.356傳輸層從傳輸層的角度看，通信的真正端點并不是節(jié)點，而是節(jié)點中的進程。即端到端的通信是應用進程之間的通信。應用進程應用進程端口端口5432154321傳輸層提供應用進程間的邏輯通信321321網(wǎng)絡層AP1AP4AP2AP3網(wǎng)絡層和傳輸層的作用不同節(jié)點A節(jié)點B路由器1路由器2LAN2WANLAN1AP1AP2AP3AP4網(wǎng)絡層協(xié)議IP的作用范圍傳輸層協(xié)議TCP和UDP的作用范圍2.357網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層（NetworkLayer）網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層，因而網(wǎng)絡層是直接為資源子網(wǎng)服務的。網(wǎng)絡層根據(jù)不同的設計原則，為上層用戶提供的服務質(zhì)量差異非常大。網(wǎng)絡層功能是為通信節(jié)點間建立、保持和終止網(wǎng)絡連接，提供網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務、路由選擇、網(wǎng)間互連、QoS支持及相應的路由安全保證。2.358網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的路由表設計：

1.路由編址：

路由選擇能不能使用硬件地址？即路由表中是否可以使用硬件地址？2.路由表選項：路由表應盡可能完整涵蓋所有目的節(jié)點。一般不以目的節(jié)點作為表項。路由表中出現(xiàn)的下一跳地址一般都是目的網(wǎng)絡。查找路由時通常會有多個命中的選項，路由器將按照指定的規(guī)則進行選擇下一跳轉發(fā)的地址。2.359路由算法：Dijkstra算法原理每個節(jié)點用從源節(jié)點沿已知最佳路徑到本節(jié)點的距離來標注；初始時，將源節(jié)點標注為0，并令其為工作節(jié)點；檢查與工作節(jié)點相鄰的臨時性節(jié)點，若該節(jié)點到工作節(jié)點的距離與工作節(jié)點的標注之和小于該節(jié)點的標注，則用新計算得到的和重新標注該節(jié)點；在整個圖中查找具有最小值的臨時性標注節(jié)點，將其變?yōu)橛谰眯怨?jié)點，并成為下一輪檢查的工作節(jié)點；重復第3、4步，直到目的節(jié)點成為工作節(jié)點。2.360數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層在物理線路之上，建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路。通過差錯控制，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。封裝成幀：將二進制數(shù)據(jù)進行封裝（幀定界/幀同步）透明傳輸：可以傳輸任意組合的數(shù)據(jù)流差錯控制：處理傳輸差錯，保證按序可靠接收數(shù)據(jù)幀基本功能2.361數(shù)據(jù)鏈路層封裝成幀封裝成幀是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部?？刂谱址鸖OH（StartOfHeader）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始?？刂谱址鸈OT（EndOfTransmission）表示幀的結束。2.362數(shù)據(jù)鏈路層透明傳輸“透明”可以理解為：無論發(fā)送什么樣比特組合的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數(shù)據(jù)鏈路層。如何使數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解釋為作為幀起止的控制字符？2.363數(shù)據(jù)鏈路層透明傳輸SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結束符SOH發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”這種方法稱為字節(jié)填充或字符填充。2.364數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制循環(huán)冗余碼（CyclicRedundancyCheck，CRC，多項式編碼）生成多項式G(x)：例如位串110001，表示成多項式x5+x4+1，需滿足以下三點要求：

1.發(fā)方、收方事前約定。

2.生成多項式的最高位和最低位必須為1。3.生成多項式必須比傳輸信息對應的多項式短。2.365數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制k

