无人机集群技术-智能组网与协同 课件全套 第1-8章 绪论- 无人机集群任务分配

无人机集群技术第一章绪论国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程jian’y1.1课程导入1.2目录CONTENT课程性质与特色1.3无人机集群概述课程导入1.1直升机/无人机混合集群协同电磁作战（关键技术：集群组网、群体智能、数字孪生）运输直升机飞赴战区集结无人集群投放无人机集群协同电子侦查目标截获定位无人机集群自主航迹规划协同电磁干扰武装直升机开辟突防通道遂行攻击任务课程导入1.14课程性质与特色1.2课程性质与特色现代计算机技术、通信技术和微电子技术的迅速发展、相互渗透和多元融合形成了信息革命。其中一个重要方面就是现代通信网络技术的产生和发展。无人机集群技术属于通信网络的一个分支，它是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿，涉及飞行器设计与工程（082002）、信息工程（080706）等多个传统工科专业，符合新工科专业建设的发展方向。因此，本课程是一门跨专业、跨学科的学科拓展专业课程。1.26无人机集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿课程性质与特色1.2

小精灵项目

CODE项目

“灰山鹑”项目

LOCUST项目中国电科中国电子科技集团公司成功完成了119架固定翼无人机集群飞行试验，演示了密集弹射起飞、空中集结、多目标分组、编队合围、蜂群行动等动作。7课程主要内容

1、无人机分类与多旋翼无人机；2、无人机集群体系结构与控制架构；

3、无人机集群通信与组网；

4、无人机集群协同控制；

5、虚拟仿真实验。课程学时安排

1、必修：课堂教学28学时+实验教学8学时，共计36学时；

2、选修：实验室开放日，科创，竞赛。培养目标：旨在帮助学生掌握无人机集群相关的基础理论知识。培养探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力，为进一步学习后续课程以及从事相关专业的科学研究、工程技术及管理工作提供必备的理论基础。课程性质与特色1.28集群节点数量多，实验成本高1集群覆盖范围广，空域申请难2易发坠机等事故，实验风险大3结果难重现，不利于探究性教学4无人机集群相关实验教学面临严重困难课程性质与特色1.292020年国家级一流本科课程：多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验课程性质与特色1.210能实不虚虚实结合多旋翼无人机装配与参数调试无人机集群链路预算与组网无人机集群协同与自主避障实验目的：使学生掌握多旋翼无人机装配与参数调试、无人机集群链路预算与组网、无人机集群协同与自主避障相关技术原理和实验方法，培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力课程性质与特色1.211无人机PID调参仿真环境中的无人机PID调参无人机集群协同飞行测试仿真环境中的无人机集群协同飞行高阶性创新性挑战度仿真程序和数据来源于科研中的实际程序实测数据课程性质与特色1.212国家级一流课程建设体系无人机集群技术国家级一流本科课程、工信部“十四五”规划教材、高等教育出版社数字课程课程性质与特色1.213无人机集群概述1.3什么是无人机？无人机是无人航空飞行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）的简称，是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可控制、可执行特定任务的航空飞行器。无人机的发展呈现出以下特点：小型化、智能化；高空化、长行时化；低造价、低损耗。1.315无人机的分类无人机最主要可分为固定翼和多旋翼两大类。1.316单无人机的缺陷单架无人机虽然具有机动性强、隐蔽性强、适应性强等优点，但存在以下问题：在执行任务中，由于各种意外而造成无人机出现故障；侦查范围有限，可能遗漏目标；在覆盖范围、杀伤半径、摧毁能力和攻击精度等方面不足。无人机集群1.317什么是无人机集群由一定数量的单功能、多功能的UAV共同组成。可实现单个平台行为自主决策、平台间行为协同。

在交感网络的支撑下，节点之间进行信息交互与反馈、激励与响应等交感行为。最终产生能力涌现的自主式空中移动系统。

1.318无人机飞行控制方式1.遥控方式。一般利用地面指挥控制系统内的遥控面板和外部遥控协同的方式。需要地面操控人员的参与。3.监控方式的自主飞行。无人机具有自动化程度高的飞控系统，具有在线规划、任务分配、飞行重构等能力。

无人机在飞行过程中完全自主控制、决策和管理，操纵人员只是对无人机状态进行监视、当其出现故障时进行校正。

2.预编程控制。无人机按照机载计算机预先编好的程序飞行，需要简单的机载自动驾驶仪。鲁棒性差，只能执行简单任务。1.319无人机集群适合完成的任务无人机集群需要具有感知、任务分析、规划、推理、决策和动作执行等功能。与单个无人机相比，无人机集群更适合完成以下任务：

区域监测、遍历类任务外界环境过于危险的任务有冗余性的任务

1.320无人机集群的民用场景在民用领域，无人机集群可用于农业植保、航空摄影、应急救灾难和飞行表演等。农业植保：用无人机喷药，防治病虫害。航空摄影：低空无人机集群摄影系统。应急救灾：森林火灾探测、无人机灭火。飞行表演：重大活动的夜间空中灯光秀。1.321无人机集群基于合作策略和协调机制，应具有以下属性：具有自适应、自组织特性具有柔性和鲁棒性具有人为监测干预的受控系统无人机自组织与人弱控制交互作用的动态系统

无人机集群的集群属性1.322无人机集群内部各无人机有目的、有意识的运行/演变活动称为集群行为。

按运行层次及参与无人机个数，集群行为可分为独立行为、

交互行为、协同行为、系统行为；独立行为指未与其他无人机交互而自行发生的行为，一般存在于标志无人机(主节点)。交互行为是集群内无人机间交互与反馈、激励与响应等智能行为，多种形式、多种意图的交互行为产生集群能力。

无人机集群的集群行为1.323

按运行层次及参与无人机个数，集群行为可分为独立行为、交互行为、协同行为、系统行为；协同行为是独立行为和交互行为共同产生作用的结果。系统行为是集群整体层面的行为，在行为调控和自组织作用下，控制无人机集群遂行任务，是系统自组织特性的具体体现。

