第2章
空對地與空對空資料鍊路通信
Bertold Van den Bergh，Sofie Pollin
為了確定地面對于飛機和空域的控制，無線通信一直是載人航空中必不可少的技術。除了無線通信，在所有飛行控制系統中，各種無線電頻段的雷達也是重要的組成部分，它們可以提供關于飛機位置的準确資訊。幾十年來無線通信領域實作了巨大進步。首先是從模拟系統到數字系統的飛躍，之後是通過摩爾定律實作了數字比例縮放。今天大量不同的技術都在使用和共享相同的航空波段。本章我們将從早期的載人航空無線通信的背景入手談論雷達以及早期的數字通信，然後将讨論近來提出的兩種L波段數字航空通信新技術，最後通過研究地面移動寬帶通信的先進經驗并推廣至小型無人機的空中通信，我們将總結出一些基本結論。随着技術的發展，在越來越小的晶片上可以實作越來越多的處理能力，但是為了確定良好的鍊路預算和遠端通信品質，我們仍舊需要依賴電磁波和無線信道的基本特性。是以我們分析了多天線技術的應用，以及近十年來提高了地面移動寬帶通信範圍和速率的突破性技術，并對其在小型無人飛行器上的可行性進行了評述。
2.1 載人航空的空對地通信
無線通信技術通常用于載人航空。本節概述了載人航空中雷達和通信的解決方案。無人機系統可以看作這些系統的延伸，是以傳統的載人通信技術為基礎，結合在移動寬帶通信場景下進行的颠覆性創新。
2.1.1 地基飛機識别雷達
在受控空域中，準确地知道所有參與飛行的飛機的位置是非常重要的，通過一次監視雷達和二次監視雷達可以對所有的飛機進行識别。我們将首先介紹這兩種雷達系統，然後重點比較兩種雷達系統的天線。
1.一次監視雷達
一次監視雷達（Primary Surveillance Radar, PSR）系統是一種傳統的雷達系統，它使用一個大的定向天線來發射信号并監聽接收到的回波，回波的延遲與飛行時間和飛機距離呈函數關系。這種方法的一個巨大優勢是，避免了在尺寸和重量都受限制的飛行器上安裝裝置，然而缺點是會探測到任何能引起足夠強反射的物體，這導緻鳥類、雲層甚至特殊地形都會引起混淆。除此之外，單雷達的一個主要缺點是它隻能發現物體而不能識别物體。
另一大限制是幾乎所有的一次監視雷達系統都無法确定飛行器的高度，這是由于系統隻能在水準面上平移天線，垂直波束圖被天線的實體外形所固定。實際上水準波束非常窄，是以具有很高的方位分辨率，而垂直波束很寬，能夠盡可能多地照射和探測空中的物體。
最有可能讓一次監視雷達測量高度的方法是使用波束導引的相控陣天線，它比機械式轉向天線更昂貴，因為相控陣天線的每個天線單元都需要一個模拟前端，并對前端進行相位相幹性設計。也可以将天線安裝在平移傾斜定位裝置上并以此方式掃描整個3D空間。然而雷達圖像需要很強的時效性，要求更新率為5～15s，而天線品質一般都很大，無法高速地移動。一些主要出于防禦目的的系統會采用多饋點天線或裝有移動二次反射器的單饋點天線。氣象雷達經常使用雙軸定位天線，它們隻需每隔幾分鐘發送一次圖像。圖2-1是位于比利時貝爾特姆的雷達站，由Belgocontrol公司管理，圖中大型的天線是一次監視雷達，二次監視雷達使用頂端較小的天線。
圖2-1 比利時貝爾特姆雷達站的一次和二次監視雷達
2.二次監視雷達
二次監視雷達（Secondary Surveillance Radar, SSR）的主要任務是确定高度和識别飛行器。由于它依賴安裝在飛行器上的應答器，是以它不能用于探測和跟蹤不合作的目标。
應答器接收地面站發送的詢問請求，然後根據相應的應答模式進行應答。常用的民用航空器的應答模式見表2-1。
表2-1 二次雷達應答模式
