下一代機載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)評述

李杰 宮二玲 孫志強 李麥亮 謝紅衛(wèi)

1.國防科學技術(shù)大學機電工程與自動化學院 湖南 長沙410073 2.空軍裝備研究院總體論證研究所北京100076

近年來,公共移動通信已經(jīng)完成了第4代系統(tǒng)并計劃向認知無線電發(fā)展,而航空通信在新技術(shù)、新體制的應(yīng)用與部署上還處于落后狀態(tài).隨著航空平臺的更新?lián)Q代并向著信息化、智能化的方向發(fā)展,地面與飛行器、飛行器與飛行器之間的數(shù)據(jù)交互需求將不斷增加,而當前的航空通信系統(tǒng)卻無法適應(yīng)信息時代的航空通信需求.隨著全球航空運輸業(yè)的迅速發(fā)展,飛機種類和數(shù)量越來越多.基于航空電信網(wǎng)(Aeronautical Telecommunication Network,ATN)[1]的航空管理系統(tǒng)承受能力已經(jīng)接近飽和,無法滿足未來民航的發(fā)展要求[2].ATN以地面為中心的通信方式,不允許飛機之間直接進行通信.在沒有基站覆蓋的區(qū)域,飛機的通信只能依賴衛(wèi)星,高昂的通信成本使得許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用(如互聯(lián)網(wǎng)接入,黑匣子數(shù)據(jù)傳輸?shù)?難以在民航領(lǐng)域大規(guī)模使用.所以,為了滿足未來民用航空業(yè)的發(fā)展,必須給出一種新的靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),來適應(yīng)日益迅猛增長的航空通信數(shù)據(jù)流和空中交通管理數(shù)據(jù)信息.為了改進現(xiàn)有的航空通信系統(tǒng),學術(shù)界近年來提出了將移動自組網(wǎng)(Mobile Ad hoc Network,MANET)技術(shù)應(yīng)用于航空平臺的思想,即航空平臺之間以及航空平臺和地面基站之間形成一個無中心、空地一體的航空自組織網(wǎng)絡(luò)(Aeronautical Ad Hoc Network,AANET)[3?5].AANET技術(shù)的出現(xiàn)為ATN存在的問題提供了潛在的解決方案.學術(shù)界對AANET技術(shù)應(yīng)用于民航領(lǐng)域進行了研究分析,并證明了其可行性.2006年,Sakhaee等人構(gòu)想了AANET應(yīng)用于民用航空運輸?shù)募夹g(shù)場景[4].隨后,Medina等人根據(jù)北大西洋走廊的航班密度情況,分析了在北大西洋走廊應(yīng)用AANET的可行性[6?7].國內(nèi)學者根據(jù)國內(nèi)航班的實際數(shù)據(jù)對國內(nèi)航班AANET組網(wǎng)進行了可行性分析[8?9].為了避免AF447[10]和MH370[11]類似的航班失聯(lián)事故,國際民航組織分析了利用AANET技術(shù)監(jiān)控全球商業(yè)航班的可行性[12].由于AANET的自組織、無中心以及不依賴地面設(shè)施等特性,基于AANET技術(shù)的下一代機載網(wǎng)絡(luò)(Next Generation Airborne Network,NGAN)可以大大提升航行效率和安全性.和傳統(tǒng)的ATN相比,NGAN能夠不依賴地面設(shè)施,通過多跳的通信方式,為航班提供低成本、低延時且高帶寬的通信服務(wù),并能夠有效覆蓋高山、沙漠和海洋等基站覆蓋盲區(qū),不受地域限制地為航班提供更多的航空通信服務(wù)(如互聯(lián)網(wǎng)接入,黑匣子數(shù)據(jù)實時傳輸以及實時空情共享等).

