无人机网络与通信 [UAV Networks and Communications]

　本书专注于民用无人机通信和网络，提供了在该领域进行研究的必备知识。详细介绍了无人机和无人机网络的前沿技术：“空对地和空对空数据链路通信”“空中无线网络”“容断机载网络和协议”“无人机系统和网络：仿真和现场演示”无人机集成到国家空域系统的监管、技术和研究”“无人机网络中的安全、安保和隐私” “自主无人机之间的协同与集群”，讨论了与部署（包括风险和回报分析）相关的法规、政策和程序，以及野生动物探测和应急通信等领域的演示、试验台试验与实际应用。

本书是作者来美国波音公司、美国堪萨斯大学、法国波尔多大学的无人机领域专家，重点点从民用的角度讨论了无人机的类型和任务能力，概述了无人机集群、无人机小型化以及无人机小型化的机遇和设计挑战；讨论了飞机和地面站之间常用的通信技术、现代化空中通信、无人机与微型无人机数据链路；介绍了各种机载网络场景的特点，展示了使用开源网络模拟器的仿真结果；提出了一种包括多个固定和移动的地面节点以及多个自主无人机的异构网络设计流程；探讨了维护无人机系统网络和互联互通；分析了地面上的隐私问题以及无人机级、无人机网络级、独立集群和受地面控制的无人机机队的信息安防需求；阐述了定位/临近探测/位置控制、人与蜂群的交互、降级运行模式、在实际应用中使用集群应该解决的一些主要问题。最后通过实例展示了无人机可以为实际应用带来的独特价值与创新。

　　卡米什·纳莫杜里（KameshNamuduri）美国北德克萨斯大学电气工程系教授，IEEE通信和信息安全技术委员会成员，欧洲无线通信网络杂志副主编。
　　
　　塞尔日·肖梅特（ Serge Chaumette）法国波尔多大学计算机科学教授，领导波尔多计算机科学研究实验室（ Bordeaux ComputerScience Research Laboratory，法文简称为LaBRI）的无人机研究与活动。
　　
　　耶格.H.金姆（ Jae H.Kim）波音公司研究与技术部执行和高级研究员，美国华盛顿大学兼职教授。
　　
　　詹姆斯.P.G.斯特本兹（James P.G.Sterbenz）美国堪萨斯大学电气工程和计算机科学教授，同时是该校信息和电信技术中心的网络系统实验室主任。

译者：

刘亚威，飞行器设计专业硕士，现为航空工业发展研究中心系统工程所高级工程师，主要研究咨询方向为先进航空制造技术、智能制造、制造成熟度与制造创新体系，合著有《智慧工厂——中国制造业探索实践》、《美国制造创新研究院》等书。、

闫娟，信号与信息处理专业硕士，现为航空工业发展研究中心系统工程所高级工程师，主要从事航空技术情报研究，研究领域集中在机载武器、人工智能技术等方面。

　　★《无人机网络与通信》针对无人机系统的两个关键问题——通信组网以及管控体系做了比较全面和深入的描述和探讨，特别是以大量笔墨分析了现有无线通信解决方案，对比了不同通信协议，得出了很有价值的研究结论。无人机的跨越式发展将涉及公共安全管理的问题，构建管控体系、进行分级管理以及制定相应的适航标准是当务之急，该书对此也进行了系统的、建设性的讨论。该书对未来高档无人机和无人机集群的感知能力和自适应能力，对任务的自规划和学习、调整能力，也都提供了宝贵信息。
　　——冯培德中国工程院院士、飞行器导航控制专家
　　
　　★《无人机网络与通信》不仅是一本专注于无人机网络与通信专业的书籍，而且面向民用无人机系统，包含系统特点，地空、空空通信，空域运行，蜂群组网和实际应用案例。该书是由无人机领域的专家共同完成的著作，内容非常丰富，对从事无人机系统设计、数据链、组网等技术领域的人员定会开卷有益。
　　——王英勋北京航空航天大学无人系统研究院院长，无人机系统技术专家
　　
　　★《无人机网络与通信》首先介绍了传统飞行器空地通信技术，然后对多个无人机系统在空中使用Wi-Fi等技术的组网进行了讨论，并提出了配套的协议如何容忍通信中断的设计方式，进而讲解了仿真和现场验证选用的方案，内容完整而且具有实践性，有很强的参考价值。希望该书能够帮更多对这个领域有兴趣的学者、研究人员、工程师迈出研究无人机集群系统的第一步。
　　——杨硕前大疆研发工程师