值得注意的是，模式A和C總是一起使用，是以高度和飛行器ID碼都會被發送回去，但A和C兩種模式的一個問題是它們無法回應選擇性詢問。如果一個區域被許多雷達覆寫，應答器将發送大量的應答，這會導緻堵塞和幹擾增加。此外如果兩架飛行器靠近，它們的詢問應答會發生沖突進而降低雷達系統的有效性。為了解決這些問題引入了模式S，所有的應答器都有一個全球唯一的24位ID碼，它可以用于特定的詢問以及地面和航空站之間的資料通信，詢問時使用1 030MHz頻率而回複時使用1 090MHz頻率。
3.餘割平方天線圖
典型的空中監視雷達天線具有特定的餘割平方圖。本節将簡短地介紹這個特定的圖是什麼以及為什麼使用它。首先推導出計算雷達接收功率的公式。
第一步是确定雷達發射器在目标處産生的功率密度Si。假設雷達系統發射功率為Ptx，它在半徑為R的球面上傳播，可以得出：
當然，實際使用中所有的雷達系統都會使用具有增益的天線，這意味着功率主要是沿一個方向發送的。與各向同性輻射體相比，參數G定義功率密度的高度。考慮方向性，那麼目标（S）處的功率密度是：
不是所有的物體都會同樣地反射雷達信号，大型客機是一個很好的反射體，而木質雙翼飛機并不能很好地反射雷達信号。是以我們定義雷達截面積σ為截獲發射雷達輻射的區域，并各向同性地将其散射回接收器，物體散射的功率為
：
當雷達接收器的功率密度為Sr時，計算得到的接收功率較原發射功率将再次衰減。假設雷達為單基地雷達，這意味着從發射器到目标的距離和從目标到接收器的距離是相等的。雷達截面積是對于各向同性輻射體而言的，故增益為1，由此可以得出接收功率密度：
天線端口的實際接收功率Pr取決于天線孔徑A：
天線增益與孔徑成正比關系：
根據式（2.1），假設發送和接收天線相同，可以得到：
那麼最終的接收功率可以表示為：
為了向空中監視雷達提供統一的扇區覆寫，我們希望天線按功率Pr發送信号時，不依賴在某一高度的飛機飛行時波束傳輸的距離。如式（2.2）所示，對于恒定的Pr：
由圖2-2可知，距離R與飛機仰角α和高度h有關：
是以：
由于在固定的發射功率下G和R2成正比，假設高度是常數，則有：
是以我們可以确定理想天線具有與仰角的餘割平方成正比的增益。
圖2-2 距離為R、高度為h、仰角為α處的目标示意圖
2.1.2 雷達以外的距離與方向測量
距離測量裝置（Distance Measuring Equipment, DME）能夠測量從飛行器到地面轉發站的傾斜距離，雖然目的類似于雷達，但它是通過雙向分組交換技術實作的。詢問飛行器發送脈沖編碼消息到地面站，在一個固定延遲之後由地面站回複消息，然後飛行器中的測量單元可以通過測量往返時間來确定到DME信标的距離。值得注意的是，測量的距離是傾斜距離。實際上如果飛行器在DME正上方1km處，那麼距離讀數将顯示1km。
DME系統使用126個不同的信道，信道間隔為1MHz。下行鍊路頻段為1 025MHz～ 1 150MHz，上行鍊路頻段為962MHz～1 213MHz。典型的峰值發射器輸出功率約為1kW，與Wi-Fi等移動寬帶系統相比高出了很多，并且與這些系統的共存具有挑戰性，後面将着重讨論這一點。
DME站通常與甚高頻全向範圍站（Very High Frequency Omnidirectional Range, VOR）共址。VOR是固定的陸基發射站，通過傳輸資訊，它可以讓飛行器計算進出站的方位，通常與DME一起用于計算飛行器的位置。或者可以将兩個VOR的方位相交得到飛行器的位置。
VOR系統通過發送頻率範圍108MHz～118MHz的甚高頻信号來工作。該信号有三個部分：第一部分是全向資訊；第二部分是高度定向資訊，通過30Hz的相控陣天線旋轉傳輸，然後通過比較方向和全向分量可以計算出方位；第三部分是用于電台識别的摩爾斯編碼信号。一些VOR系統還可以廣播語音消息。
