基于VDLM2的ATN/IPS移動性管理研究

關鍵詞：航空電信網；IPS；移動性管理；PMIPV6；VDLM2

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.04.010

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：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（AeronauticalTelecom-municationNetwork，ATN）網絡協議體系是基于開放系統互聯（Open SystemInterconnect，OSI）的7層協議模型設計的，協議復雜、成本較高，各成員國利用率不高。國際民航組織（TheInternationalCivilAviationOrganization，ICAO）和航空電子工程委員會（Airlines Electronic Engineering Committee，AEEC）等國際標準組織已開展基于TCP/IP的ATN/IPS研究，后續供民航通信使用。

ATN/IPS采用包括VDLM2等多條異構鏈路融合的方案來提升網絡性能1，移動性管理作為移動IP網絡的關鍵問題之一。本文借鑒傳統移動IP互聯網移動性管理的一些研究成果，在民用航空場景下，對于ICAODoc9896等標準[2][3]提出的幾類IPS移動性管理方案進行對比分析，選擇較為適用的代理移動IPv6（ProxyMIPv6，PMIPv6）與VDLM2鏈路結合，針對VDLM2作為異構網絡ATN/IPS的一種鏈路，提出了基于VDLM2鏈路實現空地信息交互具體流程、鏈路切換方案，供后續工程設計參考。

ATN/IPS的發展趨勢

ATN利用網絡互聯技術，集成多種地空數據鏈和地面通信系統，提供地空一體化的、可靠的端到端數字通信服務。ATN是一個由地面子網、空地移動子網、機載航電子網等多種網絡組成的全球互聯復雜異構網絡。

基于開放的標準化網絡互聯IP協議來構建和升級ATN，可以利用應用范圍廣、成熟的技術和設備，兼容目前的各種服務，有利于各異構網絡融合，能夠提供端到端可靠、安全的通信服務。

ICAO《航空系統組塊升級（ASBU）》明確規劃了在遠期將研究空地數據鏈通信系統網絡架構向ATN/IPS網絡升級方案，空地數據鏈通信網絡支撐ATN/IPS通信能力[1]。

2 IPS網絡介紹

ATN/IPS提供了許多核心功能，包括端點和服務命名與尋址，數據傳輸服務（包括可靠的消息傳遞服務），路由、移動性管理和服務質量（QualityofService，QoS），以及網絡安全服務等。

ATN/IPS將采用國際電聯（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）和ICAO分配用于民航安全服務的多個專用無線通信系統，包括提供視距覆蓋的地面通信系統VDLM2、L波段數字航空通信系統（L-banddigital aeronautical communication system，L-DACS）、超視距覆蓋的衛通通信系統、航空機場場面移動通信系統（Aeronauticalmobileairportcommunicationssystem，AeroMACS）。

3 移動性管理方案

基于不同層的解決方案都可以解決IP網絡中的移動性問題。考慮到飛機是一個移動網絡節點，更合理的方法是在網絡層進行處理，以避免針對每個應用進行移動性管理。

（1）MIPv6。基于IPv6，IETF開發了一個擴展協議來處理網絡層的移動節點（MobileNode，MN）問題，即MIPv6。

MIPv6為每個移動節點提供2個IP地址：一個家鄉地址（HomeAddress，HoA）和一個轉交地址（Care-of-Address，CoA）。第一個標識其家鄉網絡中的節點，第二個在節點移動到外地網絡時對其進行定位。這兩個地址的關聯是由家鄉網絡中的一個實體家鄉代理（HomeAgent，HA）實現的。

（2）層次化移動IPv6（HierarchicalMIPv6，HMIPv6）。HMIPv6引入MIPv6和IPv6鄰居發現協議（NeighborDiscoveryProtocol，NDP）。HMIPv6增加了移動錨點（MobilityAnchorPoint，MAP），相當于作為MN的本地HA，有助于減少在本地切換階段的信令。HMIPv6將全球網絡劃分為不同的MAP域，每個域由一個或幾個MAP控制。HMIPv6采用2個地址來管理節點的本地移動：區域轉交地址（RegionalCare-of-Address，RCoA）和本地轉交地址（LocalCare-of-Address，LCoA）。

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

（4）代理移動IPv6協議。PMIPv6是一種基于網絡的移動性管理協議，通過網絡中的接入路由器處理MN的移動性。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行與HA的信令。由于MN不參與該過程，可以大幅度減少MN的信令開銷。PMIPv6增加了兩個核心功能實體來管理節點的移動性：移動接入網關（MobileAccessGateway，MAG）和本地移動錨（LocalMobilityAnchor，LMA）。

