范祥輝，陳長(zhǎng)勝，史巖，楊建茜

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所， 西安 710068)

0 引 言

航空電子技術(shù)的發(fā)展極大地提高了民用客機(jī)的安全性及自動(dòng)化水平，各子系統(tǒng)之間通過(guò)航空數(shù)據(jù)總線(xiàn)交換信息，當(dāng)前航空器線(xiàn)纜及相關(guān)連接裝置的重量占航空器總重量的2%～5%。大量通信線(xiàn)纜的使用給飛機(jī)的制造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了額外的成本。據(jù)估計(jì)，電氣線(xiàn)路問(wèn)題平均每個(gè)月造成兩次飛行中的火災(zāi)、超過(guò)1 077次任務(wù)中止，每年損失超過(guò)10萬(wàn)個(gè)任務(wù)小時(shí)。電纜損壞不僅會(huì)影響與故障導(dǎo)線(xiàn)相關(guān)的系統(tǒng)，還會(huì)影響相鄰系統(tǒng)。飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本的13%與維護(hù)、維修有關(guān)，此外，線(xiàn)纜的大量使用還給航空通信系統(tǒng)的配置、維護(hù)、故障排除帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為了進(jìn)一步減輕重量、降低成本、提高民用飛機(jī)飛行的安全性和可靠性，使用無(wú)線(xiàn)通信替代部分有線(xiàn)通信，是未來(lái)航空制造業(yè)的發(fā)展方向之一。無(wú)線(xiàn)航空電子內(nèi)部通信(Wireless Avionics Intra-communications，簡(jiǎn)稱(chēng)WAIC)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)同一架飛機(jī)上多個(gè)設(shè)備(兩個(gè)及以上)的無(wú)線(xiàn)連接，適用于安全相關(guān)和常規(guī)飛行相關(guān)的應(yīng)用，例如煙霧探測(cè)、客艙壓力、防除冰、緊急照明、起落架等。以空客A380-800為例，全機(jī)線(xiàn)纜長(zhǎng)度約470 km，線(xiàn)纜質(zhì)量約5.7 t，其中30%的線(xiàn)纜(約1.7 t)可以用無(wú)線(xiàn)通信替代。

本文綜述WAIC網(wǎng)絡(luò)概念以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 WAIC網(wǎng)絡(luò)概念

1.1 WAIC網(wǎng)絡(luò)含義

WAIC網(wǎng)絡(luò)旨在替代單個(gè)飛機(jī)上的面向特定業(yè)務(wù)的有線(xiàn)通信，借助安裝在航空器上不同位置的無(wú)線(xiàn)傳感器，實(shí)現(xiàn)航空器駕駛艙與機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、客艙和貨艙等重要位置的無(wú)線(xiàn)通信傳輸，其應(yīng)用主要包括航空器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵位置感知控制、航空運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)?。WAIC網(wǎng)絡(luò)并不提供飛機(jī)與地面工作站、多架飛機(jī)之間、飛機(jī)和衛(wèi)星之間、以及乘客無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)。根據(jù)傳感器安裝位置和數(shù)據(jù)傳輸速率的不同，在國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，簡(jiǎn)稱(chēng)ITU)報(bào)告書(shū)中為WAIC系統(tǒng)確定了四種不同的傳輸模式，分別是高速率內(nèi)部傳輸模式(HI)、低速率內(nèi)部傳輸模式(LI)、高速率外部傳輸模式(HO)、低速率外部傳輸模式(LO)；并針對(duì)不同的傳輸模式建立了對(duì)應(yīng)的傳輸模型。

1.2 WAIC網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

作為下一代民用飛機(jī)機(jī)內(nèi)通信發(fā)展的方向，WAIC網(wǎng)絡(luò)具備以下特點(diǎn)：

(1) 低復(fù)雜性：WAIC網(wǎng)絡(luò)的引入極大地降低了電氣布線(xiàn)和線(xiàn)束使用的復(fù)雜性。當(dāng)前，線(xiàn)束設(shè)計(jì)是決定設(shè)計(jì)新飛機(jī)所需時(shí)間的關(guān)鍵因素之一，設(shè)計(jì)并部署數(shù)英里的線(xiàn)路給飛機(jī)制造人員帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，此外，在飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間生命周期內(nèi)對(duì)密集線(xiàn)路進(jìn)行周期性維護(hù)也具有很大難度。