除此之外，還有非定向信标，可在190kHz～1 750kHz之間的極低頻率下工作，其載波可調制傳輸摩爾斯碼ID和語音資訊并通過飛行器的測向接收器接收。
2.1.3 用于精确定位的儀表着陸系統
儀表着陸系統（Instrument Landing System, ILS）是一種地基無線電系統，它能夠幫助飛機進行精确着陸。該系統由兩個部分組成：定位器和下滑道。定位器是安裝在跑道末端外的天線陣列，天線傳輸兩種信号：一個90Hz訓示右方向的信号和一個150Hz訓示左方向的信号。飛機上的接收器将測量150Hz和90Hz信号的相對強度，為了保持在跑道中心位置，兩種信号強度應該相等。
定位器系統僅提供水準方向的制導，為了引導飛機垂直方向的操作，将使用另一種稱為下滑道的系統，它的工作原理與定位器相似：90Hz信号訓示向上，150Hz訓示向下。進場航線一般在3°左右。
2.1.4 空地間語音通信
為了使飛機能夠進行語音通信，經常使用甚高頻（Very High Frequency, VHF）頻段進行通信，其頻率範圍在118MHz～137MHz之間，實際頻段開始于108MHz，但是前10MHz被保留用于非語音操作（VOR、ILS等）。在許多國家，信道間隔設定為25kHz，而歐洲為8.33kHz。遙遠區域的遠端操作可以使用短波通信。軍用飛機在225MHz和400MHz之間配置設定有超高頻（Ultra High Frequency, UHF）頻段。
甚高頻采用的調制方式是标準幅度調制（Amplitude Modulation, AM）。使用幅度調制的最大優點在于，當同時接收多個信号時使用者将聽到兩種信号的混合，這使得多方交談可以同時進行。頻率調制具有非常強的捕獲效果：如果同時發送兩個信号，則隻接收最強的信号。
2.2 面向未來的現代化空中通信
根據歐洲控制局釋出的一份報告[154]預測，到2035年歐洲将有1 440萬架次航班在“調控增長”情況下出現。随着航空飛行需求不斷增加，美國和歐洲的空中交通管理（Air Traffic Management, ATM）系統很可能在未來幾年達到能力極限。美國和歐洲都已經開始通過大型項目開發下一代空中交通管理系統來滿足這一需求：
- 歐洲單一天空ATM研究（歐洲）；
- 下一代國家空域系統（美國）。
這兩個項目在國際民航組織（International Civil Aviation Organization, ICAO）的架構下協調一緻。為了實作這些新的空中交通管理系統，有必要開發改進的通信、監視和導航技術。我們首先概述監視和導航技術，然後總結改進的通信新技術。
2.2.1 現代監視與導航技術
現代監視系統一般會使用自動相關監視廣播（Automatic Dependent Surveillance–Broadcast, ADS-B）技術來增強監視。這是一種協同監視技術，在沒有詢問者的情況下，飛行器會定期廣播通過衛星導航獲得的位置資訊。相應地，許多地面站通過接收周期性信号來追蹤飛行器位置。此外，其他飛行器上的接收器也可以接收該飛行器發送的周期性資訊以獲得态勢感覺。ADS-B有可能取代雷達作為民用空域監視的典型技術方案，但需要注意的是，系統需要目标合作是以不适合國防應用。
ADS-B由ADS-B Out和ADS-B In兩種服務組成，ADS-B Out是廣播飛行器導航資訊的發射器，ADS-B In是一種能夠接收其他飛行器或地面站廣播資訊的接收器。ADS-B有許多優點：
- 态勢感覺：在配備ADS-B接收器（ADS-B In）的飛行器上，駕駛員可以看到周圍飛行器的位置和高度，駕駛艙螢幕上也可以顯示天氣。在一個完整的ADS-B In系統中獲得的視圖，可以與空中交通管制螢幕上所看到的相媲美。系統建立了一種分布式态勢感覺，大大提升了飛機可視避讓的能力。
