飛行區多協議異構網絡互聯方法研究

姬雨初，王 陽

（中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300）

0 引 言

機場飛行區內，為了確保機場正常運轉與航空器的地面保障，需要大量地面特種車輛與地面操作人員共同完成多項工作。特種車輛、地面操作人員、旅客以及航空器構成了機場地面多種類且移動特性各不相同的節點。上述節點的有序運行關乎機場地面運行安全，同時，有效的調度與管理可以提高機場地面運行效率和航空器保障效率。對于上述移動節點的管理，目前使用信息化管理手段，構成網絡系統。

然而，受制于節點類型、傳輸需求與分步建設的限制，實際的機場移動節點信息系統涵蓋多種傳輸協議、多個子網。以某大型國際機場的實際網絡為例，不同類型的移動節點使用的通信協議不同，例如，航空器通過機場移動航空通信系統（Aeronautical Mobile Airport Communications System,AeroMACS）實現寬帶數據接入，飛行區內特種車輛、作業人員往往通過機場自建的生產網或無線傳感網實現與管理中心服務器的連接，連接方式通常為工作在1.8 GHz頻段，基于LTE協議的機場蜂窩專網、4G/5G公共基礎網絡、NBIoT/LoRa窄帶物聯網等。實際的飛行區物聯網是一個多協議異構重復覆蓋網絡，不同類型的節點之間通信存在底層協議不相通現象，只能通過服務器端進行上層通信實現有限的數據交互，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 飛行區異構網絡拓撲結構示意圖

為實現節點互通，通常采用的方法：

（1）在服務器端建立傳輸連接，由服務器實現數據的轉發，如文獻[6]、文獻[7]對異構物聯網資源交互平臺、互操作與服務發現方法進行研究。然而，此方案往往存在溝通與建設難度大、通信鏈路長、QoS難以保障的情況。

（2）設計了一種互通傳輸站（Data Interaction Station,DIS），以實現協議節點在網絡層間互聯。互通傳輸站相對于服務器端連接具有低延時與高效的優勢，但存在硬件實現成本高、潛在互通傳輸站數量需求大等問題。在車聯網中也有類似的方法應用。

考慮到飛行區航空器保障過程、地面保障設備等待過程的特點為：大量節點密集存在于機坪這一有限范圍內，空間范圍較小、持續時間較長、存在較大的節點間數據交互需求。這一特點明確了飛行區內使用互通傳輸站方案成本與數量均是非發散且可控的，即互通傳輸站方案具有可行性。本文給出了基于互通傳輸站的傳輸模型與先請求先發送轉發方案；在此基礎上，考慮到不同優先級數據存在不同的QoS需求，提出了重要數據優先的改進算法，以保證高優先級數據的有效性，并給出了相應的仿真結果。

1 系統結構

考慮一個互通傳輸站覆蓋范圍內，存在若干個移動節點與數據包傳輸請求，不同類型的移動節點使用不同的無線協議。為了方便分析，作如下定義。

（1）飛行區中存在種調制方式，定義為 {,,...,M}。互通傳輸站設備中包含上述種調制方式的收發單元，工作在半雙工模式。假設DSI的轉發過程中，可以實現任意兩種協議之間的轉換，其內部具有足夠的多線程信號處理與運算資源，可以同時處理不同調制方式接收器所接收的信號，不同的調制方式收發模塊可以同時工作。

（2）在DSI覆蓋范圍內，定義某一時間段內，存在個接入節點，這些節點的集合為 {,,...,S}。對于節點S，考慮其移動性，定義()為該節點預期離開當前DSI工作范圍的時刻，即節點在()時刻后無法繼續通信。

（3）定義傳輸的最小時間單元為時隙，每一次上行或下行傳輸，至少占用1個時隙的時長，時隙的長度為毫秒級。為了衡量互通傳輸站的互聯效果，設置一個觀測周期，記為。考慮到傳輸時隙的特征與機場移動節點的移動速度特征，觀測周期的時間長度為5～10 s。觀測周期并不代表實際的傳輸功能周期劃分。