位n

位除數(shù)Pn+1位原始數(shù)據(jù)00…0CRC余數(shù)Rn

位原始數(shù)據(jù)CRCk

位n

位除數(shù)Pn+1位原始數(shù)據(jù)CRC余數(shù)若余數(shù)=0，接收若余數(shù)≠0，丟棄發(fā)送方接收方CRC校驗基本思想：CRC碼（即校驗和）加在尾部，使帶CRC碼的幀的多項式能被G(x)除盡；收方接收時，用G(x)去除它，若有余數(shù)，則傳輸出錯2.366數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制CRC碼計算方法第一步：設G(x)為r階，在幀的末尾加r個0，使幀成為m+r位，相應多項式為xrM(x)。第二步：按模2除法用對應于G(x)的位串除對應于xrM(x)的位串。第三步：按模2減法從對應于xrM(x)的位串中減去余數(shù)（等于或小于r位），得到要傳送的帶校驗和的多項式T(x)。2.367數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制2.368剛才的例子中是否存在問題？存在不存在在特定情況下存在ABC提交69單選題10分數(shù)據(jù)鏈路層差錯控制三種典型的應答方式：正向應答:只對正確的信息應答。負向應答:只對錯誤的信息應答。雙向應答:既對正確的信息應答，也對錯誤的信息應答。2.370物理層物理層位于網(wǎng)絡體系結構中的最底層。實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。實際的比特傳輸必須依賴于傳輸設備和物理媒體，但物理層設計時考慮的是如何在傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的物理設備和傳輸介質(zhì)。注意：2.371無人機集群網(wǎng)絡體系結構2.4無人機集群網(wǎng)絡無人機集群是一種多架無人機能自主運動和完成任務，且有網(wǎng)絡保證和上層算法控制的一種系統(tǒng)。多架無人機之間的通信不完全依賴于地面控制站等通信基礎設施每個無人機節(jié)點同時具有收發(fā)信息和路由器的功能，能夠通過多跳的方式傳輸各無人機節(jié)點之間能夠相互發(fā)送指令信息，交換對周圍環(huán)境的感知態(tài)勢等數(shù)據(jù)無人機之間通過自組織的方式建立連接無人機集群無人機集群網(wǎng)絡的設計思想2.473無人機集群網(wǎng)絡中小型無人機自身能量限制通信能力，因此，需要多跳通信，即借助其它節(jié)點轉發(fā)。當無人機節(jié)點N1傳輸數(shù)據(jù)給節(jié)點N8，可以選擇不同的多跳路徑。如果節(jié)點N4離開使廣播鏈路斷開，可以切換到N1-N5-N6-N8，保證正常通信，增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。2.474無人機集群網(wǎng)絡體系結構無人機集群網(wǎng)絡對無人機間信息交互的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。無人機集群網(wǎng)絡采用四層協(xié)議體系結構，沒有傳輸層。無人機節(jié)點高速移動和動態(tài)拓撲變化會引起鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，傳輸層出現(xiàn)丟包率和誤碼率增加的問題。2.475網(wǎng)絡體系結構對比各種網(wǎng)絡體系結構層次對比2.476無人機集群網(wǎng)絡—物理層物理層物理層的設計目標是以較低的能量消耗，克服無線媒介的傳輸損耗，獲得較大鏈路容量。關鍵技術包括調(diào)制解調(diào)、信道編碼、多天線、自適應功率控制等。還要考慮無人機節(jié)點距離、節(jié)點密度以及實際通信鏈路變化問題。2.477無人機集群網(wǎng)絡—數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層主要負責相鄰節(jié)點之間鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸，用來協(xié)調(diào)多節(jié)點間如何共享無線資源，即控制通信節(jié)點對無線信道的接入，實現(xiàn)對共享無線信道的訪問控制。數(shù)據(jù)鏈路層該層包括邏輯鏈路層和介質(zhì)訪問控制層（MAC層）兩個子層。2.478無人機集群網(wǎng)絡—網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層功能是為通信節(jié)點間建立、保持和終止網(wǎng)絡連接，提供網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務、路由、網(wǎng)間互聯(lián)等網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)交換技術主要是指網(wǎng)絡中間節(jié)點所提供的數(shù)據(jù)交換功能。2.479無人機集群網(wǎng)絡—應用層應用層應用層直接面向無人機通信系統(tǒng)的應用，它會結合不同的作戰(zhàn)任務和功能需求，為無人機終端提供具有實際意義業(yè)務數(shù)據(jù)。每個應用層協(xié)議都是為了解決某一類應用問題的通信規(guī)約。2.480知識點回顧數(shù)據(jù)鏈路層在物理線路之上，建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路。通過差錯控制，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。封裝成幀：將二進制數(shù)據(jù)進行封裝（幀定界/幀同步）透明傳輸：可以傳輸任意組合的數(shù)據(jù)流差錯控制：處理傳輸差錯，保證按序可靠接收數(shù)據(jù)幀基本功能81知識點回顧差錯控制k