- 提升導航精度：由于飛行器定位精度高，是以可以讓飛行器控制的分離度更低、效率更高、環境影響更小。此外，ADS-B可以幫助飛行器更有效地繞過天氣惡劣和受到限制的空域。
- 識别：由ADS-B發射器廣播的資料包含唯一的識别碼，這使得每架飛機都能被唯一識别。
- 提升安全性：如上所述，ADS-B還允許從地面傳輸資料到飛機，這兩項服務是飛行資訊服務廣播（Flight Information Service Broadcast, FIS-B）和交通資訊服務廣播（Traffic Information Service Broadcast, TIS-B）。FIS-B提供天氣資訊和文字式的建議，如航行通告（NOTAMS）；TIS-B提供雷達捕捉到的飛機航線資訊。
- 搜尋與救援：由于飛行器每秒鐘發射一個非常精确的位置，是以更容易預測飛行器可能墜毀的位置。
- 占地面積小：ADS-B地面接收器非常小，是以很容易通過添加多個地面站來填充覆寫間隙，尤其是在不可能安裝雷達站或是安裝成本過高的地方。
- 成本：ADS-B地面站的成本明顯低于傳統的一次和二次雷達站的成本。
ADS-B業務有兩種主要的空中協定：
- 1 090MHz擴充分頻器：該系統使用修改的模式S應答器在1 090MHz發送資料。擴充的斷續振蕩消息的格式經過國際民用航空組織标準化處理[219]，适應歐洲的使用需求。
- 通用接入收發器：這個978MHz系統僅适用于美國低于18 000英尺（5 486.4m）平均海平面（Mean Sea Level, MSL）的空域，它是ADS-B最典型的資料鍊路協定。
2.2.2 空中交通管理中的數字通信技術
根據Schnell等人得出的結論[375]，現代化ATM技術需要從語音通信轉向數字通信。控制器和飛行員之間與日俱增且愈加複雜的資訊交換需求需要現代通信技術作為支撐。正如前文所述，幾乎所有的空中交通控制台和飛行員之間都需要使用語音來通信，但是很明顯，語音有一個缺點就是它擁有很高的“開銷”，不适合用來高效地傳遞未來操作程式中所需的資訊。盡管語音通信很可靠，但是它的頻譜效率很低，通常隻有幾個資料位可以用來表示消息的内容，為了解決這個問題，發展數字通信鍊路是非常必要的。理論上，數字通信鍊路工作在VHF頻段能夠獲得最佳的覆寫範圍。實際上，國際民航組織二十多年前就制定了一個VHF資料鍊路：VDL（VHF Data Link，甚高頻資料鍊路），但是這個鍊路的吞吐量太低，無法滿足未來ATM的應用場景，是以需要發展一種新的資料鍊路标準，這種鍊路工作在L波段（960MHz～1 164MHz），該波段已經配置設定在航空通信的次級信道上。目前正在研發兩套系統來滿足通信需求：LDACS1和LDACS2。LDACS（L-band Digital Aeronautical Communication System）即L波段數字航空通信系統的縮寫。這兩種通信系統設計的通信距離都是200海裡（370km）。
需要注意，上文所說的頻率範圍中很大一部分是與甚高功率脈沖DME（參見2.1.2節）發射器共享的。是以，在這裡部署的任何資料鍊路都必須在DME（非嵌入）不使用的小頻段中工作或者在DME信号（嵌入）之間傳輸。幸運的是，DME信号具有如圖2-3所示的頻譜。如圖所示，在嵌入部署場景中，兩個DME發射器之間大約有500kHz的頻段可以使用。是以，在DME信号之間部署是優選，這樣部署新系統不用改變任何現有發射器的信道。
1. LDACS1
LDACS1型是未來空對地通信标準中最有希望的候選方案[139]。LDACS1模式旨在部署于嵌入場景中，是以總帶寬被限制在大約500kHz内。當然，它也可以在非嵌入場景中部署系統。圖2-3顯示了兩個DME發射器之間的LDACS1信号。在某些情況下，僅有頻譜形狀是不夠的，是以系統中還包含用于脈沖幹擾的消隐系統。