(2) 高經(jīng)濟(jì)性：電纜和布線(xiàn)對(duì)飛機(jī)制造商、運(yùn)營(yíng)商以及乘客來(lái)說(shuō)都是一筆巨大的費(fèi)用。主要成本包括線(xiàn)束設(shè)計(jì)、線(xiàn)束制造、連接器的維護(hù)和更換，以及飛行過(guò)程中電纜和連接器自重所帶來(lái)的相關(guān)運(yùn)營(yíng)成本。

(3) 高靈活性：機(jī)艙無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備安裝的靈活性可顯著提高通信網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)性。此外，WAIC網(wǎng)絡(luò)由于其易拓展性，可以以更低的難度和費(fèi)用安裝新的傳感器。更重要的是，WAIC網(wǎng)絡(luò)的引入還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)部件的參數(shù)進(jìn)行可靠監(jiān)控，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，這些都是有線(xiàn)通信難以實(shí)現(xiàn)的。

(4) 高可靠性：減少線(xiàn)纜的使用在一定程度上可降低線(xiàn)纜切斷或有缺陷接線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)單的使用線(xiàn)束冗余來(lái)提供容錯(cuò)機(jī)制容易受到“共模故障”的影響，使用無(wú)線(xiàn)鏈路冗余方式則不存在該情況，且在一定程度上能夠降低無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題。此外，無(wú)線(xiàn)通信的引入使得機(jī)組人員可以實(shí)時(shí)可靠地監(jiān)控航空器各部位的運(yùn)行情況，極大地提高了航空器的運(yùn)行效率和安全飛行能力。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2010年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)(WRC-10)通過(guò)了M.2197報(bào)告，該報(bào)告的內(nèi)容代表了國(guó)際商用航空業(yè)所預(yù)期的WAIC系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀。2013年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)(WRC-13)上通過(guò)M.2283報(bào)告，該報(bào)告介紹了WAIC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特性、系統(tǒng)特性以及WAIC網(wǎng)絡(luò)頻譜要求。2014年2月發(fā)布M.2059標(biāo)準(zhǔn),提供了無(wú)線(xiàn)電高度儀的操作和技術(shù)特性以及保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。2014年11月發(fā)布M.2318標(biāo)準(zhǔn)，表明4.2～4.4 GHz頻段是滿(mǎn)足WRC-15議程要求的15.7 GHz以下的唯一選擇；同月發(fā)布M.2319標(biāo)準(zhǔn)，研究WAIC系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)在4.2～4.4 GHz頻段的兼容性。2015年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)(WRC-15)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)M.2285，正式確定了4.2～4.4 GHz作為WAIC的通信頻段。

WAIC網(wǎng)絡(luò)自提出以來(lái)，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界在標(biāo)準(zhǔn)的制定和技術(shù)的選擇方面進(jìn)行了積極的探索。早在2013年，文獻(xiàn)[5]中就提出了一系列受益于此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)部署及其要求的應(yīng)用并給出了較為詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近兩年的研究熱點(diǎn)主要集中在WAIC網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有機(jī)載系統(tǒng)的共存、WAIC網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合、WAIC網(wǎng)絡(luò)通信模型的建立等方面。

關(guān)于WAIC網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有機(jī)載系統(tǒng)的共存問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]在不同飛行場(chǎng)景中測(cè)試了WAIC網(wǎng)絡(luò)與航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)(無(wú)源)和固定業(yè)務(wù)的最壞潛在干擾影響，結(jié)果表明：通過(guò)合理的配置，采用諸如降低外部WAIC網(wǎng)絡(luò)的天線(xiàn)發(fā)射功率、使用定向天線(xiàn)等措施，WAIC網(wǎng)絡(luò)與航空無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測(cè)業(yè)務(wù)(無(wú)源)和固定業(yè)務(wù)可共用4.2～4.4 GHz頻段。

關(guān)于WAIC網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合問(wèn)題，P.Park等在滿(mǎn)足飛行認(rèn)證的前提下，從丟包率和最大允許丟包率等方面分析了具有代表性的工業(yè)無(wú)線(xiàn)協(xié)議(LLDN、Wirelesshart、WISA和ISA100.11a)在安全關(guān)鍵航空電子設(shè)備應(yīng)用中的性能和可行性，從側(cè)面說(shuō)明了自適應(yīng)的MAC層協(xié)議是決定網(wǎng)絡(luò)魯棒性的關(guān)鍵因素；文獻(xiàn)[5]以IEEE 802.15.4和IEEE 802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)為例分析了協(xié)議應(yīng)考慮的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，主要包括通信開(kāi)銷(xiāo)、信道化開(kāi)銷(xiāo)因子以及調(diào)制效率等多方面因素。

