周洪霞，王思臣，陳川，柏長帥

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

航空自組網(wǎng)簡介及發(fā)展應用現(xiàn)狀

周洪霞，王思臣，陳川，柏長帥

（海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

航空自組網(wǎng)作為一種新型的通信網(wǎng)絡，在軍用通信領域有著極大的應用前景，是目前研究的熱點。本文介紹了航空自組網(wǎng)的基本概念、網(wǎng)絡特點、關鍵技術和發(fā)展應用現(xiàn)狀，對了解研究航空自組網(wǎng)，并將其應用于下一代軍用航空通信網(wǎng)絡中具有重要意義。

航空自組網(wǎng)；網(wǎng)絡特點；關鍵技術；發(fā)展現(xiàn)狀

1 航空自組網(wǎng)簡介

Ad Hoc網(wǎng)絡技術起源于20世紀60年代，它是在美國國防部 DARPA 資助研究的“戰(zhàn)場環(huán)境下分組無線網(wǎng)”項目中產(chǎn)生的一種新型組網(wǎng)技術，其特點是便于在特殊環(huán)境或緊急情況下構建的無線通信網(wǎng)絡。航空自組網(wǎng)（aeronautical Ad Hoc network，AANET）是移動Ad Hoc網(wǎng)絡在航空通信領域的應用，也稱空中自組網(wǎng)或機載自組網(wǎng)，在該網(wǎng)絡中，每個飛行器不僅是一個收發(fā)器，而且還是一個路由器，可采用多跳的方式把數(shù)據(jù)轉發(fā)給更遠的飛行器，能夠滿足特定條件下的軍用航空通信的需求，是對現(xiàn)有航空通信網(wǎng)的補充和發(fā)展。

其網(wǎng)絡特點包括：

（1）分布場景的大尺度和三維性。單跳通信半徑可達數(shù)百公里，網(wǎng)絡分布的地理范圍很廣闊，甚至可能建立于洲際或大洋的范圍上。同時，由于飛機在三維空間內(nèi)飛行，該網(wǎng)絡具有三維特性。

（2）拓撲的高動態(tài)性。軍用飛機速率的變化范圍大，最高速率可達3.5Mach(1191m/s)，節(jié)點的高速移動會造成網(wǎng)絡拓撲的快速變化，從而對網(wǎng)絡連通性、MAC協(xié)議、路由協(xié)議等方面產(chǎn)生嚴重影響。

（3）信道質量的不穩(wěn)定性。航空自組網(wǎng)主要采用UHF和VHF頻段進行視距通信。在空對空通信中，信道質量主要受多普勒頻移的影響，在地對空通信中還存在顯著的多徑效應，信道衰落比較嚴重。

（4）節(jié)點分布的稀疏性。在航空自組網(wǎng)中，由于場景廣闊，而且節(jié)點稀少，導致節(jié)點密度小，可能出現(xiàn)網(wǎng)絡不連通的情況，因此其組網(wǎng)可行性和網(wǎng)絡連通性是研究的首要問題。

（5）多質異構性。航空自組網(wǎng)中可能存在多種不同類型的節(jié)點，如多種航空飛行器、地面網(wǎng)關、衛(wèi)星平臺等，不同類型節(jié)點在通信功能等方面存在一定的差異；同時航空自組網(wǎng)為容納空、地、天節(jié)點及一定數(shù)量規(guī)模的節(jié)點多采用分層分布式網(wǎng)絡體系結構，因此具有多質異構性。

（6）臨時性。軍用飛機執(zhí)行作戰(zhàn)和其他專項飛行任務的不確定性大,因此相比傳統(tǒng)的MANET，航空自組網(wǎng)將涌現(xiàn)節(jié)點頻繁進出的情況，因而具有更強的臨時性。

