朱　慶　張衡陽(yáng)　毛玉泉

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院　陜西 西安 710077)

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航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議綜述

朱慶張衡陽(yáng)毛玉泉

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西 西安 710077)

摘要媒體接入控制協(xié)議MAC(Media access control protocol)是航空自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要解決多個(gè)飛行器如何高效共享通信信道的問(wèn)題，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和組網(wǎng)靈活性。由于航空自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚賱?dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)分布尺度較大，高空無(wú)線信道質(zhì)量較差等特殊性，其MAC協(xié)議和傳統(tǒng)地面移動(dòng)自組網(wǎng)MAC協(xié)議有著較大的區(qū)別。對(duì)航空自組網(wǎng)發(fā)展進(jìn)行了介紹，概述了航空自組網(wǎng)對(duì)MAC協(xié)議的要求，并深入分析比較了當(dāng)前幾類主要的航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議，最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。該綜述為航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研發(fā)和應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞航空自組網(wǎng)媒體接入控制協(xié)議服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, Qos)

0引言

航空自組網(wǎng)(見(jiàn)圖1)把移動(dòng)自組網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)技術(shù)創(chuàng)造性地應(yīng)用于航空通信，使一定范圍內(nèi)的航空飛行器自動(dòng)連接、快速組建一個(gè)MANET，各飛行器是主機(jī)和路由器的統(tǒng)一體，通過(guò)多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)超視距通信。應(yīng)用在軍事航空通信領(lǐng)域可以快速建立一個(gè)多跳、抗毀能力強(qiáng)的作戰(zhàn)信息共享網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各航空飛行器可以相互交換指揮控制指令、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息、飛行狀態(tài)等，及時(shí)的信息共享可以大幅提高作戰(zhàn)效率。應(yīng)用于民航領(lǐng)域可以克服目前航空電信網(wǎng)中飛機(jī)之間無(wú)法相互通信、不能共享環(huán)境感知信息、存在通信盲區(qū)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能滿足自由飛行的缺陷[1],為空中交通管制提供了新的手段[2]，保障了航班通信[3,4]。還能使飛行航班通過(guò)地面網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)[5]，共享資源給網(wǎng)絡(luò)中其他航班，使乘客在旅途中方便快捷地使用互聯(lián)網(wǎng)資源[6]。

MAC協(xié)議一直是航空自組網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，主要為了解決多個(gè)用戶如何高效共享物理鏈路資源，將有限的資源分配給網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)用戶，在眾多用戶之間實(shí)現(xiàn)公平、高效地共享帶寬[7]，其性能直接影響著網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端時(shí)延和組網(wǎng)靈活性，很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

圖1　航空自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖

1航空自組網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

由于航空自組網(wǎng)在軍事應(yīng)用上的巨大價(jià)值以及給民航領(lǐng)域帶來(lái)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局和歐洲空管等機(jī)構(gòu)在全球范圍發(fā)起了眾多的相關(guān)研究項(xiàng)目，同時(shí)國(guó)內(nèi)的一些院校和研究所也對(duì)航空自組網(wǎng)展開(kāi)了研究。1999年美國(guó)國(guó)防部提出了全球信息柵格GIG[8](Global Information Grid),該系統(tǒng)的目標(biāo)是建立覆蓋全球的軍事行動(dòng)信息采集和發(fā)布網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)全球任意地點(diǎn)之間的信息交互,而不受空間、地域和時(shí)間的限制[9]，如圖2所示，其空中通信系統(tǒng)擬建為“航空網(wǎng)絡(luò)”，提供無(wú)縫的空中戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)網(wǎng)[10]。

圖2　全球信息柵格GIG

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)技術(shù)TTNT[11,12](Tactical Targeting Network Technology)是由美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局與洛克韋爾公司于2001年開(kāi)始研發(fā)的一種新型高速、寬帶、動(dòng)態(tài)靈活、低時(shí)延的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈。TTNT以IP協(xié)議為基礎(chǔ)，是一種機(jī)載環(huán)境下的空地一體化MANET,使美軍能迅速定位、瞄準(zhǔn)移動(dòng)及時(shí)敏目標(biāo)，旨在實(shí)現(xiàn)空—空和空—地武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信，縮短C4KISR系統(tǒng)從“傳感器”到“射手”的時(shí)間，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。還有Minuteman[13,14](multimedia intelligent network of unattended mobile agents)，iNET[15-17](integrated network enhanced telemetry)，AANET[6,18](Aeronautical Ad Hoc Network)，NEWSKY[19,20](Networking the Sky for Aeronautical Communication)，ATENNA[1](advanced technologies for networking in avionic application)等航空自組網(wǎng)項(xiàng)目。