關(guān)于WAIC網(wǎng)絡(luò)通信模型建立方面，M.Suryanegara等綜合功率因數(shù)、調(diào)制效率、頻譜以及OPS數(shù)量等多方面因素建立了測(cè)量模型，詳細(xì)分析了GMSK、QPSK、16-PSK、8-FSK等調(diào)制方法的技術(shù)特性，結(jié)合WAIC網(wǎng)絡(luò)低速率傳輸、高效率調(diào)制、寬頻譜和大數(shù)量OPS的技術(shù)要求，得出QPSK在WAIC網(wǎng)絡(luò)中具有較好的適用性。

關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣?，S.Das等討論了一種利用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作為物理層的傳輸技術(shù)，其在WARP (Wireless Open-Access Research Platform)硬件中實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的測(cè)試，首次在實(shí)驗(yàn)床中完成且測(cè)試了WAIC網(wǎng)絡(luò)在2.4和4.5 GHz頻段的高吞吐量通信。

就傳播模型而言，文獻(xiàn)[5]對(duì)空客A320-200飛機(jī)機(jī)艙進(jìn)行建模并使用全3D-FDTD (Three-Dimensional Finite Difference Time Domain)方法分析估算了機(jī)內(nèi)WAIC網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的基本傳播特性，分別在距機(jī)艙地板0.5、1.0和1.5 m處測(cè)量了信號(hào)傳播損耗值，表明與自由空間傳播相比，在4.4 GHz頻段飛機(jī)機(jī)艙平面每個(gè)高度的傳播損耗平均值約為10 dB。

上述工作對(duì)于WAIC網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立和技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考意義。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

有關(guān)在飛機(jī)上應(yīng)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在客艙內(nèi)為乘客提供娛樂(lè)服務(wù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在機(jī)體上為飛機(jī)健康管理提供數(shù)據(jù)采集監(jiān)控的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及為飛機(jī)與地面廊橋間提供無(wú)線(xiàn)連接，完成數(shù)據(jù)快速上傳下載的機(jī)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。但這些研究都與WAIC網(wǎng)絡(luò)不同，WAIC網(wǎng)絡(luò)是飛機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的延伸，屬于飛機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)的一部分，國(guó)內(nèi)針對(duì)WAIC網(wǎng)絡(luò)的研究尚處于起步階段，需要進(jìn)一步開(kāi)展更深入的研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)內(nèi)部通信應(yīng)用數(shù)量眾多而且功能差異極大，幾千個(gè)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的傳輸速率從每秒幾個(gè)字節(jié)到每秒幾兆字節(jié)不等，對(duì)傳輸延時(shí)的要求也大不相同。此外，飛機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境，艙室之間隔板對(duì)電磁信號(hào)的影響等復(fù)雜的應(yīng)用狀況也給WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文以典型客機(jī)空客A320作為應(yīng)用模型對(duì)WAIC網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和部署進(jìn)行研究。A320飛機(jī)內(nèi)部主要包含如下部件和艙段：駕駛艙、客艙、輔助動(dòng)力裝置(APU)艙、設(shè)備艙、前貨艙、后貨艙、散艙、艙底、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、中央油箱、機(jī)翼油箱、垂直尾翼和水平尾翼、主起落架艙、前起落架艙、縫翼和襟翼艙等，如圖1所示。

圖1 A320飛機(jī)主要部件和艙段[18]

從系統(tǒng)需求來(lái)看，WAIC網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)飛機(jī)所有區(qū)域(內(nèi)部和外部)提供全面覆蓋。為了減小飛機(jī)內(nèi)部艙室隔板和金屬外殼等對(duì)射頻信號(hào)的削弱作用，可以對(duì)系統(tǒng)采取劃分子網(wǎng)的方式解決該問(wèn)題。針對(duì)飛機(jī)上復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，將飛機(jī)內(nèi)部通信按照位置劃分為飛機(jī)外部應(yīng)用和飛機(jī)內(nèi)部應(yīng)用，按照傳輸速率分為高速應(yīng)用和低速應(yīng)用。針對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)用制定適合的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)則必須考慮節(jié)點(diǎn)的最佳數(shù)量和位置，以及射頻功率和頻譜資源的劃分。針對(duì)該問(wèn)題M.2283給出了一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示。該架構(gòu)將WAIC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用根據(jù)傳感器所在位置和數(shù)據(jù)傳輸速率劃分為內(nèi)部高速應(yīng)用、內(nèi)部低速應(yīng)用、外部高速應(yīng)用和外部低速應(yīng)用四種類(lèi)型。