位n

位除數(shù)Pn+1位原始數(shù)據(jù)00…0CRC余數(shù)Rn

位原始數(shù)據(jù)CRCk

位n

位除數(shù)Pn+1位原始數(shù)據(jù)CRC余數(shù)若余數(shù)=0，接收若余數(shù)≠0，丟棄發(fā)送方接收方CRC校驗基本思想：CRC碼（即校驗和）加在尾部，使帶CRC碼的幀的多項式能被G(x)除盡；收方接收時，用G(x)去除它，若有余數(shù)，則傳輸出錯82無人機集群協(xié)同控制架構2.5無人機集群的協(xié)同控制架構（1）集中式控制架構系統(tǒng)中存在一個中心節(jié)點，由中心節(jié)點完成整個系統(tǒng)的任務指派、調(diào)度和協(xié)調(diào)，無人機僅充當任務執(zhí)行者的角色。2.584集中式架構集中式最顯著的特點是存在控制中心。控制中心可以是地面控制中心、海基平臺或空中的預警機平臺，也可以是集群中功能更加完善的領航無人機。集群中的無人機個體接受單個或多個中心控制。無人機之間互相不通信，而直接和控制中心進行聯(lián)系。2.585集中式架構是當前最直接、最成熟的集群架構模式控制?？刂浦行牡拇嬖谑沟迷摷軜嬋中詮姡瑓f(xié)調(diào)效率比較高，適合系統(tǒng)架構簡單和集群整體行為要求較高的無人機集群。優(yōu)勢劣勢正是由于控制中心的存在，導致魯棒性差、靈活性差和適應性差。如果無人機與控制中心失去聯(lián)系，它將無法繼續(xù)執(zhí)行任務。隨著無人機數(shù)量的增加，控制中心的通信負荷、計算負荷增高，易出現(xiàn)通信擁塞和中心反應遲滯的問題。2.586無人機集群的協(xié)同控制架構（2）分布式控制架構系統(tǒng)中不存在控制中心，系統(tǒng)成員之間平等，它們采用自治協(xié)商的方式共同完成全局任務2.587分布式架構分布式架構分類單層+單組適合數(shù)量少、同構無人機分散式分層式單層+多組適合數(shù)量多、同構無人機多層+多組適合異構無人機多層+單組適合異構無人機2.588分布式架構每個無人機個體可以自主決策和控制。對于大規(guī)模無人機集群系統(tǒng)而言，分布式控制將是唯一選擇。分布式有較好的魯棒性、可靠性、通信和決策實時性等優(yōu)點。優(yōu)勢全局性考慮不足，難以得到全局最優(yōu)解。分布式方式任務完成效率較低，難以充分發(fā)揮集群優(yōu)勢。該架構是一種朝著“完全自主”方向發(fā)展的構型，對無人機間協(xié)同能力要求很高。劣勢2.589集散式架構集群中有如空中預警機、地面控制中心、艦載指控中心等控制中心，組成協(xié)同決策核心；子群個體之間的協(xié)作和控制模式類似于分布式控制。2.590集散式架構優(yōu)勢劣勢集散式任務規(guī)劃和執(zhí)行架構結合了集中式與分布式兩者的特點及突出優(yōu)勢。既有全局優(yōu)勢，也有對計算負荷、通信負荷、集群魯棒性和生存力方面的考量。由于多控制中心和多無人機子群的存在，集散式架構需要合適的協(xié)調(diào)機制。否則，集群任務規(guī)劃與執(zhí)行無從談起，甚至會相互沖突。2.591基于圖論的無人機集群協(xié)同控制方法2.6圖論的概念一個圖G可用(V,E,φ)三元組來表示V:頂點集（Vertex-set）E

:

邊集（Edge-set）φ

:關聯(lián)函數(shù)，刻畫了頂點和邊之間的關聯(lián)關系圖有向圖當一個圖G的邊集是由不同節(jié)點組成的有序對構成時，該圖就稱為有向圖。有向圖2.593圖論的概念將無人機集群的拓撲結構抽象為圖鏈路節(jié)點頂點邊2.594圖論的概念若任意兩個頂點都能通過邊連通，則為連通圖。若任何兩點間至少有k條不同路的圖稱為k-連通圖。連通圖無向連通圖路、度從圖中一點v到另一點u所經(jīng)過的路徑稱為路。與點v相連的邊的條數(shù)稱為點v的度，記做d(v)

。2.595圖論的概念對于節(jié)點v，與其有邊的所有節(jié)點稱為v的鄰居節(jié)點。如果某節(jié)點與圖中任何節(jié)點沒有邊，則該節(jié)點為孤立節(jié)點。鄰居節(jié)點、孤立節(jié)點全連通圖、正則圖任何兩點間都有邊的圖，稱為全連通圖。所有點的度數(shù)都相等的連通圖，稱為正則圖。有孤立節(jié)點的無向圖全連通圖2.596圖論的概念樹、生成樹鄰接矩陣如果一個圖的任何子圖都不構成圈，則稱此圖為無圈圖。

連通無圈圖稱為樹。如果連通圖G的一個子圖是一棵包含G的所有頂點的樹，則該子圖稱為G的生成樹。采用二維數(shù)組，行、列的數(shù)目為圖中節(jié)點數(shù)目，第i行、j列的值為2.597基于圖論的多機鏈路連通性分析鄰接矩陣是指n×n階矩陣A=(aij)，aij表示有向圖D中以vi為起點且以vj為終點的有向邊的數(shù)目。鄰接矩陣2.598基于圖論的多無人機鏈路連通性網(wǎng)絡的k連通網(wǎng)絡的k連通：具有N個點的圖G中，去掉任意（k－1）個頂點后（1≤k≤N）所得的子圖仍然連通，去掉某k個頂點后不連通，則稱G是k連通圖，k稱作圖G的連通度，記作k(G)。節(jié)點度：與某節(jié)點相關聯(lián)的邊的條數(shù)，又稱關聯(lián)度，表示為deg(u)。衡量網(wǎng)絡中節(jié)點的重要程度。圖G連通度為k，則圖中任意節(jié)點度均大于等于k。2.599右圖的連通度是多少？234ABC提交5D單選題10分控制關系樹的生成和重構樹是表示分層結構的較好的選擇，可以通過無人機控制關系樹來描述無人機之間的控制關系。樹的結構可以通過雙鏈表方式表示?？刂脐P系樹的存儲結構2.5101控制關系樹的生成和重構控制關系樹重構2.5102本章小結2.7本章小結分層設計、常用術語、各層功能、無人機集群網(wǎng)絡體系結構網(wǎng)絡體系結構三類無人機集群協(xié)同控制架構：集中式、分布式、集散式無人機集群協(xié)同控制架構圖論、多機鏈路連通信分析、無人機集群控制樹的生成與重構基于圖論的無人機集群協(xié)同控制方法與協(xié)同控制架構無人機集群網(wǎng)絡體系結構2.7104謝謝！國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程《無人機集群技術》第三章