圖2-3 LDACS1部署于兩個DME發射器之間
LDACS1是基于正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）調制的頻分雙工（Frequency Division Duplex, FDD）模式。雖然時分雙工（Time Division Duplex, TDD）方法更容易實作，但由于系統要遠距離工作，TDD方法會産生較大的開銷，保護間隔需要很長。如2.1.2節所述，另一個優點是正向（地對空）和反向（空對地）鍊路可以與DME上行鍊路和下行鍊路頻率對齊，這将大大減少共存限制。
表2-2給出了LDACS1 OFDM的參數，該模式架構結構的完整概述詳見參考文獻[386]。
表2-2 LDACS1系統參數
2. LDACS2
LDACS2[272]是未來地對空資料鍊的第二大标準，其實體層實際上與第二代全球移動通信系統（Global System for Mobile communication, GSM）非常相似。由于它不能應對DME的幹擾，是以隻能應用于960MHz～975MHz的頻率範圍。表2-3總結了LDACS1與LDACS2中重要的參數比較[238]。
表2-3 LDACS系統比較
2.3 實際的無人機與微型無人機資料鍊路
本節對商用無人機（UAV）系統與微型無人機（Micro UAV, MUAV）系統中使用的典型通信技術進行了簡短概述。通常來說，這兩種無人機系統的通信需求由兩部分組成，第一并且最首要的是應該能夠控制和監視無人機的操作。為了滿足這個功能，無人機應配備一個或多個有效載荷，這些有效載荷往往需要向其他無人機或者地面控制站傳送資料。下面将讨論可以應用于無人機的各種已有的通信技術。在2.4節中我們将進一步測試并分析這些技術。
2.3.1 遙控與遙測
用于控制和監測無人機的無線鍊路通常是遠距離且具有高可靠性，帶寬需求通常很低。如果無人機的軌迹由飛行員控制，那麼延遲也應盡可能低。
2.3.2 載荷與應用資料通信
依賴于視訊傳輸的典型無人機應用（例如監視）需要無人機之間的高帶寬通信，這通常使用以下系統：
1. IEEE 802.11
這個标準最常用于家庭和企業的無線網絡中。該标準的常用版本（如IEEE 802.11a/n）使用2.4GHz和5GHz頻段的OFDM實體層，信道帶寬是最常見的20MHz或40MHz，同時還定義了兩個帶寬為5MHz和10MHz的窄帶模式，通常用于專業應用。最新版本的标準（IEEE 802.11ac）允許在5GHz頻段達到160MHz的信道寬度。該标準的一個主要優勢在于，由于其在消費産品中應用廣泛，相應的晶片和無線數據機的成本非常低；另一個重要的優點是從綜合的視角來看，它可以模拟以太網電纜。事實上在無人機上通常可以重複使用标準的網絡應用，并且不需要做太多改變。
2.蜂窩3G/4G
使用蜂窩系統作為無人機載荷通信系統的最大優勢在于，整個網絡側已經由移動營運商提供了，系統簡單易用。假設覆寫空間足夠大，也能夠輕易将蜂窩系統和網際網路進行連接配接，但這一優勢也是劣勢，因為使用者不能控制網絡，無人機可能飛行在蜂窩網絡未覆寫的區域，服務品質會很差。除了可能的覆寫問題，根據不同營運商的網絡配置方式，還存在網絡位址轉換、防火牆相關的連通性問題。
3.模拟系統
這部分主要适用于視訊信号的傳輸。在業餘級和輕型商用無人機種類中，拍攝的圖像通過簡單的模拟信号進行傳輸。