圖2 WAIC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類(lèi)[5]

針對(duì)高速和低速兩種應(yīng)用的特點(diǎn)提出兩種解決方案。針對(duì)低速應(yīng)用，其單個(gè)鏈路數(shù)據(jù)速率小于10 kbit/s，提出以IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)；針對(duì)高速應(yīng)用，其單個(gè)鏈路數(shù)據(jù)速率范圍從12.5 kbit/s到1.6 Mbit/s不等，凈峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)4.8 Mbit/s,提出以IEEE 802.11 a/g為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開(kāi)發(fā)。

針對(duì)上述WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，M.2283-0以一架典型客機(jī)為模型，對(duì)WAIC的無(wú)線(xiàn)頻譜開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行了估算。在考慮了應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸速率、協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)、信道化開(kāi)銷(xiāo)、調(diào)制效率等多個(gè)因素后，計(jì)算出WAIC網(wǎng)絡(luò)總頻譜需求為145 MHz。

因此，在WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮其與位置、速率的相關(guān)性，提取共性技術(shù)，借鑒現(xiàn)有成熟民用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信作為基礎(chǔ)協(xié)議，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)型開(kāi)發(fā)，以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴７断檩x等給出了機(jī)載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為子網(wǎng)，并接入骨干網(wǎng)的整體架構(gòu)，同樣，WAIC網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)民用飛機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中也是作為子網(wǎng)存在，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入骨干網(wǎng)AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet)網(wǎng)絡(luò)。因此，在設(shè)計(jì)中要充分考慮WAIC網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)AFDX的兼容性。

3.2 WAIC網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)

時(shí)間同步對(duì)于WAIC網(wǎng)絡(luò)完成一系列基礎(chǔ)性操作至關(guān)重要，尤其體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和數(shù)據(jù)可靠傳輸方面。受WAIC網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模式的影響，WAIC節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境差異較大，節(jié)點(diǎn)晶體震蕩受環(huán)境影響所產(chǎn)生的累積誤差也隨之增大，這給WAIC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)同步帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)WAIC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖3所示)和自身特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，綜合考慮集中式和分布式時(shí)間同步技術(shù)的適用條件，采用TPSN協(xié)議可以達(dá)到理想的同步效果。協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，基于發(fā)送者-接收者模式，可提供全網(wǎng)范圍內(nèi)的時(shí)間同步。

圖3 WAIC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

首先由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播層次消息，直接接收者屬于層次1，即為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)組；再由層次1的節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，分別建立層次2的節(jié)點(diǎn)組；以此類(lèi)推，建立所有節(jié)點(diǎn)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。

節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)雙向握手進(jìn)行同步，首先子節(jié)點(diǎn)

S

在

T

時(shí)間發(fā)送包含子節(jié)點(diǎn)級(jí)別和

T

時(shí)間戳的分組給父節(jié)點(diǎn)

R

，節(jié)點(diǎn)

R

在

T

時(shí)間收到分組，得到

T

=

T

+

d

+Δ；然后在

T

時(shí)間發(fā)送應(yīng)答分組給節(jié)點(diǎn)

S

，分組中包含父節(jié)點(diǎn)的級(jí)別和時(shí)間戳

T

，

T

，

T

的信息，如圖4所示。在子節(jié)點(diǎn)處可得

T

=

T

+

d

-Δ，由此：

子節(jié)點(diǎn)在得到

d

和Δ的具體值后，將時(shí)間值同步至父節(jié)點(diǎn)。

圖4 TPSN協(xié)議示意圖

由于時(shí)鐘精度、算法實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和測(cè)量方式的差異性，實(shí)際同步精度性能通常難以估量，相關(guān)資料顯示TPSN協(xié)議的時(shí)間單跳同步精度高達(dá)16.9 μs。相較于其他同步算法而言，TPSN協(xié)議在WAIC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中也可實(shí)現(xiàn)符合要求的時(shí)間同步效果。