無人機集群通信物理層技術目錄3.1通信系統(tǒng)組成模型3.2通信的基本方式和復用方式3.3信息及其度量3.4數(shù)字調(diào)制3.5信道編碼3.6無線鏈路預算3.7本章小結通信系統(tǒng)組成模型3.13.1什么是通信109通信系統(tǒng)的一般模型

通信是指將信息從一地傳輸?shù)搅硪坏?，即完成信息傳輸。信息作為一種資源，只有通過廣泛地傳播、交流與共享，才能產(chǎn)生利用價值。

而通信作為傳輸信息的手段，伴隨著計算機技術、傳感技術和微電子等技術，正向著智能化、高速化、寬帶化、移動與個人化等方向飛速發(fā)展。通信的定義3.1110通信系統(tǒng)的一般模型1.消息：信息的一種外在表現(xiàn)形式。如包含有信息的語言、文字和圖像等。同一信息可以用不同的消息來載荷，如某一事件，可以用語言來表達，也可以用文字來描述。2.信息：對接收者來說事先不確定的事件。接收者在收到信息之前，對它的內(nèi)容是不知道的，所以信息是新知識、新內(nèi)容；信息的獲得能使某一事件的不確定性減少；信息是可以量度的。3.信號：表示消息的物理量。電信號，光信號。單從傳輸?shù)慕嵌龋呤堑葍r的。

消息、信息和信號3.1111通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源3.1112通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源產(chǎn)生需傳輸?shù)南?.1113通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源發(fā)送設備：加工信號將消息轉換為合適在信道傳輸?shù)男盘?.1114通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源信道：傳輸媒介(有線信道&無線信道3.1115通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源接收設備：減小噪聲及干擾的影響，把信號轉換為信宿能接收的信號3.1116通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源消息傳輸?shù)哪康牡?.1117通信系統(tǒng)的一般模型通信系統(tǒng)一般模型信源信道信宿發(fā)送設備接收設備噪聲源通常用等效噪聲源來表示3.1118信號的特點及分析域頻域：大多數(shù)的信息信號是低通型的帶限信號，頻譜集中在低頻段，稱為基帶信號或低通型信號。

電話300～3400Hz；電視0～6MHz；調(diào)幅廣播300KHz～3MHz時域：

模擬基帶信號

信號的某一個參量可以取無限多個值，且與消息直接對應。

數(shù)字基帶信號

信號的某一個參量只能取有限個值，且通常不直接與消息對應。。3.1119模擬信號與數(shù)字信號模擬信號載荷信息的信號參量取值是連續(xù)（不可數(shù)、無窮多）的，并且直接與消息對應。模擬信號有時也稱連續(xù)信號，這里連續(xù)的含義是指信號載荷的消息的參量連續(xù)變化，在某一取值范圍內(nèi)可以取無窮多個值，而不一定在時間上也連續(xù)。模擬信號3.1120模擬信號與數(shù)字信號數(shù)字信號載荷信息的信號參量為有限個取值，并且常常不直接或者不準確地與消息對應，如計算機輸出的信號。最典型的數(shù)字信號是只有兩種取值的信號。數(shù)字信號3.1121數(shù)字通信系統(tǒng)模型以數(shù)字信號作為載體傳送信息的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信系統(tǒng)信

源信道聲噪信源編碼信道編碼調(diào)制器解調(diào)器信道譯碼信源譯碼信宿同步系統(tǒng)加密解密交織解交織ASKFSKPSKDPSK3.1122信源編碼與信道編碼

信源編（譯）碼

a）變換信源信號的表達方式，將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字基帶信號，使其便于傳輸。

b）壓縮信源信號的冗余成分，提高系統(tǒng)的傳輸效率。

A/D轉換、波形變換、參數(shù)編碼等

信道編（譯）碼通過有目的的增加信息的冗余度，使系統(tǒng)具有一定的糾檢錯能力，提高系統(tǒng)傳輸信息的質(zhì)量。

分組碼、卷積碼、級聯(lián)碼等3.1123數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)勢

抗干擾能力強，特別是在中繼傳輸時更為明顯?？梢赃M行差錯控制，因而提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

便于使用現(xiàn)代計算機技術，對信號進行處理，存儲和變換從而提高信息傳輸?shù)撵`活性。

便于加密，實現(xiàn)保密信息傳輸。

易于和其他系統(tǒng)配合使用，構成一個靈活，通用，多功能的綜合業(yè)務信息傳輸網(wǎng)。3.1124通信的基本方式和復用方式3.2通信的基本方式1.單工通信：單工通信是指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，通信雙方中只有一個可以進行發(fā)送，另一個只能接收，如廣播、遙測、遙控、無線尋呼等。對于點到點之間的通信，按消息傳遞的方向與時間關系，通信方式可分為單工、半雙工及全雙工通信。2.半雙工通信：半雙工通信是指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進行收和發(fā)的工作方式。例如，使用同一載頻的普通對講機，問詢及檢索等。3.全雙工通信：全雙工通信是指通信雙方可同時收發(fā)消息的工作方式。一般來說全雙工通信的信道必須是雙向信道，利用頻分雙工、時分雙工等技術進行雙向同時通信。電話是全雙工通信一個常見的例子。3.2126通信的基本方式3.2127通信的基本方式FDD：頻分雙工TDD：時分雙工3.2128常用的復用方式復用指多路信號利用同一個信道同時進行獨立傳輸，是通信的關鍵技術之一。其目的是為了充分利用信道的資源，提高信道的利用率。目前傳輸多路信號基本復用方式有：

