面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的航空數(shù)據(jù)鏈　MAC協(xié)議

呂　娜，陳柯帆

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西　西安 710077）

面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的航空數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議

呂娜，陳柯帆

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安 710077）

針對未來航空集群作戰(zhàn)的全新網(wǎng)絡(luò)需求，提出了“航空集群云網(wǎng)絡(luò)”的概念，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信層面與任務(wù)需求層面耦合機(jī)制，為航空集群網(wǎng)絡(luò)的具體通信技術(shù)研究提供了參考，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合基于正交頻分多址（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）的可變帶寬信道分配技術(shù)設(shè)計(jì)了一種面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制協(xié)議（aeronautic swarm cloud network oriented media access control protocol，ASCN-MAC）。詳細(xì)設(shè)計(jì)了協(xié)議的任務(wù)需求認(rèn)知機(jī)制，為智能化任務(wù)規(guī)劃決策提供了通信支撐，并從需求出發(fā)，基于OFDMA的特點(diǎn)，提出了面向任務(wù)需求的層次化信道資源預(yù)約方式和信道資源貪婪預(yù)約算法。仿真結(jié)果表明，ASCN-MAC協(xié)議在任務(wù)規(guī)劃決策的通信支撐能力、吞吐量性能和實(shí)時(shí)性上均具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，可以滿足新的作戰(zhàn)樣式下大量面向任務(wù)需求信息的可靠低時(shí)延傳輸。對全新作戰(zhàn)樣式下新一代航空數(shù)據(jù)鏈的研究具有一定的參考、借鑒意義。

航空集群；云網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)鏈；媒體接入控制協(xié)議；可變帶寬信道分配；正交頻分多址

網(wǎng)址：www.sys-ele.com

0　引　言

隨著數(shù)字化戰(zhàn)場的不斷深化，作戰(zhàn)場景、態(tài)勢、對象等戰(zhàn)場環(huán)境更加復(fù)雜多變，使得僅依靠少數(shù)的有人或無人航空作戰(zhàn)平臺(tái)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的作戰(zhàn)方式無法靈活地適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，無法確保作戰(zhàn)任務(wù)的高效完成［1］。為了使航空作戰(zhàn)平臺(tái)在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中能依據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)組織，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自身能力及作戰(zhàn)效能的優(yōu)化，近年來，研究人員受生物集群行為啟發(fā)，將集群的概念應(yīng)用到了航空作戰(zhàn)領(lǐng)域［2-3］，提出了航空集群的概念。

航空集群存在兩個(gè)重要特征：一是指揮控制的智能化［2，4］；二是深層次的協(xié)同。這些特征對航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了全新的網(wǎng)絡(luò)需求。一方面要求航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)能為航空集群快速高效地進(jìn)行任務(wù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃決策提供通信支撐；另一方面，則要求其與任務(wù)規(guī)劃決策聯(lián)動(dòng)，滿足航空作戰(zhàn)平臺(tái)間深層次協(xié)同的信息傳輸需求。這就需要航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)與作戰(zhàn)過程中實(shí)際任務(wù)需求具備強(qiáng)耦合關(guān)系，能以較高傳輸速率和較低時(shí)延可靠地傳輸任務(wù)需求的大量信息。目前有關(guān)航空集群的研究側(cè)重于集群概念描述、行為建模和仿真驗(yàn)證［5-7］，對具體航空集群網(wǎng)絡(luò)特征和網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制少有研究。需要針對航空集群的網(wǎng)絡(luò)特征和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)展開研究。

現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)研究基于傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式與開放式系統(tǒng)互連（open system interconnect，OSI）分層模型定義網(wǎng)絡(luò)特征，對下層網(wǎng)絡(luò)信息傳輸與上層任務(wù)需求的耦合性以及航空作戰(zhàn)平臺(tái)間深層次的協(xié)同需求考慮不足，使得網(wǎng)絡(luò)通信層面一方面不能很好地支撐智能化指揮控制決策，另一方面不能充分發(fā)揮指揮控制智能化帶來的決策優(yōu)勢。媒體接入控制（media access control，MAC）協(xié)議作為直接影響航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)，受現(xiàn)階段航空作戰(zhàn)樣式與研究思路的影響，導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)過程中，同樣缺乏與任務(wù)需求的耦合性以及深層次協(xié)同需求的考慮，無法較好地滿足航空集群作戰(zhàn)的信息傳輸需求。目前對于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究一般分為基于隨機(jī)接入、基于固定接入和基于預(yù)約接入［8］。隨機(jī)接入類MAC協(xié)議如載波偵聽多路訪問沖突避免協(xié)議（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMACA），由于報(bào)文碰撞不可避免，對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和業(yè)務(wù)量較大的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境傳輸性能較差；固定接入類MAC協(xié)議如Link-16采用的時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）協(xié)議［9］，針對業(yè)務(wù)多樣化的戰(zhàn)場通信環(huán)境容易產(chǎn)生信道資源的浪費(fèi)，信道利用率較低，傳輸性能依然不理想；預(yù)約接入類MAC協(xié)議在分配信道資源之前由網(wǎng)絡(luò)用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求先進(jìn)行預(yù)約，以解決固定接入類MAC協(xié)議信道利用率低的問題，并且具備固定接入類MAC協(xié)議的優(yōu)勢，但對于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，現(xiàn)有預(yù)約接入類MAC協(xié)議如Link-22采用的動(dòng)態(tài)時(shí)分多址（dynamic time division multiple access，DTDMA）協(xié)議以及快速動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配（fast dynamic slot assignment，F(xiàn)-DSA）協(xié)議［10］預(yù)約時(shí)延較大，使得系統(tǒng)所傳輸信息的實(shí)時(shí)性依然不高。

本文以航空作戰(zhàn)平臺(tái)在智能化指揮控制模式下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化集群作戰(zhàn)為應(yīng)用背景，在充分研究其網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上，提出了航空集群云網(wǎng)絡(luò)的概念，設(shè)計(jì)面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議（aeronautic swarm cloud network oriented MAC protocol，ASCN-MAC）。

1　航空集群云網(wǎng)絡(luò)概念描述

云網(wǎng)絡(luò)是通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化和自管理技術(shù)，將云計(jì)算的技術(shù)和思想應(yīng)用到未來網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)之中，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸資源按需管理控制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［11-12］。本文將云網(wǎng)絡(luò)的思想與新的作戰(zhàn)背景結(jié)合，提出了航空集群云網(wǎng)絡(luò)的概念。

