无人机集群组网与控制 课件 第5章 无人机组网技术

第5章无人机组网技术5.1两类无线组网方式5.2基于蜂窝网络的无人机组网5.3无人机自组织网络

5.1两类无线组网方式

组网通常指的是将多个设备、系统或实体连接在一起，通过共享介质在节点之间进行信息交换，以实现数据传输、资源共享和协同工作。组网技术在现代科技领域中得到了广泛的应用，从计算机网络到物联网和传感器网络，再到移动通信网络，组网实现了可靠、高效、安全的连接建立，以满足不同网络的特定需求，图5-1展示了不同场景下的组网形式。图5-1不同形式的组网

针对不同的无线组网方式无人机组网分为两类：

一是基于蜂窝网络的无人机组网，为集中式无线组网，它依赖于传统的地面蜂窝网络提供网络服务；

二是无人机自组网，为分布式组网，无人机之间可直接进行通信。

1.基于蜂窝网络的无人机组网

蜂窝组网技术将服务区域划分为多个小覆盖区域，称为蜂窝小区，每个蜂窝都由一个基站负责覆盖和管理，用户通过实名注册等机制获得基站的无线通信服务，实现数据传输、信息交互等功能。

1)技术特点

(1)蜂窝覆盖。蜂窝网络将服务区域划分为多个小区域，每个小区域由一个基站覆盖。这种蜂窝状的覆盖方式可以提供更大的覆盖范围和更高的信号质量，同时避免了不同小区间的信号干扰。

(2)频率复用技术。频率复用指的是将可用的频谱资源划分为多个频段，不同蜂窝内用户可使用相同的频段进行通信，避免信号干扰。

(3)动态资源分配。蜂窝网络可以根据网络负载和用户需求动态分配资源。例如，根据终端用户的位置和移动速度，系统可以自适应调整发射功率和频率分配，保证小区内用户获得稳定的通信质量。

(4)移动性支持。蜂窝网络支持移动性，即用户终端可以在不同的小区之间无缝切换。当用户终端从一个小区移动到另一个小区时，蜂窝网络会自动切换其服务基站，以保持通信的连续性和稳定性。

(5)多址接入技术。蜂窝网络支持多种多址接入技术，不同的接入技术可以提供不同的传输速率和服务质量，以满足不同应用对数据传输的不同需求。

(6)高可靠性和安全性。蜂窝网络具有高可靠性和安全性的特点。系统采用冗余设计和容错机制，确保网络的可靠运行。同时，系统还采用加密和认证等安全措施，保护通信的隐私和数据的安全性。

2)技术细节

基于蜂窝网络的无人机组网将无人机接入传统地面蜂窝网络，并与基站和控制中心提供通信服务。无人机利用授权的蜂窝频段将消息回传给地面基站，地面基站通过下行链路将控制和指示信息传递给无人机。其具体通信协议和标准与现行地面通信网络一致，现用于应急救灾的系留式无人机即通过蜂窝网络提供紧急通信服务。

具体技术细节如下：

(1)无人机在特定蜂窝小区内发送通信请求，包括无人机与基站的通信请求和无人机之间的通信请求。

(2)基站接收到通信请求后对通信信号进行解码和处理，并按照无人机通信目的地IP发送广播信号搜索其位置。

(3)基站搜索到目的地位置后，向无人机发送控制信号，为无人机分配通信所使用的频段和其他参数。

(4)无人机根据基站发送的控制信号进行频率选择和信号调整，确保与基站之间的通信。

(5)基站将无人机发送的通信信号转发到核心网络，实现数据传输等网络通信功能。

(6)核心网络根据需要将通信信号转发到目标终端设备或其他网络。

2.无人机自组网

移动自组网(MobileAdHocNetwork，MANET)是一种无须预先建立固定基础设施的网络架构，其中网络中的每个移动节点既是终端设备，又是转发设备，节点之间可以实现直接通信，或作为路由器辅助较远的节点实现多跳的间接通信。移动自组网架构无须集中服务器，且网络拓扑动态可变，节点加入或离开变得更加简单，这使得移动自组网的搭建速度更快，成本更低。

表5-1所示的定位方法有全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)、辅助全球定位系统(AssistedGlobalPositioningSystem，AGPS)以及差分全球定位系统(DifferenceGlobalPositioningSystem，DGPS)。

1)移动自组网

移动自组网是一种可不依赖于任何预先建立的基础设施，仅由移动设备自身组成的分布式点对点无线网络。移动自组网可以作为一个独立的网络运行，也可以与其他网络连接。每个移动设备包含一个或多个不同类型的收发器，用于节点之间的通信，使得整个网络具有高度的灵活性和扩展性。每个设备不仅是一个终端，也是一个路由器，它需转发与自身无关的数据包，以实现网络中其他设备之间的通信。因此，路由技术是移动自组网研究和设计的核心问题。但是，由于移动自组网中的设备可以在任何方向自由移动，网络拓扑频繁变化，给路由技术带来了巨大的挑战。

这方面的挑战主要包含以下四点：

变化，给路由技术带来了巨大的挑战。这方面的挑战主要包含以下四点：

(1)如何有效地发现和维护网络中每个节点到其他节点的最优路径；

(2)如何减少路由协议产生的控制开销，提高网络吞吐量；

(3)如何平衡每个节点的负载和能耗，延长网络生命周期；

(4)如何保证网络中数据包的安全性，防止恶意攻击。

通常，移动自组网采用适应性路由机制，根据不同的移动设备和应用场景，自我组织、自我配置、自我管理、自我修复、自我优化，实现节点之间以及与外部网络之间的通信。

2)车载自组网

车载自组网是将移动自组网应用到交通领域的具体案例。车载自组网已被定义为未来交通系统的智能组件，其不仅可以实现车辆间的相互通信，还可以与路边设备或者蜂窝网络进行通信，实现路网协同。车载自组网通过车辆间通信和车辆与路边设施通信的共存架构，提供道路安全、导航和其他交通服务。因此，车载自组网也往往被称为智能交通网络，并逐步向自动驾驶车辆自组网演变。

由于车辆不是随机移动，而是有方向可预测地移动，于是路边设备就可以利用其移动性，通过信息交互辅助车联网通信。车载自组网可以应用在以下场景中，如图5-2所示。图5-2十字路口场景下车载自组网示例