該系統基于傳統的PAL或NTSC視訊信号（譯者注：即全球三大電視廣播制式中的兩種），然後在射頻（Radio Frequency, RF）載波上對該信号進行調頻（Frequency Modulation, FM）調制并發送。這種系統沒有統一的标準，信号帶寬和視訊均衡參數由各個制造商自行決定，典型的帶寬值是20MHz。
模拟傳輸有很多缺點：圖像品質差、分辨率低、無法進行安全加密、容易受到噪聲影響、頻譜效率低等。然而模拟系統有兩個顯著的優勢是現代數字通信系統難以實作的。
第一個優勢是：由于圖像傳感器輸出的像素流幾乎是對射頻信号的直接調制，是以延遲非常低（可以實作小于15ms）。這通常用于業餘級系統，可以在完全手動控制飛行的情況下使用視訊直播（即第一人稱視角（First-Person View, FPV））來駕駛無人機；另一個優勢在于其優雅降級特性（譯者注：随着信号減弱/裝置失效其功能逐漸喪失），當距離增加時，在圖像上會出現越來越多的噪聲，提示使用者無線電系統正在接近極限。與之相比，大多數數字系統會完美地工作直到某一極限然後突然罷工。
當然，與基于數字視訊廣播（Digital Video Broadcasting, DVB）的技術一樣，該系統将以100%的占空比傳輸，無法與其他通信技術共同工作。在許多國家，這意味着對發射功率進行強力限制或者需要頻譜許可。
2.4 地面無線寬帶解決方案在無人機鍊路中的應用分析
無人機空中通信需要在空中通信中引起更強烈的範式轉移，是以先前讨論的LDACS1和LDACS2很可能無法滿足需求。首先，無人機架構通常很小，從固定翼中小型飛機到更小的八旋翼無人機和四旋翼無人機，迄今為止發現的最小的四旋翼無人機直徑約為10cm，是以通信子產品（包括鍊路層模拟和數字處理以及天線）的重量必須非常小。其次，無人機應用通常與搜尋、救援或監視相關，無人機需要将視訊資料通過無線鍊路傳輸到地面。是以資料傳輸需求比LDACS1或LDACS2中考慮的要高很多。第三，随着無人機系統廣泛地應用于軍事和民用領域，預計無人機節點在空中網絡中的密度會很大，也就是說必須同時支援更多的通信鍊路。
為了滿足重量和資料速率需求，人們普遍認為當今廣泛應用的地面移動寬帶通信适用于無人機系統，比如說IEEE 802.11a、GPRS（General Packet Radio Service, 通用分組無線業務）或者LTE（Long Term Evolution, 長期演進技術）蜂窩網絡。這些網絡中的通信節點通常使用晶片組，有時也在單個晶片中內建模拟和數字處理功能。如果可以為無人機架構制造出小而優的天線，相應的通信解決方案也将是輕量級的。為了證明這一猜想，2.4.1節中将測評IEEE 802.11通信中工作在ISM（Industrial Scientific Medical, 面向工業、科學、醫學領域）頻段的天線用于小型無人機架構時的性能。
對于無線寬帶通信技術中的資料速率要求，通常通過增加空間流的數量來滿足，這意味着依靠發射器和接收器上的多個天線，可以增加發射器和接收器之間的鍊路層吞吐量。然而這僅在無線傳播環境的某些特定條件下成立，我們将在2.4.2節詳細地讨論。
對于空對地鍊路考慮兩種情況。首先，我們将從幹擾的角度研究空對地鍊路。空中的每架無人機都受到使用相同頻譜的多個地面站的幹擾，這些幹擾鍊路顯著地降低了無人機所接收的信噪比和信幹比。通過應用波束成形技術（波束成形技術是一種不依賴于多徑信道條件的備用多天線技術）可以顯著降低這種地面幹擾的影響。更多的細節在2.4.3節中給出。
下一章将在鍊路和實體層基本特性之外給出IEEE 802.11的更詳盡分析。
2.4.1 單天線無人機系統分析
盡管模拟和數字寬帶通信的晶片組已經非常輕巧了，但是通信系統的主要瓶頸仍然是天線的尺寸和重量。通信頻率為2.4GHz時，理想的半波長天線的尺寸是6cm，這對于多數無人機結構來說是一個比較大的尺寸。
