周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議研究設計

周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

航空自組網(wǎng)是未來下一代軍事通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向，M A C接入技術是航空自組網(wǎng)的關鍵技術之一。本文介紹了航空自組網(wǎng)的特點，研究了傳統(tǒng)的M A C接入技術，并給出了基于航空自組網(wǎng)的M A C接入?yún)f(xié)議考慮設計思路，對研究航空自組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構，探討實現(xiàn)其在軍事上的應用具有一定的參考意義。

航空自組網(wǎng)；M A C接入技術；研究設計

1 航空自組網(wǎng)簡介

航空自組網(wǎng)（a e r o n a u t i c a l A d Ho c n e t w o r k，A A NE T）是一種能在空中迅速展開使用并可以及時響應網(wǎng)絡拓撲結構的通信網(wǎng)絡，在其有效的通信范圍內(nèi)，航空飛行器（飛機）之間可以利用網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸、共享戰(zhàn)場態(tài)勢信息、實時轉發(fā)指控信息并且允許節(jié)點在不同的時間、地點動態(tài)地、頻繁地退出或接入網(wǎng)絡，建立起一個空中MA NE T。在航空自組網(wǎng)中，每個節(jié)點也是雙重身份，即終端和路由，當目的節(jié)點不在源節(jié)點的直接通訊范圍之內(nèi)時，就需要中繼續(xù)節(jié)點把分組以多跳的方式傳給直接通信范圍之外的飛行器，從而提供更優(yōu)質的航空通信保障，在軍事應用方面有很大的意義，目前各國軍方都開展了航空自組網(wǎng)的研究。

在航空自組網(wǎng)網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)鏈路層的MA C接入?yún)f(xié)議控制著信道中數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收，其效能的發(fā)揮直接體現(xiàn)著網(wǎng)絡對有限的無線帶寬資源的利用程度。因此，MA C接入技術對航空自組網(wǎng)的整體性能有著很大的影響，這也成為近年來業(yè)內(nèi)研究的熱點之一。

2 傳統(tǒng)MA C接入技術

介質訪問控制（MA C）子層作為數(shù)據(jù)鏈路層的主要部分，主要負責給節(jié)點提供一個合適的接入無線信道的時機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡中的可靠傳輸，它也是數(shù)據(jù)分組在無線信道上接收和發(fā)送的直接控制者。無線自組網(wǎng)MA C協(xié)議可分為三類：基于競爭機制的MA C協(xié)議、基于調(diào)度機制的MA C協(xié)議和混合接入機制的MA C協(xié)議。

在基于競爭機制的MA C協(xié)議中，網(wǎng)絡節(jié)點通過相互競爭的方式接入信道，并以分組的隨機重傳來減小分組碰撞的概率，該類協(xié)議有A L OHA、C S MA協(xié)議、基于握手機制的訪問控制協(xié)議和忙音類多址訪問協(xié)議等。

基于調(diào)度機制的MA C協(xié)議中把信道資源按照某個固定的算法劃分成多份，然后以一定的調(diào)度機制分配給節(jié)點，例如時分多址(T D MA)、碼分多址、頻分多址、空分多址等。

混合接入?yún)f(xié)議是把前兩種協(xié)議有機地結合起來，因此該類協(xié)議一般情況下都能夠保持各個訪問協(xié)議的部分優(yōu)點，同時又能避免原協(xié)議的主要缺陷，相對而言就有良好的協(xié)議性能。

3 基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議研究設計

由于航空自組網(wǎng)（A A NE T）相對于其他無線網(wǎng)絡的特殊性，它對MA C接入?yún)f(xié)議有著更高要求。如何將現(xiàn)有的MA NE T中已成熟的MA C協(xié)議，針對A A NE T的網(wǎng)絡特點加以改進，使其適應航空自組網(wǎng)的需要，并保證其有良好的通信質量，是一個亟待解決的問題。

基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議應重點從以下方面進行考慮設計。

3.1 快速建鏈能力

A A NE T中航空節(jié)點的高速運動使得節(jié)點間的相對位置在不斷變化，致使通信鏈路和網(wǎng)絡的拓撲結構也在不斷地發(fā)生變化。此時，快速建鏈能力就顯得相當重要。網(wǎng)絡拓撲結構是指網(wǎng)絡中節(jié)點的分布及其內(nèi)在的邏輯鏈路，顯然鏈路建立是拓撲結構形成的基礎。在航空自組網(wǎng)中，MA C協(xié)議決定鏈路，而鏈路的建立與節(jié)點所在域的環(huán)境密切相連。每個節(jié)點均擁有一個廣播域，在域內(nèi)各節(jié)點共享時間、空間、頻率和碼字等信道資源，域的大小與節(jié)點的移動性、干擾、噪聲以及發(fā)射功率、編碼調(diào)制、天線方向等因素有關，因此，綜合控制這些因素可影響鏈路的建立。

航空自組網(wǎng)MA C的快速建鏈可從兩個方面入手：一是采用鏈路自適應技術，確保在鏈路發(fā)生變化或信道狀態(tài)變差時能夠自動降低傳輸效率以提高接入和糾錯能力，在鏈路連接正常、信道狀態(tài)變好時自動提高傳輸效率。在時域，鏈路自適應技術通常根據(jù)信道狀態(tài)動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式、編碼方式等時域參數(shù)；二是通過跨層設計技術，使MA C協(xié)議借助物理層技術的發(fā)展進行重新設計。目前，基于正交頻分復用（OF D M）、多輸入多輸出技術（MI MO）和方向性天線的MA C協(xié)議研究正處于實驗階段。