1 NGAN的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻[13],圖1(a)給出了NGAN的體系結(jié)構(gòu)圖.可以看出,NGAN主要由AANET、中繼平臺和地面基站組成.各種航空平臺通過無線鏈路組成高動態(tài)的AANET,為航空平臺之間、航空平臺和地面基站之間提供高速的航空通信服務(wù).當AANET的網(wǎng)絡(luò)連通性無法滿足通信要求時,衛(wèi)星等中繼平臺為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供臨時的中繼通信服務(wù).因此,NGAN中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既可以通過AANET以多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行通信,也可以通過衛(wèi)星等中繼平臺進行中繼通信.在復雜的航空通信環(huán)境中,NGAN的兩種通信模式互為補充,為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供不間斷的高質(zhì)量數(shù)據(jù)通信服務(wù).如圖1(a)所示,NGAN包含了地面基站、中繼平臺和航空平臺3種不同類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(見表1).為了能夠方便地與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,NGAN基于IP協(xié)議.[13].網(wǎng)絡(luò)中傳遞的是標準的IP數(shù)據(jù)包,這就為不同的網(wǎng)絡(luò)提供了一個標準的互操作方式,實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通.文獻[14]給出了NGAN中單個航空平臺的通信架構(gòu),如圖1(b)所示.機載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)用途不同分別工作于不同的機載局域網(wǎng)中.所有的機載局域網(wǎng)通過平臺路由器接入NGAN中.平臺路由器連接若干個IP電臺系統(tǒng),這些IP電臺系統(tǒng)都有各自的網(wǎng)絡(luò)路由器,并運行各自不同的路由協(xié)議.每個IP電臺系統(tǒng)都可以為節(jié)點間提供獨立的通信路徑.因此,航空平臺之間可以通過多電臺系統(tǒng)同時建立多條相互獨立的通信路徑,如何利用機載網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性來提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性也是NGAN研究中的一個重要研究方向.

2 NGAN的特點與技術(shù)挑戰(zhàn)

由于航空通信環(huán)境的特殊性,NGAN除了存在普通無線網(wǎng)絡(luò)的一些固有問題之外還具有許多獨有的特性,包括節(jié)點的高速運動、頻繁的拓撲變化、無中心控制、嚴格的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)要求和惡劣的通信環(huán)境等.這些特性具體總結(jié)如表2所示.

3 NGAN的關(guān)鍵技術(shù)分析

圖1 NGAN體系結(jié)構(gòu)

表1 NGAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

表2 NGAN特點

圖2 NGAN技術(shù)分析

NGAN主要面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)可以概括為:高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲、頻繁的網(wǎng)絡(luò)分割、不可靠的無線信道、無中心控制、帶寬受限以及嚴格的QoS要求.所以,在NGAN中提供有質(zhì)量保證的航空通信服務(wù)將比一般的無線網(wǎng)絡(luò)更具挑戰(zhàn)性,也無法使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想來對NGAN進行設(shè)計.信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System,CPS)的設(shè)計思想給我們提供了一個很好的解決問題方式.CPS是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng),是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體,注重計算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)[16].在CPS的框架下對NGAN進行優(yōu)化設(shè)計,可以很好地解決NGAN所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)[17?18].圖2(a)給出了NGAN的CPS模型,容易看出NGAN中的物理域元素(飛機的飛行模式,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和電磁環(huán)境等)會對信息域的性能(吞吐量,時延,可靠性和安全性等)產(chǎn)生直接的影響.在對NGAN的協(xié)議設(shè)計中不能僅僅針對信息域的要素進行設(shè)計,而要綜合考慮物理域和信息域.因此,NGAN中必須有可以對物理域進行全面感知的傳感器系統(tǒng),以及可以改變物理域性能的執(zhí)行器系統(tǒng).這樣,NGAN就可以根據(jù)物理域的某些信息,優(yōu)化運行信息域的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提高網(wǎng)絡(luò)性能.另外,NGAN還可以根據(jù)信息域的性能要求,通過執(zhí)行器對物理域的相關(guān)元素進行控制,物理域再反作用于信息域形成閉環(huán)控制系統(tǒng),最終使NGAN的性能達到要求.例如,為了滿足信息域網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,物理域的網(wǎng)絡(luò)拓撲就必須具備一定程度的容錯能力,即任意一個節(jié)點或鏈路失效都不會影響節(jié)點之間的連通性.因此,NGAN必須能夠?qū)崟r獲取網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)并主動地對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行控制使之具備容錯能力,滿足網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性要求.