无人机集群的集群行为1.324无人机集群需要具备的能力群体智能能力

引入人工智能。感知、运算和决策能力如同一群鸟在空中飞，需要知道方向，位置，地形状态等

如何适应环境，如何完成任务。通信能力

无人机之间通过通信链路进行信息交互。

航迹规划能力

设计飞行路线，具有一定的冗余度。

1.325任务环境的复杂性。体现在复杂的对抗性环境，可能包含多种既有的和突发的威胁、障碍、极端天气等。任务需求的复杂性。不同的任务在目标、时序约束、时间敏感性约束、任务指标等各个方面均可能存在差异。

无人机集群成员间的差异。组成集群的单个无人机存在运动学与动力学特性、功能、信息收集与处理和通信能力等的差异。通信约束的复杂化。通信拓扑结构变化、带宽受限、通信于扰、通信延时等，甚至可能会出现虚假通信等问题。

无人机集群协同控制的复杂性1.326航迹规划是无人机编队飞行的关键技术。它是指根据已知的敌情和地形信息在出发点和目标点之间寻找一条综合指标最优的飞行路径。1.地形和敌情的信息处理及建模。需要建立地形数据库，如美国的数字地形高程数据（DTED）。敌情则通过卫星和情报手段获得。无人机集群的航迹规划1.3272.威胁突防模型：包括地形地物、电磁干扰、雷达探测和地空导弹威胁等。通过建模分析，提高无人机集群的生存概率，尽最大可能成功完成任务。

3.航迹规划算法

静态航迹规划决定了生成航迹的合理性和可靠性；

动态航迹规划决定了规划的实时性和有效性。

常用的算法包括：虚拟势场法、A-Star算法、蚁群算法、遗传算法、粒子群优化算法等。

无人机集群的航迹规划1.328谢谢！国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程《无人机集群技术》第二章

无人机集群网络体系结构与协同控制架构目录2.1网络体系结构的分层设计2.2网络体系结构的常用术语2.3网络体系结构的各层主要功能2.4无人机集群网络体系结构2.5无人机集群协同控制架构2.6基于图论的无人机集群协同控制方法2.7本章小结网络体系结构的分层设计2.1网络分层的形成网络体系结构提出的背景网络的复杂性和异质性不同的通信介质：有线、无线……不同的设备类型：终端、路由器、交换机……不同的操作系统：Linux、Unix、Windows……不同的软、硬件接口和通信协议对于如此复杂的网络结构，用什么方法能合理地组织？分而治之——分层！！！2.133采用分层设计方法的原因1为什么网络协议栈的设计要采用分层的方法？分层可以将庞大而复杂的问题，转化为若干简单问题来解决对等层是有共识的用户快递公司运输部门运输通道网络分层的形成2.134独立性强易实现和维护【每层不需要知道它的上、下层是如何进行功能实现的】【各层可采用最适合的技术】灵活度高【当任意层发生变化时，只要接口不变，上下层均不受影响】促进标准化【各开发商的设计标准得到统一，进而可以协同开发】分层的网络体系结构带来哪些优势呢？分层的优势与设计2.135分层优势与设计分层设计的原则层间通过接口进行通信，跨越接口的信息量尽可能少34把应用程序和通信管理程序分开。还要将通信管理程序分为若干个模块，通信接口标准化。12根据功能需要分层每层独立，功能明确层数适中，不能太多：避免体系结构过于庞大。层数不能过少：避免多种功能混于同一层，造成协议太复杂2.136网络分层的研究方法研究方法：

1.按功能抽象分层2.定义层间的接口和提供的服务

3.定义同层间通信的规则——协议网络体系结构的三要素：

1.层

2.服务：垂直的，由下层向上层通过层间接口提供。

3.协议：水平的，控制对等实体间的通信的规则。2.137网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构网络分层的形成2.138网络分层的形成OSI协议集发展历史ISO（国际标准化组织）和CCITT（国际电报电话咨询委员会）对网络管理的标准化工作始于1979年，并于1981年正式推荐了联合制定的OSI(OpenSystemInterconnect，开放式系统互连)国际标准。TCP/IP协议集发展历史TCP/IP（Transmissioncontrolprotocol/Internetprotocol）协议产生于20世纪70年代后期，当时ARPA为实现异构网之间的互联和互通，大力资助互联技术的研究和开发，从而导致了TCP/IP的发展。

1980年，ARPANET上所有的机器采用TCP/IP协议，以ARPANET为主干建立了Internet。到80年代末90年代初，TCP/IP协议集成为了Internet事实上的标准。2.139网络分层的形成

对TCP/IP协议集的评价

TCP/IP是Internet的支撑协议，是目前使用最广泛的协议。TCP/IP网络体系结构的主要优点：1、简单、灵活、易于实现。2、充分考虑不同用户的需求。AndrewS.Tanenbaum在书中指出TCP/IP：1、没有明显地区分出协议、接口和服务的概念。2、不通用，只能描述它本身。3、主机-网络层只是个接口。4、不区分物理层和数据链路层。

——有缺陷的协议，但很难被替换。

2.140网络分层的形成

对OSI协议集的评价

OSI是20世纪80年代计算机网络技术国际标准，网络体系结构的主流。OSI网络体系结构的核心贡献：

1、分层模型

2、服务、接口和协议

AndrewS.Tanenbaum在书中评价OSI：

1、糟糕的提出时机（太晚，上世纪80年代提出，90年代修订）2、糟糕的技术（模型和协议都有缺陷）3、糟糕的实现（庞大，笨拙，缓慢）4、糟糕的策略（政府和组织的官僚）

2.141网络的主要功能网络的主要功能

1、数据通信：实现网络中不同节点之间的各种数据传输。它是网络最基本的功能，也是其他功能实现的基础；2、资源共享：实现数据、硬件和软件三类资源的共享。它是构建网络的主要目的；3、负荷均衡：将网络中的负荷均匀地分配给网络中的系统，如当网络上某个系统的负载过重时，通过网络程序的控制和管理，将负荷交给网络上的其他系统去处理。4、分布处理：将任务分配给多个计算机去处理，以提高系统的处理能力。2.142网络体系结构的常用术语2.2实体与协议实体entity

