基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議研究設(shè)計(jì)

周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議研究設(shè)計(jì)

周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

航空自組網(wǎng)是未來下一代軍事通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，M A C接入技術(shù)是航空自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了航空自組網(wǎng)的特點(diǎn)，研究了傳統(tǒng)的M A C接入技術(shù)，并給出了基于航空自組網(wǎng)的M A C接入?yún)f(xié)議考慮設(shè)計(jì)思路，對(duì)研究航空自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，探討實(shí)現(xiàn)其在軍事上的應(yīng)用具有一定的參考意義。

航空自組網(wǎng)；M A C接入技術(shù)；研究設(shè)計(jì)

1 航空自組網(wǎng)簡(jiǎn)介

航空自組網(wǎng)（a e r o n a u t i c a l A d Ho c n e t w o r k，A A NE T）是一種能在空中迅速展開使用并可以及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，在其有效的通信范圍內(nèi)，航空飛行器（飛機(jī)）之間可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)指控信息并且允許節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)間、地點(diǎn)動(dòng)態(tài)地、頻繁地退出或接入網(wǎng)絡(luò)，建立起一個(gè)空中MA NE T。在航空自組網(wǎng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也是雙重身份，即終端和路由，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)不在源節(jié)點(diǎn)的直接通訊范圍之內(nèi)時(shí)，就需要中繼續(xù)節(jié)點(diǎn)把分組以多跳的方式傳給直接通信范圍之外的飛行器，從而提供更優(yōu)質(zhì)的航空通信保障，在軍事應(yīng)用方面有很大的意義，目前各國(guó)軍方都開展了航空自組網(wǎng)的研究。

在航空自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)鏈路層的MA C接入?yún)f(xié)議控制著信道中數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收，其效能的發(fā)揮直接體現(xiàn)著網(wǎng)絡(luò)對(duì)有限的無線帶寬資源的利用程度。因此，MA C接入技術(shù)對(duì)航空自組網(wǎng)的整體性能有著很大的影響，這也成為近年來業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。

2 傳統(tǒng)MA C接入技術(shù)

介質(zhì)訪問控制（MA C）子層作為數(shù)據(jù)鏈路層的主要部分，主要負(fù)責(zé)給節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)合適的接入無線信道的時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸，它也是數(shù)據(jù)分組在無線信道上接收和發(fā)送的直接控制者。無線自組網(wǎng)MA C協(xié)議可分為三類：基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MA C協(xié)議、基于調(diào)度機(jī)制的MA C協(xié)議和混合接入機(jī)制的MA C協(xié)議。

在基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的MA C協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過相互競(jìng)爭(zhēng)的方式接入信道，并以分組的隨機(jī)重傳來減小分組碰撞的概率，該類協(xié)議有A L OHA、C S MA協(xié)議、基于握手機(jī)制的訪問控制協(xié)議和忙音類多址訪問協(xié)議等。

基于調(diào)度機(jī)制的MA C協(xié)議中把信道資源按照某個(gè)固定的算法劃分成多份，然后以一定的調(diào)度機(jī)制分配給節(jié)點(diǎn)，例如時(shí)分多址(T D MA)、碼分多址、頻分多址、空分多址等。

混合接入?yún)f(xié)議是把前兩種協(xié)議有機(jī)地結(jié)合起來，因此該類協(xié)議一般情況下都能夠保持各個(gè)訪問協(xié)議的部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免原協(xié)議的主要缺陷，相對(duì)而言就有良好的協(xié)議性能。

3 基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議研究設(shè)計(jì)

由于航空自組網(wǎng)（A A NE T）相對(duì)于其他無線網(wǎng)絡(luò)的特殊性，它對(duì)MA C接入?yún)f(xié)議有著更高要求。如何將現(xiàn)有的MA NE T中已成熟的MA C協(xié)議，針對(duì)A A NE T的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)加以改進(jìn)，使其適應(yīng)航空自組網(wǎng)的需要，并保證其有良好的通信質(zhì)量，是一個(gè)亟待解決的問題。

