嚴(yán) 雯

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)通用航空快速發(fā)展，對(duì)低空空域的需求與日俱增。2010年11月，我國(guó)發(fā)布了《關(guān)于深化我國(guó)低空空域管理改革的意見(jiàn)》，正式開(kāi)放千米以下低空空域［1］。

為了保障低空飛行的安全，低空空域應(yīng)盡可能地為低空飛行器提供連續(xù)的地空通信。其中，超短波(VHF)通信是地空通信的重要手段之一。VHF通信屬于視距通信，地面VHF 遠(yuǎn)端站的通信覆蓋范圍與低空飛行器的飛行高度緊密相關(guān)，根據(jù)理論分析計(jì)算，單個(gè)遠(yuǎn)端站的通信覆蓋范圍僅約100 km。因此，低空飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)涉及跨越多個(gè)VHF 遠(yuǎn)端站的情況，存在低空飛行器無(wú)線接入、越區(qū)切換等移動(dòng)性管理問(wèn)題。

傳統(tǒng)的地空組網(wǎng)技術(shù)［2］根據(jù)地面管制中心獲得的飛機(jī)航跡、飛行趨勢(shì)、當(dāng)前鏈路通信范圍和工作狀態(tài)，新增成員對(duì)通信的影響等來(lái)決定鏈路切換，以保證不間斷、跨區(qū)域的通信。但是，低空監(jiān)視空域和報(bào)告空域無(wú)法獲得飛機(jī)的航跡和飛行趨勢(shì)信息，傳統(tǒng)的地空組網(wǎng)技術(shù)無(wú)法應(yīng)用。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出讓飛機(jī)根據(jù)當(dāng)前的位置信息和飛行趨勢(shì)，結(jié)合低空空管地面通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信覆蓋情況實(shí)時(shí)計(jì)算需要接入的地面遠(yuǎn)端站，決定越區(qū)切換的切換點(diǎn)，發(fā)起位置更新流程，讓機(jī)載平臺(tái)動(dòng)態(tài)接入到低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中。

2 系統(tǒng)描述和模型抽象

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

低空空管通信網(wǎng)絡(luò)總體框架［3－4］如圖1所示，包括VHF 地空話音通信和地面通信網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，地面通信網(wǎng)絡(luò)由全國(guó)通航服務(wù)中心、區(qū)域通航服務(wù)中心、飛行服務(wù)站以及遠(yuǎn)端站構(gòu)成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。全國(guó)通航服務(wù)中心、區(qū)域通航服務(wù)中心作為通航服務(wù)的管理者，分別負(fù)責(zé)全國(guó)范圍和區(qū)域內(nèi)不同通航飛行服務(wù)站數(shù)據(jù)與信息的匯集和服務(wù)移交。飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)控制和管理遠(yuǎn)端站，為通用航空飛行器提供飛行服務(wù)。遠(yuǎn)端站配合飛行服務(wù)站工作，為通用航空飛行器提供地空通信接入點(diǎn)，負(fù)責(zé)地面通信與地空通信的轉(zhuǎn)接。

圖1 低空空管通信網(wǎng)絡(luò)總體框架Fig.1 Framework of communication network for low－altitude airspace

2.2 移動(dòng)性管理模型

低空飛行器在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)航行，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)為其提供持續(xù)的VHF 話音通信服務(wù)，其本質(zhì)是典型的移動(dòng)性管理問(wèn)題［5－7］，即用戶(低空飛行器)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)，用戶對(duì)VHF 話音通信的使用不受航行位置變化和接入點(diǎn)(遠(yuǎn)端站和飛行服務(wù)站)變化的影響。

目前，經(jīng)典的移動(dòng)性管理機(jī)制主要有GSM 和移動(dòng)IPv6 網(wǎng)絡(luò)，由表1的對(duì)比可知，低空空管VHF無(wú)線接入的網(wǎng)絡(luò)組織形式更貼近GSM 的方式，因此，本文著重借鑒GSM 的移動(dòng)性管理結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路。

借鑒GSM 設(shè)計(jì)思路，根據(jù)低空空管通信網(wǎng)絡(luò)各設(shè)施之間的關(guān)系，在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)鋵雍途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵拥幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)移動(dòng)管理層，引入歸屬位置寄存器/訪問(wèn)位置寄存器(Home Location Register/ Visitor Location Register，HLR/VLR)機(jī)制進(jìn)行低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理，如圖2所示。

表1 移動(dòng)性管理需求分析表Table 1 Requirements of mobility management

圖2 低空空管移動(dòng)性管理模型Fig.2 Mobility management model of communication network for low－altitude airspace

下面具體描述本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)性管理模型。

(1)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)