為了實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的互聯(lián)互通,方便網(wǎng)絡(luò)升級,使用模塊化的思想對NGAN進行分層設(shè)計.近年來,智能天線、激光通信等物理層新技術(shù)的發(fā)展可以解決NGAN面臨的部分問題,如利用智能天線技術(shù)可以有效提高頻譜利用效率,增加系統(tǒng)容量,緩解NGAN中頻譜資源有限的問題.然而,不可能在協(xié)議棧的某一層將所有問題都解決.因此,為了克服NGAN所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),要基于CPS的設(shè)計思想,在協(xié)議棧各層針對NGAN的特點進行優(yōu)化設(shè)計.針對每一個技術(shù)難題,可以采取圖2(b)所示的解決思路.NGAN的路由協(xié)議和媒體訪問控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議要能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲高動態(tài)的變化.MAC協(xié)議要盡可能高效地利用有限的頻譜資源增加網(wǎng)絡(luò)容量來緩解帶寬受限的問題,而且能根據(jù)物理域復雜的電磁環(huán)境和信息域的QoS要求合理地分配信道資源.NGAN中不可靠的無線信道導致了鏈路較高的誤碼率,在傳輸層也就體現(xiàn)在較高的丟包率.為了減少高丟包率網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中頻繁的重傳對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,可以在傳輸層加入前向糾錯機制來減少重傳次數(shù),增加網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量.在機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,信道的不可靠性使得單路徑通信協(xié)議的性能會受到信道環(huán)境的嚴重影響.當前的航空平臺往往裝備多個電臺系統(tǒng),即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可以同時建立多條通信路徑,這就可以同時利用多條路徑進行通信來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性.不同于地面Internet中的應(yīng)用,機載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流大都屬于非彈性流,而且這些非彈性流有著不同的帶寬和可靠性需求.然而,MAC層和網(wǎng)絡(luò)層只能提供有限的QoS保障,無法為非彈性數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保障,這就要求傳輸層協(xié)議還需具備按需分配帶寬的能力.由于NGAN的無中心和自組織性,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要采用分布式的控制方式.NGAN的稀疏性和高動態(tài)性導致了頻繁的網(wǎng)絡(luò)分割,為了不影響節(jié)點之間端到端的連通性,NGAN要能夠主動地對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行控制(如加入中繼節(jié)點增強網(wǎng)絡(luò)的連通性).因此,只有根據(jù)NGAN的特點,優(yōu)化設(shè)計MAC協(xié)議、路由協(xié)議和傳輸層協(xié)議,并對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行控制才能克服NGAN所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn).

4 NGAN的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來,學術(shù)界對NGAN的研究主要集中在路由協(xié)議,并給出了許多令人滿意的解決方案[19?20].而對于拓撲控制、MAC協(xié)議和傳輸層協(xié)議的研究明顯不足,還需要進一步地深入研究與探討.因此,本節(jié)針對NGAN的拓撲控制、MAC協(xié)議和傳輸層協(xié)議3個方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行簡要介紹.

4.1 拓撲控制

在NGAN中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信主要依靠航空平臺之間組成的AANET.而AANET網(wǎng)絡(luò)拓撲的高動態(tài)變化導致了頻繁的網(wǎng)絡(luò)分割,網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點密度隨著時間和空間的不同而劇烈變化,從而導致某一區(qū)域在某一時間節(jié)點過于密集,或者過于稀疏.在飛機節(jié)點稀疏區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)的連通性就會降低.另外,由于無線信道干擾等因素影響,飛機節(jié)點之間的最大通信距離會縮短,這也會影響網(wǎng)絡(luò)的連通性.為了增強連通性,保證網(wǎng)絡(luò)的通信需求,可以通過加入中繼節(jié)點的方法對網(wǎng)絡(luò)的連通性進行控制[21].文獻[22]研究了無人飛行器網(wǎng)絡(luò)中的拓撲控制問題,提出了中繼節(jié)點的優(yōu)化配置方法.然而,該方法假設(shè)所有的航空平臺位置固定,從而在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下得到中繼節(jié)點的最優(yōu)配置位置,顯然無法應(yīng)用于高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.文獻[23]研究了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的中繼節(jié)點速度控制問題.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)在每一個采樣時刻的狀態(tài)得到所有中繼節(jié)點在采樣時刻的運動速度,從而中繼節(jié)點可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)來實時調(diào)整自己的運動,使得網(wǎng)絡(luò)的連通性達到要求.由于該方法使用的是集中式的計算方式(中心控制節(jié)點負責網(wǎng)絡(luò)信息的收集與計算),應(yīng)用于NGAN還有一定的局限性.