3.3 WAIC網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

WAIC網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、涵蓋業(yè)務(wù)種類(lèi)差別廣，給WAIC網(wǎng)絡(luò)管理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。以空客A320為例，安裝LI鏈路數(shù)量可能高達(dá)4 150個(gè)，安裝LO鏈路數(shù)量可能高達(dá)400個(gè)，安裝HI鏈路數(shù)量可能高達(dá)125個(gè)，安裝HO鏈路數(shù)量可能高達(dá)65個(gè)。

飛機(jī)可以被認(rèn)為是不同艙室的集合，其與RF信號(hào)或多或少地相互隔離。每個(gè)隔間被劃分成一個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)包括以下組件：

(1) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，WAIC網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，能夠使用無(wú)線(xiàn)接口連接并與另一個(gè)WAIC網(wǎng)絡(luò)實(shí)體通信。

(2) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將WAIC網(wǎng)絡(luò)(或其部分)連接到其他有線(xiàn)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)。

(3) 終端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠使用WAIC無(wú)線(xiàn)電接口在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器、作動(dòng)器之間提供連接，提供無(wú)線(xiàn)鏈路中繼功能。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)子網(wǎng)的設(shè)備接入、退出和通信調(diào)度，對(duì)整個(gè)子網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、配置、性能進(jìn)行基于策略的控制。當(dāng)設(shè)備發(fā)送消息，其需要向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)“合同”(Contract)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到合同申請(qǐng)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其掌握的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的調(diào)度信息(鏈路、時(shí)隙、路由路徑、設(shè)備容量等)，計(jì)算是否可以滿(mǎn)足合同申請(qǐng)。如果可以滿(mǎn)足，則計(jì)算一條滿(mǎn)足合同的調(diào)度(同樣包含上述信息)，并配置沿途的設(shè)備，最后向源節(jié)點(diǎn)返回批準(zhǔn)合同，否則不會(huì)批準(zhǔn)建立合同。

3.4 WAIC網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

飛機(jī)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，尤其是飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令，對(duì)于飛機(jī)的運(yùn)行、管理和安全至關(guān)重要。因此，WAIC網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性(Security)要求較高，其應(yīng)能夠解決來(lái)自乘客或機(jī)上實(shí)體以及地面或其他飛機(jī)的不同類(lèi)型的攻擊。

目前，無(wú)線(xiàn)通信主要面臨數(shù)據(jù)完整性、真實(shí)性、保密性、鏈路密鑰建立、信道干擾、安全路由等安全性問(wèn)題。這些安全威脅都有可能對(duì)WAIC系統(tǒng)造成極大的威脅。

WAIC網(wǎng)絡(luò)尚未指定具體的安全舉措，根據(jù)WAIC網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有安全方案和先前機(jī)載網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的高效性和安全性，可以采取以下措施：

(1) 設(shè)備之間的通信采用雙向認(rèn)證，通過(guò)密鑰協(xié)商機(jī)制完成設(shè)備鑒權(quán)，并確保消息來(lái)源于已認(rèn)證的設(shè)備并且沒(méi)有被其他無(wú)關(guān)設(shè)備篡改；

(2) 對(duì)于設(shè)備間的通信使用輕量級(jí)加密算法保護(hù)數(shù)據(jù)，隱藏消息載荷所攜帶的內(nèi)容；

(3) 設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝祦?lái)保證消息傳輸時(shí)間和順序；

(4) 從系統(tǒng)管理層次上抽出安全模塊，組合使用TCP (Transmission Control Protocol)SYN-Cookie和Backlog技術(shù)應(yīng)對(duì)SYN洪泛攻擊。

4 WAIC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

WAIC網(wǎng)絡(luò)使用4.2～4.4 GHz頻段，基于該頻段的射頻芯片較少，且硬件平臺(tái)需要考慮功耗、體積等因素，還需要兼容WAIC網(wǎng)絡(luò)高速、低速應(yīng)用需求，具有較高的設(shè)計(jì)難度。WAIC網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)思路有兩個(gè)：基于集成度較高的無(wú)線(xiàn)協(xié)議芯片或者基于軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)技術(shù)。

