低空空域VHF 動態(tài)接入移動性管理*

嚴(yán) 雯

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

近年來，我國通用航空快速發(fā)展，對低空空域的需求與日俱增。2010年11月，我國發(fā)布了《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》，正式開放千米以下低空空域［1］。

為了保障低空飛行的安全，低空空域應(yīng)盡可能地為低空飛行器提供連續(xù)的地空通信。其中，超短波(VHF)通信是地空通信的重要手段之一。VHF通信屬于視距通信，地面VHF 遠(yuǎn)端站的通信覆蓋范圍與低空飛行器的飛行高度緊密相關(guān)，根據(jù)理論分析計算，單個遠(yuǎn)端站的通信覆蓋范圍僅約100 km。因此，低空飛行器在飛行過程中會涉及跨越多個VHF 遠(yuǎn)端站的情況，存在低空飛行器無線接入、越區(qū)切換等移動性管理問題。

傳統(tǒng)的地空組網(wǎng)技術(shù)［2］根據(jù)地面管制中心獲得的飛機航跡、飛行趨勢、當(dāng)前鏈路通信范圍和工作狀態(tài)，新增成員對通信的影響等來決定鏈路切換，以保證不間斷、跨區(qū)域的通信。但是，低空監(jiān)視空域和報告空域無法獲得飛機的航跡和飛行趨勢信息，傳統(tǒng)的地空組網(wǎng)技術(shù)無法應(yīng)用。

本文針對上述問題，提出讓飛機根據(jù)當(dāng)前的位置信息和飛行趨勢，結(jié)合低空空管地面通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信覆蓋情況實時計算需要接入的地面遠(yuǎn)端站，決定越區(qū)切換的切換點，發(fā)起位置更新流程，讓機載平臺動態(tài)接入到低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中。

2 系統(tǒng)描述和模型抽象

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

低空空管通信網(wǎng)絡(luò)總體框架［3－4］如圖1所示，包括VHF 地空話音通信和地面通信網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，地面通信網(wǎng)絡(luò)由全國通航服務(wù)中心、區(qū)域通航服務(wù)中心、飛行服務(wù)站以及遠(yuǎn)端站構(gòu)成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。全國通航服務(wù)中心、區(qū)域通航服務(wù)中心作為通航服務(wù)的管理者，分別負(fù)責(zé)全國范圍和區(qū)域內(nèi)不同通航飛行服務(wù)站數(shù)據(jù)與信息的匯集和服務(wù)移交。飛行服務(wù)站負(fù)責(zé)控制和管理遠(yuǎn)端站，為通用航空飛行器提供飛行服務(wù)。遠(yuǎn)端站配合飛行服務(wù)站工作，為通用航空飛行器提供地空通信接入點，負(fù)責(zé)地面通信與地空通信的轉(zhuǎn)接。

圖1 低空空管通信網(wǎng)絡(luò)總體框架Fig.1 Framework of communication network for low－altitude airspace

2.2 移動性管理模型

低空飛行器在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)航行，整個網(wǎng)絡(luò)為其提供持續(xù)的VHF 話音通信服務(wù)，其本質(zhì)是典型的移動性管理問題［5－7］，即用戶(低空飛行器)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)移動，用戶對VHF 話音通信的使用不受航行位置變化和接入點(遠(yuǎn)端站和飛行服務(wù)站)變化的影響。

目前，經(jīng)典的移動性管理機制主要有GSM 和移動IPv6 網(wǎng)絡(luò)，由表1的對比可知，低空空管VHF無線接入的網(wǎng)絡(luò)組織形式更貼近GSM 的方式，因此，本文著重借鑒GSM 的移動性管理結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路。

借鑒GSM 設(shè)計思路，根據(jù)低空空管通信網(wǎng)絡(luò)各設(shè)施之間的關(guān)系，在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)鋵雍途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵拥幕A(chǔ)上設(shè)計移動管理層，引入歸屬位置寄存器/訪問位置寄存器(Home Location Register/ Visitor Location Register，HLR/VLR)機制進行低空空管VHF 無線接入移動性管理，如圖2所示。

表1 移動性管理需求分析表Table 1 Requirements of mobility management

圖2 低空空管移動性管理模型Fig.2 Mobility management model of communication network for low－altitude airspace