圖3　TTNT體系結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)針對(duì)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)提出了一種自組織時(shí)分多址協(xié)議；西安電子科技大學(xué)針對(duì)航空通信的高實(shí)時(shí)性，不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)QoS的要求不同，提出了基于定向天線和Ad Hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)初始化方案、節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)入網(wǎng)方案、基于時(shí)分多址協(xié)議TDMA(Time Multiple Access)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法以及同步方案；國(guó)防科技大學(xué)研究了在高誤碼率和高度干擾的大氣環(huán)境下，機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)收到嚴(yán)重影響的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有TDMA算法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)、接入策略和預(yù)留機(jī)制。此外還有北京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)航空自組網(wǎng)展開(kāi)了相關(guān)研究。

2航空自組網(wǎng)對(duì)MAC協(xié)議的要求

參考OSI分層協(xié)議體系，自組網(wǎng)可以分為五層，MAC子層控制節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線信道，為上層提供快速、可靠的分組報(bào)文傳送支持，MAC協(xié)議性能好壞對(duì)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，是自組網(wǎng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段必須要解決的重難點(diǎn)問(wèn)題[21]。航空自組網(wǎng)是在特殊環(huán)境下建立起來(lái)的MANET，它具有傳統(tǒng)MANET多跳、自組織、自修復(fù)的特點(diǎn)和臨時(shí)快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，也存在暴露終端，隱藏終端，無(wú)線帶寬有限，鏈路脆弱，QoS很難保證等問(wèn)題，由于其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，需要考慮更多的問(wèn)題[22]：

(1) 飛行器節(jié)點(diǎn)分布的大尺度性和稀疏性。在航空自組網(wǎng)中，飛行器節(jié)點(diǎn)分布范圍十分廣闊，可能導(dǎo)致信道質(zhì)量分布的不均勻；節(jié)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)，單跳通信半徑可達(dá)數(shù)百公里，傳播時(shí)延較大；節(jié)點(diǎn)分布稀疏，密度較小，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通[23-25]。

(2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母咚賱?dòng)態(tài)變化。民航客機(jī)的飛行速度一般在500～1000 km/h,而戰(zhàn)機(jī)的飛行速度最高能達(dá)3.5馬赫,節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)，飛行器不斷高速地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ沛溌房焖賱?dòng)態(tài)變化，可能使得網(wǎng)絡(luò)連通受限，在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)，需要考慮使用更多的通信資源來(lái)傳輸控制信息，快速建立通信鏈路。

(3) 無(wú)線信道不穩(wěn)定[26]和不均勻。航空自組網(wǎng)主要采用VHF頻段進(jìn)行視距通信，電磁波繞射能力較弱，信號(hào)傳輸容易受飛機(jī)機(jī)身和地形的影響，空空通信中，飛機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)，信道質(zhì)量受多普勒頻移[27]影響較大，地空通信中由于直射波和地面的反射波的疊加，還存在顯著的多徑衰落[28,29]。

(4) 節(jié)點(diǎn)差異性。航空自組網(wǎng)中存在多種不同類型的節(jié)點(diǎn)，如在軍事航空網(wǎng)絡(luò)中，可能存在預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)等航空飛行器，以及衛(wèi)星和地面網(wǎng)關(guān)等各種節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)在發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、處理能力、可靠性等方面有著不同的特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)也應(yīng)該考慮這些節(jié)點(diǎn)的差異性。

(5) 通信業(yè)務(wù)QoS保障。航空業(yè)務(wù)的多樣性，不同的業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延、吞吐量等性能指標(biāo)有著不同的要求，特別是軍用航空通信中武器控制指令的傳輸對(duì)時(shí)延要求極高，而語(yǔ)音、視頻類業(yè)務(wù)對(duì)吞吐量和時(shí)延有著較高的要求，在航空節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，無(wú)線鏈路不佳的情況下要求MAC協(xié)議對(duì)這些不同的業(yè)務(wù)能夠提供相應(yīng)的QoS支持。

