航空自組網MAC協議綜述

朱　慶　張衡陽　毛玉泉

(空軍工程大學信息與導航學院　陜西 西安 710077)

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航空自組網MAC協議綜述

朱慶張衡陽毛玉泉

(空軍工程大學信息與導航學院陜西 西安 710077)

摘要媒體接入控制協議MAC(Media access control protocol)是航空自組網的關鍵技術之一，主要解決多個飛行器如何高效共享通信信道的問題，直接影響著網絡的吞吐量、傳輸時延、網絡規模和組網靈活性。由于航空自組網網絡拓撲高速動態變化，節點分布尺度較大，高空無線信道質量較差等特殊性，其MAC協議和傳統地面移動自組網MAC協議有著較大的區別。對航空自組網發展進行了介紹，概述了航空自組網對MAC協議的要求，并深入分析比較了當前幾類主要的航空自組網MAC協議，最后進行了總結和展望。該綜述為航空自組網MAC協議的研發和應用提供了一定的理論和技術基礎。

關鍵詞航空自組網媒體接入控制協議服務質量(Quality of Service, Qos)

0引言

航空自組網(見圖1)把移動自組網MANET(Mobile Ad Hoc Network)技術創造性地應用于航空通信，使一定范圍內的航空飛行器自動連接、快速組建一個MANET，各飛行器是主機和路由器的統一體，通過多跳路由轉發實現超視距通信。應用在軍事航空通信領域可以快速建立一個多跳、抗毀能力強的作戰信息共享網絡，網絡中各航空飛行器可以相互交換指揮控制指令、戰場態勢信息、飛行狀態等，及時的信息共享可以大幅提高作戰效率。應用于民航領域可以克服目前航空電信網中飛機之間無法相互通信、不能共享環境感知信息、存在通信盲區、網絡結構復雜、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地面網關接入互聯網[5]，共享資源給網絡中其他航班，使乘客在旅途中方便快捷地使用互聯網資源[6]。

MAC協議一直是航空自組網領域研究的熱點，主要為了解決多個用戶如何高效共享物理鏈路資源，將有限的資源分配給網絡中多個用戶，在眾多用戶之間實現公平、高效地共享帶寬[7]，其性能直接影響著網絡吞吐量、端到端時延和組網靈活性，很大程度上決定了網絡的通信質量。

圖1　航空自組網體系結構圖

1航空自組網發展現狀

由于航空自組網在軍事應用上的巨大價值以及給民航領域帶來實際的經濟效益，美國國防部、美國聯邦航空管理局和歐洲空管等機構在全球范圍發起了眾多的相關研究項目，同時國內的一些院校和研究所也對航空自組網展開了研究。1999年美國國防部提出了全球信息柵格GIG[8](Global Information Grid),該系統的目標是建立覆蓋全球的軍事行動信息采集和發布網絡,實現全球任意地點之間的信息交互,而不受空間、地域和時間的限制[9]，如圖2所示，其空中通信系統擬建為“航空網絡”，提供無縫的空中戰術移動網[10]。

圖2　全球信息柵格GIG

戰術網絡瞄準技術TTNT[11,12](Tactical Targeting Network Technology)是由美國防高級研究計劃局與洛克韋爾公司于2001年開始研發的一種新型高速、寬帶、動態靈活、低時延的戰術數據鏈。TTNT以IP協議為基礎，是一種機載環境下的空地一體化MANET,使美軍能迅速定位、瞄準移動及時敏目標，旨在實現空—空和空—地武器協同網絡通信，縮短C4KISR系統從“傳感器”到“射手”的時間，其體系結構如圖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)等航空自組網項目。

圖3　TTNT體系結構

國內北京航空航天大學針對數據鏈網絡提出了一種自組織時分多址協議；西安電子科技大學針對航空通信的高實時性，不同數據業務對QoS的要求不同，提出了基于定向天線和Ad Hoc技術的網絡初始化方案、節點退網入網方案、基于時分多址協議TDMA(Time Multiple Access)的動態時隙分配算法以及同步方案；國防科技大學研究了在高誤碼率和高度干擾的大氣環境下，機載通信網絡收到嚴重影響的問題，對現有TDMA算法進行了改進，設計了動態協議幀結構、接入策略和預留機制。此外還有北京郵電大學、西北工業大學等單位對航空自組網展開了相關研究。

2航空自組網對MAC協議的要求

參考OSI分層協議體系，自組網可以分為五層，MAC子層控制節點接入無線信道，為上層提供快速、可靠的分組報文傳送支持，MAC協議性能好壞對網絡的通信質量起著至關重要的作用，是自組網進入實際應用階段必須要解決的重難點問題[21]。航空自組網是在特殊環境下建立起來的MANET，它具有傳統MANET多跳、自組織、自修復的特點和臨時快速組網的優勢，也存在暴露終端，隱藏終端，無線帶寬有限，鏈路脆弱，QoS很難保證等問題，由于其特殊的應用場合，在設計MAC協議時，需要考慮更多的問題[22]：