(1)电子制动灯。在前方制动灯被其他车辆遮挡的情况下，车载自组网可广播控制信号，完成对车辆的自主制动。

(2)编队行驶。车载自组网允许车辆通过车载自组网共享自身的加速度、转向以及速度等信息，从而形成电子耦合的“公路列车”。

(3)交通信息系统。车载自组网系统向车辆的卫星导航系统提供最新的路况报告，形成路网状态大数据。

(4)道路运输紧急服务。使用车载自组网通信、道路安全警告和状态信息传播来减少延误以提高紧急救援行动的效率。

3)航空自组网

航空自组网是由商用飞机和有人驾驶的航空器构成的大规模多跳无线网络，能够使用多跳空对空无线通信链接交换信息，同时集成卫星网络和地面网络，如图5-3所示。图5-3航空自组网示意图

航空自组网减少对卫星链路的使用，可以直接降低航空通信的成本，并将空对地通信覆盖范围扩展到海洋等偏远空域。当商用飞机在彼此通信范围内飞行时，数据能够自动在飞机间以及飞机与地面站间传递。航空自组网主要在高空中运行，面临大范围、跨大洋的航线通信挑战，同时，航空自组网中的商用客机飞行速度快，网络拓扑动态变化大，对网络的稳定性和通灵活性、低成本、可扩展性等优点，无人机自组网相比单无人机系统有更高的任务执行效信的实时性提出了更高的要求。

其面临的挑战主要有：

(1)飞机移动性建模。需模拟商用客机的飞行特性，适应网络的快速变化。

(2)航空信道建模。考虑到商用客机的飞行高度，需开发匹配的信道模型。

(3)干扰管理。需设计干扰管理策略抑制商用客机间的相互干扰。

(4)网络调度和路由：需设计航空自组网灵活的网络调度和路由发现机制。

航空自组网通过飞机间的直接通信和多跳传输，能够实现高效、低成本和低延迟的空中宽带服务，为商用航空通信提供一种全新的解决方案。

4)无人机自组网

无人机自组网将自组织网络的概念扩展到了空中领域，使得空中联网成为可能。传的单无人机辅助通信系统只能覆盖有限的面积，而多无人机自组网可以很容易地进行扩展操作从而提供更广的通信覆盖。同时，单无人机任务故障会直接导致任务失败，在无人机自组网中，如果一架无人机在任务中失败，剩余的无人机可以继续执行任务。另外，由于其灵活性、低成本、可扩展性等优点，无人机自组网相比单无人机系统有更高的任务执行效率。无人机自组网充分利用了Mesh自组网网络的可拓展性，实现了大规模多无人机的通信协同，被认为是当前无人机间通信问题的出色解决方案之一。

无人机自组网的应用领域非常广泛，包括实时监控、远程检测、搜寻救援等众多领域，如图5-4所示。通过多无人机协同可显著提高工作效率，胜任单无人机无法完成的任务。然而，无人机自组网仍然面临着许多挑战。图5-4无人机自组网的各种应用

无人机自组网具有巨大的潜力，可以在技术和社会层面带来深远的影响。对于无人机自组网所存在的问题，现行的主流解决方案包括使用先进的优化算法改进节点部署，开发自适应路由协议，利用人工智能和机器学习改进网络资源管理。

5.2基于蜂窝网络的无人机组网

蜂窝网络可以提供广域、安全、可靠、低延迟、高数据速率的移动连接，拓展无人机用户的动态接入能力。随着全球通信网络技术的不断发展，蜂窝网络已经成为连接移动用户的骨干网络，如表5-2所示。这些发展为蜂窝网络下的无人机组网奠定了坚实的基础。

蜂窝网络作为无人机通信系统的主干，地面控制中心可以通过蜂窝网络远程控制和指挥无人机。无人机组网可以通过接入蜂窝网络实现广覆盖、高可靠、低延迟等出色的通信性能，提高无人机组网的通信效率。此外，蜂窝网络也能够支持大规模无人机集群的部署和管理，确保单机故障下的通信无缝切换，顺利完成任务。凭借现有的蜂窝网络通信技术，在城市等基础设施建设完善的地区，无人机可以借助已有的地面基础设施进行组网。

1.物理层组网技术

物理层技术是构建基于蜂窝网络的无人机组网的基石，承担着处理空中无线信道数据传输的职能。这一层的技术不仅影响着数据传输的效率，而且与网络结构的可扩展性密切相关。

基于蜂窝网络的无人机组网与地面蜂窝网络相比，主要差异体现在信号传播、设备移动性和天线设计上。对于信号传播而言，地面蜂窝网络信号常受地形、建筑物或其他障碍物的影响，导致多径传播、信号衰减和阴影效应，这就需要复杂的信号处理技术优化通信质量；而无人机组网通常在开阔的空中，与基站之间存在视距信道，这会减少信号的衰减。

1)信道共用技术

蜂窝网络的频谱资源紧缺，无法为小区覆盖内的每个无人机终端预留专用信道，多信道共用方式与独立信道分配方式相比，显著提升了信道的利用效率。具体来说，假设一个蜂窝网络小区内有N个可用信道。在独立信道分配策略下，每个无人机用户被分配一个固定信道。当某个信道被某一无人机用户占用时，其他分配到该信道的无人机将无法接入，直到该通信过程结束。

当采用多信道共用方式时，一个无线小区内的N

个信道可供所有无人机用户共同使用。当k(k<N)个信道被占用时，其余用户可以从N-k

个剩余空闲信道中进行通信，如图5-5所示。信道共用策略允许多个无人机用户共享信道资源，每个无人机用户选择空闲信道和占用信道的时间是随机的，所有信道同时被占用的可能性远小于单个信道被占用的可能性，从而优化了资源分配，显著提升了信道的利用效率。图5-5共享信道

2)工作模式

在通信系统中，根据无人机收发信号的工作模式，可以将通信模式分为单工、半双工和双工。单工通信模式只允许单向传输；半双工通信模式中，双方的收信和发信操作只能交替进行，对讲机是半双工通信的一个典型例子；双工通信模式允许基站和无人机同时进行收信和发信操作。蜂窝网络能够凭借灵活的频谱分配方式支持可靠的双工通信，主要包括频分双工(FrequencyDivisionDuplexing，FDD)和时分双工(TimeDivisionDuplexing，TDD)两种工作模式，允许在成对和非成对频段进行操作，如图5-6所示。图5-6FDD和TDD两种工作模式