(6) 安全性[30]。航空自組網(wǎng)采用分布式控制、無(wú)網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)、具有很強(qiáng)的臨時(shí)性，比一般無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更容易受安全方面的威脅。軍事領(lǐng)域的航空自組網(wǎng)更易受到傳輸媒質(zhì)的影響和被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊，這要求MAC協(xié)議具有一定的抗干擾功能以實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸[31]。

航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議在考慮上述眾多問(wèn)題的同時(shí)，還要求能處理較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，保證端到端傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量[32]，因此不能直接使用地面移動(dòng)自組網(wǎng)的MAC協(xié)議，航空自組網(wǎng)和傳統(tǒng)地面自組網(wǎng)的特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1　航空自組網(wǎng)與地面自組網(wǎng)特點(diǎn)對(duì)比

3航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀

3.1軍事航空通信MAC協(xié)議發(fā)展過(guò)程

航空自組網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)未來(lái)軍事航空通信的發(fā)展需求，早期的軍事航空通信主要追求信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，對(duì)MAC協(xié)議的要求也是如此。Link4A和Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂幂喸兘尤霗C(jī)制，Link16數(shù)據(jù)鏈[33]使用TDMA接入方式，這幾種接入方式本質(zhì)上都是靜態(tài)的時(shí)分復(fù)用；Link22針對(duì)Link16和Link11在使用過(guò)程中遇到的問(wèn)題和存在的缺點(diǎn)，提出了固定分配和預(yù)約分配相結(jié)合的DTDMA協(xié)議，在一定程度上使網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化；美軍TTNT網(wǎng)絡(luò)使用了基于信道統(tǒng)計(jì)優(yōu)先的多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA[11,12])協(xié)議，以色列的ACR-740數(shù)據(jù)鏈采用了基于改進(jìn)型CSMA協(xié)議，這幾種數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議特征對(duì)比如表2所示。

表2　航空數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議特征對(duì)比

3.2航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議分類和基本原理

從航空數(shù)據(jù)鏈采用的MAC協(xié)議和組網(wǎng)方式的逐漸轉(zhuǎn)變，我們可以看到航空通信的發(fā)展趨勢(shì)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從星型網(wǎng)逐漸向多跳分布式網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，接入方式不再只局限于時(shí)分復(fù)用模式。同時(shí)在確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上，對(duì)吞吐量、時(shí)延、靈活性的要求越來(lái)越高。目前航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研究主要集中于兩類：大多數(shù)項(xiàng)目采用的基于TDMA 的MAC協(xié)議，部分項(xiàng)目采用的基于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入的MAC協(xié)議。

3.2.1基于TDMA的MAC協(xié)議特點(diǎn)和性能比較

TDMA[34]協(xié)議將時(shí)間分割為周期性的幀，每一幀再分為若干個(gè)時(shí)隙，根據(jù)一定的時(shí)隙分配原則，給每個(gè)用戶分配一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙，用戶只能在指定時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)[7]，分組不存在碰撞的威脅。根據(jù)不同的時(shí)隙分配策略，TDMA協(xié)議可分為固定分配TDMA和動(dòng)態(tài)分配TDMA兩種。

固定分配TDMA協(xié)議給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配固定的時(shí)隙，時(shí)隙的分配在航空網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)確定，并且在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)隙分配保持不變。協(xié)議預(yù)先確定了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，保證了各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的公平性，消除了各個(gè)節(jié)點(diǎn)分組的碰撞威脅，算法復(fù)雜度和控制開(kāi)銷較小,在節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量恒定的時(shí)候，協(xié)議性能表現(xiàn)較好。但在航空領(lǐng)域，飛行器需要高速動(dòng)態(tài)地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，飛行器的退出，使得預(yù)先分配好的時(shí)隙被空置，導(dǎo)致信道利用率降低，飛行器的加入也無(wú)法分配新的時(shí)隙，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，靈活性較差。