如圖1所示，航空集群云網(wǎng)絡(luò)是將航空集群中所有航空作戰(zhàn)平臺(tái)所具有的傳感器資源，武器資源等作戰(zhàn)資源按任務(wù)需求通過數(shù)據(jù)鏈鏈接起來進(jìn)行管理調(diào)度的高效信息交互網(wǎng)絡(luò)。其不同于一般意義上的云網(wǎng)絡(luò)［13］以及“戰(zhàn)術(shù)云”［14］的概念，航空集群云網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前任務(wù)需求的各類作戰(zhàn)資源作為其網(wǎng)絡(luò)鏈接的對象，航空集群中任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)既是服務(wù)提供者也是服務(wù)的獲取者，對于作戰(zhàn)資源的調(diào)度，并不存在嚴(yán)格定義的“服務(wù)端”進(jìn)行統(tǒng)一管理，而是依據(jù)復(fù)雜多變戰(zhàn)場環(huán)境下的實(shí)際任務(wù)需求，在信息交互的基礎(chǔ)上，利用各航空作戰(zhàn)平臺(tái)的智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)，在統(tǒng)一任務(wù)需求認(rèn)知的前提下協(xié)商完成。

圖1　航空集群云網(wǎng)絡(luò)概念

參考現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)并結(jié)合新的設(shè)計(jì)思路［15-16］，航空集群云網(wǎng)絡(luò)共分為3個(gè)主要層面，分別是戰(zhàn)場信息感知層面，智能化任務(wù)規(guī)劃決策層面以及網(wǎng)絡(luò)鏈路層面。戰(zhàn)場信息感知層是航空集群與復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的交互接口，各航空作戰(zhàn)平臺(tái)利用機(jī)載設(shè)備獲取目標(biāo)信息、自身狀態(tài)信息等戰(zhàn)場環(huán)境信息，通過對各類信息進(jìn)行過濾與融合處理，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的綜合信息感知。智能化任務(wù)規(guī)劃決策層依據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境信息，明確當(dāng)前任務(wù)需求，規(guī)劃調(diào)度作戰(zhàn)資源，為網(wǎng)絡(luò)鏈路層面提供上層任務(wù)規(guī)劃決策信息。網(wǎng)絡(luò)鏈路層根據(jù)上層任務(wù)規(guī)劃決策信息，調(diào)整鏈路鏈接對象，協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立作戰(zhàn)資源間面向任務(wù)需求的交互鏈路。

2　耦合機(jī)制設(shè)計(jì)

本節(jié)對航空集群云網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息概念進(jìn)行了定義，并參考認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知引擎給出了智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)的簡單架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信層面與任務(wù)需求層面的耦合機(jī)制。

2.1相關(guān)信息概念定義

基于航空集群云網(wǎng)絡(luò)的信息交互需求，融合應(yīng)用效能與通信性能，提出了源信息、交感信息、任務(wù)信息等信息概念，相關(guān)定義如下：

定義1源信息：航空作戰(zhàn)平臺(tái)各類機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的戰(zhàn)場環(huán)境感知信息。設(shè)備不同，產(chǎn)生的源信息類型也不同。

定義2交感信息：航空作戰(zhàn)平臺(tái)間及航空作戰(zhàn)平臺(tái)自身機(jī)載設(shè)備間交互的戰(zhàn)場環(huán)境感知信息。是通過對源信息進(jìn)行信息處理，標(biāo)準(zhǔn)化信息格式后生成的。

定義3控制信息：對航空集群云網(wǎng)絡(luò)各層面進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)的信息。

定義4任務(wù)需求信息：航空作戰(zhàn)平臺(tái)在任務(wù)執(zhí)行過程中針對當(dāng)前任務(wù)需求和自身使命而通過航空集群云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)木哂休^高信息價(jià)值的交感信息和語音、指令、視頻等非交感信息。

定義5任務(wù)信息：承載任務(wù)類型，能力需求，任務(wù)規(guī)劃方案等任務(wù)關(guān)聯(lián)因素的信息。

定義6任務(wù)匹配信息組：可使航空作戰(zhàn)平臺(tái)智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)產(chǎn)生不同于之前的任務(wù)需求認(rèn)知，并生成新任務(wù)信息的交感信息組合。任務(wù)匹配信息組存在如下特點(diǎn)：①整體性。令M表示任務(wù)匹配信息組，其中i表示組成該任務(wù)匹配信息組的交感信息，令A(yù)nalysis（M）表示智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)對M進(jìn)行分析推理的結(jié)果，若?M′≠M(fèi)，Analysis（M）≠Analysis（M′）。②高效性。由任務(wù)匹配信息組的定義可以知道任務(wù)匹配信息組必須具備高效性，即基于某任務(wù)匹配信息組所做出的任務(wù)需求認(rèn)知在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)失效，以保證任務(wù)需求認(rèn)知不會(huì)被頻繁更新。

2.2智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)架構(gòu)

各航空作戰(zhàn)平臺(tái)利用各自智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知域到控制域的轉(zhuǎn)換。如圖2所示，智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)由戰(zhàn)場環(huán)境信息庫、智能行為規(guī)則庫、任務(wù)想定模型庫、推理機(jī)、學(xué)習(xí)引擎、行動(dòng)引擎、推理結(jié)果存儲(chǔ)單元和各執(zhí)行單元組成［17-18］。

圖2　智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)架構(gòu)

戰(zhàn)場環(huán)境信息庫中存儲(chǔ)著表征當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境的交感信息，并不斷進(jìn)行更新；智能行為規(guī)則庫存儲(chǔ)著管理各類信息及指導(dǎo)推理機(jī)如何做出決策的行為規(guī)則；任務(wù)想定模型庫存儲(chǔ)著大量的任務(wù)想定模型，便于推理機(jī)結(jié)合當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境信息量化當(dāng)前任務(wù)需求；推理結(jié)果存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)著自身推理機(jī)推理結(jié)果及航空集群云網(wǎng)絡(luò)中其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)的推理結(jié)果，便于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)成員對當(dāng)前任務(wù)需求的認(rèn)知；推理機(jī)按照一定的推理方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫提供的信息，對大量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索、匹配和優(yōu)化計(jì)算，量化當(dāng)前任務(wù)需求，將所得結(jié)果映射為適當(dāng)?shù)男袆?dòng)方案，指導(dǎo)行動(dòng)引擎為各執(zhí)行單元規(guī)劃具體的行為策略；學(xué)習(xí)引擎會(huì)在推理過程中對于歷史數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后實(shí)時(shí)更新智能行為規(guī)則庫中存儲(chǔ)的規(guī)則，利用這樣的反饋過程保證推理結(jié)果的最優(yōu)化，避免對相同情況進(jìn)行計(jì)算量巨大的重復(fù)推理。

2.3機(jī)制設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)任務(wù)需求屬于認(rèn)知域范疇，而認(rèn)知的過程是對戰(zhàn)場環(huán)境信息進(jìn)行分析推理的過程，通過分析推理，量化抽象的任務(wù)需求，作為網(wǎng)絡(luò)通信層面的參考，指導(dǎo)其動(dòng)態(tài)調(diào)整［19］。根據(jù)這一自頂向下的思路，本文設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)通信層面與任務(wù)需求層面的耦合機(jī)制，如圖3所示。