頻分復用（Frequency-divisionmultiplexing,FDM）

時分復用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）

碼分復用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）

空分復用（SpaceDivisionMultiplexing,SDM）3.2129常用的復用方式2.時分復用以信道傳輸時間作為分割對象，通過脈沖調(diào)制的方法分配互不重疊的時間片段（時隙）的方法來實現(xiàn)多路復用。如今時分復用比頻分復用的應用更為廣泛。1.頻分復用按頻率來劃分信道的復用方式，用頻譜搬移的方法使多路信號占據(jù)不同的頻帶進行信號傳輸，每一個子信道傳輸一路信號。4.空分復用利用空間分割來實現(xiàn)多路通信的一種復用方式，其利用陣列天線形成不同波束實現(xiàn)空分復用。3.碼分復用用正交的編碼分別攜帶不同信號的復用方式，各碼型間彼此不會造成干擾。3.2130頻分多路復用（FDM）通過分配多個子信道來實現(xiàn)多路復用（調(diào)制實現(xiàn)頻譜搬移）3.2131時分多路復用（TDM）通過分配互不重疊的時隙來實現(xiàn)多路復用。3.2132碼分多路復用（CDM）通過不同碼字來區(qū)分各路原始信號的一種復用方式。FrequencyCDMPowerTime碼1碼2碼3碼43.2133空分多路復用（SDM）利用陣列天線，形成不同波束來實現(xiàn)多路復用。3.2134多種多路復用方式聯(lián)合使用頻域(FDM)EnergyTimeFDMFrequencyCDMTDM業(yè)務分配到干擾最小的時隙時域(TDM)空域(SDM)業(yè)務動態(tài)的分配到干擾最小的頻率上自適應智能天線技術選擇最佳解耦方向碼域(CDM)動態(tài)分配不同的碼字3.2135信息及其度量3.3信息量信息量的定義

假設信源是由q個離散符號S1，S2，···，Si，···，Sq所組成的符號集合，集合中的每個符號是獨立的，其中任一符號Si對應出現(xiàn)的概率為P(Si)，并且0≤P(Si)≤1，ΣP(Si)=1。那么，符號Si含有的信息量記為I(Si)，則：

上述的對數(shù)底為2，則信息量I(Si)的單位為比特（bit）

二元制等概信源。此時信源符號僅有“0”和“1”，并且對應的概率均為0.5，根據(jù)信息量的定義：3.3137信息量信源的熵一般來說，信源里各符號出現(xiàn)的概率并不相等，那么各符號所含信息量各不相同。如果先后相繼發(fā)出的符號互不相關，即統(tǒng)計獨立，其信源符號平均信息量記為H(S)稱為該信源的熵。3.3138信息量信源的熵H(S)稱為該信源的熵。熵有如下性質(zhì)：（1）熵的物理概念是信源每個符號的平均信息量，單位是比特/符號。（2）熵是非負的，最小為零。（3）當信源符號等概時，熵有最大值，記為。式中，q為信源符號個數(shù)。（4）只要信源各符號不等概，則H(S)<Hmax(S)。信源冗余：3.3139信息量信息速率信源發(fā)出的信息是以信號的形式通過信道進行傳送的，單位時間通過信道的平均信息量稱為信息速率，記為：式中，TB是每個符號持續(xù)的時間。當信源的熵取最大值時，信息速率也達到最大，即：式中Rb,max也稱為信道容量，它是信道最大無誤信息速率。3.3140香農(nóng)公式香農(nóng)公式1.

假設信道的帶寬為B(Hz)，信道輸出的信號功率為S(W)及輸出加性帶限高斯白噪聲功率為N(W)，則信道的信道容量為上式是信息論中著名的香農(nóng)（Shannon）公式。2.香農(nóng)公式的另一形式：若噪聲單邊功率譜密度為n0，噪聲功率N=n0B

，則3.3141香農(nóng)公式a)增大信號功率S可以增加信道容量C。若信號功率S趨于無窮大時，則信道容量C也趨于無窮大b)減小噪聲功率譜密度n0

也可以增加信道容量C。若n0趨于零，則C趨于無窮大（1）在給定B、S/N的情況下，信道的極限傳輸能力為C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。（2）提高信道容量的方法:3.3142香農(nóng)公式當信道帶寬B趨于無窮大時，信道容量C的極限值為c)

增大信道帶寬B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C無限制地增大。 3.3143S/N與Eb/n0之間的關系