除此之外，一般的無人機架構結構中都含有大量的導電材料，對天線和無人機機體很難做到實體隔離，是以天線的性能可能會被影響。為了證明這一點，我們對安裝有全向5GHz四葉草天線的四旋翼無人機進行了試驗，可以預見這些金屬機臂會起到反射地平面的作用。如圖2-4所示，測量方向的信号強度明顯地降低了[41]。在Swinglet塑膠固定翼無人機上我們進行了相同的實驗，為了驗證信号衰減隻受到金屬機身的影響，無人機架構結構改為塑膠機臂。事實上，此時的信号電平可以與自由空間的條件相媲美。
圖2-4 天線試驗結果
假設金屬機臂形成完美的地平面，我們可以得到相應的輻射樣式分析。圖2-5顯示了不同天線高度的輻射樣式（頂部和底部畫在同一張圖上）。如圖2-4所示，信号随到達角變化很大，圖2-6更詳細地表現了這一點。
圖2-5 天線增益極化圖
圖2-6 單天線增益
2.4.2 多天線無人機空對空鍊路分析
當今所有廣泛應用的地面移動寬帶通信技術，都依靠多天線來增加鍊路層容量。IEEE 802.11n和LTE技術允許發射器和接收器最多使用四個天線，而下一代IEEE 802.11ac和LTE-Advanced（即LTE更新版）技術甚至考慮在接入點或基站使用八個天線。這是因為當發射器和接收器上的天線數量都以四的倍數增加時，（理論上）也可以按四的倍數擴大鍊路層吞吐量。這項技術很大程度上依賴于典型地面通信系統的空間自由度：每個發射和接收天線對應不同的信道，如果這些信道是完全正交的，那麼可以直接在每個信道上發送消息而互不幹擾。然而這種正交性隻有在環境中存在很多多徑反射時才能實作，因為它使得每個位置（或天線）能收到另一組頻率，将本信道的信号相加或者相抵。
空對空通信鍊路擁有很強的視線（Line-Of-Sight, LOS）成分，這意味着發送無人機和接收無人機之間的直接射線強度很大，其量級比通過地面或其他物品反射的量級要大得多。雖然在雜亂的環境中确實可能存在多個不同的反射（多路徑），但是與LOS成分相比，這些反射在接收無人機處很可能都隻有非常低的功率。在多個發射天線和多個接收天線之間的LOS信道相關性很高，由于這種相關性，很難依靠多天線技術在空對空鍊路上進行空分複用（Spatial Division Multiplexing, SDM）。
為了驗證多入多出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）在無人機場景中是無效的，我們測量了空中IEEE 802.11n鍊路的性能。IEEE 802.11n能夠使用多達四個天線，但最廣泛使用的晶片組最多支援兩個天線。我們在高度為7m的杆上安裝了兩個IEEE 802.11n天線卡以測量空中鍊路性能。通過在杆上測量，我們可以消除其他效應，如2.4.1節所述。兩個天線使用相同的極化。
盡管測量中有噪聲，圖2-7顯示出使用MIMO并沒有實作預期的吞吐量雙倍增加，隻有在很短的距離内MIMO才能夠提高吞吐量。MIMO會啟用兩個不相關的信道，是以使用具有不同極化的天線可潛在地提高雙流MIMO的性能。
圖2-7 802.11不同工作模式的比較
2.4.3 多天線無人機空對地鍊路分析
根據上面的分析可以得出，在小型無人機上使用多天線技術具有一定挑戰性。首先，天線的重量和大小通常決定着有效通信載荷的重量和大小，是以将多個天線放在單個小型無人機架構結構上并非輕而易舉，其影響将是相當大的。其次，即使不考慮天線重量，LOS傳播環境也禁止使用多個天線進行空分複用。可以考慮使用多個天線進行波束成形，在這種情況下，天線合作增強LOS方向上的信号，并確定由兩個天線發射的波束在接收天線處正向相加。類似地，接收無人機處的多個天線可以合作接收來自LOS方向的信号，進而盡可能地忽略來自其他方向的信号。本節首先分析地面有害幹擾對接收無人機信噪比和信幹比的影響，然後将說明如何進行波束成形才能有效改善接收器的信号與幹擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR）。