时分双工模式可以通过灵活的频率配置提高频谱利用率，而且在接发数据时，时分双工不需要使用收发隔离器，只需一个开关，从而大幅降低了设备的复杂性。然而，为了解决对其他无线系统的干扰和同频收发信道的自干扰问题，时分双工需要预留较大的保护带。同时，随着移动速度的增加，信号变化频繁，会造成更大的衰落，因此，时分双工系统适用于低移动速度的场景。此外，由于时分双工需要将时间资源分配给上行和下行信号，导致其发射时间约为频分双工的一半，要传输相同的数据量，时分双工系统需要更大的发射功率。并且由于时分双工系统的上行链路受限，其基站覆盖范围通常小于频分双工基站。

频分双工模式的优势在于其利用两个对称频率信道进行接收和传送，例如，上下行频率间隔为45MHz或190MHz，这种分信道传输的方式使得频分双工的速度更快。

综上所述，频分双工和时分双工各自拥有独特的优势和局限性，其适用性取决于特定的应用需求和环境条件。

3)天线配置

(1)天线角度。

蜂窝网络最初是为地面通信而设计的，其站点的规划和选择旨在提升地面用户的覆盖率，其中关键的优化策略之一是精确配置基站天线的倾斜角度。基站天线倾斜角，即天线相对于水平面的角度，可以通过调整天线接发方向来优化地面覆盖率和减少蜂窝间干扰。通常，基站天线会被设定为向下倾斜几度，目的是将发射功率集中投射到地面，有效减少邻近蜂窝的信号干扰，增强地面用户的通信质量。天线倾斜分为机械倾斜和电子倾斜两种方式：机械倾斜通过物理方式调整天线的位置；电子倾斜通过改变天线阵列中各阵元的相位差实现对天线的倾斜。

(2)天线数量。

无线通信系统的性能极大地依赖于其能够有效利用的资源，包括时间、空间和频率源。在3G和4G系统中，在发送端和接收端同时使用多根天线，极大地增加了系统的通信容量，显著提高了空频资源利用率。在4GLTE及5Gadvanced系统中，多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)的多天线系统已成为业界主流技术。

LTE体系结构中，多天线的应用主要分为三大类：发射分集、空间复用以及波束赋形，通过层映射和预编码技术实现，下面具体介绍。

①发射分集。发射分集通过多路信道传输相同信息，从而提高信号被准确接收的概率。根据LTE标准的Release9规范，下行发射分集仅支持单一码字，且层数与天线端口数保持一致，支持的层数为2或4。

②空间复用。空间复用通过多路信道同时传输不同信息，实现峰值速率倍增，适用于信号散射较多的密集城区。根据LTE标准的Release9规范，空间复用技术支持的层数不大于发送天线端口数，下行空间复用可支持1到2个码字，层数为1到4层。

③波束赋形。波束赋形将天线多路阵列信号赋形成单路信号传输，依据精确的信道估计对特定无人机用户形成波束，旨在减少无人机间干扰以增强覆盖能力，并提高系统的整体吞吐量。

上述三种技术的天线简图如图5-7所示。图5-7多天线的使用

根据发射分集、空间复用和波束赋形三种多天线技术的不同应用场景，无人机可采用的传输模式如表5-3所示。同一小区内不同无人机可以采用不同的传输模式，基站根据具体的信道条件，通过广播的方式告知特定无人机用户其传输模式。当信道质量迅速恶化时，无人机终端能够迅速切换至发射分集模式，保证通信的稳定性。

综上所述，多天线技术及其传输模式的应用提高了无线通信系统的性能，但也增加了系统设计的复杂性。每种技术和传输模式都有其特定的应用场景和优缺点，根据应用场景选择合适的技术和传输模式对于优化系统性能至关重要。

4)干扰抑制

在无人机利用蜂窝网络通信时，空中的高概率视距传播条件会增强接收信号的功率，但同信道干扰信号也得到了增强。当无人机的高度远高于基站天线时，无人机的上行链路信号会对多个相邻的基站造成同信道干扰。同时，来自多个相邻基站的下行链路信号对无人机也会造成较强的下行链路干扰，亟需引入同信道控制和管理技术，以降低上下行链路干扰对系统通信性能的影响。随着高度增加，信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，SINR)增强，邻居小区对无人机的干扰增加。为解决蜂窝间干扰问题，常采用以下几种方法：

(1)接收端干扰抑制技术。接收机通过多天线配置，采用波束赋形技术从空间上选择性地接收信号，实现信号的定向接收，抑制来自不同基站的干扰信号。

(2)无线电资源分区。无线电资源分区为空中和地面业务分配正交的无线电资源以消除干扰信号。传统静态无线电资源分区技术资源利用率低；结合飞行路线、位置等先验信息的动态无线电资源分区技术，有助于部署蜂窝网络下的无人机组网，从而实现动态高效的无线电资源管理。

(3)上下行链路功率控制。通过优化上下行链路功率控制参数，可以减少无人机在上下行链路传输中的冗余干扰，进而提升频谱利用率以及无人机与地面基站间的通信质量。

2.数据链路层组网技术

无人机组网的数据链路层(也叫作MAC层)的主要职责是管理无线信道上的数据传输过程，即无人机接入蜂窝网络的时间和频率管理，避免传输过程中产生的冲突。

基于蜂窝网络的无人机组网与地面蜂窝网络的数据链路层相比，主要有下述不同。

①对于MAC协议而言，地面蜂窝网络的MAC协议主要在高用户密度、设备多样性和复杂多径传播的场景下实现频谱效率的优化，减少通信干扰，并确保拥挤的网络环境下资源分配的公平性。无人机组网的MAC协议则更多考虑无人机在空间的高移动性和网络拓扑的动态性，并在此基础上实现灵活的资源分配。

