關(guān)鍵詞：航空電信網(wǎng)；IPS；移動(dòng)性管理；PMIPV6；VDLM2

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.04.010

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0028-03

Abstract： With the rapid development of civil aviation， the number of new air ground communication applications is gradually increasing.In the future，the aviation telecommunication network will graduallydevelop into the aviation telecommunication network/Internet Protocol Suite （ATN/IPS for short）.This article introduces the development trend of ATN/IPS，the protocol systemand main links of ATN/IPS.Aiming at the key issue of mobility management in ATN/IPS，this paper analyzes the general architecture of mobility management， compares several enhanced mobility management schemes，analyzes thecharacteristics of VHF Digital Link Mode2 （VDL M2） using the aviation very high frequency link control protocol，studies a scheme for implementing ATN/IPS mobility management basedon VDL M2 and proxy mobile IPv6 protocol，and proposes aspecific scheme forair ground transmisson signaling flow and link switching based on the aviation very high frequency link control protocol.

Keywords： aviation telecommunications network; IPS; mobility management; PMIPV6; VDL M2

由于第一代航空電信網(wǎng)（AeronauticalTelecom-municationNetwork，ATN）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系是基于開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（Open SystemInterconnect，OSI）的7層協(xié)議模型設(shè)計(jì)的，協(xié)議復(fù)雜、成本較高，各成員國(guó)利用率不高。國(guó)際民航組織（TheInternationalCivilAviationOrganization，ICAO）和航空電子工程委員會(huì)（Airlines Electronic Engineering Committee，AEEC）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織已開(kāi)展基于TCP/IP的ATN/IPS研究，后續(xù)供民航通信使用。

ATN/IPS采用包括VDLM2等多條異構(gòu)鏈路融合的方案來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)性能1，移動(dòng)性管理作為移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文借鑒傳統(tǒng)移動(dòng)IP互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)性管理的一些研究成果，在民用航空?qǐng)鼍跋拢瑢?duì)于ICAODoc9896等標(biāo)準(zhǔn)[2][3]提出的幾類IPS移動(dòng)性管理方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇較為適用的代理移動(dòng)IPv6（ProxyMIPv6，PMIPv6）與VDLM2鏈路結(jié)合，針對(duì)VDLM2作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)ATN/IPS的一種鏈路，提出了基于VDLM2鏈路實(shí)現(xiàn)空地信息交互具體流程、鏈路切換方案，供后續(xù)工程設(shè)計(jì)參考。

ATN/IPS的發(fā)展趨勢(shì)

ATN利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，集成多種地空數(shù)據(jù)鏈和地面通信系統(tǒng)，提供地空一體化的、可靠的端到端數(shù)字通信服務(wù)。ATN是一個(gè)由地面子網(wǎng)、空地移動(dòng)子網(wǎng)、機(jī)載航電子網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)組成的全球互聯(lián)復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

基于開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)IP協(xié)議來(lái)構(gòu)建和升級(jí)ATN，可以利用應(yīng)用范圍廣、成熟的技術(shù)和設(shè)備，兼容目前的各種服務(wù)，有利于各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，能夠提供端到端可靠、安全的通信服務(wù)。

ICAO《航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）》明確規(guī)劃了在遠(yuǎn)期將研究空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)升級(jí)方案，空地?cái)?shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡(luò)支撐ATN/IPS通信能力[1]。

2 IPS網(wǎng)絡(luò)介紹

ATN/IPS提供了許多核心功能，包括端點(diǎn)和服務(wù)命名與尋址，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（包括可靠的消息傳遞服務(wù)），路由、移動(dòng)性管理和服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS），以及網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)等。

ATN/IPS將采用國(guó)際電聯(lián)（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）和ICAO分配用于民航安全服務(wù)的多個(gè)專用無(wú)線通信系統(tǒng)，包括提供視距覆蓋的地面通信系統(tǒng)VDLM2、L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-banddigital aeronautical communication system，L-DACS）、超視距覆蓋的衛(wèi)通通信系統(tǒng)、航空機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面移動(dòng)通信系統(tǒng)（Aeronauticalmobileairportcommunicationssystem，AeroMACS）。

3 移動(dòng)性管理方案

基于不同層的解決方案都可以解決IP網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性問(wèn)題。考慮到飛機(jī)是一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，更合理的方法是在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理，以避免針對(duì)每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行移動(dòng)性管理。

（1）MIPv6?；贗Pv6，IETF開(kāi)發(fā)了一個(gè)擴(kuò)展協(xié)議來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MobileNode，MN）問(wèn)題，即MIPv6。