（4）一個觀測周期內，互通傳輸站存在個傳輸請求。定義其中某一傳輸請求為()，包含參數 {,,,,,,}，其中，為所發送信息塊的長度，和分別為發送節點和接收節點，和分別為發送節點和接收節點所使用調制方式的帶寬，為該數據包的優先級。定義信息大小、帶寬、時隙之間的關系滿足：

式中，N()和N'()分別為傳輸請求I上行、下行所占用的時隙數。

（5）結合飛行區運行數據，定義數據包優先級包含4級，分別為：

=4：突發應急通知消息，優先QoS傳輸，保證在一定時間內覆蓋所有節點；

=3：調度與重要通知消息，QoS傳輸，保證在一定時間內覆蓋相關節點；

=2：一般通知消息，在帶寬允許的情況下使用QoS傳輸，覆蓋相關節點；

=1：其他信息，包括旅客請求數據與娛樂數據等，不保證傳輸質量。

2 互通傳輸站轉發規則

2.1 先請求先發送模式

當有傳輸請求時，首先將傳輸請求發送給互通傳輸站，對其分配供上下行的頻譜資源，基本的轉發規則遵循先請求先發送（First Require First Transmit, FRFT）規則，即傳輸請求后，查找最近的空閑傳輸資源，并不對已被占用的傳輸資源進行調整。為了方便管理傳輸資源，定義資源分配表為：

式中，s表示第個調制方式中第個時隙的資源分配情況表，取值為：

式中，I()為I的優先級。

為了衡量一個觀察周期內的傳輸請求完成率，定義傳輸達成向量為：

式中，q的取值為：

先請求先發送的轉發規則如下：

算法1：FRFT轉發規則

Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()

Output：，

Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。

Step 2 ：計算I的N,N'

Step 3：分配上行鏈路時隙：自開始在中查找上行調制方式下連續N()個0，標記為I()，并將最后的時隙標號記錄為()，即上行傳輸結束時刻。

Step 4 ：若()＜()且()＜，則上行資源分配成功，跳轉至Step 5；否則，上行資源分配失敗，Step 3中賦值清0，跳轉至Step 1。

Step 5：分配下行鏈路時隙：自()開始在中查找下行調制方式下連續N'()個0元素，標記為I()，并將最后的時隙標號記作()，即下行傳輸結束時刻。

Step 6 ：若()＜()且()＜，則數據下行成功，q=1；否則，數據下行失敗，Step 3和Step 5中賦值清除。

Step 7 ：返回 Step 1，直至遍歷所有()。

Step 8 ：輸出，。

End

2.2 重要數據優先模式

實際運行環境下，傳輸資源往往被大量優先級較低的用戶數據占據。為保證高優先級數據的有效傳輸，提出重要數據優先（Important Packet First Transmit, IPFT）傳輸模式，該模式的思路為犧牲低優先級數據的傳輸資源以滿足高優先級數據的QoS傳輸。

定義()是優先級的數據所能容忍的最大端到端延時，為簡化分析，定義相同優先級的數據具有相同的延時需求，且優先級越高，延時要求越高，即()越小。對于=1的數據傳輸請求，考慮其往往為旅客娛樂數據或其他非重要數據，()=∞。

基于FRFT算法，提出重要數據優先的傳輸調度方法，以控制重要數據的傳輸延時，其基本思想：傳輸請求后，查找最近的空閑傳輸資源，若無法滿足()，則在已被占用的傳輸資源中查找出低優先級數據資源并占用，推遲低優先級數據的傳輸。

算法2：IPFT轉發規則

Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()

Output：，

Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。

Step 2 ：計算()的N、N'。

Step 3：執行算法1中的Step3～Step6，為()分配傳輸資源，若無法分配，跳轉至Step 5。

Step 4 ：計算()傳輸延時()，其中()=min((),())-；若()≤()，跳轉至 Step 7，若()＞()，跳轉至 Step 5。

Step 5：查找()的潛在傳輸時隙，即自至()時隙滿足s＜I()，其含義是該時間段內未分配或已分配且優先級低于()的時隙，記其個數為()。

Step 6 ： 若()＜()+()，跳轉至Step 7，若()＞()+()，則從潛在傳輸時隙集合中依時間順序提取()+()個時隙，用于I的傳輸，原傳輸數據推遲至最近的空閑時隙發送。