圖3　耦合機(jī)制

耦合過程主要分為5個(gè)步驟，具體描述如下：

步驟1源信息標(biāo)準(zhǔn)化：源信息類型與具體設(shè)備類型相關(guān)，使得不同機(jī)載設(shè)備間及不同航空作戰(zhàn)平臺(tái)間無法直接進(jìn)行信息共享，需對不同類型的源信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為交感信息，實(shí)現(xiàn)源信息的按需透明化傳輸。

步驟2智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)對大量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，明確是否生成任務(wù)匹配信息組，若生成則迅速提取，一方面作為自身任務(wù)規(guī)劃決策的信息輸入，另一方面將其通過航空集群云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。

步驟3任務(wù)匹配信息組交互：任務(wù)匹配信息組將導(dǎo)致產(chǎn)生新的任務(wù)需求認(rèn)知，航空作戰(zhàn)平臺(tái)受平臺(tái)類型、信息感知能力以及當(dāng)前坐標(biāo)位置等因素影響，在一段時(shí)間內(nèi)，航空集群中能夠提取出相應(yīng)任務(wù)匹配信息組的航空作戰(zhàn)平臺(tái)有限，需通過任務(wù)匹配信息組的交互實(shí)現(xiàn)整個(gè)航空集群對當(dāng)前任務(wù)需求的認(rèn)知。

步驟4任務(wù)需求認(rèn)知統(tǒng)一：航空集群中任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)將通過任務(wù)匹配信息組和自身當(dāng)前狀態(tài)確定的任務(wù)信息進(jìn)行交互，完成航空集群所有成員對任務(wù)需求認(rèn)知的統(tǒng)一，使得能實(shí)現(xiàn)分布式的任務(wù)申請。

步驟5網(wǎng)絡(luò)鏈路層面調(diào)整：在量化的任務(wù)需求指導(dǎo)下對網(wǎng)絡(luò)鏈路層面進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，保證面向任務(wù)需求的高效信息共享。

3　系統(tǒng)模型

航空作戰(zhàn)平臺(tái)具有較遠(yuǎn)的通信距離，在一般情況下其通信范圍可覆蓋航空集群中其他成員。本文考慮航空集群各成員間組成通信范圍為1跳的全連通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互的網(wǎng)絡(luò)場景。

3.1基于OFDMA的可變帶寬信道分配技術(shù)

隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，目前即使是商用設(shè)備也可以很方便地自適應(yīng)地調(diào)整它所工作的頻率中心點(diǎn)和信道寬度，并且開銷很低，于是研究人員提出了可變帶寬信道分配技術(shù)［20］。傳統(tǒng)的可變帶寬信道分配技術(shù)存在如下問題：①信道帶寬可調(diào)整范圍有限，以802.11為例，調(diào)整范圍僅限于所提供的5、10、20、40 M Hz可選帶寬；②傳輸鏈路所占用帶寬必須連續(xù)［21］。

文獻(xiàn)［22］采用了OFDMA技術(shù)進(jìn)行可變帶寬信道分配，利用OFDMA技術(shù)進(jìn)行可變帶寬信道分配具有以下優(yōu)勢：①可通過選擇不同數(shù)量的子載波靈活地調(diào)整信道帶寬，且信道帶寬的調(diào)整步長和子載波帶寬相同；②傳輸鏈路所占用信道帶寬可以不連續(xù)；③可實(shí)現(xiàn)傳輸節(jié)點(diǎn)同時(shí)維持多條傳輸鏈路。可以看出基于OFDMA的可變帶寬信道分配技術(shù)具備較強(qiáng)的靈活性。

3.2同步方式

衛(wèi)星同步實(shí)現(xiàn)簡單，且同步精度高，GPS同步時(shí)鐘在保持模式下其授時(shí)精度可達(dá)15 ns。假定采用衛(wèi)星授時(shí)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步，且忽略同步誤差。

3.3信息收發(fā)模型

任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)具有2個(gè)工作方式為半雙工的信息收發(fā)設(shè)備，其中收發(fā)設(shè)備1占用較寬的頻譜傳輸3.1節(jié)定義的相關(guān)信息，收發(fā)設(shè)備2占用固定較窄的頻譜傳輸如集群成員位置、航跡等基本態(tài)勢信息。相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)主要針對收發(fā)設(shè)備1。

3.4航空作戰(zhàn)平臺(tái)使命狀態(tài)與相關(guān)信息交互

對組成航空集群的航空作戰(zhàn)平臺(tái)，存在3種使命狀態(tài)：①空閑狀態(tài)（idle）。表明該航空作戰(zhàn)平臺(tái)沒有被賦予具體的任務(wù)使命，處于idle狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)非特殊情況下使用信息收發(fā)設(shè)備2發(fā)送或接受基本態(tài)勢信息，收發(fā)設(shè)備1僅接收信息不主動(dòng)傳輸信息，目的是為具有任務(wù)使命的航空作戰(zhàn)平臺(tái)預(yù)留足夠的信道資源。②任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)（mission）。表明該航空作戰(zhàn)平臺(tái)正參與任務(wù)執(zhí)行，有具體的任務(wù)使命，處于mission狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)間交互控制信息和任務(wù)需求信息。③協(xié)商狀態(tài)（negotiation）。negotiation狀態(tài)為航空作戰(zhàn)平臺(tái)間面向?qū)嶋H任務(wù)需求進(jìn)行任務(wù)協(xié)商，任務(wù)分配規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時(shí)所處的狀態(tài)，處于negotiation狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)主要交互任務(wù)匹配信息組、任務(wù)信息和控制信息。negotiation狀態(tài)為mission狀態(tài)和idle狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的過度狀態(tài)。

3.5航空作戰(zhàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

航空集群中任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)，存在2種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)：①在網(wǎng)狀態(tài)（in_net）。在in_net狀態(tài)下，航空作戰(zhàn)平臺(tái)按照航空集群的信道資源占用策略占用相應(yīng)信道資源進(jìn)行信息的傳輸。②退網(wǎng)狀態(tài)（out_net）。在out_net狀態(tài)下，航空作戰(zhàn)平臺(tái)對于收發(fā)設(shè)備1沒有被分配信道資源，非特殊情況下需保持對信道的持續(xù)偵聽。在穩(wěn)定狀態(tài)下，處于in_net狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)其使命狀態(tài)為mission，處于out_net狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)，其使命狀態(tài)為idle。

3.6任務(wù)分配規(guī)劃模型

航空集群遂行作戰(zhàn)任務(wù)，需要針對不同任務(wù)目標(biāo)完成多機(jī)多目標(biāo)任務(wù)分配。本文采用如圖4所示的任務(wù)分配規(guī)劃模型［19，23 25］。