实体是指层中的活动元素。它可以是软件，也可以是硬件。不同节点中位于同一层次的实体称为对等实体（peerentity）。实体若要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这种控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合，就称为网络协议，简称协议。协议protocol

2.244协议的组成协议的组成：3语序1语义2语法指需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答。（要做什么）描述数据传输的格式，包括数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。（该怎么做）事件实现顺序的详细说明，定义了何时进行通信及以多快的速率发送等。（做的顺序）2.245服务与服务访问点定义：(n)实体向(n+1)实体提供的相互通信的能力，是(n+1)实体能看见的(n)实体提供的功能集合。

服务与功能的区别：每一层提供的功能很多，但只有被上层调用的才叫做服务。

服务访问点（ServiceAccessPoint,SAP）：

是指在同一系统中相邻两层的实体进行信息交换的地方。SAP是一个抽象的概念，本质是一个逻辑接口。服务service

2.246服务用户与服务提供者第n层的两个“实体（n）”之间通过“协议（n）”进行通信。第n层向上面的第n+1层所提供的服务实际上已包括了在它以下各层所提供的服务。协议(n+1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n+1)服务提供者第n层第n+1层实体(n+1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)2.247协议其实现保证了能够向上一层提供服务对上层的服务用户是透明

是“水平的”服务上层使用服务原语获得下层所提供的服务上层的服务用户只能看见服务，无法看见下层协议是“垂直的”协议服务的关系2

1、服务是各层向上层提供的一组原语（操作），只定义接口不涉及具体实现。只告诉上层能干什么，以及怎么调用，上层并不知道究竟是怎么实现的。

2、协议定义同层对等实体的具体规则，协议是服务的实现。

3、实体利用协议实现服务定义的接口；只要服务不变，可以任意改变协议。服务与协议2.248数据单元网络中信息传送的单位为数据单元对等实体在协议的控制下交换信息对等层之间：协议数据单元相邻层实体按服务交换信息层与层之间：服务数据单元网络各层的协议数据单元2.249网络层次中间设备定义作用物理层中继器Repeater一种最简单的网络互联设备将信号放大，使信号能传的更远集线器Hub一种能够提供多端口服务的中继器，也称为“多端口中继器”可实现多台计算机之间的互联，把每个输入端口的信号放大再发到别的端口去数据链路层网桥Bridge一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁根据MAC地址来转发帧交换机Switch交换机使用硬件来完成以往网桥使用软件来完成过滤、学习和转发过程的任务能分辨帧中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意两个端口间建立联系网络层路由器Router路由器利用IP地址来区别不同的网络，实现网络的互连为IP数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点网络层以上网关Gateway仅用于两个高层协议不同的网络互连不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器中间设备2.250IP地址与硬件地址IP地址

InternetProtocolAddressIP地址的含义是互联网协议地址，给网络上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在联通范围内是唯一的标识符。两级的IP地址可以记为：硬件地址网络中每台设备都有一个唯一的网络标识，这个地址叫MAC地址（MediaAccessControlAddress）或硬件地址，由网络设备制造商生产时写在硬件内部。2.251IP地址与硬件地址

两类地址的区别使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中。2.252网络体系结构各层的主要功能2.3五层协议的体系结构数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)2.354应用层每个应用层协议都是为了解决某一类应用问题而设计的，应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。许多应用层的协议都是基于客户服务器方式。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。2.355传输层从通信和信息处理的角度看，传输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。当网络的边缘部分中的两个节点使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有传输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。2.356传输层从传输层的角度看，通信的真正端点并不是节点，而是节点中的进程。即端到端的通信是应用进程之间的通信。应用进程应用进程端口端口5432154321传输层提供应用进程间的逻辑通信321321网络层AP1AP4AP2AP3网络层和传输层的作用不同节点A节点B路由器1路由器2LAN2WANLAN1AP1AP2AP3AP4网络层协议IP的作用范围传输层协议TCP和UDP的作用范围2.357网络层网络层（NetworkLayer）网络层是通信子网的最高层，因而网络层是直接为资源子网服务的。网络层根据不同的设计原则，为上层用户提供的服务质量差异非常大。网络层功能是为通信节点间建立、保持和终止网络连接，提供网络层数据服务、路由选择、网间互连、QoS支持及相应的路由安全保证。2.358网络层

网络层的路由表设计：

1.路由编址：

路由选择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.路由表选项：路由表应尽可能完整涵盖所有目的节点。一般不以目的节点作为表项。路由表中出现的下一跳地址一般都是目的网络。查找路由时通常会有多个命中的选项，路由器将按照指定的规则进行选择下一跳转发的地址。2.359路由算法：Dijkstra算法原理每个节点用从源节点沿已知最佳路径到本节点的距离来标注；初始时，将源节点标注为0，并令其为工作节点；检查与工作节点相邻的临时性节点，若该节点到工作节点的距离与工作节点的标注之和小于该节点的标注，则用新计算得到的和重新标注该节点；在整个图中查找具有最小值的临时性标注节点，将其变为永久性节点，并成为下一轮检查的工作节点；重复第3、4步，直到目的节点成为工作节点。2.360数据链路层数据链路层在物理线路之上，建立相邻节点之间的数据链路。通过差错控制，提供可靠的数据传输。封装成帧：将二进制数据进行封装（帧定界/帧同步）透明传输：可以传输任意组合的数据流差错控制：处理传输差错，保证按序可靠接收数据帧基本功能2.361数据链路层封装成帧封装成帧是在一段数据的前后分别添加首部和尾部。控制字符SOH（StartOfHeader）放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。控制字符EOT（EndOfTransmission）表示帧的结束。2.362数据链路层透明传输“透明”可以理解为：无论发送什么样比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。如何使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解释为作为帧起止的控制字符？2.363数据链路层透明传输SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符SOH发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”这种方法称为字节填充或字符填充。2.364数据链路层差错控制循环冗余码（CyclicRedundancyCheck，CRC，多项式编码）生成多项式G(x)：例如位串110001，表示成多项式x5+x4+1，需满足以下三点要求：