1.有害幹擾測量
為了驗證假設，即幹擾等級随高度上升而增加，在參考文獻[430]中我們設計了一種輕量化的IEEE 802.11資料包嗅探器，它可以用于任何無人機甚至氦氣球上。有了嗅探器就能夠：記錄IEEE 802.11發射器的接收信号強度訓示（Received Signal Strength Indication, RSSI）的強度等級，顯示其随高度變化的趨勢；追蹤嗅探到的IEEE802.11發射器數量。圖2-8較長的描述了測量的設定，嗅探器放在了一個氣球上，隻會測量到周邊的環境幹擾。
圖2-8 無線監聽器放置在一個氦氣球上
如圖2-9所示，在城市環境中進行的測量指出，探測到的網絡數量相對于氣球的高度顯著增加。測量在比利時魯汶市居民區附近的大片空地上進行（用氣球可以飛到任何地方，沒有管制限制），氣球的高度近似于繩子的長度，但是在有風的情況下，氣球常常被吹走造成測量不準确，這導緻了檢測到的IEEE 802.11網絡數量出現波動。為了證明這種效應是由于空中網絡與地面網絡相比遮蔽有限，我們在高度遮蔽的環境（譯者注：即存在陰影效應）中進行了相同的測量。如圖2-10所示，結果确實證明，在這種場景下檢測到的網絡的數量不會随着高度增加。
圖2-9 監測到的網絡數量随高度變化圖
圖2-10 控制陰影效應的情況
2.有害幹擾模型
為了模拟上面測量的效果，我們建立了一個簡單的模型。由于工作在空對地場景中，是以可以預見路徑将由視線成分控制，是以可以用Friis方程有效地估算路徑損耗：
然而，測量證明應該考慮離散的陰影（遮蔽）效應（如圖2-11所示）。遮蔽可以簡單地表示為穿透物體每米的附加路徑損耗：
圖2-11 信号幹擾比
有了這個模型，我們可以确定空中接收器與地面基站通信時，受到來自地面上大量随機分布的無線接入點幹擾的信号與幹擾加噪聲比（SINR）。假設天線為全向天線并在自由空間傳播，一個跨越300m距離并在2.45GHz下工作的鍊路将具有90dB的路徑損耗。假設機載發射器的輸出功率為20dBm，那麼接收到的信号強度為-70dBm，這個信号強度等級不足以保證IEEE 802.11鍊路的無誤碼傳輸。可以假設該鍊路品質隻有在無人機飛行高度更高時才能變得更好，此時菲涅爾區将變得清晰。然而有幹擾時得到的結論完全不同，高強度的背景幹擾使得信幹比為負。圖2-12是100次仿真結果的均值（建築物和地面幹擾源位置随機），示範了這種效應。
圖2-12 平均信号幹擾比
2.5 總結
本章首先概述了飛機和地面站之間常用的通信技術。第一代系統由雷達系統和主要适用于語音通信的一些簡單通信技術組成。随着資料通信需求和吞吐量的不斷增加，LDACS1、LDACS2等現代數字通信技術應運而生。随着小型和中型無人機的出現，空中通信需求将進一步增加，通信技術向輕量化解決方案、用于視訊傳輸的高容量鍊路以及密集的網絡發展。我們已經探索了實作輕量化空中通信解決方案的可行性，其具有高資料速率并與地面通信系統良好共存。結果表明輕量化通信是可行的，但主要的問題來自于地面的幹擾。在地面通信中，依靠多天線技術可以實作高吞吐量和抗幹擾但對于空對空鍊路來說非常具有挑戰性。由于無人機通信非常容易受到來自地面的幹擾，是以使用多個天線進行波束成形以使對地面和來自地面的幹擾最小化是一項關鍵技術。本書的下一章将進一步研究和讨論IEEE 802.11技術在無人機網絡中的應用。