(1) 飛行器節點分布的大尺度性和稀疏性。在航空自組網中，飛行器節點分布范圍十分廣闊，可能導致信道質量分布的不均勻；節點之間距離較遠，單跳通信半徑可達數百公里，傳播時延較大；節點分布稀疏，密度較小，可能導致網絡無法連通[23-25]。

(2) 網絡拓撲的高速動態變化。民航客機的飛行速度一般在500～1000 km/h,而戰機的飛行速度最高能達3.5馬赫,節點的高速運動，飛行器不斷高速地加入或退出網絡，導致網絡拓撲和通信鏈路快速動態變化，可能使得網絡連通受限，在設計MAC協議時，需要考慮使用更多的通信資源來傳輸控制信息，快速建立通信鏈路。

(3) 無線信道不穩定[26]和不均勻。航空自組網主要采用VHF頻段進行視距通信，電磁波繞射能力較弱，信號傳輸容易受飛機機身和地形的影響，空空通信中，飛機的高速運動，信道質量受多普勒頻移[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) 節點差異性。航空自組網中存在多種不同類型的節點，如在軍事航空網絡中，可能存在預警機、戰斗機、無人機等航空飛行器，以及衛星和地面網關等各種節點。這些節點在發射功率、數據傳輸速率、處理能力、可靠性等方面有著不同的特點，因此在設計MAC協議時也應該考慮這些節點的差異性。

(5) 通信業務QoS保障。航空業務的多樣性，不同的業務對傳輸時延、吞吐量等性能指標有著不同的要求，特別是軍用航空通信中武器控制指令的傳輸對時延要求極高，而語音、視頻類業務對吞吐量和時延有著較高的要求，在航空節點相距較遠，無線鏈路不佳的情況下要求MAC協議對這些不同的業務能夠提供相應的QoS支持。

(6) 安全性[30]。航空自組網采用分布式控制、無網絡中心節點、具有很強的臨時性，比一般無線網絡更容易受安全方面的威脅。軍事領域的航空自組網更易受到傳輸媒質的影響和被動竊聽、主動入侵、拒絕服務等網絡惡意攻擊，這要求MAC協議具有一定的抗干擾功能以實現可靠的數據傳輸[31]。

航空自組網MAC協議在考慮上述眾多問題的同時，還要求能處理較重的網絡負載，保證端到端傳輸的服務質量[32]，因此不能直接使用地面移動自組網的MAC協議，航空自組網和傳統地面自組網的特點對比如表1所示。

表1　航空自組網與地面自組網特點對比

3航空自組網MAC協議研究現狀

3.1軍事航空通信MAC協議發展過程

航空自組網的發展離不開未來軍事航空通信的發展需求，早期的軍事航空通信主要追求信息傳輸的可靠性和穩定性，對MAC協議的要求也是如此。Link4A和Link11數據鏈使用輪詢接入機制，Link16數據鏈[33]使用TDMA接入方式，這幾種接入方式本質上都是靜態的時分復用；Link22針對Link16和Link11在使用過程中遇到的問題和存在的缺點，提出了固定分配和預約分配相結合的DTDMA協議，在一定程度上使網絡能夠適應拓撲的動態變化；美軍TTNT網絡使用了基于信道統計優先的多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA[11,12])協議，以色列的ACR-740數據鏈采用了基于改進型CSMA協議，這幾種數據鏈MAC協議特征對比如表2所示。

表2　航空數據鏈MAC協議特征對比

3.2航空自組網MAC協議分類和基本原理

從航空數據鏈采用的MAC協議和組網方式的逐漸轉變，我們可以看到航空通信的發展趨勢，其網絡結構從星型網逐漸向多跳分布式網絡發展，接入方式不再只局限于時分復用模式。同時在確保網絡穩定性和可靠性的基礎上，對吞吐量、時延、靈活性的要求越來越高。目前航空自組網MAC協議的研究主要集中于兩類：大多數項目采用的基于TDMA 的MAC協議，部分項目采用的基于隨機競爭接入的MAC協議。

3.2.1基于TDMA的MAC協議特點和性能比較

TDMA[34]協議將時間分割為周期性的幀，每一幀再分為若干個時隙，根據一定的時隙分配原則，給每個用戶分配一個或多個時隙，用戶只能在指定時隙內發送數據[7]，分組不存在碰撞的威脅。根據不同的時隙分配策略，TDMA協議可分為固定分配TDMA和動態分配TDMA兩種。