1.发方、收方事前约定。

2.生成多项式的最高位和最低位必须为1。3.生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。2.365数据链路层差错控制k

位n

位除数Pn+1位原始数据00…0CRC余数Rn

位原始数据CRCk

位n

位除数Pn+1位原始数据CRC余数若余数=0，接收若余数≠0，丢弃发送方接收方CRC校验基本思想：CRC码（即校验和）加在尾部，使带CRC码的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错2.366数据链路层差错控制CRC码计算方法第一步：设G(x)为r阶，在帧的末尾加r个0，使帧成为m+r位，相应多项式为xrM(x)。第二步：按模2除法用对应于G(x)的位串除对应于xrM(x)的位串。第三步：按模2减法从对应于xrM(x)的位串中减去余数（等于或小于r位），得到要传送的带校验和的多项式T(x)。2.367数据链路层差错控制2.368刚才的例子中是否存在问题？存在不存在在特定情况下存在ABC提交69单选题10分数据链路层差错控制三种典型的应答方式：正向应答:只对正确的信息应答。负向应答:只对错误的信息应答。双向应答:既对正确的信息应答，也对错误的信息应答。2.370物理层物理层位于网络体系结构中的最底层。实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体，但物理层设计时考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的物理设备和传输介质。注意：2.371无人机集群网络体系结构2.4无人机集群网络无人机集群是一种多架无人机能自主运动和完成任务，且有网络保证和上层算法控制的一种系统。多架无人机之间的通信不完全依赖于地面控制站等通信基础设施每个无人机节点同时具有收发信息和路由器的功能，能够通过多跳的方式传输各无人机节点之间能够相互发送指令信息，交换对周围环境的感知态势等数据无人机之间通过自组织的方式建立连接无人机集群无人机集群网络的设计思想2.473无人机集群网络中小型无人机自身能量限制通信能力，因此，需要多跳通信，即借助其它节点转发。当无人机节点N1传输数据给节点N8，可以选择不同的多跳路径。如果节点N4离开使广播链路断开，可以切换到N1-N5-N6-N8，保证正常通信，增强网络的稳定性。2.474无人机集群网络体系结构无人机集群网络对无人机间信息交互的稳定性和可靠性提出了更高的要求。无人机集群网络采用四层协议体系结构，没有传输层。无人机节点高速移动和动态拓扑变化会引起链路质量不稳定，传输层出现丢包率和误码率增加的问题。2.475网络体系结构对比各种网络体系结构层次对比2.476无人机集群网络—物理层物理层物理层的设计目标是以较低的能量消耗，克服无线媒介的传输损耗，获得较大链路容量。关键技术包括调制解调、信道编码、多天线、自适应功率控制等。还要考虑无人机节点距离、节点密度以及实际通信链路变化问题。2.477无人机集群网络—数据链路层数据链路层主要负责相邻节点之间链路建立和数据传输，用来协调多节点间如何共享无线资源，即控制通信节点对无线信道的接入，实现对共享无线信道的访问控制。数据链路层该层包括逻辑链路层和介质访问控制层（MAC层）两个子层。2.478无人机集群网络—网络层网络层网络层功能是为通信节点间建立、保持和终止网络连接，提供网络层数据服务、路由、网间互联等网络层的数据交换技术主要是指网络中间节点所提供的数据交换功能。2.479无人机集群网络—应用层应用层应用层直接面向无人机通信系统的应用，它会结合不同的作战任务和功能需求，为无人机终端提供具有实际意义业务数据。每个应用层协议都是为了解决某一类应用问题的通信规约。2.480知识点回顾数据链路层在物理线路之上，建立相邻节点之间的数据链路。通过差错控制，提供可靠的数据传输。封装成帧：将二进制数据进行封装（帧定界/帧同步）透明传输：可以传输任意组合的数据流差错控制：处理传输差错，保证按序可靠接收数据帧基本功能81知识点回顾差错控制k

位n

位除数Pn+1位原始数据00…0CRC余数Rn

位原始数据CRCk

位n

位除数Pn+1位原始数据CRC余数若余数=0，接收若余数≠0，丢弃发送方接收方CRC校验基本思想：CRC码（即校验和）加在尾部，使带CRC码的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错82无人机集群协同控制架构2.5无人机集群的协同控制架构（1）集中式控制架构系统中存在一个中心节点，由中心节点完成整个系统的任务指派、调度和协调，无人机仅充当任务执行者的角色。2.584集中式架构集中式最显著的特点是存在控制中心。控制中心可以是地面控制中心、海基平台或空中的预警机平台，也可以是集群中功能更加完善的领航无人机。集群中的无人机个体接受单个或多个中心控制。无人机之间互相不通信，而直接和控制中心进行联系。2.585集中式架构是当前最直接、最成熟的集群架构模式控制。控制中心的存在使得该架构全局性强，协调效率比较高，适合系统架构简单和集群整体行为要求较高的无人机集群。优势劣势正是由于控制中心的存在，导致鲁棒性差、灵活性差和适应性差。如果无人机与控制中心失去联系，它将无法继续执行任务。随着无人机数量的增加，控制中心的通信负荷、计算负荷增高，易出现通信拥塞和中心反应迟滞的问题。2.586无人机集群的协同控制架构（2）分布式控制架构系统中不存在控制中心，系统成员之间平等，它们采用自治协商的方式共同完成全局任务2.587分布式架构分布式架构分类单层+单组适合数量少、同构无人机分散式分层式单层+多组适合数量多、同构无人机多层+多组适合异构无人机多层+单组适合异构无人机2.588分布式架构每个无人机个体可以自主决策和控制。对于大规模无人机集群系统而言，分布式控制将是唯一选择。分布式有较好的鲁棒性、可靠性、通信和决策实时性等优点。优势全局性考虑不足，难以得到全局最优解。分布式方式任务完成效率较低，难以充分发挥集群优势。该架构是一种朝着“完全自主”方向发展的构型，对无人机间协同能力要求很高。劣势2.589集散式架构集群中有如空中预警机、地面控制中心、舰载指控中心等控制中心，组成协同决策核心；子群个体之间的协作和控制模式类似于分布式控制。2.590集散式架构优势劣势集散式任务规划和执行架构结合了集中式与分布式两者的特点及突出优势。既有全局优势，也有对计算负荷、通信负荷、集群鲁棒性和生存力方面的考量。由于多控制中心和多无人机子群的存在，集散式架构需要合适的协调机制。否则，集群任务规划与执行无从谈起，甚至会相互冲突。2.591基于图论的无人机集群协同控制方法2.6图论的概念一个图G可用(V,E,φ)三元组来表示V:顶点集（Vertex-set）E