圖4　任務(wù)分配模型

航空集群的任務(wù)分配規(guī)劃以集中式的方式在統(tǒng)一的任務(wù)需求認(rèn)知的基礎(chǔ)上由任務(wù)主節(jié)點(diǎn)完成。一般選擇最近發(fā)送任務(wù)匹配信息組的航空作戰(zhàn)平臺(tái)作為任務(wù)主節(jié)點(diǎn)。任務(wù)主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)統(tǒng)一任務(wù)需求認(rèn)知和集群任務(wù)分配規(guī)劃，確定各子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)及子任務(wù)參與者，明確信道資源的使用權(quán)限。子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)代表子任務(wù)參與者預(yù)約信道資源，子任務(wù)參與者需向子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)報(bào)告自身信息傳輸需求和信息內(nèi)容需求，同時(shí)，子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)需幫助子任務(wù)參與者轉(zhuǎn)發(fā)控制信息，使其控制信息可被全網(wǎng)感知。為防止任務(wù)主節(jié)點(diǎn)失效且又沒有新節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)匹配信息組的情況出現(xiàn)，任務(wù)主節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)備用節(jié)點(diǎn)，切換到備用節(jié)點(diǎn)的方法不是本文研究的重點(diǎn)，故不做詳細(xì)描述。

4　ASCN-MAC協(xié)議

本節(jié)結(jié)合航空集群云網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特征以及第3節(jié)的耦合機(jī)制思想，以第4節(jié)的系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議ASCN-MAC。

在描述具體協(xié)議之前，先對下文提到的相關(guān)術(shù)語進(jìn)行說明：

（1）模式切換控制指令（mode change control，MCC）：控制收到MCC的航空作戰(zhàn)平臺(tái)使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為negotiation，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net。同時(shí)，MCC包含臨時(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)信息。

（2）確認(rèn)報(bào)文（acknowledgement，ACK）：航空作戰(zhàn)平臺(tái)通過ACK確認(rèn)報(bào)文告知MCC的發(fā)送方已收到MCC。

（3）發(fā)送完成標(biāo)識報(bào)文（transmission complete identification，TCI）：告知全網(wǎng)任務(wù)匹配信息組已發(fā)送完成，并告知集群中所有航空作戰(zhàn)平臺(tái)對臨時(shí)時(shí)幀的時(shí)隙占用情況。

（4）任務(wù)申請（mission request，MR）：滿足任務(wù)執(zhí)行條件的航空作戰(zhàn)平臺(tái)需發(fā)送任務(wù)申請來申請參與任務(wù)。

（5）使命狀態(tài)確認(rèn)（mission status affirm，MSA）：明確各航空作戰(zhàn)平臺(tái)使命狀態(tài)，并告知全網(wǎng)ASCN-MAC幀中時(shí)隙占用情況。

（6）信道資源預(yù)約報(bào)文（channel resource reservation，CRR）：子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)利用CRR代表該子任務(wù)所有參與者預(yù)約信道資源。

4.1協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

ASCN-MAC以時(shí)幀為循環(huán)周期，時(shí)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，其時(shí)幀長度的基本組成單元是時(shí)間長度為的微時(shí)隙（mini slot，MS），時(shí)幀長度Tf可變。每1時(shí)幀共分為2個(gè)部分：①集群控制部分。該部分由要求（request，REQ）時(shí)隙和回復(fù)（reply，REP）時(shí)隙組成，REQ時(shí)隙用于需發(fā)送任務(wù)匹配信息組的使命狀態(tài)為idle的航空作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)送MCC，REP時(shí)隙用于任務(wù)主節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送MSA。②mission狀態(tài)航空作戰(zhàn)平臺(tái)信息交互部分。該部分又由2個(gè)子部分組成，分別是控制信息傳輸部分和任務(wù)需求信息傳輸部分。前者由n個(gè)時(shí)間長度相同的時(shí)隙（slot）組成，且slot也由MS組成，n等于航空集群中子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)數(shù)量且可依據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)變化，任意子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)占用1個(gè)slot，所傳輸控制信息包括CRR和MCC，MCC較CRR具有更高的優(yōu)先級，需優(yōu)先保證MCC的傳輸，MCC包括自身生成的或幫子任務(wù)參與者轉(zhuǎn)發(fā)的。任務(wù)需求信息傳輸部分將可用頻譜分為w個(gè)子載波，以MS作為基本時(shí)間單元。

圖5　ASCN-MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

4.2協(xié)議總體流程框架

圖6給出了ASCN-MAC協(xié)議的總體流程框架，協(xié)議所涉及的具體機(jī)制和算法將依據(jù)此框架在后文進(jìn)行描述。

在初始化狀態(tài)下，航空集群中各航空作戰(zhàn)平臺(tái)按照事先規(guī)劃占用和預(yù)約相應(yīng)的信道資源傳輸信息。

步驟1航空集群中各航空作戰(zhàn)平臺(tái)在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)下保持時(shí)間同步。

步驟2當(dāng)收到MCC時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟5。若未收到MCC，轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3判斷是否生成任務(wù)匹配信息組：若未生成，則按相應(yīng)策略占用和預(yù)約信道資源發(fā)送信息或接收信息，轉(zhuǎn)入步驟1；若有任務(wù)匹配信息組生成，則轉(zhuǎn)入步驟4。

圖6　協(xié)議總體流程

步驟4發(fā)送MCC，轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟5完成對任務(wù)需求的統(tǒng)一認(rèn)知和任務(wù)分配規(guī)劃，按任務(wù)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，轉(zhuǎn)入步驟1。

4.3任務(wù)需求認(rèn)知機(jī)制

ASCN-MAC協(xié)議的任務(wù)需求認(rèn)知機(jī)制的具體流程如圖7所示。

圖7沒有考慮控制信息交互失敗的情況，對控制信息交互失敗情況的處理方法將在4.4節(jié)進(jìn)行描述。航空集群中任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)無論是否生成任務(wù)匹配信息組，都需要先判斷是否收到MCC，目的是為了使集群生成的任務(wù)匹配信息組能盡快的被傳輸。下面分生成任務(wù)匹配信息組且未收到MCC和收到MCC兩個(gè)方面對圖7進(jìn)行描述。

（1）當(dāng)航空作戰(zhàn)平臺(tái)生成任務(wù)匹配信息組且未收到MCC

步驟1判斷自身是否可在當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送，若是則轉(zhuǎn)入步驟2，否則等待自身可發(fā)送時(shí)隙到來后轉(zhuǎn)入步驟2。若在等待過程中收到MCC，需優(yōu)先保證此MCC發(fā)送方任務(wù)匹配信息組的傳輸，并以該任務(wù)匹配信息組為基礎(chǔ)進(jìn)行任務(wù)需求的認(rèn)知，完成網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，再根據(jù)新的任務(wù)需求認(rèn)知決定是否發(fā)送自身任務(wù)匹配信息組。