采用集成射頻處理電路的IEEE 802.15.4或IEEE 802.11a/g協(xié)議芯片構(gòu)建WAIC網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，其需解決的問(wèn)題是將2.4 GHz頻率調(diào)整到4.2 GHz頻率，可選的方案是在2.4 GHz集成芯片外接一個(gè)混頻器電路，發(fā)射信號(hào)時(shí)，混頻器將輸出的2.4 GHz信號(hào)與1.8 GHz本振混頻，通過(guò)高通濾波器過(guò)濾掉低頻信號(hào)，得到4.2 GHz信號(hào)，在信號(hào)接收端，再將接收到的4.2 GHz信號(hào)與1.8 GHz本振混頻，通過(guò)低通濾波器還原出2.4 GHz頻段信號(hào)。該方法理論上可以達(dá)到信號(hào)無(wú)損轉(zhuǎn)換，但具體實(shí)現(xiàn)效果有待考證，且2.4 GHz的頻寬低于WAIC網(wǎng)絡(luò)所需頻寬。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用現(xiàn)有的芯片及協(xié)議，功耗??；缺點(diǎn)是射頻部分設(shè)計(jì)復(fù)雜，低速和高速需要使用不同的芯片，不易作為WAIC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決方案。

軟件無(wú)線(xiàn)電的硬件平臺(tái)可根據(jù)需求對(duì)通信頻段進(jìn)行設(shè)置，具有很強(qiáng)的靈活性和開(kāi)放性。以AD9361+ZYNQ7000設(shè)計(jì)的軟件定義無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)具有高集成度、寬頻段的特點(diǎn)，支持從10 MHz到6 GHz頻段超寬頻率范圍，通過(guò)GNU radio編程，利用普通計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，具有非常強(qiáng)的可塑造型，可運(yùn)行不同協(xié)議，該硬件平臺(tái)支持高速、低速兩種速率要求。其缺點(diǎn)在于需要對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行改造，使其適用于嵌入式環(huán)境，同時(shí)需在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)IEEE 802.15.4協(xié)議以及IEEE 802.11a/g協(xié)議支持包，并移植到該平臺(tái)上?；跓o(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，信號(hào)接口模塊包括天線(xiàn)和巴倫，完成信號(hào)的接入和發(fā)出；AD9361模塊主要完成信號(hào)放大、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、混頻、濾波等處理；FPGA模塊與AD9361連接，實(shí)現(xiàn)AD9361工作頻段4.2～4.4 GHz的設(shè)置，WAIC網(wǎng)路協(xié)議以及必要的調(diào)試接口等；電源模塊完成各模塊電路的直流電源供電。

圖5 無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)

綜合WAIC網(wǎng)絡(luò)需求及其特點(diǎn)，從工程實(shí)踐角度來(lái)看，軟件定義無(wú)線(xiàn)電射頻前端+FPGA (Field Programmable Gata Array)的實(shí)現(xiàn)方式是目前評(píng)估最靈活最有效的設(shè)計(jì)方式。尤其是在目前未定義WAIC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的條件下，軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)給物理層的設(shè)計(jì)帶來(lái)了超高靈活性，以及FPGA的高性能、靈活性的特點(diǎn)可以作為WAIC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的載體，滿(mǎn)足WAIC網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)航空電子內(nèi)部通信(WAIC)網(wǎng)絡(luò)具有巨大的潛力，可以降低飛機(jī)總重量及維護(hù)成本，提高飛機(jī)安全性，實(shí)現(xiàn)更具成本效益的飛行操作。本文從WAIC網(wǎng)絡(luò)概述、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等方面介紹了WAIC網(wǎng)絡(luò)，著重介紹了WAIC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)管理及網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)，給出基于軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)設(shè)計(jì)WAIC網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)方法。就WAIC網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，已確定其通信頻段為4.2～4.4 GHz，但尚未形成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時(shí)存在應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)問(wèn)題亟待解決，下一步應(yīng)重點(diǎn)研究高安全實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題、WAIC網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)頻譜資源劃分管理問(wèn)題、子網(wǎng)內(nèi)消息分時(shí)調(diào)度傳輸問(wèn)題以及節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題等。

WAIC網(wǎng)絡(luò)正在不斷地發(fā)展完善，可靠性和安全性問(wèn)題也會(huì)逐步得到解決，機(jī)內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信將會(huì)部分替代有線(xiàn)通信，用于機(jī)內(nèi)傳感器與處理機(jī)或處理機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，其技術(shù)將在下一代軍用、民用飛行器中得到應(yīng)用。