:

边集（Edge-set）φ

:关联函数，刻画了顶点和边之间的关联关系图有向图当一个图G的边集是由不同节点组成的有序对构成时，该图就称为有向图。有向图2.593图论的概念将无人机集群的拓扑结构抽象为图链路节点顶点边2.594图论的概念若任意两个顶点都能通过边连通，则为连通图。若任何两点间至少有k条不同路的图称为k-连通图。连通图无向连通图路、度从图中一点v到另一点u所经过的路径称为路。与点v相连的边的条数称为点v的度，记做d(v)

。2.595图论的概念对于节点v，与其有边的所有节点称为v的邻居节点。如果某节点与图中任何节点没有边，则该节点为孤立节点。邻居节点、孤立节点全连通图、正则图任何两点间都有边的图，称为全连通图。所有点的度数都相等的连通图，称为正则图。有孤立节点的无向图全连通图2.596图论的概念树、生成树邻接矩阵如果一个图的任何子图都不构成圈，则称此图为无圈图。

连通无圈图称为树。如果连通图G的一个子图是一棵包含G的所有顶点的树，则该子图称为G的生成树。采用二维数组，行、列的数目为图中节点数目，第i行、j列的值为2.597基于图论的多机链路连通性分析邻接矩阵是指n×n阶矩阵A=(aij)，aij表示有向图D中以vi为起点且以vj为终点的有向边的数目。邻接矩阵2.598基于图论的多无人机链路连通性网络的k连通网络的k连通：具有N个点的图G中，去掉任意（k－1）个顶点后（1≤k≤N）所得的子图仍然连通，去掉某k个顶点后不连通，则称G是k连通图，k称作图G的连通度，记作k(G)。节点度：与某节点相关联的边的条数，又称关联度，表示为deg(u)。衡量网络中节点的重要程度。图G连通度为k，则图中任意节点度均大于等于k。2.599右图的连通度是多少？234ABC提交5D单选题10分控制关系树的生成和重构树是表示分层结构的较好的选择，可以通过无人机控制关系树来描述无人机之间的控制关系。树的结构可以通过双链表方式表示。控制关系树的存储结构2.5101控制关系树的生成和重构控制关系树重构2.5102本章小结2.7本章小结分层设计、常用术语、各层功能、无人机集群网络体系结构网络体系结构三类无人机集群协同控制架构：集中式、分布式、集散式无人机集群协同控制架构图论、多机链路连通信分析、无人机集群控制树的生成与重构基于图论的无人机集群协同控制方法与协同控制架构无人机集群网络体系结构2.7104谢谢！国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程《无人机集群技术》第三章

无人机集群通信物理层技术目录3.1通信系统组成模型3.2通信的基本方式和复用方式3.3信息及其度量3.4数字调制3.5信道编码3.6无线链路预算3.7本章小结通信系统组成模型3.13.1什么是通信109通信系统的一般模型

通信是指将信息从一地传输到另一地，即完成信息传输。信息作为一种资源，只有通过广泛地传播、交流与共享，才能产生利用价值。

而通信作为传输信息的手段，伴随着计算机技术、传感技术和微电子等技术，正向着智能化、高速化、宽带化、移动与个人化等方向飞速发展。通信的定义3.1110通信系统的一般模型1.消息：信息的一种外在表现形式。如包含有信息的语言、文字和图像等。同一信息可以用不同的消息来载荷，如某一事件，可以用语言来表达，也可以用文字来描述。2.信息：对接收者来说事先不确定的事件。接收者在收到信息之前，对它的内容是不知道的，所以信息是新知识、新内容；信息的获得能使某一事件的不确定性减少；信息是可以量度的。3.信号：表示消息的物理量。电信号，光信号。单从传输的角度，三者是等价的。

消息、信息和信号3.1111通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源3.1112通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源产生需传输的消息3.1113通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源发送设备：加工信号将消息转换为合适在信道传输的信号3.1114通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源信道：传输媒介(有线信道&无线信道3.1115通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源接收设备：减小噪声及干扰的影响，把信号转换为信宿能接收的信号3.1116通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源消息传输的目的地3.1117通信系统的一般模型通信系统一般模型信源信道信宿发送设备接收设备噪声源通常用等效噪声源来表示3.1118信号的特点及分析域频域：大多数的信息信号是低通型的带限信号，频谱集中在低频段，称为基带信号或低通型信号。

电话300～3400Hz；电视0～6MHz；调幅广播300KHz～3MHz时域：

模拟基带信号

信号的某一个参量可以取无限多个值，且与消息直接对应。

数字基带信号

信号的某一个参量只能取有限个值，且通常不直接与消息对应。。3.1119模拟信号与数字信号模拟信号载荷信息的信号参量取值是连续（不可数、无穷多）的，并且直接与消息对应。模拟信号有时也称连续信号，这里连续的含义是指信号载荷的消息的参量连续变化，在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。模拟信号3.1120模拟信号与数字信号数字信号载荷信息的信号参量为有限个取值，并且常常不直接或者不准确地与消息对应，如计算机输出的信号。最典型的数字信号是只有两种取值的信号。数字信号3.1121数字通信系统模型以数字信号作为载体传送信息的通信系统称为数字通信系统。数字通信系统信