固定分配TDMA協議給每個節點分配固定的時隙，時隙的分配在航空網絡設計階段就已經確定，并且在網絡運行過程中，時隙分配保持不變。協議預先確定了網絡規模，保證了各節點數據發送的公平性，消除了各個節點分組的碰撞威脅，算法復雜度和控制開銷較小,在節點業務量恒定的時候，協議性能表現較好。但在航空領域，飛行器需要高速動態地加入或退出網絡，網絡拓撲結構動態變化，飛行器的退出，使得預先分配好的時隙被空置，導致信道利用率降低，飛行器的加入也無法分配新的時隙，不能適應網絡拓撲的動態變化，靈活性較差。

動態分配TDMA協議一般將時隙分為競爭段和信息段，競爭段和信息段各分為若干個時隙。在競爭時段，各個節點用一些短的預約分組提前預約信道，一旦預約成功，在信息時段相應的時隙可以無沖突地發送分組。相比于固定分配TDMA，動態TDMA協議對節點、業務量的變化具有良好的適應性，能夠靈活地分配信道資源，具有更高的時隙利用率和實時性。但是預約信息屬于管理信息，傳輸必然占用信道資源，網絡負載較輕時或節點數變化導致預約控制信息的增多時，均會造成協議開銷增大，信道利用率降低。

文獻[35]提出一種動態分配TDMA協議PCC-TDMA，適用于含有多種不同類型節點的戰術MANET。協議將一個時幀分為優先級分配階段，競爭階段，數據傳輸階段，結合固定分配和動態接入的優勢，在固定的時隙內發送控制信息。利用二進制逆序比較算法競爭發送順序，大大減少分組碰撞和網絡傳輸時延，可適應密度變化較大的網絡；文獻[36]提出一種機載網絡動態TDMA協議，協議同時支持單播和廣播方式，并通過RTS/CTS控制報文解決隱藏終端問題。協議將每幀分為控制時隙和數據時隙，節點通過微控制時隙來競爭對應的數據時隙，實現快速預留。同時還可以申請使用先前的空閑時隙或競爭失敗時隙，充分提高時隙的利用率和空間復用；J.G在文獻[37]中對Johnson等人提出STDMA協議性能進行了分析，研究了其算法和用于多跳網絡的可行性。文獻[38]認為STDMA協議不能給節點分配連續性的時隙以滿足實時性高的業務，因此提出了“時隙塊”的概念對協議進行了改進。Li等人在文獻[32]中認為STDMA協議存在一些缺陷，如兩個節點在通信過程中，發送節點只負責發送信息，而接收節點卻要處理優先級、分組碰撞、本地信息分發等大量工作。在高動態變化的航空環境中接收節點將面臨過高的計算量負荷，無法給節點分配連續時隙以滿足高實時性業務，交互信息復雜難以實現，因此提出了IDTA協議。該協議運行在收發雙方，減輕了接收節點的計算量負擔，信道分配時耗費更少時間。此外，Guo Z H等人在文獻[39]中提出了一種基于TDMA的令牌環MAC協議，該協議能夠高效地交換控制信息，對新入網節點快速提供QoS支持。上述幾種協議的性能比較如表3所示。

表3　基于TDMA的MAC協議性能比較

3.2.2基于隨機接入的MAC協議特點和性能比較

基于隨機接入的MAC協議的基本思想是：節點有分組到達時，則立即發送分組，或先通過某種方式判斷信道忙閑，若信道閑，則發送分組，信道忙則退避一段時間。隨機接入[40]方式，不需要預先給各個節點分配時隙，能有效處理用戶數量的可變性和通信業務的突發性，對高實時性業務傳輸有著天然的優勢。

802.11采用的CSMA/CA是目前比較有代表性的隨機接入協議。該協議能提供較低的端到端時延，但其并不能直接用于航空自組網。首先，其分組在接入信道前，需要對信道進行偵聽，航空通信距離一般較遠，節點偵聽到的狀態并不是當前的信道狀態。而且在航空信道中，偵聽時間為2 ms才能可靠接收和檢測發送節點的信號，在此期間不能進行任何信號的傳輸，每次信息傳輸都有2 ms時間被空置，多次傳輸會導致信道利用率降低。同時CSMA/CA協議采用RTS,CTS,ACK的多次握手信號來保證信號傳輸的可靠性，而航空通信傳播時延比較大，多次握手會導致端到端時延進一步增大，無法滿足航空自組網中對時延的要求[41]。