動(dòng)態(tài)分配TDMA協(xié)議一般將時(shí)隙分為競(jìng)爭(zhēng)段和信息段，競(jìng)爭(zhēng)段和信息段各分為若干個(gè)時(shí)隙。在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，各個(gè)節(jié)點(diǎn)用一些短的預(yù)約分組提前預(yù)約信道，一旦預(yù)約成功，在信息時(shí)段相應(yīng)的時(shí)隙可以無(wú)沖突地發(fā)送分組。相比于固定分配TDMA，動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)、業(yè)務(wù)量的變化具有良好的適應(yīng)性，能夠靈活地分配信道資源，具有更高的時(shí)隙利用率和實(shí)時(shí)性。但是預(yù)約信息屬于管理信息，傳輸必然占用信道資源，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)或節(jié)點(diǎn)數(shù)變化導(dǎo)致預(yù)約控制信息的增多時(shí)，均會(huì)造成協(xié)議開(kāi)銷增大，信道利用率降低。

文獻(xiàn)[35]提出一種動(dòng)態(tài)分配TDMA協(xié)議PCC-TDMA，適用于含有多種不同類型節(jié)點(diǎn)的戰(zhàn)術(shù)MANET。協(xié)議將一個(gè)時(shí)幀分為優(yōu)先級(jí)分配階段，競(jìng)爭(zhēng)階段，數(shù)據(jù)傳輸階段，結(jié)合固定分配和動(dòng)態(tài)接入的優(yōu)勢(shì)，在固定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送控制信息。利用二進(jìn)制逆序比較算法競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送順序，大大減少分組碰撞和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，可適應(yīng)密度變化較大的網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[36]提出一種機(jī)載網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議，協(xié)議同時(shí)支持單播和廣播方式，并通過(guò)RTS/CTS控制報(bào)文解決隱藏終端問(wèn)題。協(xié)議將每幀分為控制時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)通過(guò)微控制時(shí)隙來(lái)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)快速預(yù)留。同時(shí)還可以申請(qǐng)使用先前的空閑時(shí)隙或競(jìng)爭(zhēng)失敗時(shí)隙，充分提高時(shí)隙的利用率和空間復(fù)用；J.G在文獻(xiàn)[37]中對(duì)Johnson等人提出STDMA協(xié)議性能進(jìn)行了分析，研究了其算法和用于多跳網(wǎng)絡(luò)的可行性。文獻(xiàn)[38]認(rèn)為STDMA協(xié)議不能給節(jié)點(diǎn)分配連續(xù)性的時(shí)隙以滿足實(shí)時(shí)性高的業(yè)務(wù)，因此提出了“時(shí)隙塊”的概念對(duì)協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。Li等人在文獻(xiàn)[32]中認(rèn)為STDMA協(xié)議存在一些缺陷，如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)發(fā)送信息，而接收節(jié)點(diǎn)卻要處理優(yōu)先級(jí)、分組碰撞、本地信息分發(fā)等大量工作。在高動(dòng)態(tài)變化的航空環(huán)境中接收節(jié)點(diǎn)將面臨過(guò)高的計(jì)算量負(fù)荷，無(wú)法給節(jié)點(diǎn)分配連續(xù)時(shí)隙以滿足高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，交互信息復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)，因此提出了IDTA協(xié)議。該協(xié)議運(yùn)行在收發(fā)雙方，減輕了接收節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量負(fù)擔(dān)，信道分配時(shí)耗費(fèi)更少時(shí)間。此外，Guo Z H等人在文獻(xiàn)[39]中提出了一種基于TDMA的令牌環(huán)MAC協(xié)議，該協(xié)議能夠高效地交換控制信息，對(duì)新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)快速提供QoS支持。上述幾種協(xié)議的性能比較如表3所示。

表3　基于TDMA的MAC協(xié)議性能比較

3.2.2基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議特點(diǎn)和性能比較

基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議的基本思想是：節(jié)點(diǎn)有分組到達(dá)時(shí)，則立即發(fā)送分組，或先通過(guò)某種方式判斷信道忙閑，若信道閑，則發(fā)送分組，信道忙則退避一段時(shí)間。隨機(jī)接入[40]方式，不需要預(yù)先給各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，能有效處理用戶數(shù)量的可變性和通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性，對(duì)高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)傳輸有著天然的優(yōu)勢(shì)。