戰(zhàn)場通信業(yè)務的多樣性，通信環(huán)境的復雜性，敵我雙方電磁干擾與反干擾的對抗性，對軍用航空自組網(wǎng)提出了更高的要求。

2 航空自組網(wǎng)關鍵技術

航空自組網(wǎng)在很多方面都類似于移動自組網(wǎng)，參照OSI的7層模型和MANET模型協(xié)議五層模型劃分方法，也可將AANET的協(xié)議模型劃分為五層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。其結構模型如圖1所示。在模型的每一層中，都有關鍵技術來實現(xiàn)其主要功能，對關鍵技術的研究也就成為許多專家學者的研究熱點。

圖1 AANET協(xié)議結構模型

物理層的主要任務是完成信道的區(qū)分和選擇，實現(xiàn)無線信號的調制解調、加密解密、發(fā)送接收以及檢測等功能，實現(xiàn)以較少的能源克服數(shù)據(jù)的傳輸損耗。

數(shù)據(jù)鏈路層包括介質訪問控制子層（MAC）和邏輯鏈路控制子層（LLC），該層的主要任務是協(xié)調節(jié)點間無線資源的共享，實現(xiàn)有限信道資源的高效利用。

網(wǎng)絡層主要完成路由建立和管理、分組轉發(fā)、擁塞控制等功能。由于傳統(tǒng)路由協(xié)議是針對有線固定網(wǎng)絡設計的，拓撲結構往往呈靜止狀態(tài)，而在AANET網(wǎng)絡的高動態(tài)拓撲下路由信息必須適時更新才能滿足戰(zhàn)場環(huán)境的要求。因此網(wǎng)絡層的關鍵技術路由的設計與維護。傳輸層主要任務是提供經(jīng)濟、可靠的端到端傳輸，隔離上層網(wǎng)絡與通信子網(wǎng)。應用層主要用于提供面向用戶的各種高質量應用服務，如實時應用中對時延和丟包率的嚴格要求等。

3 航空自組網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

航空自組織網(wǎng)絡概念從2004年出現(xiàn)以來,引起了國內(nèi)外一些研究機構,尤其是各國軍方的廣泛關注。具有代表性的有美國海軍研究局(Office of Naval Research，ONR)資助加州大學洛杉磯分校的Minuteman計劃和悉尼大學的航空自組網(wǎng)項目。

2000～2004年，在美國海軍研究辦公室的資助下，美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)進行了Minuteman (multimedia intelligent network of unattended mobile agents)項目的開發(fā)。針對未來海軍作戰(zhàn)需要有效地利用海上、岸上和空中的各種實時信息和傳感器數(shù)據(jù)，Minuteman將戰(zhàn)場上的UGV和UAV等各種自治單元組成了一個空間、地面和海上一體化的戰(zhàn)場MANET。

2006～2009年，澳大利亞悉尼大學開展了AANET (aeronautical Ad Hoc network)項目的研究。AANET提出了在衛(wèi)星、航班以及地面Internet網(wǎng)關之間建立一個MANET，使航班之間能夠直接相互通信，從而共享Internet和各種數(shù)據(jù)資源，為航班接人Internet提供了除衛(wèi)星通信以外的另一種通信方式。

美國空軍空中網(wǎng)絡興趣小組2005年起草了空中網(wǎng)絡體系結構的報告，該報告中描述了空中網(wǎng)絡通信系統(tǒng)及技術體系,同時給出實現(xiàn)空中網(wǎng)絡的關鍵技術,包括OSI參考模型底三層協(xié)議,其中重點強調了自組織網(wǎng)絡在空中網(wǎng)絡中的應用。

4 結語

在信息化條件下，建立一個實時、高效、抗毀性強的空天地一體化作戰(zhàn)信息平臺是未來戰(zhàn)爭的必然需求。航空自組網(wǎng)是構建一體化作戰(zhàn)信息平臺的重要手段，可充分發(fā)揮航空飛行器之間互相分發(fā)地面指控信息和空中感知信息的功能，顯著提升軍用航空通信遠距和低空超視距補盲、支持編隊戰(zhàn)術協(xié)同的作戰(zhàn)效能，有效解決航空通信中抗毀、自組織和機動通信的瓶頸問題，將成為下一代軍用航空通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向。

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