步驟2標(biāo)記自身為當(dāng)前任務(wù)主節(jié)點(diǎn)，使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為negotiation，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為in_net，發(fā)送MCC，轉(zhuǎn)入步驟3。MCC所含臨時(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示，時(shí)幀長度為T′f，分為m個(gè)slot，其中m等于當(dāng)前航空集群所有航空作戰(zhàn)平臺(tái)數(shù)量。

步驟3在下一個(gè)時(shí)幀接收子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK確認(rèn)報(bào)文，轉(zhuǎn)入步驟4。這里的子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)是基于之前的任務(wù)需求認(rèn)知確定的。

步驟4完成子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)ACK確認(rèn)報(bào)文的接收，并在當(dāng)前時(shí)幀周期結(jié)束后按臨時(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)占用全部slot發(fā)送任務(wù)匹配信息組，并在發(fā)送完成后發(fā)送TCI，轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟5保留1個(gè)發(fā)送時(shí)隙釋放其余占用時(shí)隙，接收航空集群中除任務(wù)主節(jié)點(diǎn)外其他成員的MR和任務(wù)信息，對任務(wù)信息進(jìn)行整合，得出統(tǒng)一的任務(wù)需求認(rèn)知。若滿足任務(wù)需求，轉(zhuǎn)入步驟6。若超過規(guī)定時(shí)間仍未滿足任務(wù)需求，直接轉(zhuǎn)入步驟6，目的是為了盡量滿足任務(wù)需求。

圖7　任務(wù)需求認(rèn)知

圖8　臨時(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)

步驟6以自身發(fā)送slot為起始點(diǎn)，利用1個(gè)臨時(shí)時(shí)幀周期發(fā)送MCC和接收ACK確認(rèn)報(bào)文，1個(gè)臨時(shí)時(shí)幀周期后轉(zhuǎn)入步驟7。

步驟7占用全部slot，按當(dāng)前統(tǒng)一的任務(wù)需求認(rèn)知發(fā)送任務(wù)信息，發(fā)送完成后轉(zhuǎn)入步驟8。

步驟8發(fā)送MSA，使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為mission，采用新時(shí)幀結(jié)構(gòu)，按任務(wù)需求和自身任務(wù)角色進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

（2）當(dāng)航空作戰(zhàn)平臺(tái)收到MCC

步驟1若自身為之前任務(wù)需求認(rèn)知確定的子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)，并且該MCC由子任務(wù)參與者發(fā)送，則在下一時(shí)幀自身發(fā)送slot轉(zhuǎn)發(fā)該MCC，否則僅發(fā)送ACK確認(rèn)報(bào)文，轉(zhuǎn)入步驟2。若自身當(dāng)前使命狀態(tài)為idle，直接轉(zhuǎn)入步驟2。

步驟2使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為negotiation，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_ net，轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3偵聽信道，接收任務(wù)匹配信息組，若收到TCI，轉(zhuǎn)入步驟4。若未收到TCI且任務(wù)匹配信息組仍在發(fā)送，則轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟4按TCI置臨時(shí)時(shí)隙表，自身智能化任務(wù)規(guī)劃決策系統(tǒng)依據(jù)任務(wù)匹配信息組得出任務(wù)信息，并判斷自身是否滿足任務(wù)執(zhí)行條件，若滿足轉(zhuǎn)入步驟5，不滿足轉(zhuǎn)入步驟6。

步驟5在自身發(fā)送slot發(fā)送MR和任務(wù)信息，并在任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送slot判斷是否收到MCC。若收到MCC轉(zhuǎn)入步驟7。若未收且自身MR或任務(wù)信息未發(fā)送完成，轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟6在任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送slot判斷是否收到MCC，若收到轉(zhuǎn)入步驟7，若未收到保持繼續(xù)偵聽。

步驟7在自身發(fā)送slot發(fā)送ACK確認(rèn)報(bào)文，發(fā)送完成后網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net，轉(zhuǎn)入步驟8。

步驟8接收任務(wù)需求信息，若收到MSA轉(zhuǎn)入步驟9，若未收到且任務(wù)需求信息仍在發(fā)送，則轉(zhuǎn)入步驟8。

步驟9采用新時(shí)幀結(jié)構(gòu)，按任務(wù)需求和自身任務(wù)角色進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。

4.4控制信息交互失敗問題及處理

航空作戰(zhàn)平臺(tái)在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下受機(jī)身遮擋，多普勒效應(yīng)，通信干擾等諸多因素影響，無法確保信息交互的絕對可靠。在網(wǎng)絡(luò)通信層面面向任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整時(shí)，控制信息的不可靠交互會(huì)使得航空集群成員的網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)混亂，故需進(jìn)一步考慮在任務(wù)需求認(rèn)知過程中控制信息交互失敗的問題。

（1）MCC接收失敗。沒有正確接收MCC的子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)無法完成模式切換，若仍按原信道占用情況預(yù)約和傳輸信息，將干擾MCC發(fā)送方傳輸任務(wù)匹配信息組，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)調(diào)整完成后干擾新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的信息傳輸。

處理方式：當(dāng)收到其他子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK確認(rèn)報(bào)文，若自身發(fā)送slot未到來，則當(dāng)自身發(fā)送slot到來時(shí)發(fā)送ACK確認(rèn)報(bào)文，使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為negotiation，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net，否則直接將使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為negotiation，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net。當(dāng)未收到其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)送的ACK確認(rèn)報(bào)文且在1個(gè)時(shí)幀周期內(nèi)未收到任何CRR，則將自身使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為idle，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net。對于參與各子任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)，若未收到自身所屬子任務(wù)的子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CRR，則將自身使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為idle，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net。

（2）TCI接收失敗。未正確接收TCI的航空作戰(zhàn)平臺(tái)無法獲知任務(wù)匹配信息組是否發(fā)送完成并按規(guī)定占用臨時(shí)時(shí)幀結(jié)構(gòu)相應(yīng)時(shí)隙發(fā)送自身任務(wù)申請和任務(wù)信息。

處理方式：對未正確接收TCI的航空作戰(zhàn)平臺(tái)，當(dāng)收到其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)送的任務(wù)申請和任務(wù)信息即可獲知TCI接收失敗，于是放棄任務(wù)執(zhí)行，將自身使命狀態(tài)轉(zhuǎn)為idle，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為out_net。

（3）MSA接收失敗。未正確接收MSA的航空作戰(zhàn)平臺(tái)將不能明確自身當(dāng)前使命狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及對信道資源的占用情況。

處理方式：若航空作戰(zhàn)平臺(tái)未正確接收MSA，則默認(rèn)自身使命狀態(tài)為idle，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為out_net。由于MSA是周期發(fā)送，若某次正確接收，則根據(jù)接收到的MSA進(jìn)行調(diào)整。

（4）REQ時(shí)隙MCC發(fā)送沖突。若多個(gè)處于idle狀態(tài)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)在一個(gè)時(shí)幀內(nèi)生成任務(wù)匹配信息組，則都會(huì)在在下一時(shí)幀REQ時(shí)隙發(fā)送MCC，造成MCC沖突。