MIPv6為每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供2個(gè)IP地址：一個(gè)家鄉(xiāng)地址（HomeAddress，HoA）和一個(gè)轉(zhuǎn)交地址（Care-of-Address，CoA）。第一個(gè)標(biāo)識(shí)其家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到外地網(wǎng)絡(luò)時(shí)對(duì)其進(jìn)行定位。這兩個(gè)地址的關(guān)聯(lián)是由家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)實(shí)體家鄉(xiāng)代理（HomeAgent，HA）實(shí)現(xiàn)的。

（2）層次化移動(dòng)IPv6（HierarchicalMIPv6，HMIPv6）。HMIPv6引入MIPv6和IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（NeighborDiscoveryProtocol，NDP）。HMIPv6增加了移動(dòng)錨點(diǎn)（MobilityAnchorPoint，MAP），相當(dāng)于作為MN的本地HA，有助于減少在本地切換階段的信令。HMIPv6將全球網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的MAP域，每個(gè)域由一個(gè)或幾個(gè)MAP控制。HMIPv6采用2個(gè)地址來(lái)管理節(jié)點(diǎn)的本地移動(dòng)：區(qū)域轉(zhuǎn)交地址（RegionalCare-of-Address，RCoA）和本地轉(zhuǎn)交地址（LocalCare-of-Address，LCoA）。

（3）快速切換移動(dòng)IPv6（FastHandoversMIPv6，F(xiàn)MIPv6）。FMIPv6是一個(gè)MIPv6增強(qiáng)協(xié)議，有助于減少切換延遲和切換期間丟包。FMIPv6在MN的前一個(gè)接入路由器（PreviousAccessRouter，PAR）和下一個(gè)接入路由器（NextAccessRouter，NAR）間建立隧道并快速綁定。

（4）代理移動(dòng)IPv6協(xié)議。PMIPv6是一種基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的接入路由器處理MN的移動(dòng)性。這種方法不需要MN直接參與其與HA之間的信令交換，而是由接入路由器代理執(zhí)行與HA的信令。由于MN不參與該過(guò)程，可以大幅度減少M(fèi)N的信令開(kāi)銷。PMIPv6增加了兩個(gè)核心功能實(shí)體來(lái)管理節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性：移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)（MobileAccessGateway，MAG）和本地移動(dòng)錨（LocalMobilityAnchor，LMA）。

針對(duì)航空?qǐng)鼍暗奶攸c(diǎn)，四種移動(dòng)性管理方案的切換時(shí)延和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜性等特性比較見(jiàn)表1。

從以上分析來(lái)看，PMIPv6更適合航空移動(dòng)場(chǎng)景。

基于VDLM2的IPS移動(dòng)性管理類似于ACARSoverAVLC（AoA）的方式，在VDLM2上運(yùn)行ATN/IPS的方法是通過(guò)擴(kuò)展VDLM2的航空甚高頻鏈路控制（AviationVHFLinkControl，AVLC）協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，即IPSoverAVLC。這種方法的優(yōu)勢(shì)是可重用機(jī)載航電設(shè)備和地面系統(tǒng)設(shè)備。

在基于AVLC和PMIPv6的ATN/IPS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方案中，重用了VDLM2的鏈路建立切換流程[4?；贏VLC和PMIPv6的鏈路建立切換信令流如圖1所示。

其中，空中/地面接入網(wǎng)的移動(dòng)錨點(diǎn)是LMA，空中/地面接入鏈路的移動(dòng)錨點(diǎn)是MAG。飛機(jī)使用AVLC與VDLM2地面站通信。地面站通過(guò)本地鏈路與MAG通信，MAG也通過(guò)本地鏈路與LMA通信。

（1）初始注冊(cè)。當(dāng)飛機(jī)首次進(jìn)入PMIPv6域并通過(guò)VDL鏈路連接到MAG時(shí)，MAG會(huì)檢測(cè)到飛機(jī)的接入。MAG隨后會(huì)向LMA發(fā)送代理綁定更新（ProxyBindingUpdate，PBU）消息，其中包含飛機(jī)的身份信息和位置信息。LMA收到PBU后，會(huì)驗(yàn)證飛機(jī)的身份和位置信息，并向MAG發(fā)送代理綁定確認(rèn)（ProxyBindingAcknowledgement，PBA）消息，確認(rèn)飛機(jī)注冊(cè)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。一旦飛機(jī)成功注冊(cè)到PMIPv6域，LMA和MAG之間會(huì)建立一條雙向隧道，用于傳輸飛機(jī)的數(shù)據(jù)包。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)向飛機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包首先到達(dá)LMA。LMA根據(jù)飛機(jī)的當(dāng)前位置信息（通過(guò)之前的注冊(cè)過(guò)程獲得），將數(shù)據(jù)包封裝在