每個(gè)低空飛行器為獨(dú)立的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node，MN)，分配唯一標(biāo)識(shí)的低空飛行器識(shí)別號(hào);移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性管理活動(dòng)用3 種不同的移動(dòng)性管理狀態(tài)來(lái)描述，分別是IDLE 狀態(tài)、READY 狀態(tài)和STANDBY 狀態(tài)。

IDLE 狀態(tài):MN 處于不活動(dòng)狀態(tài)，HLR 和VLR不包含該用戶的有效的位置及路由信息。

READY 狀態(tài):MN 登錄到低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中，處于活動(dòng)狀態(tài)，HLR 和VLR 記錄該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息。

STANDBY 狀態(tài):MN 處于未知狀態(tài)，VLR 和HLR 掌握的低空航空器位置信息超時(shí)。

(2)VLR

為每個(gè)飛行服務(wù)站設(shè)立VLR，用于記錄臨時(shí)移動(dòng)到其服務(wù)范圍內(nèi)的MN 用戶及其狀態(tài)信息;本文中，VLR 使用＜nid，rsid，fssid，scid，hlrid，nstatus ＞描述一架低空飛行器在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中的位置信息。其中:nid 是低空飛行器標(biāo)識(shí)，唯一標(biāo)識(shí)低空飛行器;rsid 標(biāo)識(shí)當(dāng)前接入的遠(yuǎn)端站，fssid 標(biāo)識(shí)當(dāng)前所屬的飛行服務(wù)站，scid 標(biāo)識(shí)當(dāng)前所屬的通航服務(wù)中心;hlrid 標(biāo)識(shí)用戶的歸屬HLR;nstatus 標(biāo)識(shí)低空飛行器的移動(dòng)性管理狀態(tài)，有IDEL、STANDBY、READY 3 種狀態(tài)。

(3)HLR

根據(jù)用戶數(shù)量，選擇采用多個(gè)通航服務(wù)中心共用或者單個(gè)通航服務(wù)中心設(shè)立一個(gè)HLR 方式。HLR 主要存放兩類信息:一是所屬M(fèi)N 的基本信息，包括低空飛行器識(shí)別號(hào)、用戶接入等級(jí)等永久數(shù)據(jù);二是所屬活動(dòng)MN 的當(dāng)前位置信息，為臨時(shí)數(shù)據(jù)。HLR 使用＜nid，nlevel，rsid，fssid，scid，nstatus ＞描述一架低空飛行器的移動(dòng)性管理信息，其中nlevel 表示該低空飛行器的用戶接入等級(jí)。

這樣，整個(gè)低空通信網(wǎng)絡(luò)可以抽象為典型的二級(jí)移動(dòng)性管理模型，包括站內(nèi)移動(dòng)性管理和站間移動(dòng)性管理。站內(nèi)移動(dòng)性管理主要負(fù)責(zé)在同一飛行服務(wù)站下不同遠(yuǎn)端站之間的移動(dòng)性管理，主要由該飛行服務(wù)站下的VLR 更新MN 的位置信息即可，具體過(guò)程描述見(jiàn)3.3 節(jié)。站間移動(dòng)性管理負(fù)責(zé)在不同飛行服務(wù)站之間的移動(dòng)性管理，需要HLR 和VLR 配合工作，更新MN 的位置信息，具體過(guò)程描述見(jiàn)3.4 節(jié)。

3 低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理

低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理主要包括登記注冊(cè)、入網(wǎng)和退網(wǎng)、站內(nèi)移動(dòng)性管理和站間移動(dòng)性管理等內(nèi)容。

3.1 登記注冊(cè)

通航用戶在購(gòu)買低空飛行器時(shí)，會(huì)獲得全國(guó)范圍唯一標(biāo)識(shí)的低空飛行器識(shí)別號(hào)，并作為移動(dòng)用戶在歸屬HLR 登記注冊(cè)。當(dāng)?shù)涂蘸娇掌鞑伙w行時(shí)，歸屬HLR 標(biāo)記該移動(dòng)用戶為IDEL，rsid、fssid、scid 項(xiàng)數(shù)據(jù)無(wú)效，移動(dòng)用戶描述為＜nid，nlevel，null，null，null，IDEL ＞。

3.2 入網(wǎng)和退網(wǎng)

根據(jù)飛行計(jì)劃，低空飛行器在起飛前完成入網(wǎng)登記，在降落后自動(dòng)執(zhí)行退網(wǎng)工作。

入網(wǎng)登記過(guò)程為:起飛前，移動(dòng)用戶登錄到網(wǎng)絡(luò)中，其歸屬HLR 將其狀態(tài)更改為READY 狀態(tài)，起飛機(jī)場(chǎng)所屬的VLR 記錄該移動(dòng)用戶的位置信息。

退網(wǎng)過(guò)程為:降落后，移動(dòng)用戶將向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送退網(wǎng)消息，其歸屬HLR 將其狀態(tài)更改為IDEL 狀態(tài)，降落機(jī)場(chǎng)所屬的VLR 刪除該移動(dòng)用戶的位置信息。