基于航空自組網(wǎng)的MA C接入?yún)f(xié)議應(yīng)重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)。

3.1 快速建鏈能力

A A NE T中航空節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)使得節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置在不斷變化，致使通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)生變化。此時(shí)，快速建鏈能力就顯得相當(dāng)重要。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布及其內(nèi)在的邏輯鏈路，顯然鏈路建立是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)。在航空自組網(wǎng)中，MA C協(xié)議決定鏈路，而鏈路的建立與節(jié)點(diǎn)所在域的環(huán)境密切相連。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均擁有一個(gè)廣播域，在域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)共享時(shí)間、空間、頻率和碼字等信道資源，域的大小與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、干擾、噪聲以及發(fā)射功率、編碼調(diào)制、天線方向等因素有關(guān)，因此，綜合控制這些因素可影響鏈路的建立。

航空自組網(wǎng)MA C的快速建鏈可從兩個(gè)方面入手：一是采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)，確保在鏈路發(fā)生變化或信道狀態(tài)變差時(shí)能夠自動(dòng)降低傳輸效率以提高接入和糾錯(cuò)能力，在鏈路連接正常、信道狀態(tài)變好時(shí)自動(dòng)提高傳輸效率。在時(shí)域，鏈路自適應(yīng)技術(shù)通常根據(jù)信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制方式、編碼方式等時(shí)域參數(shù)；二是通過跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，使MA C協(xié)議借助物理層技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。目前，基于正交頻分復(fù)用（OF D M）、多輸入多輸出技術(shù)（MI MO）和方向性天線的MA C協(xié)議研究正處于實(shí)驗(yàn)階段。

在采用天線技術(shù)的MA C協(xié)議中，當(dāng)前對(duì)于MA C協(xié)議的研究大多是針對(duì)傳統(tǒng)采用全向天線的I E E E 8 0 2.1 1 D C F進(jìn)行局部改進(jìn)，隨著MI MO及OF D M技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，為MA C層鏈路的快速建立提供了廣闊的發(fā)展空間，MI MO的空時(shí)接入技術(shù)是快速建立鏈路和支持高速率傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，多用戶OF D M技術(shù)的使用使網(wǎng)絡(luò)取得更大的容量。

3.2 資源公平分配

在無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)公平性影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，因此在航空自組網(wǎng)中更要求MA C盡可能實(shí)現(xiàn)資源分配的公平性。航空自組網(wǎng)臨時(shí)性、稀疏性和多質(zhì)異構(gòu)性對(duì)MA C的接入公平性提出了更高的要求，多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)共享信道，時(shí)常會(huì)造成一些節(jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)占用更多信道資源的情況，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間不公平現(xiàn)象的產(chǎn)生。

研究的思路：

一是采用多信道方法解決隱藏終端和暴露終端的問題。在多信道方法中，將信道專門劃分為分別傳輸控制分組、數(shù)據(jù)分組和忙音分組的獨(dú)立信道，控制分組作用是用來探測(cè)接收節(jié)點(diǎn)能否接收數(shù)據(jù)分組，而不再擔(dān)負(fù)信道預(yù)約作用，信道預(yù)約判斷完全依賴于對(duì)忙音信號(hào)的探測(cè)。

二是依據(jù)退避階段的不同將沖突分為同級(jí)沖突和交叉沖突，同級(jí)沖突指處于同一退避階段的沖突，而交叉沖突指沖突雙方處于不同退避階段，并據(jù)此建立分布窗口離散性的沖突分類解析算法，重點(diǎn)解決競(jìng)爭(zhēng)成功節(jié)點(diǎn)與阻塞節(jié)點(diǎn)共同競(jìng)爭(zhēng)信道的問題，從而獲得更多的公平性。