②地面蜂窝网络通常都会考虑网络拥塞问题，因为基站通常需要处理大量的用户数据流，良好的网络流量管理能够保证较高的服务质量。无人机组网常不需要考虑这一点，因为无人机的密度远小于地面移动设备，对基站的网络请求也不会出现高并发的情况。

③对于无线通信中的频谱管理，地面蜂窝网络旨在优化频谱利用率，减少不同服务和用户直接的干扰，这涉及复杂的频谱分配和多址接入技术。而无人机组网的频谱管理虽然与地面蜂窝网络有较大的相似之处，但是往往需要考虑无人机的高移动性，以及定向天线发射功率对频谱利用率的影响。

下面将重点分析无人机组网的多址接入技术。无人机多址接入是通过分配不同的信道实现多个无人机用户的同时通信，这使得无人机用户共享有限的无线资源，允许不同无人机用户利用异构的时空频资源同时通信。减少通信过程中的竞争与冲突基于对不同资源的正交技术，主要有频分多址、时分多址、码分多址、空分多址接入以及正交频分多址接入和非正交多址接入方式等。

1)频分多址接入(FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA)

如图5-8所示，频分多址接入将信道的带宽划分为若干个独立的、非重叠的频率子信道，并将每个子信道分配给单独的无人机用户。无人机将数据调制到子信道频率的载波并发送数据。图5-8频分多址接入方式示意图

在频分多址接入系统中，通常采用频分双工模式实现双工通信，移动终端的发射频率f和基站的发射频率F

不同。通常情况下，下行信道使用较高的频段，而上行信道使用较低的频段(F>f)。为了避免来自同一基站的接发信号相互干扰，它们的频率差|F-f|必须大于某个阈值。例如，高级移动电话系统在800MHz频段运行，而全接入通信系统则在900MHz频段工作，它们的收发频率间隔设定为45MHz。

频分多址接入的每个频道只传输一路信号。当移动终端被分配到一个频道后，它便与基站开始进行持续的双向通信。频分多址接入的信道带宽相对较窄，通常设置为25kHz或30kHz，这表明频分多址接入主要应用于窄带系统。码元持续时间相对于发包延迟较长，减少了码间干扰，因此频分多址接入系统不需要均衡器。但为了减轻相邻信道干扰和基站的杂波辐射干扰，还必须配备精确的射频带通滤波器和双工器。

2)时分多址接入(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)

时分多址接入是一种关键的数字调制技术，广泛应用于蜂窝网络的通信中。如图5-9所示，时分多址接入技术通过将单一蜂窝信道划分为若干个时隙，实现了多个无人机用户对相同频率的共享。例如，双时隙时分多址接入允许两个用户同时使用相同的频率，而三时隙时分多址接入允许三个用户同时使用相同的频率。通过为每个用户分配等间隔的离散带宽，时分多址接入有效增加了数据容量，进而支持了更多用户同时通信。图5-9时分多址接入方式示意图

3)码分多址接入(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)

码分多址接入技术通过正交码技术，更有效地利用了带宽，增加了系统容量并提升了通信质量。码分多址接入技术的工作原理是通过频带扩展技术，将用户信号分布在较宽的频率范围内，为每位无人机用户分配一个唯一的码字，与同一频段中的其他用户进行区分，而后将该码字与需传送的数据信号拼接并正交编码，允许多无人机用户同时通信而不互相干扰，如图5-10所示。接收机通过使用相同的编码提取出目标信号，实现了高效频率利用率，从而使得码分多址接入技术被3G主流标准所采用。图5-10码分多址接入方式示意图

3.利用正交技术的数据链路层接入技术

以下将会更侧重于分析利用时空异构资源的无人机组网的多址接入技术。无人机利用空分特性的多址接入是通过引入空间资源，分配不同的信道实现多个无人机用户的同时通信，这使得无人机用户充分利用有限的无线资源，允许不同无人机用户利用异构的时空频资源同时通信，减少通信过程中的竞争与冲突，基于对不同资源的正交技术，常见方法主要有空分多址接入、正交频分多址接入和非正交多址接入方式等。

1)空分多址接入(SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA)

空分多址接入是一种结合了空间复用和分集技术的先进多址接入技术，通过建立正交的空间通信信道，提高了信道接入容量，并优化了通信性能。如图5-11所示，空分多址接入通过自适应阵列天线划分空间区域，并识别不同的无人机用户。自适应天线阵列能够根据无人机的位置，生成采用不同的频率和多址模式的定向波束。自适应阵列天线可产生窄带定向波束，为同一区域内的大量无人机用户提供无相互干扰的独立信道，并实现快速追踪，提高通信质量。图5-11空分多址方式接入示意图

然而，在空分多址接入的实施中，上行链路存在严重的干扰问题。

一方面，虽然基站能合理分配下行链路上的发射功率，但由于无人机与基站动态快变的信道，无人机难以选择合适的上行发射功率；

另一方面，受限的机载能量限制了无人机长期持续的接发信号能力。现有技术主要通过空间过滤技术，辅助无人机空间位置信息，以更低的接发功率处理上下行通信信号。

2)正交频分多址接入(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)

正交频分多址接入技术是从正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术演进过来的一种多址接入方法。正交频分复用技术集成了离散傅里叶变换预编码器和多天线技术，已成功应用在4GLTE下行链路标准。在正交频分复用传输方案中，数据首先使用正交幅度调制符号对数字信号进行预编码和调制，随后将其调制到等间隔的高频载波上，并用快速傅里叶逆变换将信号转换为时域中的正交重叠正弦包络。通过快速傅里叶逆变换，以等间隔的N个样本构成一个OFDM符号。为了避免符号间干扰，每个OFDM符号都会附加一个长度大于信道脉冲响应的循环前缀，并进行循环卷积操作。

接收器通过对每个符号应用简单的复标量乘法消除循环前缀和同信道干扰。此外，正交频分复用系统会在发射信号前加入导频符号，辅助信道估计和信号均衡。正交频分复用技术能有效克服宽带信道中的频率选择性衰落和多径失真，在子载波上进行单独而精准的信道估计和均衡，同时高度适配于多用户多天线系统。