Step 7 ：()不分配傳輸資源。

Step 8 ：返回 Step 1，直至遍歷所有()。

Step 9 ：，。

End

重要數據優先算法在先請求先發送算法的基礎上，對數據包的優先級進行判斷，并在可控的時隙內對高優先級的數據包進行插包。考慮到大部分協議的控制字段中均有表示優先級的字段，因此互通傳輸站可以不對數據內容進行解析，設備硬件復雜度可控。另一方面，由于每次調整的時隙間隔有限，調整復雜度較低。

3 仿真與分析

本章中，對上述算法進行仿真。首先假設飛行區內無線網絡場景如下：接入節點可以與基站、互通傳輸站建立連接；存在4種調制方式，其傳輸帶寬分別為5 Mb/s、1 Mb/s、10 Mb/s；每個時隙的長度為5 ms，僅分配給一個接入節點使用；定義觀測周期長度為5 s；考慮到接入節點的移動性，其進入互通傳輸站、離開互通傳輸站的時刻隨機分布在觀測周期內。

觀測周期內，存在100～5 000個傳輸請求，記作(1),(2),...,(5 000)。每個傳輸請求的隨機分布在觀測周期內且早于節點離開時間；數據包的最大長度分別被限制在20 Kb和100 Kb。傳輸數據的優先級隨機定義為1、2、3或4級，相對應的()被設置為不限制、100 ms、50 ms、20 ms。

當數據包的最大長度限制在20 Kb和100 Kb時，根據傳輸達成向量統計本文給出的先請求先發送算法與重要數據優先算法傳輸完成率，分別如圖2和圖3所示。

圖2 數據傳輸完成率（數據包最大長度20 Kb）

圖3 數據傳輸完成率（數據包最大長度100 Kb）

由仿真結果可以看出，使用FRFT方法，不同的優先級完成概率相近。在5 s觀測周期內，隨著傳輸請求數的增加，數據傳輸完成率逐漸下降。

使用IPFT算法，當數據包個數為2 000時，對于20 Kb的短數據包和100 Kb的長數據包，IPFT算法相對于FRFT算法，優先級為4的數據轉發完成率分別可以提高50%和30%；優先級為3的數據轉發完成率分別可以提高15%和5%；較低優先級的數據轉發完成率會低于FRFT算法，即：IPFT算法犧牲了較低優先級的數據以提高高優先級數據的完成率，符合該算法的設計初衷。

仿真反映出節點的移動性對數據完成率影響較大，當傳輸請求較為密集時，會導致大量傳輸請求堆積和順延，此時若節點移動性較大，會導致節點還未分配時隙便離開互通傳輸站的情況發生。實際系統部署中，可以通過限制整體傳輸請求、擴大互通傳輸站范圍、降低節點移動性等手段加以改善。另一方面，結合高層傳輸協議的控制，可進一步控制系統轉發性能。

4 結 語

針對飛行區多協議異構重復覆蓋的網絡現狀，本文利用互通傳輸站實現了不同子網節點的數據互通傳輸，在常規“先請求先發送”轉發模式的基礎上，結合飛行區交互數據的特點，提出了“重要數據優先”轉發模式，犧牲部分低優先級數據的傳輸資源，以保障高優先級數據的傳輸。除了機場飛行區應用場景，本方法也適用于環境相近場景，如工廠場區、校園、港口，以及具有固定運行路線的移動設備等。當場景環境滿足空間受限、接入節點存在聚集行為兩個特點時，使用互通傳輸站方案成本可控；根據傳輸數據的具體需求劃分優先級與最大容忍延時，結合高層協議可滿足相應的傳輸需求。