源信道声噪信源编码信道编码调制器解调器信道译码信源译码信宿同步系统加密解密交织解交织ASKFSKPSKDPSK3.1122信源编码与信道编码

信源编（译）码

a）变换信源信号的表达方式，将模拟信号转变为数字基带信号，使其便于传输。

b）压缩信源信号的冗余成分，提高系统的传输效率。

A/D转换、波形变换、参数编码等

信道编（译）码通过有目的的增加信息的冗余度，使系统具有一定的纠检错能力，提高系统传输信息的质量。

分组码、卷积码、级联码等3.1123数字通信系统的优势

抗干扰能力强，特别是在中继传输时更为明显。可以进行差错控制，因而提高了信息传输的可靠性。

便于使用现代计算机技术，对信号进行处理，存储和变换从而提高信息传输的灵活性。

便于加密，实现保密信息传输。

易于和其他系统配合使用，构成一个灵活，通用，多功能的综合业务信息传输网。3.1124通信的基本方式和复用方式3.2通信的基本方式1.单工通信：单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，通信双方中只有一个可以进行发送，另一个只能接收，如广播、遥测、遥控、无线寻呼等。对于点到点之间的通信，按消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为单工、半双工及全双工通信。2.半双工通信：半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。例如，使用同一载频的普通对讲机，问询及检索等。3.全双工通信：全双工通信是指通信双方可同时收发消息的工作方式。一般来说全双工通信的信道必须是双向信道，利用频分双工、时分双工等技术进行双向同时通信。电话是全双工通信一个常见的例子。3.2126通信的基本方式3.2127通信的基本方式FDD：频分双工TDD：时分双工3.2128常用的复用方式复用指多路信号利用同一个信道同时进行独立传输，是通信的关键技术之一。其目的是为了充分利用信道的资源，提高信道的利用率。目前传输多路信号基本复用方式有：

频分复用（Frequency-divisionmultiplexing,FDM）

时分复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）

码分复用（CodeDivisionMultiplexing,CDM）

空分复用（SpaceDivisionMultiplexing,SDM）3.2129常用的复用方式2.时分复用以信道传输时间作为分割对象，通过脉冲调制的方法分配互不重叠的时间片段（时隙）的方法来实现多路复用。如今时分复用比频分复用的应用更为广泛。1.频分复用按频率来划分信道的复用方式，用频谱搬移的方法使多路信号占据不同的频带进行信号传输，每一个子信道传输一路信号。4.空分复用利用空间分割来实现多路通信的一种复用方式，其利用阵列天线形成不同波束实现空分复用。3.码分复用用正交的编码分别携带不同信号的复用方式，各码型间彼此不会造成干扰。3.2130频分多路复用（FDM）通过分配多个子信道来实现多路复用（调制实现频谱搬移）3.2131时分多路复用（TDM）通过分配互不重叠的时隙来实现多路复用。3.2132码分多路复用（CDM）通过不同码字来区分各路原始信号的一种复用方式。FrequencyCDMPowerTime码1码2码3码43.2133空分多路复用（SDM）利用阵列天线，形成不同波束来实现多路复用。3.2134多种多路复用方式联合使用频域(FDM)EnergyTimeFDMFrequencyCDMTDM业务分配到干扰最小的时隙时域(TDM)空域(SDM)业务动态的分配到干扰最小的频率上自适应智能天线技术选择最佳解耦方向码域(CDM)动态分配不同的码字3.2135信息及其度量3.3信息量信息量的定义

假设信源是由q个离散符号S1，S2，···，Si，···，Sq所组成的符号集合，集合中的每个符号是独立的，其中任一符号Si对应出现的概率为P(Si)，并且0≤P(Si)≤1，ΣP(Si)=1。那么，符号Si含有的信息量记为I(Si)，则：

上述的对数底为2，则信息量I(Si)的单位为比特（bit）

二元制等概信源。此时信源符号仅有“0”和“1”，并且对应的概率均为0.5，根据信息量的定义：3.3137信息量信源的熵一般来说，信源里各符号出现的概率并不相等，那么各符号所含信息量各不相同。如果先后相继发出的符号互不相关，即统计独立，其信源符号平均信息量记为H(S)称为该信源的熵。3.3138信息量信源的熵H(S)称为该信源的熵。熵有如下性质：（1）熵的物理概念是信源每个符号的平均信息量，单位是比特/符号。（2）熵是非负的，最小为零。（3）当信源符号等概时，熵有最大值，记为。式中，q为信源符号个数。（4）只要信源各符号不等概，则H(S)<Hmax(S)。信源冗余：3.3139信息量信息速率信源发出的信息是以信号的形式通过信道进行传送的，单位时间通过信道的平均信息量称为信息速率，记为：式中，TB是每个符号持续的时间。当信源的熵取最大值时，信息速率也达到最大，即：式中Rb,max也称为信道容量，它是信道最大无误信息速率。3.3140香农公式香农公式1.

假设信道的带宽为B(Hz)，信道输出的信号功率为S(W)及输出加性带限高斯白噪声功率为N(W)，则信道的信道容量为上式是信息论中著名的香农（Shannon）公式。2.香农公式的另一形式：若噪声单边功率谱密度为n0，噪声功率N=n0B

，则3.3141香农公式a)增大信号功率S可以增加信道容量C。若信号功率S趋于无穷大时，则信道容量C也趋于无穷大b)减小噪声功率谱密度n0

也可以增加信道容量C。若n0趋于零，则C趋于无穷大（1）在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。（2）提高信道容量的方法:3.3142香农公式当信道带宽B趋于无穷大时，信道容量C的极限值为c)