正交频分多址接入技术是正交频分复用技术在多址接入方面的演进与发展，专注于实现高效的多址接入。如图5-12所示，正交频分多址接入技术系统通过将传输带宽分为一系列正交、不重叠的子载波集合，并将每个集合分配给不同用户，从而实现了精细化的多址接入。在确保各用户的子载波集合在理想同步条件下不会重叠的同时，正交频分多址接入技术通过时频资源动态划分机制，实现了多用户实时的带宽分配和接入，有效避免了多址干扰，极大地提高了通信性能。图5-12正交频分多址方式接入示意图

3)非正交多址接入方式(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)

非正交多址接入技术的核心思想是在发送端采用非正交的信号传输方式，主动引入干扰，而在接收端通过串行干扰消除技术来解调信号，尽管串行干扰消除技术增加了接收机的复杂度，但其显著提高了频谱效率。在非正交多址接入系统中，子信道的传输采用正交频分复用技术，确保子信道间正交且无干扰。然而，与传统技术不同的是，非正交多址接入技术通过发送端的功率复用技术允许一个子信道被多个用户共享，而不是仅分配给单一用户。接收端根据不同用户特有的发射功率，利用功率差异处理方式实现有效的信号分离，并利用串行干扰消除技术按功率等级顺序逐步消除干扰，正确解调信号，实现多用户身份区分。

如图5-13所示，非正交多址接入技术融合了3G和4G的技术和理念。具体来说，4G技术中的正交频分复用为非正交多址接入技术的子信道传输提供了技术基础，而SIC技术则源自3G干扰消除技术。相较于3G的码分多址接入技术和4G的正交多址接入技术，非正交多址接入技术在远近效应、多址干扰、用户反馈缺失，以及共享信道等问题上提供了出色的解决方案，其应用不仅提高了传输速率，还提升了频谱效率，在未来移动通信技术中展示了巨大的潜在价值。图5-13非正交多址接入方式示意图

4.移动性管理

为确保无人机位置变化时蜂窝网络通信服务的连续性，蜂窝网络需要为无人机提供高效的移动性管理功能。在无人机进行区域跨越时，蜂窝网络应提供无缝的越区切换服务，包括新的服务基站选定、新频率或信道的分配，以及相关的地面线路配置调整，以确保连续性通信，同时网络中的位置寄存器要随之对无人机的位置信息进行修改。

蜂窝网络对无人机提供的移动性支持是其核心功能之一，这一功能直接关系着无人机安全控制与运行。

1)位置管理

无人机的高速移动特性亟需位置管理方案。现有的数字移动通信系统的位置管理主要依靠两级数据库系统实现：归属位置寄存器(HomeLocationRegister，HLR)和访问位置寄存器(VisitorLocationRegister，VLR)。归属位置寄存器负责存储网络中所有注册无人机的信息，如预定业务、账单信息和位置数据等；访问位置寄存器则对特定区域内的移动无人机进行管理。通常情况下，基于蜂窝网络的无人机组网包括一个归属位置寄存器和若干访问位置寄存器，其中位置管理的核心任务包括位置注册和呼叫传递。

图5-14展示了无人机从小区C1移至C2再移至C3的过程。假设C1和C2属于LA1，而C3属于LA2。无人机从C1到C2的移动不会触发位置注册，因为它们属于同一位置区。但从C2到C3的移动会触发位置注册，因为LAI发生了变化。基于LA的位置注册确保无论无人机如何移动，归属位置寄存器和访问位置寄存器均可追踪其位置变化，提供持续的通信支持。

呼叫传递则是在有呼叫发往移动节点时，根据归属位置寄存器和访问位置寄存器中的位置信息定位该移动终端。如图5-15所示，这一过程分为两个步骤：确定被呼叫移动终端所属的访问位置寄存器和确定该移动终端所在的小区。图5-14位置注册图5-15呼叫传递

2)小区切换管理

切换管理确保无人机在跨越小区或移动交换中心时，维持原有业务的连续性。与位置注册不同，切换管理主要关注正处于通信状态的无人机终端。当无人机终端在通信过程中从一个小区迁移到另一个小区时，系统需将该终端的连接从原小区转移至新小区，这一过程称为越区切换。越区切换不仅涉及新小区的识别，还包括为移动终端分配新小区的信道。

越区切换通常由两个主要原因触发：

一是由于无人机终端的当前小区的信号强度或质量降低到了一定水平，此时系统将无人机切换到信号较强的相邻小区；

二是原小区信道饱和或接近饱和，此时系统会将无人机切换到有更多空闲信道的相邻小区以平衡负载。切换的执行方式因其与原始及目标基站的连接方式不同而可分为硬切换和软切换两类

硬切换是指在建立新通信链路之前先断开原有链路的切换方式，无人机终端在整个过程中仅使用一个无线信道。虽然硬切换的通信中断时间通常很短，无人机感知切换不明显，但其失败率较高，尤其是在新基站无空闲信道或切换信令传输出错的情况下。此外，硬切换可能导致无人机在小区边缘频繁触发切换请求，增加系统负载并导致通信中断。在频分多址接入系统和时分多址接入系统中，通常只能进行硬切换，测试统计显示，90%的通信中断和失败发生在硬切换过程中

系统通常通过设定一个特定的信号强度阈值作为触发切换的标准。值得注意的是，一阈值需高于维持通信质量所需的最低信号强度，两者之间的差异需要合理设定，以确保越区切换的决策合理有效。在决定执行切换前，基站应对信号强度进行持续监测，以区分信号强度的短暂下降是否只是暂时性衰减，从而避免不必要的切换。越区切换的判定准则可以依据相对信号强度、具有门限规定的相对信号强度、具有滞后余量的相对信号强度以及综合考虑来进行设定，具体如下所述。

(1)相对信号强度准则：当原服务基站的信号质量低于新基站的信号质量时，无人机终端进行越区切换。图5-16中A点即是越区切换的临界点。这一准则可能导致在新基站信号质量较高，但原服务基站信号仍足够提供服务的情况下发生不必要的切换，以及在多个小区边缘移动时频繁切换。

(2)具有门限规定的相对信号强度准则：当新基站的信号质量优于原服务基站，且原服务基站的信号质量低于某一设定门限时，进行越区切换。图5-16中B点即是越区切换的临界点。在这一准则中，设定门限十分关键。如果门限设定过高，可能产生和相对信号强度准则一样的频繁切换；如果门限设定过低，容易导致服务基站的信号强度与质量已无法满足提供正常服务时，无人机用户仍不发生越区切换而导致通信中断。