3.3 站內(nèi)移動(dòng)性管理

站內(nèi)移動(dòng)性管理主要負(fù)責(zé)同一飛行服務(wù)站下，不同遠(yuǎn)端站之間的移動(dòng)性管理。假設(shè)地面站A 和地面站C 接入到同一個(gè)飛行服務(wù)站A，飛行服務(wù)站A 歸屬于通航服務(wù)中心M，低空飛行器N(用戶接入等級(jí)為1)從地面站A 覆蓋區(qū)飛向地面站C 覆蓋區(qū)，歸屬于HLR W。飛行服務(wù)站站內(nèi)移動(dòng)性管理更新流程圖如圖3所示，具體的流程為:

(1)低空飛行器N 實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)載平臺(tái)需要接入的遠(yuǎn)端站，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器在遠(yuǎn)端站A 和遠(yuǎn)端站C 的覆蓋交疊區(qū)，并即將離開(kāi)遠(yuǎn)端站A 的覆蓋區(qū)域，進(jìn)入遠(yuǎn)端站C 時(shí)，在切換點(diǎn)向地面發(fā)送位置更新請(qǐng)求(包含原遠(yuǎn)端站、原飛行服務(wù)站、更新類型=站內(nèi)切換等)。遠(yuǎn)端站C 收到位置更新請(qǐng)求后，直接轉(zhuǎn)發(fā)給飛行服務(wù)站A;

(2)飛行服務(wù)站A 收到位置更新請(qǐng)求后，根據(jù)低空飛行器N 請(qǐng)求得知本次切換是站內(nèi)切換，更新VLR 中的用戶信息＜N，C，A，M，W，READY ＞;

(3)飛行服務(wù)站A 向HLR 報(bào)告發(fā)生站內(nèi)位置更新事件;

(4)HLR 收到站內(nèi)位置更新報(bào)告后，更新用戶信息＜N，1，A，A，M，READY ＞為＜N，1，C，A，M，READY ＞，并向飛行服務(wù)站返回更新確認(rèn)信息;

(5)飛行服務(wù)站A 在向HLR 報(bào)告發(fā)生站內(nèi)位置更新事件的同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)端站C 向低空飛行器N回復(fù)位置更新請(qǐng)求確認(rèn);

(6)低空飛行器N 收到位置更新確認(rèn)后，表明機(jī)載端完成位置更新。

圖3 飛行服務(wù)站站內(nèi)移動(dòng)性管理流程圖Fig.3 Flow chart of mobility management within one flight service station

3.4 站間移動(dòng)性管理

站間移動(dòng)性管理負(fù)責(zé)在不同飛行服務(wù)站之間的移動(dòng)性管理，飛行服務(wù)站可以歸屬于相同的通航服務(wù)中心，也可以歸屬于不同的通航服務(wù)中心。假設(shè)地面站A 和地面站B 分別接入到不同飛行服務(wù)站A 和B，低空飛行器N(用戶接入等級(jí)為1)從地面站A 覆蓋區(qū)飛向地面站B 覆蓋區(qū)，歸屬于HLR W，飛行服務(wù)站A 歸屬于通航服務(wù)中心M，飛行服務(wù)站B 歸屬于通航服務(wù)中心P。正常情況下，飛行服務(wù)站站間移動(dòng)性管理更新流程圖如圖4所示，具體的流程為:

(1)低空飛行器N 實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)載平臺(tái)需要接入的遠(yuǎn)端站，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器在遠(yuǎn)端站A 和遠(yuǎn)端站B 的覆蓋交疊區(qū)，并即將離開(kāi)遠(yuǎn)端站A 的覆蓋區(qū)域，進(jìn)入遠(yuǎn)端站B 時(shí)，在切換點(diǎn)向地面發(fā)送位置更新請(qǐng)求。遠(yuǎn)端站B 收到位置更新請(qǐng)求(包含原遠(yuǎn)端站、原飛行服務(wù)站、更新類型=站間切換等)后，直接轉(zhuǎn)發(fā)給飛行服務(wù)站B;

(2)飛行服務(wù)站B 收到位置更新請(qǐng)求信息后，根據(jù)低空飛行器N 請(qǐng)求得知本次切換是站間切換，如果是，立即向飛行服務(wù)站A 請(qǐng)求該用戶的用戶數(shù)據(jù)。當(dāng)飛行服務(wù)站B 接收到飛行服務(wù)站A 返回的用戶數(shù)據(jù)后，在本地VLR_B 中新增該用戶信息＜N，B，B，P，W，READY ＞;

(3)飛行服務(wù)站B 向HLR 報(bào)告發(fā)生站間位置更新事件;