情況選擇最優(yōu)的鏈路作為切換目標(biāo)。

（3）代理綁定更新。當(dāng)前MAG（VDLM2鏈路）會(huì)向LMA發(fā)送PBU消息。該消息包含飛機(jī)的CoA和其他相關(guān)信息，該新CoA包含其他鏈路的地址。LMA收到PBU后，會(huì)更新其綁定緩存，將

PMIPv6隧道中，并通過(guò)隧道發(fā)送給MAG。MAG將隧道中的數(shù)據(jù)包解封裝，通過(guò)VDL鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)。

（3）移動(dòng)性管理。當(dāng)飛機(jī)在PMIPv6域內(nèi)的不同MAG之間移動(dòng)時(shí)，新的MAG會(huì)檢測(cè)到飛機(jī)的接入，并向LMA發(fā)送新的PBU消息。LMA根據(jù)新的PBU消息更新飛機(jī)的位置信息，并向新的MAG發(fā)送PBA消息確認(rèn)更新。在這個(gè)過(guò)程中，飛機(jī)無(wú)須參與任何移動(dòng)性管理信令的交互，其IP地址保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫切換。

PMIPv6協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切換策略支持各鏈路的切換，VDLM2鏈路與其他鏈路切換過(guò)程如圖2所示。

（1）監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。 ① 網(wǎng)絡(luò)側(cè)監(jiān)測(cè)：MAG在VDLM2鏈路中持續(xù)監(jiān)測(cè)飛機(jī)的信號(hào)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，同時(shí)，其他鏈路也會(huì)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)。 ② 移動(dòng)預(yù)測(cè)：根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)體（MAG或鏈路基站）基于切換策略或預(yù)測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)飛機(jī)的移動(dòng)軌跡和切換需求。

（2）候選鏈路選擇與評(píng)估。當(dāng)預(yù)測(cè)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能從VDLM2切換到其他鏈路時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)體（MAG或鏈路基站）會(huì)評(píng)估VDLM2和其他鏈路的性能參數(shù)（如信號(hào)強(qiáng)度、帶寬、延遲、負(fù)載等）。根據(jù)切換策略和評(píng)估飛機(jī)的新位置信息記錄下來(lái)，并向舊MAG發(fā)送PBA消息以確認(rèn)綁定更新。

（4）隧道建立與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在切換過(guò)程中，為了保持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信連續(xù)性，舊MAG（VDLM2）和新MAG（其他鏈路）之間通過(guò)LMA建立雙向隧道。LMA會(huì)將發(fā)往飛機(jī)的數(shù)據(jù)包通過(guò)隧道發(fā)送給舊MAG，舊MAG再通過(guò)隧道轉(zhuǎn)發(fā)給新MAG，最終由新MAG發(fā)送給飛機(jī)。這樣，即使飛機(jī)尚未與新鏈路完全建立連接，其通信也不會(huì)中斷。

（5）切換完成。當(dāng)飛機(jī)成功接入新鏈路并配置好新CoA時(shí)，新MAG會(huì)向LMA發(fā)送切換完成消息或通過(guò)其他機(jī)制確認(rèn)切換成功。LMA收到切換完成消息后，會(huì)更新其綁定緩存中的飛機(jī)位置信息，并通知舊MAG釋放相關(guān)資源。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了ATN/IPS的移動(dòng)性管理的通用架構(gòu)，分析了幾種移動(dòng)IP協(xié)議的特點(diǎn)，并研究了使用VDLM2和PMIPv6的一種移動(dòng)性管理方案，包括幀結(jié)構(gòu)組成和空地傳輸信令流及鏈路切換流程。考慮到VDLM2的速率低，AVLC幀長(zhǎng)短，后續(xù)將進(jìn)一步研究基于AVLC的IP數(shù)據(jù)包的傳輸效率，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證進(jìn)行技術(shù)成熟度評(píng)估，提升VDLM2在未來(lái)ATN/IPS網(wǎng)絡(luò)中的可用性。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)民航航空電信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用政策[R].中國(guó)民用航空局，2015.

[2]ICAO.Manual on the Aeronautical Telecommunication Network （ATN） usingInternetProtocol Suite（IPS）Standardsand Protocol ∵ Doc 9896. [S].ICAO，2015.

[3]AEEC.INTERNETPROTOCOL SUITE（IPS）FORAERONAUTICAL SAFETY SERVICES：ARINC Specification858[S].SAEITC，June21，2021.

[4]AEEC.VHFDigital Link（VDL）Mode2ImplementationProvisions：ARINC Specification631[S].SAEITC，Nov15，2010.