下面具體描述本文設(shè)計的移動性管理模型。

(1)移動節(jié)點

每個低空飛行器為獨立的移動節(jié)點(Mobile Node，MN)，分配唯一標(biāo)識的低空飛行器識別號;移動節(jié)點的移動性管理活動用3 種不同的移動性管理狀態(tài)來描述，分別是IDLE 狀態(tài)、READY 狀態(tài)和STANDBY 狀態(tài)。

IDLE 狀態(tài):MN 處于不活動狀態(tài)，HLR 和VLR不包含該用戶的有效的位置及路由信息。

READY 狀態(tài):MN 登錄到低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中，處于活動狀態(tài)，HLR 和VLR 記錄該移動節(jié)點的位置信息。

STANDBY 狀態(tài):MN 處于未知狀態(tài)，VLR 和HLR 掌握的低空航空器位置信息超時。

(2)VLR

為每個飛行服務(wù)站設(shè)立VLR，用于記錄臨時移動到其服務(wù)范圍內(nèi)的MN 用戶及其狀態(tài)信息;本文中，VLR 使用＜nid，rsid，fssid，scid，hlrid，nstatus ＞描述一架低空飛行器在低空空管通信網(wǎng)絡(luò)中的位置信息。其中:nid 是低空飛行器標(biāo)識，唯一標(biāo)識低空飛行器;rsid 標(biāo)識當(dāng)前接入的遠(yuǎn)端站，fssid 標(biāo)識當(dāng)前所屬的飛行服務(wù)站，scid 標(biāo)識當(dāng)前所屬的通航服務(wù)中心;hlrid 標(biāo)識用戶的歸屬HLR;nstatus 標(biāo)識低空飛行器的移動性管理狀態(tài)，有IDEL、STANDBY、READY 3 種狀態(tài)。

(3)HLR

根據(jù)用戶數(shù)量，選擇采用多個通航服務(wù)中心共用或者單個通航服務(wù)中心設(shè)立一個HLR 方式。HLR 主要存放兩類信息:一是所屬MN 的基本信息，包括低空飛行器識別號、用戶接入等級等永久數(shù)據(jù);二是所屬活動MN 的當(dāng)前位置信息，為臨時數(shù)據(jù)。HLR 使用＜nid，nlevel，rsid，fssid，scid，nstatus ＞描述一架低空飛行器的移動性管理信息，其中nlevel 表示該低空飛行器的用戶接入等級。

這樣，整個低空通信網(wǎng)絡(luò)可以抽象為典型的二級移動性管理模型，包括站內(nèi)移動性管理和站間移動性管理。站內(nèi)移動性管理主要負(fù)責(zé)在同一飛行服務(wù)站下不同遠(yuǎn)端站之間的移動性管理，主要由該飛行服務(wù)站下的VLR 更新MN 的位置信息即可，具體過程描述見3.3 節(jié)。站間移動性管理負(fù)責(zé)在不同飛行服務(wù)站之間的移動性管理，需要HLR 和VLR 配合工作，更新MN 的位置信息，具體過程描述見3.4 節(jié)。

3 低空空管VHF 無線接入移動性管理

低空空管VHF 無線接入移動性管理主要包括登記注冊、入網(wǎng)和退網(wǎng)、站內(nèi)移動性管理和站間移動性管理等內(nèi)容。

3.1 登記注冊

通航用戶在購買低空飛行器時，會獲得全國范圍唯一標(biāo)識的低空飛行器識別號，并作為移動用戶在歸屬HLR 登記注冊。當(dāng)?shù)涂蘸娇掌鞑伙w行時，歸屬HLR 標(biāo)記該移動用戶為IDEL，rsid、fssid、scid 項數(shù)據(jù)無效，移動用戶描述為＜nid，nlevel，null，null，null，IDEL ＞。

3.2 入網(wǎng)和退網(wǎng)

根據(jù)飛行計劃，低空飛行器在起飛前完成入網(wǎng)登記，在降落后自動執(zhí)行退網(wǎng)工作。

入網(wǎng)登記過程為:起飛前，移動用戶登錄到網(wǎng)絡(luò)中，其歸屬HLR 將其狀態(tài)更改為READY 狀態(tài)，起飛機場所屬的VLR 記錄該移動用戶的位置信息。

退網(wǎng)過程為:降落后，移動用戶將向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送退網(wǎng)消息，其歸屬HLR 將其狀態(tài)更改為IDEL 狀態(tài)，降落機場所屬的VLR 刪除該移動用戶的位置信息。