在采用天線技術的MA C協(xié)議中，當前對于MA C協(xié)議的研究大多是針對傳統(tǒng)采用全向天線的I E E E 8 0 2.1 1 D C F進行局部改進，隨著MI MO及OF D M技術應用的不斷深入，為MA C層鏈路的快速建立提供了廣闊的發(fā)展空間，MI MO的空時接入技術是快速建立鏈路和支持高速率傳輸?shù)年P鍵因素，多用戶OF D M技術的使用使網(wǎng)絡取得更大的容量。

3.2 資源公平分配

在無線網(wǎng)絡中節(jié)點競爭公平性影響網(wǎng)絡的整體性能，因此在航空自組網(wǎng)中更要求MA C盡可能實現(xiàn)資源分配的公平性。航空自組網(wǎng)臨時性、稀疏性和多質異構性對MA C的接入公平性提出了更高的要求，多個節(jié)點同時共享信道，時常會造成一些節(jié)點比其他節(jié)點占用更多信道資源的情況，導致節(jié)點間不公平現(xiàn)象的產(chǎn)生。

研究的思路：

一是采用多信道方法解決隱藏終端和暴露終端的問題。在多信道方法中，將信道專門劃分為分別傳輸控制分組、數(shù)據(jù)分組和忙音分組的獨立信道，控制分組作用是用來探測接收節(jié)點能否接收數(shù)據(jù)分組，而不再擔負信道預約作用，信道預約判斷完全依賴于對忙音信號的探測。

二是依據(jù)退避階段的不同將沖突分為同級沖突和交叉沖突，同級沖突指處于同一退避階段的沖突，而交叉沖突指沖突雙方處于不同退避階段，并據(jù)此建立分布窗口離散性的沖突分類解析算法，重點解決競爭成功節(jié)點與阻塞節(jié)點共同競爭信道的問題，從而獲得更多的公平性。

三是采用多接入優(yōu)先級退避算法使節(jié)點根據(jù)需要形成多個發(fā)送隊列來緩存不同優(yōu)先級的報文。通過對不同隊列采取不同的退避參數(shù)達成對不同節(jié)點業(yè)務內(nèi)容區(qū)分，進而實現(xiàn)依據(jù)業(yè)務權重排序的公平接入。

3.3 多種業(yè)務的高質量服務

由于航空節(jié)點在特定戰(zhàn)場環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，其任務和作業(yè)種類是多種多樣的，傳輸量也會相當?shù)拇?，勢必會引起較大的分組碰撞、傳輸時延、帶寬不夠等問題。針對航空自組網(wǎng)的特殊性和所支持的業(yè)務類型，最大限度地同時滿足MA C協(xié)議的高效性和穩(wěn)定性，進一步增強質量服務（Qo S）保證技術，達到全網(wǎng)MA C性能的合理優(yōu)化是航空自組網(wǎng)MA C協(xié)議的又一個研究熱點，Qo S涉及到網(wǎng)絡的所有協(xié)議棧，每個協(xié)議層相應參數(shù)的設置都會影響到用戶業(yè)務。

由于航空自組網(wǎng)支持的業(yè)務種類較多，且不同業(yè)務要求提供不同的服務質量保障。對MA C層而言，如何依據(jù)用戶對Qo S的需求映射為Qo S指標，并通過指標的合理選擇和設定確保全網(wǎng)Qo S最優(yōu)化是MA C協(xié)議必須考慮的問題。航空自組網(wǎng)MA C層協(xié)議的量化指標主要有沖突率（C R）、吞吐量（NT）、分組延遲（D L）、公平性（F I）和抖動延遲（D J）等。

3.4 較強的抗干擾能力

在無線信道和分布式控制的環(huán)境下，A A NE T更易受到敵方或第三方的竊聽、入侵等，網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡服務的安全性和可靠性也受到了挑戰(zhàn)。軍用航空通信對信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊?，而采用無線信道和分布控制技術的航空自組網(wǎng)更易受到傳輸媒質的影響和被動竊聽、主動入侵、拒絕服務等網(wǎng)絡攻擊，這就要求MA C具有一定的抗干擾功能并能實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

4 結語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)發(fā)展為信息化條件下的局部戰(zhàn)爭，在航空部隊，建立一個結構靈活、具有較強的抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸性能良好的航空通信網(wǎng)絡是很有必要的。

研究基于航空自組網(wǎng)的MA C接入技術，對提高信道中數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收效能，充分實現(xiàn)網(wǎng)絡對有限的無線帶寬資源的利用，進而提高航空自組織網(wǎng)絡在軍事通信的發(fā)展應用具有重要意義。

[1]寇明延．現(xiàn)代航空通信技術[M]．國防工業(yè)出版社．2 0 1 1.

[2]陳林星．移動A d H o c網(wǎng)絡—自組織分組無線網(wǎng)絡技術[M]．電子工業(yè)出版社，2 0 1 1.

[3]王婷．自組網(wǎng)MA C層協(xié)議退避算法研究[D]．北京：北京交通大學，2 0 1 0.

[4]曹振林，孫榮平，柏長帥．MA C協(xié)議在航空自組網(wǎng)中應用綜述[J]．現(xiàn)代電子技術，2 0 1 3.1 1.

[5]S.Toumpis，and A.J.Goldsmith．Capacity Region for Wireless Ad hoc Networks.IEEE Transactions on Wireless Communications，July 2003.

[6]H. Zhai，J. Wang，Y. Fang． Distributed packet scheduling for multihop flows in Ad Hoc networks．Proceeding of IEEE WCNC'2004.

[7]張棋飛.無線自組織網(wǎng)絡路由及MA C協(xié)議關鍵技術研究[M].湖北人民出版社，2 0 1 2.

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