增大信道带宽B可以增加信道容量C，但不能使信道容量C无限制地增大。 3.3143S/N与Eb/n0之间的关系

设噪声为高斯白噪声，单边功率谱密度为n0，带通滤波器的等效矩形带宽为B，则信噪比为：

式中，S为信号平均功率，T为码元时间宽度。3.3144数字调制3.4基本的数字调制方式3种基本形式的数字调制：振幅键控、频率键控和相位键控。数字调制的调制信号是数字基带信号，相应的数字已调信号的被调参数取离散的有限个值，因此数字调制产生的波形种类有限；数字信号接收的任务就是要识别那种数字波形是否存在，因此抽样判决器对数字信号的接收是必不可少的；在对调制性能研究中，数字调制讨论误码率；数字调幅、数字调频和数字调相，分别称为振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK），它们是最基本的数字调制方式。3.4146基本的数字调制方式—ASK振幅键控是用数字基带信号控制载波信号的振幅，这是一种最古老的调制方式。振幅键控（ASK）幅度调制（ASK）3.4147ASK有两种实现方法：模拟调制法和键控法。振幅键控（ASK）ASK信号调制器原理图基本的数字调制方式—ASK3.4148FSK信号的产生有两种方法，直接调频法和频率键控法。频率键控（FSK）频率键控法原理图基本的数字调制方式—FSK3.4149相位键控分成绝对移相CPSK和相对移相DPSK两种。在二进制CPSK中，我们规定数字基带信号为“0”码时，已调信号相对于载波的相位为π；数字基带信号为“1”码时，已调信号相对于载波相位为同相。按此规定，2CPSK信号的数学表示式为：CPSK波形相位是相对于载波相位而言的。因此画CPSK波形时，必须先把载波画好，然后根据相位的规定，才能画出它的波形。相位键控（PSK）基本的数字调制方式—PSK3.4150基本的数字调制方式2CPSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。2CPSK产生2PSK信号调制原理框图3.4151基本的数字调制方式相对移相记为DPSK，它是利用前后码之间载波相位的变化表示数字基带信号的。所谓相位变化又有两种定义方法，这就是向量差和相位差。相位键控（PSK）相位模糊绝对移相波形规律比较简单。而相对形相波形规律比较复杂，那么为什么还要提出相对移相的概念呢？绝对移相在解调时，必须要先恢复载波，才能恢复基带信号。由于接收端恢复载波常常要采用二分频电路，存在相位模糊，这样就给绝对移相信号的解调带来困难。而相对移相与载波相位无直接关系，因此在实际设备中，相对移相得到了广泛运用。3.4152信道编码3.5信道编码类型按照不同角度，可分为不同类型：按照差错控制编码的用途不同可分为检错码、纠错码和纠删码。按照监督码元和信息码元之间的关系可分为线性码和非线性码。按照对信息元处理方式的不同可分为分组码和卷积码。按照码组中信息码元编码前后是否相同可分为系统码和非系统码。3.5154

前向纠错（ForwardErrorCorrection,FEC）：发端发送纠错码，接收端的译码器能自动发现和纠正错误。

检错重发（AutomaticRepeatRequest,ARQ）：发端发出检错码，通过前向信道送往接收端，收端的译码器判决后将判决信号由反向信道送回发端，发端重发有错的消息，直至正确接受为止。

混合纠错（HybridErrorCorrection,HEC）：当收端收到少量错码时，在收端直接纠正，即采用前向纠错；当错码太多，则采用检错重发。

信息反馈（InformationFeedback,IF）：收端将接收消息原封不动地送回发端，由发端将反馈信息和原发送信息进行比较，发现错误进行重发。差错控制差错控制分类3.5155信道编码中的术语—编码效率1.码长码组（又称码字或码矢）中编码的总位数称为码组的长度，简称码长。如“1101”码长为4，“10110”码长为5。2.码重

码组中“1”码元数目称为码组的重量，简称码重。如“11010”码重为3。3.编码效率分组码一般可用符号（n，k）表示，其中k是码组中信息码元的数目，n是码组的长度，则监督码元的数目r为（n-k）。那么编码效率R可表示为3.51564.码距两个等长码组之间对应位上数字不同的位数称为码组的距离，简称码距，又称汉明距离。如“11010”和“10110”有两个对应位不同，故码距为2。

最小码距与纠/检错能力有着密切关系，它们之间的关系可归纳如下：（1）检测e个错码，要求最小码距（2）纠正t个错码，要求最小码距（3）纠正t个错码，同时检测e个错码，要求最小码距信道编码中的术语—最小码距3.5157卷积码属于非分组码、多码段相关、纠错能力较强的前向纠错码。

我们将卷积码记作(n,k,N)。码率则仍定义为k/n。卷积码在编码时虽然也是把k个比特的信息段编成n个比特的码组，但是监督码元不仅和当前的k比特信息段有关，而且还同前面m=(N–1)个信息段有关。并将N称为编码约束长度。11.2常用的简单编码卷积码3.5158（2，1，3）的卷积码编码器的结构（2，1，3）卷积码编码器包含三级移位寄存器，其中第3级为当前输入，第1、2级表示当前状态，表示状态的二进制数，先输入的比特在前，后输入的比特在后。11.2常用的简单编码卷积码编码器结构3.5159卷积码的状态可用网格图表示：11.2常用的简单编码卷积码的状态表示3.5160作为概率译码的一种，维特比(Viterbi)译码算法被广泛采用。基于最大似然序列估计的维特比译码过程是基于网格图的。11.2常用的简单编码维特比译码算法3.5161假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。11.2常用的简单编码维特比译码过程3.5162假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。11.2常用的简单编码维特比译码过程3.516311.2常用的简单编码维特比译码过程3.5假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。16411.2常用的简单编码维特比译码过程3.5假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。16511.2常用的简单编码维特比译码过程3.5假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。16611.2常用的简单编码维特比译码过程3.5假设编码器的输入序列为：100100011…，则编码器的输出序列为：111011111011001101…接收序列为误码序列为Y=110011110011001101…。167Turbo码Turbo码又称并行级连卷积码（PCCC）。它是前人工作的巧妙综合与发展，其基本思想就在于利用短码的并联来构造长码，译码时再转化为短码来译码，并利用了循环迭代的思想。Turbo码译码性能可以接近香农公式极限。利用两个码率为1/2的卷积码并联的Turbo码在AWGN信道上的误比特率（BER）可以达到10-5，达到了近Shannon限的性能。由于Turbo码的上述优异性能并不是从理论研究的角度给出的，而仅是计算机仿真的结果。因此，Turbo码的理论基础还不完善。3.5168它由2个成员码编码器、1个交织器和1个删余复接器组成。Turbo码Turbo码编码器Turbo码编码器3.5169译码器1完成对一个数据帧的译码并经过交织后，由译码器2进行译码，经过解交织，由译码器1完成再译码，如此反复迭代，直至正确译码或不能再纠正错误为止。Turbo码Turbo码译码器Turbo码译码器3.5170使用Turbo码存在一定的误差底限。对于固定交织长度的Turbo码，其误差底限可根据不同的交织规则在10-4到10-9之间变化。存在这种误差底限的主要原因是由于Turbo码的设计并不是绝对的长随机码。对于中等交织长度的情况，交织后的序列与交织前的序列相关性越小，则Turbo码越接近随机码，对应的误差底限就越低。Turbo码Turbo码误差底限3.5171无线链路预算3.6链路预算举例3.6假设某型通信系统：采用时分体制，预留保护时隙，同时考虑时间同步开销，实际信道传输速率为18.4Mbps。无线链路采用Turbo编码，QPSK调制，OFDM传输体制，考虑解调损失及信道编码增益，下行接收机Eb/n0取7dB。收/发信机噪声系数为4.3dB，则接收机噪声谱密度为-169.7dBm/Hz。173获取信噪比3.6无线链路采用turbo编码，QPSK调制，OFDM传输体制，考虑解调损失及信道编码增益，下行接收机Eb/n0取7dB。174接收机灵敏度3.6收/发信机噪声系数为4.3dB，则接收机噪声谱密度为-169.7dBm/Hz。无线接收机噪声功率的计算方法为：-174dBm/Hz+10log10(B)+NF。其中。-174dBm/Hz为常温下的热噪声功率谱密度，B为接收机带宽，NF为噪声系数。噪声系数用于衡量射频电路中信噪比的恶化程度，噪声系数用输入端的信噪比SNR和输出端SNR的比值表示（通常为dB形式）。175接收机灵敏度3.6两边取对数，则有：接收机灵敏度取-90dBm。