3.3 站內(nèi)移動性管理

站內(nèi)移動性管理主要負(fù)責(zé)同一飛行服務(wù)站下，不同遠(yuǎn)端站之間的移動性管理。假設(shè)地面站A 和地面站C 接入到同一個飛行服務(wù)站A，飛行服務(wù)站A 歸屬于通航服務(wù)中心M，低空飛行器N(用戶接入等級為1)從地面站A 覆蓋區(qū)飛向地面站C 覆蓋區(qū)，歸屬于HLR W。飛行服務(wù)站站內(nèi)移動性管理更新流程圖如圖3所示，具體的流程為:

(1)低空飛行器N 實時計算機載平臺需要接入的遠(yuǎn)端站，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器在遠(yuǎn)端站A 和遠(yuǎn)端站C 的覆蓋交疊區(qū)，并即將離開遠(yuǎn)端站A 的覆蓋區(qū)域，進入遠(yuǎn)端站C 時，在切換點向地面發(fā)送位置更新請求(包含原遠(yuǎn)端站、原飛行服務(wù)站、更新類型=站內(nèi)切換等)。遠(yuǎn)端站C 收到位置更新請求后，直接轉(zhuǎn)發(fā)給飛行服務(wù)站A;

(2)飛行服務(wù)站A 收到位置更新請求后，根據(jù)低空飛行器N 請求得知本次切換是站內(nèi)切換，更新VLR 中的用戶信息＜N，C，A，M，W，READY ＞;

(3)飛行服務(wù)站A 向HLR 報告發(fā)生站內(nèi)位置更新事件;

(4)HLR 收到站內(nèi)位置更新報告后，更新用戶信息＜N，1，A，A，M，READY ＞為＜N，1，C，A，M，READY ＞，并向飛行服務(wù)站返回更新確認(rèn)信息;

(5)飛行服務(wù)站A 在向HLR 報告發(fā)生站內(nèi)位置更新事件的同時，通過遠(yuǎn)端站C 向低空飛行器N回復(fù)位置更新請求確認(rèn);

(6)低空飛行器N 收到位置更新確認(rèn)后，表明機載端完成位置更新。

圖3 飛行服務(wù)站站內(nèi)移動性管理流程圖Fig.3 Flow chart of mobility management within one flight service station

3.4 站間移動性管理

站間移動性管理負(fù)責(zé)在不同飛行服務(wù)站之間的移動性管理，飛行服務(wù)站可以歸屬于相同的通航服務(wù)中心，也可以歸屬于不同的通航服務(wù)中心。假設(shè)地面站A 和地面站B 分別接入到不同飛行服務(wù)站A 和B，低空飛行器N(用戶接入等級為1)從地面站A 覆蓋區(qū)飛向地面站B 覆蓋區(qū)，歸屬于HLR W，飛行服務(wù)站A 歸屬于通航服務(wù)中心M，飛行服務(wù)站B 歸屬于通航服務(wù)中心P。正常情況下，飛行服務(wù)站站間移動性管理更新流程圖如圖4所示，具體的流程為:

(1)低空飛行器N 實時計算機載平臺需要接入的遠(yuǎn)端站，當(dāng)發(fā)現(xiàn)飛行器在遠(yuǎn)端站A 和遠(yuǎn)端站B 的覆蓋交疊區(qū)，并即將離開遠(yuǎn)端站A 的覆蓋區(qū)域，進入遠(yuǎn)端站B 時，在切換點向地面發(fā)送位置更新請求。遠(yuǎn)端站B 收到位置更新請求(包含原遠(yuǎn)端站、原飛行服務(wù)站、更新類型=站間切換等)后，直接轉(zhuǎn)發(fā)給飛行服務(wù)站B;

(2)飛行服務(wù)站B 收到位置更新請求信息后，根據(jù)低空飛行器N 請求得知本次切換是站間切換，如果是，立即向飛行服務(wù)站A 請求該用戶的用戶數(shù)據(jù)。當(dāng)飛行服務(wù)站B 接收到飛行服務(wù)站A 返回的用戶數(shù)據(jù)后，在本地VLR_B 中新增該用戶信息＜N，B，B，P，W，READY ＞;

(3)飛行服務(wù)站B 向HLR 報告發(fā)生站間位置更新事件;