(3)具有滞后余量的相对信号强度准则：当新基站的信号质量优于原服务基站，并且新基站的信号质量超过原基站一定数值时，无人机终端发生越区切换。图5-16中C点即是越区切换的临界点。

(4)具有门限规定和滞后余量的相对信号强度准则：当新基站的信号质量优于原服务基站，并且超过特定余量同时原基站信号质量低于某一设定门限时，才进行越区切换。图5-16中D点即是越区切换的临界点。这一准则在2G和3G网络中得到了广泛应用。图5-16越区切换判定准则

在网络规划过程中，要为越区切换预留部分信道，专门用于处理从其他小区切入的无人机用户请求。这涉及如何在无人机请求切换至新小区时分配信道，以最大限度降低切换失败的可能性。

有些系统将切换请求与初始呼叫等同处理，这导致切换失败的概率与呼叫阻塞概率类似。然而，对无人机用户而言，切换失败导致的通信中断远比呼叫阻塞更为严重。因此，多数系统会为切换请求分配更高的优先级，常见的做法包括在小区中专门保留一部分信道供切换请求使用，或实施切换请求排队策略，优先处理那些接近中断阈值的请求。

通过合理设定越区切换的判定准则和信道分配策略，可以有效平衡系统性能和用户体验，确保无人机在蜂窝网络中稳定通信和高效组网。

5.3无人机自组织网络

无人机自组织网络简称无人机自组网，是由一组装备了无线通信收发设备的无人机节点构成的多跳临时性无中心网络。它不依赖于地面通信基础设施，可以在任意时刻、任意地点迅速搭建，并利用特殊的路由机制实现组网内部数据交互。在组网搭建过程中，一到两架无人机与地面信号接收装置相连作为数据交互的中介，其他无人机在空中构成网络拓扑为地面用户提供通信服务。

1.无人机自组网的网络架构

无人机自组织网络是计算机网络和移动通信的交叉技术，一方面，配置有无线信号收发设备的无人机可作为移动通信的便携式终端；

另一方面，组网中的信号交换是基于计算机网络中的分组交换机制而设计的。同时，无人机节点也承担了组网中的路由功能，根据路由协议和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。

无人机自组织网络的网络架构与计算机网络相似，见表5-4，但物理层、链路层和网络层的相关技术细节与计算机网络存在差异。下面我们将根据无人机自组织网络的特点，分析上述分层所对应的无人机组网的具体技术。

(1)无人机自组网物理层。在无人机自组网中，物理层的传输介质是空中无线信道，因此其面临的首要问题是无线频段的选择、使用以及分配。目前一致采用的是2.4GHz的ISM频段。另外，由于物理层设备可使用多频段、多模式的无线传输方式，这就要求物理层选择合适的无线通信机制来优化不同需求下的无线信号收发过程。

(2)无人机自组网数据链路层。数据链路层解决的主要问题包括介质接入控制，数据的传送、同步、纠错以及流量控制等。在无人机自组网中，由于对传输介质的访问是基于共享型的，隐藏终端和暴露终端成为其固有问题。该问题通常通过在数据链路层引入介质访问控制协议来解决，例如载波侦听多点接入/避免碰撞(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoid，CSMA/CA)协议和请求发送/允许发送(RequestToSend/ClearToSend，RTS/CTS)协议。

(3)无人机自组网网络层。网络层的路由协议应当满足以下要求：分布式运行、无环路路由、按需协议操作、安全性、设备“休眠”操作和对单向信道的支持等。其具体的性能指标包括端到端的平均时延、分组的平均递交率、路由协议开销及路由请求时间等。

2.无人机自组网与无线局域网的差异

具有移动性的无人机自组网所承载的基础业务与其他类型的自组网相同，但无人机自组网额外包含了无线宽带数据业务。为了明确和其他容易混淆的自组网的区别，这里对比了无人机自组网和无线局域网的差异。

(1)传输路径不同。从网络层来看，无线局域网不存在路由选择问题。而无人机自组网则是一个多跳的网络，网络中的每个节点至少要充当一个单播的路由器。

(2)数据分组传输技术不同。无线局域网使用信号编码、频率复用、天线设计、无线信道共享访问机制等物理层和MAC层技术对数据进行分组处理；而无人机自组网则使用以路由协议为核心的网络层技术进行数据分组处理。

(3)通信模式不同。对于无线局域网，通信模式通常是移动终端通过一个无线访问点与其他终端通信，移动终端之间不直接进行通信，移动终端对固定网络的访问也是通过接入点进行。而自组网的通信模式是移动终端之间的对等通信。

3.无人机自组网的分群技术

无人机自组网的节点通常具有较强的移动性，网络拓扑变化快，维护动态变化的路由信息和网络结构需要频繁的数据交互，因此采用分级结构来实现网络的管理。在分级结构中，网络被划分为群，每个群由一个群首节点和多个群员节点组成。在一个群中，群首节点负责信道接入和带宽分配，群成员节点负责执行具体的任务。群首节点的身份可以预先指定，也可以根据选举算法或最优效用函数算法计算得出。群首节点可以组成更高一级的网络，并在高层网络中继续执行分群算法。因此无人机组网常由多个层次化的群组成，这有利于网络的路由选择和数据传输。

通常以图的形式定义无人机组网的架构。用无向图表示由N

个节点组成的无人机自组网，即G=(V，E)，其中V={1，2，…，N}表示节点集合，E={1，2，…，M}表示无人机节点的相邻关系，即通信链路集合，相邻节点以半双工的形式建立通信。当两个节点处于彼此的通信范围内时，通过广播探寻分组和发送应答分组建立链路进行沟通，两个节点可以相互通信(称此两节点间为一跳)。若无人机u与无人机v存在通信链路，则称其互为邻居节点，并相距一跳；若无人机u不为无人机v的邻居节点，而为无人机v的邻居节点的相邻节点，则称节点u