推荐序
译者序
前言
作者列表
第1章　无人机系统概述 1
1.1　无人机类型和任务 2
1.2　无人机集群化和小型化 14
1.3　无人机小型化：挑战与机遇 15
1.4　无人机网络及其优势 16
1.5　总结 21
第2章　空对地与空对空数据链路通信 22
2.1　载人航空的空对地通信 22
2.2　面向未来的现代化空中通信 27
2.3　实际的无人机与微型无人机数据链路 30
2.4　地面无线宽带解决方案在无人机链路中的应用分析 32
2.5　总结 38
第3章　空中Wi-Fi网络 39
3.1　简介 39
3.2　空中网络特性 40
3.3　空中自主网络的通信需求 42
3.4　量化通信需求 44
3.5　空中Wi-Fi网络的实际测量结果 45
3.6　总结与展望 49
第4章　容断机载网络和协议 51
4.1　简介 51
4.2　机载网络环境 52
4.3　相关工作 54
4.4　航空协议架构 61
4.5　性能评估 72
4.6　总结 84
第5章　无人机系统和网络：仿真和现场演示验证 85
5.1　无人机（UAV）平台系统 85
5.2　无人机网络系统 94
5.3　相关工作 104
5.4　总结 105
5.5　致谢 106
第6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 107
6.1　民航监管框架——过去和现在 107
6.2　监管机构和UAS立法——现在和未来 113
6.3　标准组织 121
6.4　社会影响——隐私和安全 124
6.5　监管需求与新技术之间的差距 127
6.6　技术挑战 128
6.7　总结 141
6.8　致谢 141
第7章　无人机网络中的安全、安防与隐私问题 142
7.1　引言 142
7.2　空中安全 143
7.3　地面上的隐私 148
7.4　信息安防 148
7.5　无人机级的安防需求 149
7.6　无人机网络级安防需求 152
7.7　正在进行的与无人机安防相关的研究和产品 155
7.8　总结 156
第8章　自主无人机与蜂群之间的协作 157
8.1　引言和背景 157
8.2　使用蜂群无人机系统的必要性 158
8.3　主要问题和研究方向 163
8.4　总结 171
第9章　实际应用案例 173
9.1　简介 173
9.2　野生动物探测 173
9.3　实现应急通信 182
9.4　总结 189
缩略语 190
参考文献 197

世界各地的航空管理局在将无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）纳入国家空域管理方面都已取得了进展。与此同时，私营企业一直在开发基于无人机的创新应用，例如基于无人机的包裹速递、药品运送、管道监测系统和灾区航空测量。然而，在无人机可以融入民用空域并且这种实际应用成为现实之前，研究团体需要解决一些技术、社会和监管方面的问题，其中重要的是需要加强对空域中无人机的态势感知。
目前为增强对无人机的态势感知，已出现了三种不同但又互补的范例：卫星通信、蜂窝通信以及空中通信和网络。本书侧重于第三种策略，即通过无人机的自组织空中网络增强态势感知。它为研究人员、专业人员和高校学生提供必要的知识，帮助他们了解无人机网络和通信领域的研究挑战。几位杰出的研究学者和领域专家合作，共同编撰完成了本书的9个章节，让读者领略这个令人激动的领域内从基础知识到热点研究话题的众多内容。
第1章介绍了无人机的类型和典型使命任务。该章重点面向民用领域，为无人机和无人机网络提供背景和应用环境，还讨论了无人机网络在工程和技术方面的新技术以及部署此类网络的好处。
第2章提供了有人驾驶飞行中使用的无线通信的背景知识。该章讨论了为实现L波段数字航空通信提出的技术，提供了与无人驾驶和小型无人机空中通信相关的真知灼见，它们来自于将先进的地面移动宽带通信外推到航空领域的经验。
第3章提供了3D空间中空中链路的特性。空中网络不同于其他无线网络，例如移动自组织（ad hoc）网络或车载自组织网络。该章从吞吐量、延迟、数据交换频率等方面讨论了空中网络应用的通信要求，从通信需求的角度定义了空中网络的不同自主化水平。
第4章提出了一个适用于航空环境的架构和协议套件：与传统端到端传输和路由协议相比的高动态、高速多跳网络，这需要对过去的网络架构进行巨大改动。
第5章讨论了无人机网络的设计、实现和部署，以在节点之间传输视频监视数据。它提出了一种异构网络，其中包括多个固定和移动的地面节点，以及多个自主飞行器。该章提出了一个设计流程，通过适当集成关键子系统和跨多个无人机的协同，来实现系统的应急安全。
第6章介绍了在民用空域系统中集成无人机的背景和应用环境，以及有关无人机集成工作的监管需求、社会问题和技术挑战。
第7章讨论了安全性、安防和隐私方面的挑战，这是将无人机集成到民用空域以及设计实际应用要考虑的三个维度。
第8章提出了在实战中使用蜂群应该解决的一些主要问题。本章解释了为什么蜂群可以显著增加任务的可行性，然后概述并深入探讨了许多需要进一步探索的挑战和研究方向。
第9章回顾了研究人员目前正在开发的两个无人机和无人机网络应用：野生动物探测和应急通信。这些例子展示了无人机可以为实际应用带来的独特价值和创新。