(4)HLR 收到站間位置更新報(bào)告后，在HLR 中更新該用戶信息＜N，1，A，A，M，READY ＞為＜N，1，B，B，P，READY ＞，并向飛行服務(wù)站B 返回更新確認(rèn)信息;

(5)HLR 向飛行服務(wù)站A 發(fā)送刪除舊的位置登記消息，讓飛行服務(wù)站A 刪除該用戶登記信息;

(6)飛行服務(wù)站A 刪除該用戶登記信息后，向HLR 回復(fù)刪除確認(rèn)信息;

(7)飛行服務(wù)站B 在向HLR 報(bào)告發(fā)生站間位置更新事件的同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)端站B 向低空飛行器N回復(fù)位置更新請(qǐng)求確認(rèn);

(8)低空飛行器N 收到位置更新確認(rèn)后，完成位置更新。

圖4 飛行服務(wù)站站間移動(dòng)性管理流程圖Fig.4 Flow chart of mobility management between flight service stations

3.5 周期位置更新

低空飛行器在飛行過(guò)程中，因?yàn)榈乜胀ㄐ沛溌焚|(zhì)量很差，地面網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法知道移動(dòng)臺(tái)位置;低空飛行器飛出地面通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，地面網(wǎng)絡(luò)也無(wú)法獲得移動(dòng)臺(tái)位置。為了及時(shí)獲得飛行器的狀態(tài)，要求低空飛行器周期地向地面網(wǎng)絡(luò)報(bào)告位置信息，啟動(dòng)周期位置更新過(guò)程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)收不到消息，則當(dāng)前VLR 和HLR 更改用戶狀態(tài)為STANDBY。

4 性能分析

在低空飛行器飛行過(guò)程中，站內(nèi)和站間位置更新引入的切換延時(shí)將直接影響低空飛行器與地面通話的連續(xù)性。因此，本節(jié)分析低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理。為了方便數(shù)學(xué)分析，假設(shè)低空飛行器和遠(yuǎn)端站之間的無(wú)線鏈路傳輸延時(shí)為α，地面通信網(wǎng)絡(luò)中一跳的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為β，單個(gè)飛行服務(wù)站的處理時(shí)延為td，根據(jù)低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理機(jī)制，站內(nèi)切換時(shí)延Tintra－FSS和站間切換時(shí)延Tinter－FSS分別為

其中，N 為新舊遠(yuǎn)端站之間的傳輸跳數(shù)。

因此，平均切換時(shí)延為

其中，pinter－FSS為站間切換的發(fā)生概率，pintra－FSS為站內(nèi)切換的發(fā)生概率，為站間切換時(shí)新舊服務(wù)站之間的跳數(shù)。

從式(3)可以看到，低空空管VHF 無(wú)線接入切換延時(shí)與切換的發(fā)生概率、站間切換時(shí)新舊服務(wù)站之間的平均跳數(shù)以及單個(gè)飛行服務(wù)站的處理時(shí)延密切相關(guān)。

5 實(shí)驗(yàn)室實(shí)例

根據(jù)低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理機(jī)制，本文開(kāi)發(fā)了VHF 無(wú)線接入仿真演示軟件，如圖5所示。仿真場(chǎng)景為:部署多個(gè)遠(yuǎn)端站和飛行服務(wù)站(由三角形標(biāo)識(shí))，保證區(qū)域內(nèi)的VHF 通信覆蓋，各個(gè)飛行服務(wù)站建立VLR，成都建立HLR;多架低空飛行器在覆蓋區(qū)域下同時(shí)獨(dú)立飛行。圖中，粗線條為低空飛行器的飛行航跡，虛線條代表低空飛行器當(dāng)前的歸屬飛行服務(wù)站。仿真表明，低空空管VHF無(wú)線接入移動(dòng)性管理機(jī)制能支持多架低空飛行器的航行，如圖所示，低空飛行器1 在沿航跡飛行過(guò)程中，在飛離成都站的覆蓋范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到樂(lè)山站。

圖5 VHF 無(wú)線接入仿真演示圖Fig.5 VHF dynamic access software

6 結(jié)束語(yǔ)

本文深入探討了低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理技術(shù)，借鑒GSM 經(jīng)典移動(dòng)性管理模型的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)低空空管通信網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了低空空管VHF 無(wú)線接入移動(dòng)性管理機(jī)制。通過(guò)本課題的研究，積累了適用于低空空域的VHF無(wú)線接入、越區(qū)切換、位置管理等移動(dòng)性管理技術(shù)，但是目前僅在仿真層面進(jìn)行了演示和驗(yàn)證，缺乏實(shí)踐方面的試驗(yàn)和驗(yàn)證。下一步將升級(jí)現(xiàn)有軟件，提升其穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)用于低空空域典型區(qū)域的部署和試驗(yàn)。

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