为节点v

的两跳邻居节点。

基于分群的网络结构如图5-17所示。网络中的节点身份分为群首节点、普通节点及网关节点，节点的身份可以根据效用函数切换。群首节点保存了整个群的无人机信息；而普通节点只了解其邻居节点的信息。同一分群内一跳节点间的分组数据可直接传送，即不必经过群首，两跳节点间的数据分组经群首转发。跨群分组路由经群首确认为跨群分组后，由群首通过网关用按需路由方式建立路由。图5-17无人机分群路由示意图

例如图5-17中源节点8有到目的节点为7的分组要发送，其路由建立过程可简述如下：

(1)无人机8查询邻居节点表，结果显示节点7不为邻居节点。节点8向群首节点1发到节点7的路由请求，节点1查询分群节点表，结果为节点7不在本分群。

(2)向网关4、5、6发到节点7的路由请求分组，结果为节点4、5、6发现节点7不在其邻居节点内，于是向其他群首2、3转发路由请求分组。

(3)群首2找到节点7，并响应到节点7的路由请求分组；而由节点5、6重复转发路由请求分组发送到群首3，群首3发现本分群内无节点7，且无其他网关连接其他分群，于是丢弃节点7的路由请求分组。

(4)群首2对路由请求分组的应答经过节点2、4、1到达节点8，节点8获得路由列表(1，4，2，7)，检查该路由列表中有无邻居节点，结果发现节点4为邻居节点。确定最后路由列表为(4，2，7)，并建立路由连接。

其余复杂路由的发现过程可依次类推。

无人机分群后的网络管理问题仍为一个有待突破的难题，而管理分群的目的是提升容错率和降低通信延迟，较为主流的分群管理协议是自组网管理协议(AdHocNetworkManagementProtocol，ANMP)。自组网管理协议采用分层结构模型实现数据的采集，中间级节点可将数据转发到上层以获得更高的消息传递效率。自组网管理协议通常使用两种算法实现群的形成和维护，即基于图论的分群算法和基于地理位置的分群算法。自组网管理协议会保证分群大小适中，同时尽量降低由分群维护造成的通信开销。在实际应用中，自组网管理协议通常会采用3级结构管理整个移动自组网，如图5-18所示。图5-18基于自组网管理协议的无人机网络管理架构

4.无人机自组网抗干扰技术

无人机自组网作为移动自组网的拓展应用，它所面临的干扰问题与移动自组网相似，但由于其链路的脆弱性，使得无人机自组网对抑制干扰有更高的要求。依据干扰的作用方式，无人机自组网面临的主要干扰类型包括主动式干扰、反应式干扰和功能特定型干扰，下面对其进行详细介绍。

(1)主动式干扰。

主动式干扰不考虑网络中是否有数据通信，只在特定信道上发送数据包或者随机比特，从而占用信道对通信产生干扰。主要有如下三种基本干扰类型：

①持续干扰：干扰源持续地产生数据包对通信双方的信道进行干扰。持续干扰作用于载波多路监听协议的网络中时，通过选择多个常用信道进行干扰，使得被攻击网络的常用信道失效而严重影响通信质量；持续干扰作用于采用时分复用接入技术的无人机网络时，接收机会因接收到的信号能量过小而无法正常解调出正确数据，从而丢弃数据包并不断要求重传，极大地影响了通信质量。

②欺骗干扰：干扰源持续发送常规数据包而不是随机比特。干扰源欺骗无人机网络中的特定节点使其认为需要接收数据包，使得特定节点持续保持接收状态。欺骗干扰发送的是合法的数据包，因而难以检测。与持续干扰类似，欺骗干扰能量效率低下，但实现简单。

③随机干扰：干扰源随机发送无人机通信频段上的干扰数据包或随机比特，造成网络阻塞。随机干扰的特点在于它有休眠和干扰两个状态。干扰源可持续干扰一段时间后进入休眠模式，然后又间隔一段时间后进入干扰模式。这种干扰模式难以预测，同时节省了干扰源的能量。

(2)反应式干扰。

反应式干扰源持续监听信道，仅对处于通信状态的信道发射干扰，妨碍消息的正确接收。反应式干扰方式有两种基本类型。

①反应式RTS/CTS干扰：干扰源持续监听信道中是否有请求发送信息。当检测到请求发送信息后，干扰源会立刻发送干扰信号，以阻塞接收端回复允许发送信息。这将导致通信双发无法达成通信共识，从而阻塞通信。

②反应式Data/ACK干扰：干扰源时刻监测信道中是否有数据包和确认接收信息(Acknowledgement，ACK)。当检测到数据包或确认接收信息后，干扰源会立刻发送干扰信号，以损毁数据包并导致通信中断。

(3)功能特定型干扰。

功能特定型干扰指干扰源通过预先设计的特定功能实现干扰。干扰源可选择仅干扰一个信道，也可以同时干扰多个信道以最大化干扰的效果。并且，干扰源可以依据一定的变化规律切换干扰机制。以下介绍三种常见的功能特定型干扰：

①跟随干扰：干扰源持续干扰一个信道，只要发现目标的发射机切换信道，它就将扫描整个频带寻找当前工作的信道频段以继续干扰。

②信道跳频干扰：干扰源主动地在不同的信道间切换发射干扰信号，并遵循特定的伪随机序列在不同的时间段对不同的信道进行跳频干扰攻击。

③脉冲噪声干扰：干扰源可以切换不同的信道进行干扰，并且可以自适应调整干扰的频带宽度。脉冲噪声干扰因为干扰带宽可变，所以可以同时阻塞多个信道。

针对上述复杂的干扰手段，现有的无人机抗干扰方法主要集中于MAC层的技术研究。MAC层的抗干扰技术主要有MAC层协议抗干扰方法和跳频抗干扰方法，下面将逐步介绍这两种方法。

(1)MAC层协议抗干扰方法。

现有的无人机MAC层协议抗干扰方法针对传统无线自组网MAC层协议进行改进，加入相关干扰信息处理机制，主要包括退避机制改进方法和Dodge-Jam方法。

(2)跳频抗干扰方法。

跳频抗干扰方法通过预先设定信道，在一定的时间间隔内切换信道，以达到干扰规避的效果。根据其作用方式的不同，跳频抗干扰方法主要分为以下三种：

主动式跳频方法不对干扰进行检测和溯源，只要设备处于通信状态就基于一定的时间间隔主动地依据伪随机的方式切换信道。近些年来，针对无人机通信提出了改进的主动跳频方法，发送机依据通信双方约定好的跳频集快速切换信道，并缩减占用单一信道的时间，对相应的干扰进行规避。