Eb/n0中Eb的单位是焦耳/比特，定义是接收端的平均比特能量；n0的单位是瓦特/赫兹，在接收端定义的平均功率谱密度。176天线增益/发射功率3.6节点采用全向天线，天线增益大于等于0dBm。发射功率为20W，即43dBm。177路径损耗3.6自由空间是相对介电常数和相对导磁系数为1，电导率等于0的均匀介质空间。在自由空间传播的电磁波，不产生反射、折射、吸收、散射及热损耗。假设系统工作在L波段，1525MHz。则由上式可计算出20Km的作用距离下，自由空间损耗为122dB。178电平储备计算3.6参数名参数值传输距离（Km）20中心频率（MHz）L波段（1525）发射功率（dBm）43发射天线增益（dB）0发端损耗（dB）-1自由空间损耗（dB）-122接收天线增益（dB）0收端总损耗（dB）-1接收信号电平（dBm）-81接收机灵敏度（dBm）-90传输误码率10-5电平储备（dB）9179本章小结3.7本章小结通信系统的模型数字通信系统的优缺点通信方式与复用方式自信息量、平均信息量及香农公式数字调制的基本方式信道编码无线链路预算3.7181谢谢！第四章

无人机集群信道接入技术国家级虚拟仿真实验教学一流本科课程《无人机集群技术》目录4.1无人机集群网络MAC协议概述4.2竞争类MAC协议4.3分配类MAC协议4.4混合类MAC协议4.5本章小结4.1无人机集群网络MAC协议概述4.1无人机集群网络MAC的协议无人机集群网络的MAC协议是指通过一组规则和过程将有限的共享资源分配给多个无人机，使得在众多无人机之间公平、有序、有效地共享有限的带宽资源。无人机集群MAC协议MAC协议在简化协议栈中的位置1864.1MAC协议的功能只考虑数据链路层

设计MAC（MediumAccessControl）协议的目的：——解决相邻节点间(点到点)的信道接入问题。链路：从一个无人机节点到相邻无人机节点之间的一条无线物理线路。（物理链路）数据链路：在无线链路上传输数据时，还有必须的通信协议来控制数据的传输，把实现这些协议的软硬件加到链路上，就构成数据链路。

（逻辑链路）187

封装成帧

(framing)封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首、尾部，构成了一个帧。MAC协议有许多种，但是MAC帧的结构是基本一致的，MAC帧实现的三个基本功能也是共同的。同步通信与异步通信的帧同步方式封装成帧4.1188

帧同步方法一：字符计数法

在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数。

优点：实现简单，帧同步开销小，线路利用率高。

缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。555343224521355帧同步有两类：一种是面向字符的，另一种是面向比特的。封装成帧4.1189帧同步方法二：带字符填充的首尾字符定界法帧内容：n个字节字符串（ASCII码/非ASCII码）首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。帧结束帧首部IP数据报/分组帧的数据部分帧尾部

MTU数据链路层的帧长帧开始封装成帧4.1190帧同步方法三：带位填充的首尾标记定界法封装成帧1.帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记（flag）。2.“0”比特插入删除技术，在传送的数据信息中每遇到5个连续的1在其后加0。例如：01101111110111111001在实际传送时表示为：

01111110

011011111010111110001011111104.1191MAC协议的帧格式帧：在MAC层，帧是一个基本的数据处理单元。

MAC帧物理层MAC层1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报MAC帧4.1192MAC协议的帧格式

MAC帧物理层MAC层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报目的地址和源地址字段各有6字节帧：在MAC层，帧是一个基本的数据处理单元。4.1193MAC协议的帧格式

MAC帧物理层MAC层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报类型字段2字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。帧：在MAC层，帧是一个基本的数据处理单元。4.1194MAC协议的帧格式MAC帧物理层MAC层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报数据字段46~1500字节数据字段的正式名称是MAC客户数据字段。最小长度64字节-18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度若小于（46字节），则需采用字节填充。帧：在MAC层，帧是一个基本的数据处理单元。4.1195MAC协议的帧格式MAC帧物理层MAC层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报FCS字段4字节当传输媒体的误码率为1x10-8

时，MAC子层可使差错小于1x10-14。帧：在MAC层，帧是一个基本的数据处理单元。4.1196MAC协议的帧格式MAC帧物理层MAC层帧开始定界符1010101010101010101010101010101011前同步码7字节1字节…8字节插入IP层目的地址源地址类型数