處理方式：感知到MCC沖突的MCC發(fā)送方采用退避或概率發(fā)送機(jī)制，避免MCC的持續(xù)沖突。

在以上處理方式下，ACK確認(rèn)報(bào)文和MR接收失敗的情況不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)混亂，故不考慮。

4.5面向任務(wù)需求的層次化信道資源預(yù)約方式及貪婪預(yù)約算法

與現(xiàn)有預(yù)約接入類MAC協(xié)議的預(yù)約方式不同，ASCNMAC在任務(wù)需求認(rèn)知的基礎(chǔ)上采用集中式與分布式相結(jié)合的層次化預(yù)約方式。各子任務(wù)參與者在當(dāng)前時(shí)幀的任務(wù)需求信息傳輸部分的最后采用基于link的方式占用信道資源向子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)報(bào)告信息傳輸和信息內(nèi)容需求，各子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)幀的控制信息傳輸部分發(fā)送CRR預(yù)約相應(yīng)信道資源。各子任務(wù)參與者能夠依據(jù)當(dāng)前時(shí)幀子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CRR確定當(dāng)前時(shí)幀中傳輸任務(wù)需求信息占用的時(shí)幀長度，同時(shí)由于報(bào)告報(bào)文的長度固定，可依據(jù)子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)ID號大小和自身ID號大小，分布式的依次占用相應(yīng)的信道資源報(bào)告需求。報(bào)告報(bào)文的發(fā)送方各不相同，使得同一MS中最多可支持w個(gè)成員進(jìn)行報(bào)告。

面向任務(wù)需求進(jìn)行信道資源預(yù)約的主要思想是：在預(yù)約信道資源時(shí)，CRR不僅包括對信道資源占用的聲明，同時(shí)也包括所占用信道資源傳輸?shù)男畔?nèi)容的聲明，以便于航空集群中所有航空作戰(zhàn)平臺(tái)建立起信道資源與其所乘載信息內(nèi)容的映射關(guān)系表。航空集群中任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)可依據(jù)該映射關(guān)系表按自身任務(wù)需求選擇性的接收信息，目的在于提高信道利用率與所獲取信息的信息價(jià)值。

本文依航空作戰(zhàn)平臺(tái)所傳輸信息是否存在已知的接收方，將所傳輸信息分為有向信息和無向信息，原因在于：對于有向信息，信息發(fā)送方已知該信息的接收方，信息接收方通過填寫在報(bào)頭的目的地址可以判斷是否為發(fā)送給自身的信息；對于無向信息，由于發(fā)送方不知道航空集群中其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)對該信息的需求，但依據(jù)自身任務(wù)角色與任務(wù)使命又必須不斷向航空集群云網(wǎng)絡(luò)上傳，所以無法給出具體的接收方。無向信息的接收方由需求該信息的航空作戰(zhàn)平臺(tái)根據(jù)映射關(guān)系表自身決定，并依靠子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CRR向全網(wǎng)聲明。

考慮到任務(wù)需求信息傳輸部分的幀結(jié)構(gòu)，本文以（s，f）作為任務(wù)需求信息傳輸部分信道資源的基本組成單位，其中s表示MS編號，f表示子載波頻率中心點(diǎn)。有向信息分為點(diǎn)對點(diǎn)（point to point，PP）和點(diǎn)對多點(diǎn)（point to multipoint，PMP），對于任意發(fā)送方i，用D（i，k）表示信息內(nèi)容k的所有接收方的集合。同時(shí)，用（i，j）表示發(fā)送方i和接收方j(luò)之間的傳輸鏈路，用demand（i，s，f）表示信息發(fā)送方i在該（s，f）是否有需求的信息內(nèi)容，C（i，j，s，f）表示有向信息傳輸鏈路（i，j）對該（s，f）的占用情況，C′（i，s，f）表示無向信息發(fā)送方i對該（s，f）的占用情況，n（i，j）表示滿足傳輸鏈路（i，j）傳輸當(dāng)前有向信息所需的信道資源，n′（i）表示i傳輸當(dāng)前無向信息所需的信道資源。可以得到：

對任意航空作戰(zhàn)平臺(tái)，其在發(fā)送信息時(shí)無法同時(shí)接收信息，于是可推出如下約束條件：

式中，in（i）表示向i發(fā)送信息的航空作戰(zhàn)平臺(tái)的集合；out（j）表示從j接收信息的航空作戰(zhàn)平臺(tái)的集合。同時(shí)，所占用信道資源必須滿足信息傳輸需求，故可得另一約束條件：

基于上述約束條件，本文給出了子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)預(yù)約信道資源的貪婪預(yù)約算法：

輸入

子任務(wù)m參與者集合A（m）；

任意任務(wù)參與者信息接收方集合D（i），D（i，k）；

信道資源占用統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s，f），φ′（i，s，f）；

收發(fā)約束情況統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s），φ′（i，s）；

信息傳輸需求n（i，j），n′（i）；

有向信息隊(duì)列queue_1，無向信息隊(duì)列queue_2；子載波數(shù)量w。

子任務(wù)主節(jié)點(diǎn)依次為該子任務(wù)參與者預(yù)約信道資源，算法描述如下：

算法第2～24行是對有向信息的預(yù)約。第2～4行從任意子任務(wù)參與者i的有向信息隊(duì)列queue_1中提取需要發(fā)送的信息，并對隊(duì)列進(jìn)行更新。第5～16行首先確定信息k的接收方j(luò)，并量化信息k的傳輸需求，明確i與j傳輸信息k所需的信道資源，判斷收發(fā)約束統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s）是否等于0，若等于0，則進(jìn)一步遍歷所有（s，f），能夠?qū)λ闅v到的（s，f）進(jìn)行占用的情況僅有2種，一是當(dāng)前（s，f）沒有被占用，二是占用當(dāng)前（s，f）的是發(fā)送方i將同一信息k發(fā)往不同接收方q的傳輸鏈路，在滿足信息傳輸需求前不斷遍歷與占用信道資源，更新信道資源占用統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s，f）和收發(fā)約束統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s），并將微時(shí)隙的最大編號值賦給t。算法第25～46行是對無向信息的預(yù)約，其主要流程思想與有向信息相似，故不再重復(fù)敘述。需注意算法所提到的收發(fā)約束情況統(tǒng)計(jì)，是由信道資源占用統(tǒng)計(jì)φ（i，j，s，f）和信息內(nèi)容需求統(tǒng)計(jì)demand（i，s，f）共同得出的，其中