反应式跳频基于感应对干扰源进行检测和追踪。无人机会时刻监听处于通信状态的信道，当感知到干扰信息后，无人机会检测干扰信号强度，并选择之前从未选择过的信道传送信息。现有的无人机自组网的反应式跳频改进方法，往往以一定的数学规律对所有可用信道再次选择以规避反应式干扰，从而提升网络性能。

然而，主动式跳频方法和反应式跳频方法难以抵御多信道干扰，因为其无法保证切换后的信道是否安全。自适应跳频方法通过对整个网络的跳频集定期更新，替换之前检测出干扰的信道，能够保证切换后信道的安全性。自适应跳频方法还可与感知技术结合，通过提前感知整个网络的状态信息，过滤干扰信道，并设计相应的跳频策略，以此达到更好的抗干扰效果。

另外，得益于近些年来快速发展的多天线技术，无人机可以通过配置多天线，并采用分集接收和空时编码技术等，提升抗干扰性能。分集技术将传输信号分散在不同的载波信号内，避免了因单一信道受干扰而整体通信链路瘫痪的情况；空时编码技术扩充了系统容量，提升了载波的抗干扰性；多天线技术还可通过调整天线接收角赋予接收机选择性，接收指定方向的无线信号，屏蔽其他方向的干扰信号，提升无人机组网的抗干扰性能。

5.无人机自组网路由技术

无人机自组网路由技术的主要功能为发现邻近节点、传递数据包和维护网络连通性。受限于无人机通信网络中链路的快速变化等特点，泛洪和预计算路由等成熟的路由协议无法良好适配。下面将介绍现有的无人机自组网路由的分类和常见的路由技术。

现有的无人机网络路由协议可以根据其设计原理分为网络拓扑、仿生、基于位置和层次结构的路由协议四类，如图5-19所示。图5-19无人机通信网络层协议

1)基于网络拓扑的路由协议

基于网络拓扑的路由协议在无人机网络中的通信主要依靠移动节点或无人机的IP地址完成。这类路由协议根据其原理可分为三类：主动式路由协议、反应式路由协议、混合路由协议。

①主动式路由协议包括目的地序列距离向量协议、优化链路状态路由协议、定向优化链路状态路由协议、移动和负载感知优化连接状态路由协议和地理增强优化链路状态路由协议。

②反应式路由协议属于按需路由方法，即根据需求动态地发现和维护路由路径。区别于主动式路由协议，反应式路由协议不会预先计算出整个网络的路由表，而是在节点准备发送数据时，才根据目的节点的位置和当前网络状态动态地生成路由。这种动态计算的方式使得反应式路由协议更适用于具有高度动态性和不可预测性的网络环境，有效解决了主动路由协议中存在的开销问题。反应式路由包括动态源路由，无线自组网按需平面距离向量路由，时隙按需平面距离向量路由，多播按需平面距离向量路由。

动态源路由是一种基于源路由方式的按需路由协议。发送者在数据头部携带到达目的节点的路由信息，通过中继节点的转发到达目的节点。传统按需平面距离向量路由是按照跳数大小选择最优路径的路由，在下文将具体介绍其工作流程。时隙按需平面距离向量路由和多播按需平面距离向量路由是按需平面距离向量路由的高级变体。时隙按需平面距离向量路由将专用的时隙分配给指定的无人机以提高吞吐量；多播按需平面距离向量路由使用多路径构建一组临时节点，提高路由选择范围，从而提升网络质量。

③混合路由协议结合了主动式路由协议和反应式路由协议的优势，为无人机网络提供了更加灵活和高效的路由解决方案，使得无人机能够根据具体的场景需求选择最适合的由机制，确保了通信的高效性和可靠性。如图5-19所示，主要的混合协议包括区域路由协议、混合无线网格协议、清晰混合自适应路由和临时有序路由。

区域路由协议是建立在区域的原则之上的，以区域的划分和移动为来自不同区域的路由寻路；混合无线网格协议采用反应式技术和主动式技术组合的方式确定路由路径，同时使用最小跳数原理确定路径；清晰混合自适应路由协议构造源路由附近的积极响应区域来快速锁定目的无人机；临时有序路由更新和维护相邻无人机之间的连接，以建立和维护一个有向无环图来快速寻路。

2)基于仿生的路由协议

昆虫的生物学行为，如蜜蜂、蚂蚁、鱼群等，为解决各种无人机复杂路由问题提供了有价值的启发。基于仿生的路由协议通过模拟自然界生物的行为特点，优化了路由选择、数据传输以及网络拓扑管理等关键问题。如图5-19所示，这类协议主要包括基于蚁群优化的多态感知路由算法，用于无人机网络路由的蜂群算法和基于位置的蚁群路由算法。

下面介绍几种仿生路由协议。

3)基于位置的路由协议

为了实现有效的路由决策，基于位置的路由策略假设无人机的地理位置是已知的。这种类型的协议假设源自无人机已知目标无人机的位置，从而直接向其发送消息，无需经过传统的路径发现过程。基于位置的路由协议可进一步分为三个类别：反应式路由协议、贪婪路由协议和预测路由协议。

①反应式路由协议只有在目标机广播请求时，发送者才会为其预定的接收机建立一条完整且合适的路径。如果遇到连接干扰，协议将立即尝试恢复原路径或寻找替代路径以重新传输数据。反应式路由包括贪婪反应路由、地理位置移动指向型路由和多路径多普勒路由。

②贪心路由协议在无人机网络完全互连且目标位置已知的前提下，通过检查邻居节点的位置信息，选择距离目标节点最近的邻居作为下一跳。它包括贪婪周边无状态路由、地理负载共享路由、基于移动预测的地理路由和贪婪分布式生成树路由。这四种路由协议均基于无人机地理位置对无人机寻路做出预测和改进。

③预测路由协议考虑了无人机的高度移动性特征，通过预测无人机的飞行轨迹和通信连接时长来建立基于位置的路由路径。由于无人机自组网的三维空间结构会增加路径预测的难度，预测路由协议