設噪聲為高斯白噪聲，單邊功率譜密度為n0，帶通濾波器的等效矩形帶寬為B，則信噪比為：

式中，S為信號平均功率，T為碼元時間寬度。3.3144數(shù)字調(diào)制3.4基本的數(shù)字調(diào)制方式3種基本形式的數(shù)字調(diào)制：振幅鍵控、頻率鍵控和相位鍵控。數(shù)字調(diào)制的調(diào)制信號是數(shù)字基帶信號，相應的數(shù)字已調(diào)信號的被調(diào)參數(shù)取離散的有限個值，因此數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生的波形種類有限；數(shù)字信號接收的任務就是要識別那種數(shù)字波形是否存在，因此抽樣判決器對數(shù)字信號的接收是必不可少的；在對調(diào)制性能研究中，數(shù)字調(diào)制討論誤碼率；數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)頻和數(shù)字調(diào)相，分別稱為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK），它們是最基本的數(shù)字調(diào)制方式。3.4146基本的數(shù)字調(diào)制方式—ASK振幅鍵控是用數(shù)字基帶信號控制載波信號的振幅，這是一種最古老的調(diào)制方式。振幅鍵控（ASK）幅度調(diào)制（ASK）3.4147ASK有兩種實現(xiàn)方法：模擬調(diào)制法和鍵控法。振幅鍵控（ASK）ASK信號調(diào)制器原理圖基本的數(shù)字調(diào)制方式—ASK3.4148FSK信號的產(chǎn)生有兩種方法，直接調(diào)頻法和頻率鍵控法。頻率鍵控（FSK）頻率鍵控法原理圖基本的數(shù)字調(diào)制方式—FSK3.4149相位鍵控分成絕對移相CPSK和相對移相DPSK兩種。在二進制CPSK中，我們規(guī)定數(shù)字基帶信號為“0”碼時，已調(diào)信號相對于載波的相位為π；數(shù)字基帶信號為“1”碼時，已調(diào)信號相對于載波相位為同相。按此規(guī)定，2CPSK信號的數(shù)學表示式為：CPSK波形相位是相對于載波相位而言的。因此畫CPSK波形時，必須先把載波畫好，然后根據(jù)相位的規(guī)定，才能畫出它的波形。相位鍵控（PSK）基本的數(shù)字調(diào)制方式—PSK3.4150基本的數(shù)字調(diào)制方式2CPSK信號實際上相當于抑制載波的雙邊帶信號。因此，它可以看作是雙極性基帶信號作用下的調(diào)幅信號。2CPSK產(chǎn)生2PSK信號調(diào)制原理框圖3.4151基本的數(shù)字調(diào)制方式相對移相記為DPSK，它是利用前后碼之間載波相位的變化表示數(shù)字基帶信號的。所謂相位變化又有兩種定義方法，這就是向量差和相位差。相位鍵控（PSK）相位模糊絕對移相波形規(guī)律比較簡單。而相對形相波形規(guī)律比較復雜，那么為什么還要提出相對移相的概念呢？絕對移相在解調(diào)時，必須要先恢復載波，才能恢復基帶信號。由于接收端恢復載波常常要采用二分頻電路，存在相位模糊，這樣就給絕對移相信號的解調(diào)帶來困難。而相對移相與載波相位無直接關系，因此在實際設備中，相對移相得到了廣泛運用。3.4152信道編碼3.5信道編碼類型按照不同角度，可分為不同類型：按照差錯控制編碼的用途不同可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。按照監(jiān)督碼元和信息碼元之間的關系可分為線性碼和非線性碼。按照對信息元處理方式的不同可分為分組碼和卷積碼。按照碼組中信息碼元編碼前后是否相同可分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼。3.5154

前向糾錯（ForwardErrorCorrection,FEC）：發(fā)端發(fā)送糾錯碼，接收端的譯碼器能自動發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤。

檢錯重發(fā)（AutomaticRepeatRequest,ARQ）：發(fā)端發(fā)出檢錯碼，通過前向信道送往接收端，收端的譯碼器判決后將判決信號由反向信道送回發(fā)端，發(fā)端重發(fā)有錯的消息，直至正確接受為止。

混合糾錯（HybridErrorCorrection,HEC）：當收端收到少量錯碼時，在收端直接糾正，即采用前向糾錯；當錯碼太多，則采用檢錯重發(fā)。

信息反饋（InformationFeedback,IF）：收端將接收消息原封不動地送回發(fā)端，由發(fā)端將反饋信息和原發(fā)送信息進行比較，發(fā)現(xiàn)錯誤進行重發(fā)。差錯控制差錯控制分類3.5155信道編碼中的術語—編碼效率1.碼長碼組（又稱碼字或碼矢）中編碼的總位數(shù)稱為碼組的長度，簡稱碼長。如“1101”碼長為4，“10110”碼長為5。2.碼重

碼組中“1”碼元數(shù)目稱為碼組的重量，簡稱碼重。如“11010”碼重為3。3.編碼效率分組碼一般可用符號（n，k）表示，其中k是碼組中信息碼元的數(shù)目，n是碼組的長度，則監(jiān)督碼元的數(shù)目r為（n-k）。那么編碼效率R可表示為3.51564.碼距兩個等長碼組之間對應位上數(shù)字不同的位數(shù)稱為碼組的距離，簡稱碼距，又稱漢明距離。如“11010”和“10110”有兩個對應位不同，故碼距為2。