三是采用多接入優(yōu)先級(jí)退避算法使節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要形成多個(gè)發(fā)送隊(duì)列來緩存不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。通過對(duì)不同隊(duì)列采取不同的退避參數(shù)達(dá)成對(duì)不同節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)內(nèi)容區(qū)分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)依據(jù)業(yè)務(wù)權(quán)重排序的公平接入。

3.3 多種業(yè)務(wù)的高質(zhì)量服務(wù)

由于航空節(jié)點(diǎn)在特定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，其任務(wù)和作業(yè)種類是多種多樣的，傳輸量也會(huì)相當(dāng)?shù)拇?，?shì)必會(huì)引起較大的分組碰撞、傳輸時(shí)延、帶寬不夠等問題。針對(duì)航空自組網(wǎng)的特殊性和所支持的業(yè)務(wù)類型，最大限度地同時(shí)滿足MA C協(xié)議的高效性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步增強(qiáng)質(zhì)量服務(wù)（Qo S）保證技術(shù)，達(dá)到全網(wǎng)MA C性能的合理優(yōu)化是航空自組網(wǎng)MA C協(xié)議的又一個(gè)研究熱點(diǎn)，Qo S涉及到網(wǎng)絡(luò)的所有協(xié)議棧，每個(gè)協(xié)議層相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置都會(huì)影響到用戶業(yè)務(wù)。

由于航空自組網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)種類較多，且不同業(yè)務(wù)要求提供不同的服務(wù)質(zhì)量保障。對(duì)MA C層而言，如何依據(jù)用戶對(duì)Qo S的需求映射為Qo S指標(biāo)，并通過指標(biāo)的合理選擇和設(shè)定確保全網(wǎng)Qo S最優(yōu)化是MA C協(xié)議必須考慮的問題。航空自組網(wǎng)MA C層協(xié)議的量化指標(biāo)主要有沖突率（C R）、吞吐量（NT）、分組延遲（D L）、公平性（F I）和抖動(dòng)延遲（D J）等。

3.4 較強(qiáng)的抗干擾能力

在無線信道和分布式控制的環(huán)境下，A A NE T更易受到敵方或第三方的竊聽、入侵等，網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的安全性和可靠性也受到了挑戰(zhàn)。軍用航空通信對(duì)信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊?，而采用無線信道和分布控制技術(shù)的航空自組網(wǎng)更易受到傳輸媒質(zhì)的影響和被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)攻擊，這就要求MA C具有一定的抗干擾功能并能實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)發(fā)展為信息化條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)，在航空部隊(duì)，建立一個(gè)結(jié)構(gòu)靈活、具有較強(qiáng)的抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸性能良好的航空通信網(wǎng)絡(luò)是很有必要的。

研究基于航空自組網(wǎng)的MA C接入技術(shù)，對(duì)提高信道中數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收效能，充分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)有限的無線帶寬資源的利用，進(jìn)而提高航空自組織網(wǎng)絡(luò)在軍事通信的發(fā)展應(yīng)用具有重要意義。

[1]寇明延．現(xiàn)代航空通信技術(shù)[M]．國(guó)防工業(yè)出版社．2 0 1 1.

[2]陳林星．移動(dòng)A d H o c網(wǎng)絡(luò)—自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]．電子工業(yè)出版社，2 0 1 1.

[3]王婷．自組網(wǎng)MA C層協(xié)議退避算法研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2 0 1 0.

[4]曹振林，孫榮平，柏長(zhǎng)帥．MA C協(xié)議在航空自組網(wǎng)中應(yīng)用綜述[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2 0 1 3.1 1.

[5]S.Toumpis，and A.J.Goldsmith．Capacity Region for Wireless Ad hoc Networks.IEEE Transactions on Wireless Communications，July 2003.

[6]H. Zhai，J. Wang，Y. Fang． Distributed packet scheduling for multihop flows in Ad Hoc networks．Proceeding of IEEE WCNC'2004.

[7]張棋飛.無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由及MA C協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究[M].湖北人民出版社，2 0 1 2.

V 2 4 3.1;T N 9 1 5.0 4

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 2（下）-0 1 7 5-0 2