對于幀長Tf的確定，在預(yù)約完成后各任務(wù)參與者根據(jù)信道資源占用情況以最大的MS編號計(jì)算幀長。

5　仿真及性能分析

本文采用Exata網(wǎng)絡(luò)仿真軟件結(jié)合具體作戰(zhàn)想定對所設(shè)計(jì)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真，網(wǎng)絡(luò)全局仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，仿真對象為CSMACA、TDMA、F-DSA、ASCN-MAC協(xié)議，其中TDMA的所有時(shí)隙長度均為5 ms，F(xiàn)-DSA和ASCN-MAC的各部分時(shí)隙長度均為1 ms。對于ASCN-MAC，信道被分為20個(gè)子載波，每個(gè)子載波占用帶寬為5 M。為排除上層任務(wù)需求認(rèn)知差異對仿真結(jié)果造成的影響，任意仿真對象均在相同的任務(wù)需求認(rèn)知的條件下進(jìn)行性能仿真。

表1　網(wǎng)絡(luò)全局仿真參數(shù)

對于智能OODA（“探測—判斷—決策—行動(dòng)”）回路，任務(wù)匹配信息組是任務(wù)規(guī)劃決策的決定性信息，傳輸任務(wù)匹配信息組的時(shí)延直接影響決策時(shí)間，故首先對協(xié)議傳輸任務(wù)匹配信息組的時(shí)延性能進(jìn)行仿真分析。生成的任務(wù)匹配信息組大小設(shè)置為88 M，且僅有1個(gè)節(jié)點(diǎn)生成。仿真結(jié)果如圖9所示（其中圖9（b）的節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量為1.3 M/s）。

由圖9可以看出，ASCN-MAC傳輸完成任務(wù)匹配信息組的時(shí)延無論是隨集群業(yè)務(wù)量的變化還是集群網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化均大大低于CSMACA和TDMA，并與F-DSA相似。主要是由于當(dāng)任務(wù)匹配信息組生成后，ASCN-MAC在1個(gè)時(shí)幀后占用了全部的信道資源傳輸任務(wù)匹配信息組，其主要思想和F-DSA的預(yù)約方式相似，而對于CSMACA和TDMA，生成任務(wù)匹配信息組的航空作戰(zhàn)平臺(tái)只能與其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)競爭或是占用固定分配的時(shí)隙傳輸任務(wù)匹配信息組，故性能較差。同時(shí)可以看出，TDMA、F-DSA和ASCN-MAC傳輸任務(wù)匹配信息組的時(shí)延基本不受業(yè)務(wù)量變化的影響，受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的影響較小，而CSMACA受集群業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化影響較大，主要是由于預(yù)約或固定分配類MAC協(xié)議使得生成任務(wù)匹配信息組的航空作戰(zhàn)平臺(tái)占用了專門的信道資源進(jìn)行傳輸，其時(shí)延穩(wěn)定性較好，而CSMACA的隨機(jī)接入機(jī)制使得航空作戰(zhàn)平臺(tái)之間必須競爭占用信道資源，時(shí)延受其他航空作戰(zhàn)平臺(tái)的影響較大。同時(shí)圖9說明了在集群網(wǎng)絡(luò)中采用類似于預(yù)約的思想傳輸任務(wù)匹配信息組等大數(shù)據(jù)量的且有實(shí)時(shí)性要求的重要信息是較為理想的選擇。

圖9　任務(wù)匹配信息組傳輸完成時(shí)延比較

本文考慮的作戰(zhàn)想定如下：為完成既定作戰(zhàn)目標(biāo)T組建了航空作戰(zhàn)平臺(tái)數(shù)量為30的航空集群。作戰(zhàn)過程按先后順序分為3個(gè)階段：階段1由探測能力較強(qiáng)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)對作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行協(xié)同探測，并根據(jù)探測結(jié)果發(fā)送任務(wù)匹配信息組，完成任務(wù)需求認(rèn)知和任務(wù)分配規(guī)劃（任務(wù)分配規(guī)劃時(shí)間忽略不計(jì)）；階段2保持協(xié)同探測的同時(shí)，由干擾能力較強(qiáng)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)對其他威脅目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同干擾，且進(jìn)行干擾的航空作戰(zhàn)平臺(tái)不需要與進(jìn)行作戰(zhàn)區(qū)域探測的航空作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行深度協(xié)同；階段3保持協(xié)同探測的同時(shí)，執(zhí)行協(xié)同干擾任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)不再進(jìn)行干擾，由攻擊能力較強(qiáng)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)分別對既定作戰(zhàn)目標(biāo)T和其他威脅目標(biāo)進(jìn)行攻擊，其中攻擊既定作戰(zhàn)目標(biāo)T的航空作戰(zhàn)平臺(tái)不需要與執(zhí)行探測任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行深度協(xié)同，而攻擊其他威脅目標(biāo)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)需要與執(zhí)行探測任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行深度協(xié)同。利用任務(wù)匹配信息組所獲取的任務(wù)需求認(rèn)知設(shè)定為：航空集群使命狀態(tài)為mission，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為in_net的飛機(jī)數(shù)量為15，依節(jié)點(diǎn)ID號大小，其中4機(jī)完成協(xié)同探測子任務(wù)，4機(jī)完成協(xié)同干擾子任務(wù)，7機(jī)完成目標(biāo)攻擊子任務(wù)（4機(jī)攻擊其他威脅目標(biāo)，3機(jī)攻擊既定任務(wù)目標(biāo)）。

階段1的仿真結(jié)果如圖10所示，該階段集群mission執(zhí)行成員為4架執(zhí)行協(xié)同探測任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)。

圖10表明，隨著執(zhí)行作戰(zhàn)區(qū)域協(xié)同探測任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)的平均業(yè)務(wù)量增加，對于TDMA，由于其他不參與任務(wù)執(zhí)行的航空作戰(zhàn)平臺(tái)占用了大量時(shí)隙，導(dǎo)致信道利用率嚴(yán)重受限，其吞吐量提升出現(xiàn)瓶頸，無法滿足業(yè)務(wù)傳輸需求；對于CSM ACA，由于報(bào)文碰撞，使得執(zhí)行探測任務(wù)的航空作戰(zhàn)平臺(tái)的平均吞吐量低于F-DSA和ASCN-MAC，但其隨機(jī)接入的機(jī)制使得其實(shí)時(shí)性優(yōu)于F-DSA和ASCN-MAC；對于F-DSA和ASCN-MAC，兩者吞吐量性能相似，但ASCN-MAC的實(shí)時(shí)性優(yōu)于F-DSA，主要是由于F-DSA的每一時(shí)幀的預(yù)約時(shí)隙較多，預(yù)約時(shí)延較大，而ASCN-MAC面向任務(wù)需求的層次化預(yù)約方式充分利用了帶寬資源，預(yù)約時(shí)隙數(shù)量遠(yuǎn)小于F-DSA，故ASCN-MAC的時(shí)幀長度遠(yuǎn)小于F-DSA，從而使得ASCNMAC所傳輸信息的實(shí)時(shí)性優(yōu)于F-DSA，說明了本文所提出的集中式與分布式相結(jié)合的層次化信道資源預(yù)約方法的優(yōu)勢。