TTNT是一種基于IP[42]的航空Ad hoc網絡，MAC協議的設計緊緊圍繞著打擊“時敏目標”的要求而展開，旨在實現空—空和空—地武器協同網絡通信，縮短C4KISR系統從“傳感器”到“射手”的時間。TDMA協議由于其時隙結構的限制，信息共享的時延一般在秒級，無法滿足對時敏性目標打擊的時效性要求，因此美軍設計了SPMA協議，協議運用了數據優先級排隊、突發拆分技術、Turbo編碼、信道狀態統計、跳頻跳時[43]等思想。具體做法是，采用滑動平均統計的方法統計信道忙閑程度，計算每個頻點接收到的脈沖個數并求和，與不同優先級業務所設定的忙閑閾值相比較，確定信道忙閑程度，當信道的忙閑程度小于閾值時分組可以接入信道，否則執行退避算法。其狀態轉移圖如圖4所示。

圖4　SPMA協議狀態轉移圖

國內外對航空自組網隨機接入類MAC協議的研究大多在一定程度上借鑒了SPMA的思想。文獻[44]提出PSMC協議，該協議不對信道進行偵聽，而是通過統計過去一段時間信道上接收到的脈沖數，來預測當前時段的忙閑，避免了對信道偵聽而造成的時延。文獻[45]提出Turbo_MAC協議，文獻[46]提出BT-MAC協議，均在分組發送前對分組進行Turbo編碼，增加一定的冗余信息，發送過程即使丟失部分數據，在接收端仍能進行糾錯重建數據分組，協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造成的時延。文獻[47]認為SPMA協議雖然在網絡負載較高時對低優先級業務進行截流，保障了高優先級業務的低時延發送，但此時低優先級業務的時延較大，因此提出PBLL/HL協議，降低了低優先級業務由于截流而導致的時延，使網絡不至迅速擁塞惡化。上述幾種隨機接入協議的性能比較如表4所示。

表4　基于隨機接入的MAC協議比較

4航空自組網MAC協議分析對比

基于TDMA的MAC協議以某種方式動態或靜態地為每個用戶固定分配一定的信道時隙資源，用戶可以不受干擾地獨享已分配的時隙。這種方式可以保證用戶接入信道的公平性和平均時延，網絡規模確定后能保證較高的系統吞吐量，系統穩定。但其對同步的要求較高，不能有效應對網絡規模的變化和通信業務的突發性，動態TDMA在靈活性方面有所改善，但其時分復用的機制很難適用于對時延要求較高的場合，且實現復雜度較大。

隨機接入類的MAC協議由于其接入信道的“實時性”和“隨機性”，能夠高速動態靈活組網，同時提供極低的端到端時延。這些特點符合未來航空自組網的發展需求，但由于其分組發送的“隨機性”，即使采用了多種沖突分解的方法，仍然無法完全避免分組產生的碰撞。這種信道接入方式很難提供QoS保證，在負載較重時難以保證系統穩定性，兩種類型的MAC協議性能比較如表5所示。

表5　航空自組網兩種類型MAC協議性能比較

5結語

由于發展體制原因，加上目前飛機配上GPS后，可以提供比較精確的全網時間同步和自身位置信息，所以基于TDMA的MAC協議組網方案發展的相對比較成熟。這類MAC協議側重于傳輸的可靠性、公平性和穩定性，但分組接入等待時延大，組網不夠靈活，動態TDMA的出現一定程度上改善了入網退網的靈活性，但工程實現難度較大。基于隨機競爭接入的MAC協議能提供低的接入時延、維持較大的網絡規模和具有動態組網能力，這些特征符合未來航空通信的需求，但在QoS保障、公平性和穩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分優先級[48,49]的QoS保障，例如保障高優先級低的接入時延[50]和低優先級高的吞吐量, 也有一些研究嘗試將兩種類型協議融合[51]，協議運行時能快速在二者間切換。就未來軍事航空通信[52]低時延、高速率、快速動態組網的需求而言，隨機接入類型的MAC協議有著更好的發展前景。

航空自組網MAC協議的發展趨勢：一是采用多信道和多天線機制[53]，多個信道同時進行通信，可以有效解決隱藏終端和暴露終端的問題，物理上消除控制分組和傳輸分組的碰撞。每個節點配置多個天線，可以和多個節點同時進行通信，提高網絡吞吐量、傳輸效率和服務質量。二是引入認知無線電。研究發現，全球授權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,測試結果顯示頻譜利用率也不足6%[54]。因此加強對網絡信道的認知，充分利用頻譜漏洞，對提高信道利用率，減少分組碰撞，提高平均吞吐量具有十分重要的意義。三是改進隨機競爭接入控制協議，開展沖突分解方法的研究，滿足臨時動態組網，系統容量、區分業務優先級服務保障QoS、傳輸時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。國家自然科學基金項目(61202490)；航空科學基金項目(2013ZC15008)。朱慶，碩士生，主研領域：航空自組網。張衡陽，副教授。毛玉泉，教授。

中圖分類號TP393

文獻標識碼A

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