4.2 MAC協(xié)議

MAC協(xié)議控制節(jié)點如何接入無線信道,對網(wǎng)絡(luò)性能起著至關(guān)重要的作用.目前對機載網(wǎng)絡(luò)MAC層的研究方面大體采用了兩類協(xié)議:TTNT所采用的基于統(tǒng)計優(yōu)先級的多址接入(Statistical Priority Multiple Access,SPMA)協(xié)議[24]和其他多數(shù)項目所采用的時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)協(xié)議[25?26].SPMA是載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)協(xié)議的改進版,主要是增加了基于信道占用狀態(tài)統(tǒng)計的優(yōu)先級接入技術(shù).相比CSMA協(xié)議,SPMA一方面降低了信息接入信道前的等待時間,另一方面提供了不同信息的優(yōu)先級區(qū)分,保證了高優(yōu)先級信息接入信道的高成功概率[24].對于CSMA等競爭類的MAC協(xié)議來說,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)較多時,RTS/CTS的傳輸有較大時延,會嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能,而TDMA協(xié)議則可有效地避免上述問題.當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多時,一般使用TDMA協(xié)議,飛機裝備的GPS定位設(shè)備可以方便地為TDMA提供一個時間基準.iNET項目組針對航空遙測網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,為航空遙測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了集中式的TDMA算法,相應(yīng)標準已經(jīng)制定完成[25].Medina等人在跨洋航班的組網(wǎng)設(shè)計中,使用了基于定向天線的TDMA協(xié)議,保證了飛機之間的高速數(shù)據(jù)傳輸[26].文獻[27]根據(jù)航空信道的特點對空間復用的TDMA技術(shù)(Spatial Reuse TDMA,STDMA)進行了建模分析,證明了STDMA應(yīng)用于機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可行性.

4.3 傳輸層協(xié)議

常用的傳輸層協(xié)議TCP是針對地面網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計,并基于一些固有的假定,如包丟失是網(wǎng)絡(luò)擁塞的結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定的往返時間(Round Trip Time,RTT)等.由于航空無線信道所具有的高誤碼率、不穩(wěn)定的傳輸時延、帶寬不對稱等特性,使得傳統(tǒng)的TCP協(xié)議很難應(yīng)用于機載網(wǎng)絡(luò)中.衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)也具有類似機載網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境,為了克服衛(wèi)星鏈路對TCP性能的影響,各國學者提出了許多TCP的改進方案[28?29],仔細研究這些方案有助于我們進行NGAN傳輸層的設(shè)計.雖然機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有部分相似,但二者還是有本質(zhì)的區(qū)別,不能簡單地將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議應(yīng)用到NGAN中.例如,對于已成為國際標準的SCPS-TP協(xié)議[29?30],可以利用SCPS-TP協(xié)議的相關(guān)機制解決機載網(wǎng)絡(luò)中存在的部分問題,但是SCPS-TP要高度依賴信道狀態(tài)信息,而這些狀態(tài)信息需要通過多次的端對端連接逐漸得到,高動態(tài)的機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不適應(yīng)這種機制.一些學者借鑒衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議的研究成果,對機載網(wǎng)絡(luò)的傳輸層進行了研究并提出了一些傳輸層協(xié)議,如AeroTP[21]、MPLOT[31]和AeroMTP[32].AeroTP協(xié)議為了滿足網(wǎng)絡(luò)的兼容問題,采取TCP分裂連接方案TCP-Splitting[33],在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點引入網(wǎng)關(guān)機制AeroGW[34],保證了和其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通.MPLOT和AeroMTP利用機載網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性,并采用分組級的前向糾錯機制來減少重傳次數(shù),增加網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量.然而,上述協(xié)議都無法為網(wǎng)絡(luò)中的非彈性流提供端到端的帶寬保證.文獻[35]為分布式網(wǎng)絡(luò)中的非彈性流提出了一種基于QoS的速率控制機制(QoS-Based Rate Control,QBRC).QBRC通過控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率在數(shù)據(jù)發(fā)送端實現(xiàn)帶寬的按需分配,而不需要中心控制節(jié)點.因此,可在傳輸層利用QBRC帶寬分配機制為非彈性流提供端到端的QoS保障.

5 結(jié)論

基于AANET技術(shù)的下一代航空通信系統(tǒng)可以大大提高航行的效率和安全性,其諸多優(yōu)點已經(jīng)得到學術(shù)界和工業(yè)界越來越多的重視.本文較為系統(tǒng)地分析了NGAN的主要特征和技術(shù)需求,給出了網(wǎng)絡(luò)的一般架構(gòu),并對需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)進行了探討.盡管我們已經(jīng)盡可能全面地收集相關(guān)資料,對未來機載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行相對充分的評述,但無論如何總可能會有疏漏之處.本文的工作只是我們研究工作的一個起點,期望能夠起到拋磚引玉的作用,期待著能夠為下一代航空通信系統(tǒng)的研究工作添磚加瓦.