802.11采用的CSMA/CA是目前比較有代表性的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。該協(xié)議能提供較低的端到端時(shí)延，但其并不能直接用于航空自組網(wǎng)。首先，其分組在接入信道前，需要對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng)，航空通信距離一般較遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到的狀態(tài)并不是當(dāng)前的信道狀態(tài)。而且在航空信道中，偵聽(tīng)時(shí)間為2 ms才能可靠接收和檢測(cè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，在此期間不能進(jìn)行任何信號(hào)的傳輸，每次信息傳輸都有2 ms時(shí)間被空置，多次傳輸會(huì)導(dǎo)致信道利用率降低。同時(shí)CSMA/CA協(xié)議采用RTS,CTS,ACK的多次握手信號(hào)來(lái)保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，而航空通信傳播時(shí)延比較大，多次握手會(huì)導(dǎo)致端到端時(shí)延進(jìn)一步增大，無(wú)法滿足航空自組網(wǎng)中對(duì)時(shí)延的要求[41]。

TTNT是一種基于IP[42]的航空Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)緊緊圍繞著打擊“時(shí)敏目標(biāo)”的要求而展開(kāi)，旨在實(shí)現(xiàn)空—空和空—地武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信，縮短C4KISR系統(tǒng)從“傳感器”到“射手”的時(shí)間。TDMA協(xié)議由于其時(shí)隙結(jié)構(gòu)的限制，信息共享的時(shí)延一般在秒級(jí)，無(wú)法滿足對(duì)時(shí)敏性目標(biāo)打擊的時(shí)效性要求，因此美軍設(shè)計(jì)了SPMA協(xié)議，協(xié)議運(yùn)用了數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、突發(fā)拆分技術(shù)、Turbo編碼、信道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、跳頻跳時(shí)[43]等思想。具體做法是，采用滑動(dòng)平均統(tǒng)計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)信道忙閑程度，計(jì)算每個(gè)頻點(diǎn)接收到的脈沖個(gè)數(shù)并求和，與不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)所設(shè)定的忙閑閾值相比較，確定信道忙閑程度，當(dāng)信道的忙閑程度小于閾值時(shí)分組可以接入信道，否則執(zhí)行退避算法。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4　SPMA協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

國(guó)內(nèi)外對(duì)航空自組網(wǎng)隨機(jī)接入類MAC協(xié)議的研究大多在一定程度上借鑒了SPMA的思想。文獻(xiàn)[44]提出PSMC協(xié)議，該協(xié)議不對(duì)信道進(jìn)行偵聽(tīng)，而是通過(guò)統(tǒng)計(jì)過(guò)去一段時(shí)間信道上接收到的脈沖數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)段的忙閑，避免了對(duì)信道偵聽(tīng)而造成的時(shí)延。文獻(xiàn)[45]提出Turbo_MAC協(xié)議，文獻(xiàn)[46]提出BT-MAC協(xié)議，均在分組發(fā)送前對(duì)分組進(jìn)行Turbo編碼，增加一定的冗余信息，發(fā)送過(guò)程即使丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，在接收端仍能進(jìn)行糾錯(cuò)重建數(shù)據(jù)分組，協(xié)議在保證較高的可靠性和吞吐量的情況下完全避免了多次的握手信號(hào)造成的時(shí)延。文獻(xiàn)[47]認(rèn)為SPMA協(xié)議雖然在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行截流，保障了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的低時(shí)延發(fā)送，但此時(shí)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)延較大，因此提出PBLL/HL協(xié)議，降低了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)由于截流而導(dǎo)致的時(shí)延，使網(wǎng)絡(luò)不至迅速擁塞惡化。上述幾種隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的性能比較如表4所示。

表4　基于隨機(jī)接入的MAC協(xié)議比較

4航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議分析對(duì)比

基于TDMA的MAC協(xié)議以某種方式動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地為每個(gè)用戶固定分配一定的信道時(shí)隙資源，用戶可以不受干擾地獨(dú)享已分配的時(shí)隙。這種方式可以保證用戶接入信道的公平性和平均時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模確定后能保證較高的系統(tǒng)吞吐量，系統(tǒng)穩(wěn)定。但其對(duì)同步的要求較高，不能有效應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化和通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性，動(dòng)態(tài)TDMA在靈活性方面有所改善，但其時(shí)分復(fù)用的機(jī)制很難適用于對(duì)時(shí)延要求較高的場(chǎng)合，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大。

隨機(jī)接入類的MAC協(xié)議由于其接入信道的“實(shí)時(shí)性”和“隨機(jī)性”，能夠高速動(dòng)態(tài)靈活組網(wǎng)，同時(shí)提供極低的端到端時(shí)延。這些特點(diǎn)符合未來(lái)航空自組網(wǎng)的發(fā)展需求，但由于其分組發(fā)送的“隨機(jī)性”，即使采用了多種沖突分解的方法，仍然無(wú)法完全避免分組產(chǎn)生的碰撞。這種信道接入方式很難提供QoS保證，在負(fù)載較重時(shí)難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，兩種類型的MAC協(xié)議性能比較如表5所示。