針對航空場景的特點，四種移動性管理方案的切換時延和移動節點復雜性等特性比較見表1。

從以上分析來看，PMIPv6更適合航空移動場景。

基于VDLM2的IPS移動性管理類似于ACARSoverAVLC（AoA）的方式，在VDLM2上運行ATN/IPS的方法是通過擴展VDLM2的航空甚高頻鏈路控制（AviationVHFLinkControl，AVLC）協議實現的，即IPSoverAVLC。這種方法的優勢是可重用機載航電設備和地面系統設備。

在基于AVLC和PMIPv6的ATN/IPS移動網絡架構的方案中，重用了VDLM2的鏈路建立切換流程[4。基于AVLC和PMIPv6的鏈路建立切換信令流如圖1所示。

其中，空中/地面接入網的移動錨點是LMA，空中/地面接入鏈路的移動錨點是MAG。飛機使用AVLC與VDLM2地面站通信。地面站通過本地鏈路與MAG通信，MAG也通過本地鏈路與LMA通信。

（1）初始注冊。當飛機首次進入PMIPv6域并通過VDL鏈路連接到MAG時，MAG會檢測到飛機的接入。MAG隨后會向LMA發送代理綁定更新（ProxyBindingUpdate，PBU）消息，其中包含飛機的身份信息和位置信息。LMA收到PBU后，會驗證飛機的身份和位置信息，并向MAG發送代理綁定確認（ProxyBindingAcknowledgement，PBA）消息，確認飛機注冊。

（2）數據傳輸。一旦飛機成功注冊到PMIPv6域，LMA和MAG之間會建立一條雙向隧道，用于傳輸飛機的數據包。當地面系統向飛機發送數據包時，數據包首先到達LMA。LMA根據飛機的當前位置信息（通過之前的注冊過程獲得），將數據包封裝在

情況選擇最優的鏈路作為切換目標。

（3）代理綁定更新。當前MAG（VDLM2鏈路）會向LMA發送PBU消息。該消息包含飛機的CoA和其他相關信息，該新CoA包含其他鏈路的地址。LMA收到PBU后，會更新其綁定緩存，將

PMIPv6隧道中，并通過隧道發送給MAG。MAG將隧道中的數據包解封裝，通過VDL鏈路轉發給飛機。

（3）移動性管理。當飛機在PMIPv6域內的不同MAG之間移動時，新的MAG會檢測到飛機的接入，并向LMA發送新的PBU消息。LMA根據新的PBU消息更新飛機的位置信息，并向新的MAG發送PBA消息確認更新。在這個過程中，飛機無須參與任何移動性管理信令的交互，其IP地址保持不變，從而實現了無縫切換。

PMIPv6協議根據網絡切換策略支持各鏈路的切換，VDLM2鏈路與其他鏈路切換過程如圖2所示。

（1）監測與預測。 ① 網絡側監測：MAG在VDLM2鏈路中持續監測飛機的信號質量和網絡狀態，同時，其他鏈路也會進行相關監測。 ② 移動預測：根據監測數據，網絡側實體（MAG或鏈路基站）基于切換策略或預測算法來預測飛機的移動軌跡和切換需求。

（2）候選鏈路選擇與評估。當預測到移動節點可能從VDLM2切換到其他鏈路時，網絡側實體（MAG或鏈路基站）會評估VDLM2和其他鏈路的性能參數（如信號強度、帶寬、延遲、負載等）。根據切換策略和評估飛機的新位置信息記錄下來，并向舊MAG發送PBA消息以確認綁定更新。

（4）隧道建立與數據轉發。在切換過程中，為了保持移動節點的通信連續性，舊MAG（VDLM2）和新MAG（其他鏈路）之間通過LMA建立雙向隧道。LMA會將發往飛機的數據包通過隧道發送給舊MAG，舊MAG再通過隧道轉發給新MAG，最終由新MAG發送給飛機。這樣，即使飛機尚未與新鏈路完全建立連接，其通信也不會中斷。

（5）切換完成。當飛機成功接入新鏈路并配置好新CoA時，新MAG會向LMA發送切換完成消息或通過其他機制確認切換成功。LMA收到切換完成消息后，會更新其綁定緩存中的飛機位置信息，并通知舊MAG釋放相關資源。

5 結束語

本文分析了ATN/IPS的移動性管理的通用架構，分析了幾種移動IP協議的特點，并研究了使用VDLM2和PMIPv6的一種移動性管理方案，包括幀結構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幀長短，后續將進一步研究基于AVLC的IP數據包的傳輸效率，并通過仿真和實驗室測試驗證進行技術成熟度評估，提升VDLM2在未來ATN/IPS網絡中的可用性。

參考文獻

[1]中國民航航空電信網技術應用政策[R].中國民用航空局，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.