最小碼距與糾/檢錯能力有著密切關系，它們之間的關系可歸納如下：（1）檢測e個錯碼，要求最小碼距（2）糾正t個錯碼，要求最小碼距（3）糾正t個錯碼，同時檢測e個錯碼，要求最小碼距信道編碼中的術語—最小碼距3.5157卷積碼屬于非分組碼、多碼段相關、糾錯能力較強的前向糾錯碼。

我們將卷積碼記作(n,k,N)。碼率則仍定義為k/n。卷積碼在編碼時雖然也是把k個比特的信息段編成n個比特的碼組，但是監(jiān)督碼元不僅和當前的k比特信息段有關，而且還同前面m=(N–1)個信息段有關。并將N稱為編碼約束長度。11.2常用的簡單編碼卷積碼3.5158（2，1，3）的卷積碼編碼器的結構（2，1，3）卷積碼編碼器包含三級移位寄存器，其中第3級為當前輸入，第1、2級表示當前狀態(tài)，表示狀態(tài)的二進制數(shù)，先輸入的比特在前，后輸入的比特在后。11.2常用的簡單編碼卷積碼編碼器結構3.5159卷積碼的狀態(tài)可用網(wǎng)格圖表示：11.2常用的簡單編碼卷積碼的狀態(tài)表示3.5160作為概率譯碼的一種，維特比(Viterbi)譯碼算法被廣泛采用。基于最大似然序列估計的維特比譯碼過程是基于網(wǎng)格圖的。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼算法3.5161假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5162假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。11.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.516311.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。16411.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。16511.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。16611.2常用的簡單編碼維特比譯碼過程3.5假設編碼器的輸入序列為：100100011…，則編碼器的輸出序列為：111011111011001101…接收序列為誤碼序列為Y=110011110011001101…。167Turbo碼Turbo碼又稱并行級連卷積碼（PCCC）。它是前人工作的巧妙綜合與發(fā)展，其基本思想就在于利用短碼的并聯(lián)來構造長碼，譯碼時再轉化為短碼來譯碼，并利用了循環(huán)迭代的思想。Turbo碼譯碼性能可以接近香農(nóng)公式極限。利用兩個碼率為1/2的卷積碼并聯(lián)的Turbo碼在AWGN信道上的誤比特率（BER）可以達到10-5，達到了近Shannon限的性能。由于Turbo碼的上述優(yōu)異性能并不是從理論研究的角度給出的，而僅是計算機仿真的結果。因此，Turbo碼的理論基礎還不完善。3.5168它由2個成員碼編碼器、1個交織器和1個刪余復接器組成。Turbo碼Turbo碼編碼器Turbo碼編碼器3.5169譯碼器1完成對一個數(shù)據(jù)幀的譯碼并經(jīng)過交織后，由譯碼器2進行譯碼，經(jīng)過解交織，由譯碼器1完成再譯碼，如此反復迭代，直至正確譯碼或不能再糾正錯誤為止。Turbo碼Turbo碼譯碼器Turbo碼譯碼器3.5170使用Turbo碼存在一定的誤差底限。對于固定交織長度的Turbo碼，其誤差底限可根據(jù)不同的交織規(guī)則在10-4到10-9之間變化。存在這種誤差底限的主要原因是由于Turbo碼的設計并不是絕對的長隨機碼。對于中等交織長度的情況，交織后的序列與交織前的序列相關性越小，則Turbo碼越接近隨機碼，對應的誤差底限就越低。Turbo碼Turbo碼誤差底限3.5171無線鏈路預算3.6鏈路預算舉例3.6假設某型通信系統(tǒng)：采用時分體制，預留保護時隙，同時考慮時間同步開銷，實際信道傳輸速率為18.4Mbps。無線鏈路采用Turbo編碼，QPSK調(diào)制，OFDM傳輸體制，考慮解調(diào)損失及信道編碼增益，下行接收機Eb/n0取7dB。收/發(fā)信機噪聲系數(shù)為4.3dB，則接收機噪聲譜密度為-169.7dBm/Hz。173獲取信噪比3.6無線鏈路采用turbo編碼，QPSK調(diào)制，OFDM傳輸體制，考慮解調(diào)損失及信道編碼增益，下行接收機Eb/n0取7dB。174接收機靈敏度3.6收/發(fā)信機噪聲系數(shù)為4.3dB，則接收機噪聲譜密度為-169.7dBm/Hz。無線接收機噪聲功率的計算方法為：-174dBm/Hz+10log10(B)+NF。其中。-174dBm/Hz為常溫下的熱噪聲功率譜密度，B為接收機帶寬，NF為噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)用于衡量射頻電路中信噪比的惡化程度，噪聲系數(shù)用輸入端的信噪比SNR和輸出端SNR的比值表示（通常為dB形式）。175接收機靈敏度3.6兩邊取對數(shù)，則有：接收機靈敏度取-90dBm。