(4)HLR 收到站間位置更新報告后，在HLR 中更新該用戶信息＜N，1，A，A，M，READY ＞為＜N，1，B，B，P，READY ＞，并向飛行服務(wù)站B 返回更新確認(rèn)信息;

(5)HLR 向飛行服務(wù)站A 發(fā)送刪除舊的位置登記消息，讓飛行服務(wù)站A 刪除該用戶登記信息;

(6)飛行服務(wù)站A 刪除該用戶登記信息后，向HLR 回復(fù)刪除確認(rèn)信息;

(7)飛行服務(wù)站B 在向HLR 報告發(fā)生站間位置更新事件的同時，通過遠(yuǎn)端站B 向低空飛行器N回復(fù)位置更新請求確認(rèn);

(8)低空飛行器N 收到位置更新確認(rèn)后，完成位置更新。

圖4 飛行服務(wù)站站間移動性管理流程圖Fig.4 Flow chart of mobility management between flight service stations

3.5 周期位置更新

低空飛行器在飛行過程中，因為地空通信鏈路質(zhì)量很差，地面網(wǎng)絡(luò)將無法知道移動臺位置;低空飛行器飛出地面通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，地面網(wǎng)絡(luò)也無法獲得移動臺位置。為了及時獲得飛行器的狀態(tài)，要求低空飛行器周期地向地面網(wǎng)絡(luò)報告位置信息，啟動周期位置更新過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)收不到消息，則當(dāng)前VLR 和HLR 更改用戶狀態(tài)為STANDBY。

4 性能分析

在低空飛行器飛行過程中，站內(nèi)和站間位置更新引入的切換延時將直接影響低空飛行器與地面通話的連續(xù)性。因此，本節(jié)分析低空空管VHF 無線接入移動性管理。為了方便數(shù)學(xué)分析，假設(shè)低空飛行器和遠(yuǎn)端站之間的無線鏈路傳輸延時為α，地面通信網(wǎng)絡(luò)中一跳的數(shù)據(jù)傳輸時延為β，單個飛行服務(wù)站的處理時延為td，根據(jù)低空空管VHF 無線接入移動性管理機制，站內(nèi)切換時延Tintra－FSS和站間切換時延Tinter－FSS分別為

其中，N 為新舊遠(yuǎn)端站之間的傳輸跳數(shù)。

因此，平均切換時延為

其中，pinter－FSS為站間切換的發(fā)生概率，pintra－FSS為站內(nèi)切換的發(fā)生概率，為站間切換時新舊服務(wù)站之間的跳數(shù)。

從式(3)可以看到，低空空管VHF 無線接入切換延時與切換的發(fā)生概率、站間切換時新舊服務(wù)站之間的平均跳數(shù)以及單個飛行服務(wù)站的處理時延密切相關(guān)。

5 實驗室實例

根據(jù)低空空管VHF 無線接入移動性管理機制，本文開發(fā)了VHF 無線接入仿真演示軟件，如圖5所示。仿真場景為:部署多個遠(yuǎn)端站和飛行服務(wù)站(由三角形標(biāo)識)，保證區(qū)域內(nèi)的VHF 通信覆蓋，各個飛行服務(wù)站建立VLR，成都建立HLR;多架低空飛行器在覆蓋區(qū)域下同時獨立飛行。圖中，粗線條為低空飛行器的飛行航跡，虛線條代表低空飛行器當(dāng)前的歸屬飛行服務(wù)站。仿真表明，低空空管VHF無線接入移動性管理機制能支持多架低空飛行器的航行，如圖所示，低空飛行器1 在沿航跡飛行過程中，在飛離成都站的覆蓋范圍時，會自動切換到樂山站。

圖5 VHF 無線接入仿真演示圖Fig.5 VHF dynamic access software

6 結(jié)束語

本文深入探討了低空空管VHF 無線接入移動性管理技術(shù)，借鑒GSM 經(jīng)典移動性管理模型的經(jīng)驗，結(jié)合我國低空空管通信網(wǎng)絡(luò)自身的特點，創(chuàng)新性地提出了低空空管VHF 無線接入移動性管理機制。通過本課題的研究，積累了適用于低空空域的VHF無線接入、越區(qū)切換、位置管理等移動性管理技術(shù)，但是目前僅在仿真層面進行了演示和驗證，缺乏實踐方面的試驗和驗證。下一步將升級現(xiàn)有軟件，提升其穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)用于低空空域典型區(qū)域的部署和試驗。

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