表5　航空自組網(wǎng)兩種類型MAC協(xié)議性能比較

5結(jié)語(yǔ)

由于發(fā)展體制原因，加上目前飛機(jī)配上GPS后，可以提供比較精確的全網(wǎng)時(shí)間同步和自身位置信息，所以基于TDMA的MAC協(xié)議組網(wǎng)方案發(fā)展的相對(duì)比較成熟。這類MAC協(xié)議側(cè)重于傳輸?shù)目煽啃?、公平性和穩(wěn)定性，但分組接入等待時(shí)延大，組網(wǎng)不夠靈活，動(dòng)態(tài)TDMA的出現(xiàn)一定程度上改善了入網(wǎng)退網(wǎng)的靈活性，但工程實(shí)現(xiàn)難度較大?；陔S機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入的MAC協(xié)議能提供低的接入時(shí)延、維持較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力，這些特征符合未來(lái)航空通信的需求，但在QoS保障、公平性和穩(wěn)定性上有著天然的不足。目前一種可行的研究方法是提供區(qū)分優(yōu)先級(jí)[48,49]的QoS保障，例如保障高優(yōu)先級(jí)低的接入時(shí)延[50]和低優(yōu)先級(jí)高的吞吐量, 也有一些研究嘗試將兩種類型協(xié)議融合[51]，協(xié)議運(yùn)行時(shí)能快速在二者間切換。就未來(lái)軍事航空通信[52]低時(shí)延、高速率、快速動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的需求而言，隨機(jī)接入類型的MAC協(xié)議有著更好的發(fā)展前景。

航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的發(fā)展趨勢(shì)：一是采用多信道和多天線機(jī)制[53]，多個(gè)信道同時(shí)進(jìn)行通信，可以有效解決隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，物理上消除控制分組和傳輸分組的碰撞。每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置多個(gè)天線，可以和多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行通信，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸效率和服務(wù)質(zhì)量。二是引入認(rèn)知無(wú)線電。研究發(fā)現(xiàn)，全球授權(quán)的頻譜大部分利用率不足1%，即使傳輸特性較好，需求緊張的300 MHz～3 GHz頻段,測(cè)試結(jié)果顯示頻譜利用率也不足6%[54]。因此加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道的認(rèn)知，充分利用頻譜漏洞，對(duì)提高信道利用率，減少分組碰撞，提高平均吞吐量具有十分重要的意義。三是改進(jìn)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入控制協(xié)議，開(kāi)展沖突分解方法的研究，滿足臨時(shí)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，系統(tǒng)容量、區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)服務(wù)保障QoS、傳輸時(shí)效性和可靠性的要求。

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REVIEW ON MAC PROTOCOLS FOR AERONAUTICAL AD HOC NETWORKS

Zhu QingZhang HengyangMao Yuquan

(College of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,Shaanxi,China)

AbstractAs one of the key techniques of aeronautical Ad hoc networks, media access control (MAC) protocol mainly solves the problem of how the aerocrafts efficiently share communication channels, and it affects the network throughput, transmission delay, network scale and networking flexibility as well. Since the special natures of network topology of aeronautical Ad hoc networks such as high-speed and dynamic change, wide distribution scale of nodes and poor quality of aerial wireless channel, their MAC protocols are very different from the MAC protocols of traditional ground mobile Ad hoc networks. In the paper we introduce the development of aeronautical Ad hoc networks, outline the requirement of aeronautical Ad hoc networks on MAC protocols, and analyse and compare in depth the main MAC protocols of aeronautical Ad hoc networks at present. Finally we give the summarisation and prospection. This review provides certain theoretical and technical foundation for the research and development as well as application of MAC protocol in aeronautical Ad hoc network.

KeywordsAeronautical Ad hoc networksMedia access control protocolQuality of Service

收稿日期：2015-02-17。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61202490)；航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2013ZC15008)。朱慶，碩士生，主研領(lǐng)域：航空自組網(wǎng)。張衡陽(yáng)，副教授。毛玉泉，教授。

中圖分類號(hào)TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.002