Eb/n0中Eb的單位是焦耳/比特，定義是接收端的平均比特能量；n0的單位是瓦特/赫茲，在接收端定義的平均功率譜密度。176天線增益/發(fā)射功率3.6節(jié)點采用全向天線，天線增益大于等于0dBm。發(fā)射功率為20W，即43dBm。177路徑損耗3.6自由空間是相對介電常數(shù)和相對導磁系數(shù)為1，電導率等于0的均勻介質(zhì)空間。在自由空間傳播的電磁波，不產(chǎn)生反射、折射、吸收、散射及熱損耗。假設系統(tǒng)工作在L波段，1525MHz。則由上式可計算出20Km的作用距離下，自由空間損耗為122dB。178電平儲備計算3.6參數(shù)名參數(shù)值傳輸距離（Km）20中心頻率（MHz）L波段（1525）發(fā)射功率（dBm）43發(fā)射天線增益（dB）0發(fā)端損耗（dB）-1自由空間損耗（dB）-122接收天線增益（dB）0收端總損耗（dB）-1接收信號電平（dBm）-81接收機靈敏度（dBm）-90傳輸誤碼率10-5電平儲備（dB）9179本章小結3.7本章小結通信系統(tǒng)的模型數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點通信方式與復用方式自信息量、平均信息量及香農(nóng)公式數(shù)字調(diào)制的基本方式信道編碼無線鏈路預算3.7181謝謝！第四章

無人機集群信道接入技術國家級虛擬仿真實驗教學一流本科課程《無人機集群技術》目錄4.1無人機集群網(wǎng)絡MAC協(xié)議概述4.2競爭類MAC協(xié)議4.3分配類MAC協(xié)議4.4混合類MAC協(xié)議4.5本章小結4.1無人機集群網(wǎng)絡MAC協(xié)議概述4.1無人機集群網(wǎng)絡MAC的協(xié)議無人機集群網(wǎng)絡的MAC協(xié)議是指通過一組規(guī)則和過程將有限的共享資源分配給多個無人機，使得在眾多無人機之間公平、有序、有效地共享有限的帶寬資源。無人機集群MAC協(xié)議MAC協(xié)議在簡化協(xié)議棧中的位置1864.1MAC協(xié)議的功能只考慮數(shù)據(jù)鏈路層

設計MAC（MediumAccessControl）協(xié)議的目的：——解決相鄰節(jié)點間(點到點)的信道接入問題。鏈路：從一個無人機節(jié)點到相鄰無人機節(jié)點之間的一條無線物理線路。（物理鏈路）數(shù)據(jù)鏈路：在無線鏈路上傳輸數(shù)據(jù)時，還有必須的通信協(xié)議來控制數(shù)據(jù)的傳輸，把實現(xiàn)這些協(xié)議的軟硬件加到鏈路上，就構成數(shù)據(jù)鏈路。

（邏輯鏈路）187

封裝成幀

(framing)封裝成幀就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首、尾部，構成了一個幀。MAC協(xié)議有許多種，但是MAC幀的結構是基本一致的，MAC幀實現(xiàn)的三個基本功能也是共同的。同步通信與異步通信的幀同步方式封裝成幀4.1188

幀同步方法一：字符計數(shù)法

在幀頭中用一個域來表示整個幀的字符個數(shù)。

優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，幀同步開銷小，線路利用率高。

缺點：若計數(shù)出錯，對本幀和后面的幀有影響。555343224521355幀同步有兩類：一種是面向字符的，另一種是面向比特的。封裝成幀4.1189幀同步方法二：帶字符填充的首尾字符定界法幀內(nèi)容：n個字節(jié)字符串（ASCII碼/非ASCII碼）首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。幀結束幀首部IP數(shù)據(jù)報/分組幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部

MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長幀開始封裝成幀4.1190幀同步方法三：帶位填充的首尾標記定界法封裝成幀1.幀的起始和結束都用一個特殊的位串“01111110”，稱為標記（flag）。2.“0”比特插入刪除技術，在傳送的數(shù)據(jù)信息中每遇到5個連續(xù)的1在其后加0。例如：01101111110111111001在實際傳送時表示為：

01111110

011011111010111110001011111104.1191MAC協(xié)議的幀格式幀：在MAC層，幀是一個基本的數(shù)據(jù)處理單元。

MAC幀物理層MAC層1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報MAC幀4.1192MAC協(xié)議的幀格式

MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報目的地址和源地址字段各有6字節(jié)幀：在MAC層，幀是一個基本的數(shù)據(jù)處理單元。4.1193MAC協(xié)議的幀格式

MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報類型字段2字節(jié)類型字段用來標志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。幀：在MAC層，幀是一個基本的數(shù)據(jù)處理單元。4.1194MAC協(xié)議的幀格式MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)字段46~1500字節(jié)數(shù)據(jù)字段的正式名稱是MAC客戶數(shù)據(jù)字段。最小長度64字節(jié)-18字節(jié)的首部和尾部=數(shù)據(jù)字段的最小長度若小于（46字節(jié)），則需采用字節(jié)填充。幀：在MAC層，幀是一個基本的數(shù)據(jù)處理單元。4.1195MAC協(xié)議的幀格式MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報FCS字段4字節(jié)當傳輸媒體的誤碼率為1x10-8

時，MAC子層可使差錯小于1x10-14。幀：在MAC層，幀是一個基本的數(shù)據(jù)處理單元。4.1196MAC協(xié)議的幀格式MAC幀物理層MAC層幀開始定界符1010101010101010101010101010101011前同步碼7字節(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入IP層目的地址源地址類型數(shù)