圖10　階段1協(xié)議性能仿真結(jié)果

階段2的仿真結(jié)果如圖11所示，該階段針對探測結(jié)果進(jìn)行了任務(wù)需求認(rèn)知，集群mission執(zhí)行成員為4架執(zhí)行協(xié)同探測子任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)和4架執(zhí)行協(xié)同干擾子任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)，其中執(zhí)行協(xié)同探測子任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)均保持4.9 M/s的業(yè)務(wù)量，仿真變量為執(zhí)行協(xié)同干擾子任務(wù)作戰(zhàn)飛機(jī)的平均業(yè)務(wù)量。

圖11　階段2協(xié)議性能仿真結(jié)果

通過圖11可以發(fā)現(xiàn)，由于階段2又新增4架干擾機(jī)進(jìn)行信息傳輸，令TDMA的信道利用率有所提高，使得其吞吐量性能有一定改善，但信道利用率不高的問題依然存在，并且網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加使得CSMACA產(chǎn)生報(bào)文碰撞加劇，總的來看，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加使得F-DSA和ASCN-MAC的吞吐量性能優(yōu)勢更加明顯。與此同時(shí)，隨著集群mission狀態(tài)干擾機(jī)平均業(yè)務(wù)量的增加，CSMACA的載波偵聽與退避時(shí)延急劇增加，導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性大幅降低，而ASCN-MAC利用其傳輸優(yōu)勢和層次化的信道資源預(yù)約方式，充分利用了信道帶寬資源，較其他3種協(xié)議始終保持了較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

階段3的仿真結(jié)果如圖12所示，該階段集群mission執(zhí)行成員為4架執(zhí)行探測任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)和7架執(zhí)行攻擊任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)，其中執(zhí)行探測任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)均保持4.9 M/s的業(yè)務(wù)量，執(zhí)行攻擊任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)中攻擊其他威脅目標(biāo)的作戰(zhàn)飛機(jī)保持1.5 M/s的業(yè)務(wù)量，仿真變量執(zhí)行攻擊任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)中攻擊既定目標(biāo)作戰(zhàn)飛機(jī)的平均業(yè)務(wù)量。

圖12　階段3協(xié)議性能仿真結(jié)果

圖12中ASCN-MAC（SD）表示協(xié)議僅考慮由信息發(fā)送方?jīng)Q定信息接收方的情況，同時(shí)由于CSMACA的端到端時(shí)延已達(dá)到200 ms以上，故在圖12（b）中未對CSMACA的端到端時(shí)延進(jìn)行描述。通過圖12可以看出，與前幾個(gè)階段相同，ASCN-MAC的吞吐量性能和實(shí)時(shí)性優(yōu)勢依然較大，并且可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)僅由信息發(fā)送方?jīng)Q定信息接收方時(shí)，ASCN-MAC（SD）的時(shí)延性能不如面向需求進(jìn)行信道資源預(yù)約時(shí)好，主要是由于面向需求的信道資源預(yù)約算法使得不需要發(fā)送方信息的網(wǎng)絡(luò)用戶能在同一時(shí)隙占用未被占用的帶寬資源而不受收發(fā)約束條件的影響，提升了信道利用率。

6　結(jié)束語

本文基于智能化指揮控制模式下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化集群作戰(zhàn)的作戰(zhàn)背景開展數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)方面相關(guān)研究，提出了航空集群云網(wǎng)絡(luò)的概念，并結(jié)合其網(wǎng)絡(luò)特征設(shè)計(jì)了任務(wù)需求層面與網(wǎng)絡(luò)通信層面的耦合機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合基于OFDMA的可變帶寬信道分配技術(shù)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了面向航空集群云網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議ASCN-MAC，設(shè)計(jì)了其幀結(jié)構(gòu)，通過協(xié)議的任務(wù)需求認(rèn)知機(jī)制實(shí)現(xiàn)了上層任務(wù)需求層面與數(shù)據(jù)鏈路層面的耦合，為智能化任務(wù)規(guī)劃決策提供了通信支撐，也為航空集群的任務(wù)需求信息傳輸保留了足夠的信道資源。同時(shí)，提出了面向任務(wù)需求的集中式與分布式相結(jié)合的層次化信道資源預(yù)約方法和信道資源貪婪預(yù)約算法，減少了預(yù)約時(shí)隙數(shù)量和時(shí)幀長度，在保證吞吐量性能的同時(shí)提高了協(xié)議的實(shí)時(shí)性。仿真結(jié)果表明，ASCN-MAC協(xié)議在任務(wù)規(guī)劃決策的通信支撐能力、吞吐量性能和實(shí)時(shí)性上均具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，可以滿足新的作戰(zhàn)樣式下大量面向任務(wù)需求的信息的可靠低時(shí)延傳輸需求。下一步工作將把網(wǎng)絡(luò)場景擴(kuò)展到多跳進(jìn)行協(xié)議改進(jìn)，以及研究結(jié)合具體任務(wù)需求的協(xié)議理論建模與參數(shù)優(yōu)化問題，算法優(yōu)化問題，作戰(zhàn)效能評估問題等。

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Aeronautic swarm cloud network oriented MAC protocol for aviation data link

LüNa，CHEN Ke-fan
（School of Information and Naυigation，Air Force Engineering Uniυersity，Xi'an 710077，China）

To meet the new network demand of aeronautic swarm operation in the future，a new concept named as“aeronautic swarm cloud network”is proposed，and the coupling mechanism between the communication and mission demand is designed which provides the reference for the concrete technique of aeronautic swarm network.Based on the concept and mechanism，a media access control（MAC）protocol combined with orthogonal frequency division multiple access（OFDMA）-based variable-width channel allocation is designed.The mission demand cognitive mechanism for the proposed protocol is designed in detail，which provides transmission support for intelligent mission planning and decision，the mission demand oriented hierarchical reservation method for channel resource and the greedy reservation algorithm are put forward based on the characteristic of OFDMA and the thinking of mission demand.Simulation results show that the aeronautic swarm cloud network oriented MAC protocol（ASCN-MAC）has a strong advantage in transmission support ability for intelligent mission planning and decision，throughput and real-time.The research has a certain referential significance or value for the new generation of aviation data link research for the new form of operation.

aeronautic swarm；cloud network；data link；media access control（MAC）protocol；variablewidth channel allocation；orthogonal frequency division multiple access（OFDMA）

TP 393

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.05.30

1001-506X（2016）05-1164-12

2015-05-20；

2015-11-19；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-12-09。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151209.1417.006.html

國家自然科學(xué)基金（61302153，61472443）資助課題

呂娜（1970-），女，教授，博士，主要研究方向?yàn)檐娛潞娇胀ㄐ拧?/p>

E-mail：lvnn2007@163.com

陳柯帆（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇諗?shù)據(jù)鏈。

E-mail：1148180199@qq.com