无人机信息传输系统中TCDL数据链关键技术研究及仿真

摘要

本文以无人机信息传输系统中的战术通用数据链（TCDL）为背景，对TCDL数据链中的MAC层多址接入协议和无人机链路切换算法深入研究，并根据应用场景需要，对传统TCP协议进行了改进。无人机信息传输系统模拟地面站、无人机群和有人机间的信息传输，TCDL数据链是系统中的重要组成部分。本文对TCDL数据链的关键技术进行研究，主要研究内容如下：
　　1.为保证TCDL数据链在紧急通信下的吞吐量和时延指标要求以及根据无人机入退网情况灵活分配信道资源，设计了MAC层动态TDMA协议。在TCDL数据链中，地面站同时和多架无人机进行信息交互，需要研究MAC层多址接入方式，而原有的时分多址（TDMA）协议难以满足地面站灵活发送上行数据的要求，在紧急通信和无人机灵活入退网情况下，吞吐量和时延难以达到性能要求。因此设计了一种动态TDMA协议，协议动态调整发送的时帧和时隙。设计了MAC层的时帧结构，时隙结构和数据帧结构。搭建了仿真模型对协议进行了验证。
　　2．为保证TCDL数据链中，无人机在切换过程中的吞吐量指标要求设计了无人机链路切换算法。TCDL数据链中包含多种通信链路，无人机在飞行过程中需要在不同通信链路之间切换，原有的链路切换算法难以解决无人机切换中的问题，因此，本文提出一种根据能量和距离判断的无人机链路切换算法，保证切换的迅速和稳定，并对其进行了仿真验证。
　　3．为解决了TCDL任务场景的卫星链路中，上行遥控指令吞吐量过小，时延过大的问题改进了传统TCP协议。TCDL数据链中，地面站通过卫星链路上行遥控指令采取TCP方式。传统的TCP模型不能适用于卫星通信的情况，因此，提出一种对TCP协议的改进方案，包括快速启动，反馈调整发送端窗口，拥塞避免和带宽估计等具体策略，并对改进后的TCP协议进行了仿真和验证。
　　最后，在TCDL数据链中进行了测试，对结果分析，验证了此系统功能。TCDL数据链时延、误码率和吞吐量符合性能指标，能够满足了地面站灵活发送上行遥控指令的需求，保证无人机迅速稳定切换。无人机信息传输系统具有很好的性能，符合目前的通信需求，通过了中航工业某研究所的验收，已经有了多次应用，并且参与了和其他各单位的联合调试。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及研究现状

1.2 研究目标

1.3 研究内容及意义

第二章 TCDL数据链协议及网络仿真平台

2.1 TCDL战术数据链

2.2 OPNET网络仿真软件

2.3 本章小结

第三章 TCDL数据链MAC层协议设计

3.1 TCDL数据链MAC层协议分析

3.2 TCDL数据链动态TDMA协议设计

3.3 协议性能仿真与分析

3.4 本章小结

第四章 TCDL数据链无人机链路切换算法设计

4.1 TCDL数据链下链路切换技术分析

4.2 TCDL数据链下现有切换判决算法概述

4.3 TCDL数据链下无人机链路切换算法设计

4.4 算法性能仿真与分析

4.5 本章小结

第五章 TCDL数据链关键技术仿真实现

5.1 仿真系统组成

5.2 OPNET仿真场景建模

5.3 地面站节点建模

5.4 无人机节点建模

5.5 有人机（JTIDS数据链端机）建模

5.6 TCDL数据链中数据包格式实现

5.7 TCDL数据链中TCP协议改进设计与实现

5.8 本章小结

第六章 TCDL数据链仿真测试与验证

6.1 TCDL数据链MAC层协议测试验证与结果分析

6.2 TCDL数据链无人机链路切换测试验证与结果分析

6.3 TCDL数据链TCP协议测试验证与结果分析

6.4 测试总结

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果