面向業(yè)務(wù)需求的航空白組網(wǎng)連通性研究

劉巖松 鄭欣 王金濤 龍巖

摘要：為滿足不同業(yè)務(wù)需求，保障業(yè)務(wù)實時性與穩(wěn)定性，針對多種業(yè)務(wù)不同的鏈路連通性，提出適合不同業(yè)務(wù)的鏈路選擇方法?；诤娇兆越M網(wǎng)近似模型，首先提出一種節(jié)點到基站的連通概率算法，其次根據(jù)飛機非勻速運動特點，運用Gauss-Markov移動模型，求出航空自組網(wǎng)連通時間，同時建立相應(yīng)場景并進行仿真。結(jié)果表明，不同業(yè)務(wù)可根據(jù)程序計算結(jié)果選擇所需鏈路。

關(guān)鍵詞：鏈路;航空自組網(wǎng);連通概率;連通時間

DOI：10.11907/rjdk.192222 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0240-04

0 引言

航空自組網(wǎng)（AeronauticalAd Hoc Networks，AANET）的出現(xiàn)推進了民航通信系統(tǒng)發(fā)展，它既可提供空中緊急救援、航行管理，還可提供機上娛樂、語音通信、因特網(wǎng)接人等服務(wù)。航空緊急救援是目前最有效的應(yīng)急救援。德國空中救援組織要求空中緊急救援響應(yīng)時間在8min之內(nèi)，在過去的30年里，該組織已完成十萬多次空中急救任務(wù)，有近90萬人獲得急救，其中10多萬人因得到空中快速搶救得以生還，不過仍有近萬人因空中救援響應(yīng)不及時而喪生。選擇較高連通概率鏈路可縮小救援響應(yīng)時間，從而提高飛行活動安全性和可靠性。除了航空緊急救援，機艙內(nèi)娛樂業(yè)務(wù)和語音通信等服務(wù)也依賴于飛機鏈路穩(wěn)定性，自2013年來，中國國際航空實現(xiàn)運行第二代機上無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有5個高性能處理器，存儲容量達到1T，每個AP可為50-70位旅客提供更豐富的娛樂內(nèi)容。但機上娛樂等高帶寬業(yè)務(wù)需消耗少則幾十兆多則上千兆流量，航空白組網(wǎng)連通時間較長。所以不同業(yè)務(wù)選擇合適的鏈路尤為重要。

許多學(xué)者圍繞航空自組網(wǎng)連通性進行了研究。文獻[5]提出一種甚高頻航空自組網(wǎng)的解決方案，解決了飛行器之間不能直接通信、難以接人Internet等問題;文獻[6]提出一維航線連通概率公式以解決固定航線航空自組網(wǎng)連通性問題;文獻[7]提出交叉航線連通問題解決方法。但現(xiàn)有研究均存在理論與實際結(jié)合不緊密、研究場景只針對一維航線場景、節(jié)點沒有固定的運動軌跡等問題。

針對以上問題，本文首先建立航空自組網(wǎng)空中航線模型與空地航線模型，提出節(jié)點到基站連通概率計算方法;然后結(jié)合飛機非勻速運動的特點，基于Gauss-Markov移動模型，求出航空自組網(wǎng)連通時間，結(jié)合不同業(yè)務(wù)需求，建立相應(yīng)場景進行仿真實驗。結(jié)果表明，不同業(yè)務(wù)可選擇合適的鏈路，保證相關(guān)業(yè)務(wù)穩(wěn)定地完成。

1 模型建立

假設(shè)兩架飛機之間通訊半徑為R，即飛機節(jié)點之間必須小于或等于R才可連通，飛機數(shù)量服從泊松分布。

（1）模型1（空中航線模型）?？罩泻骄€模型大多采用雙向航線模型，如圖1所示。航線高度根據(jù)飛機飛行方向分成奇偶高度層，相鄰兩層的飛機飛行方向相反，且飛機之間相互獨立。

（2）模型2（空地航線模型）。空地航線模型表示為飛機與地面基站的通信模型，如圖2所示。圖中場景共有3條航線分別為A、B和C。地面有4個通訊基站，分別為a、b、c、d。飛機經(jīng)過多跳直接或間接接人地基站，例如航線A上的飛機通過節(jié)點1跳到航線C，再通過節(jié)點1通信范圍內(nèi)航線上的節(jié)點，最終接人地面基站d。

2 連通概率計算

基于航空自組網(wǎng)模型，計算節(jié)點到地面基站的連通概率，具體計算流程如圖3所示。本部分以圖2為例，詳細說明連通概率具體算法。

2.1 初始概率

航線A上的飛機節(jié)點跳到其通信范圍內(nèi)的航段H_1n上等同于其通訊范圍內(nèi)至少有一架飛機的概率，而任意一條航線飛機數(shù)量服從泊松分布，以坐標(biāo)為（x，Y）的飛機節(jié)點為開始節(jié)點，計算其跳到通信范圍內(nèi)航段H_1n的概率，記為P_初始，如式（1）所示。

其中，λ_b是航線B上的飛機密度，n是飛機總數(shù)。

2.2最后一跳概率

2.3 跳躍概率

如果航段h_1n.最后在地基站的通信范圍內(nèi)，則可直接計算最后一條概率;否則，分別計算航段h_1n。上n個點的坐標(biāo)概率，記為跳躍概率P_跳躍，如公式（3）-（5）所示。

2.4 任意兩個節(jié)點連通概率

通過上述步驟得到節(jié)點（x，y）到地基站的所有路徑概率，如公式（7）所示。

記路徑i=（1，2…n），存在事件i，事件i發(fā)生的概率為P_路徑。至少有一個事件發(fā)生的概率即為節(jié)點到地面基站的連通概率，使用概率論加法公式，如式（8）所示。

3 連通時間計算

3.1 鏈路連通時間

在航空自組網(wǎng)中，群組移動是隨機的，且會影響前后節(jié)點速度。Gauss-Markov模型相比于其它群組，移動模型具有前后運動相關(guān)性，每隔一段時間即根據(jù)當(dāng)前速度改變一次，第n次運動由第n-1次運動速度值和一個隨機變量決定，如式（9）所示。

其中，v_n表示節(jié)點在第n個步驟的速度值，a表示趨近于無窮大時的平均值v_n-1，其符合高斯分布隨機變量∝ ∈[0，1]，用來調(diào)節(jié)運動隨機性，根據(jù)相應(yīng)的速度公式可以求出連通時間。假設(shè)其中一個節(jié)點速度為v₁，另一個速度值為v₂，兩個節(jié)點距離為D，因為只有當(dāng)飛機之間的距離小于通信距離才會實現(xiàn)全聯(lián)通，假設(shè)兩個飛機之間的通信距離為R，則有限制條件D

當(dāng)兩個飛機位于單條航線上，兩個飛機方向相同，距離為：

3.2 信息所需連通時間

信息大小約為C，鏈路傳遞速率為s₁，根據(jù)公式（14）可求得信息所需連通時間。

鏈路連通時間與信息連通時間不同，通常鏈路連通時間大于信息所需時間，才可順利傳輸信息。

4 仿真環(huán)境

以航空白組網(wǎng)的空中航線模型和空地航線模型為背景，結(jié)合不同業(yè)務(wù)需求，在MATLAB平臺上構(gòu)建仿真場景。仿真包括兩組實驗：場景l(fā)以空地航線模型為背景，模擬飛機出現(xiàn)故障的緊急情況;場景2以空中航線為背景，模擬鄰近飛機信息傳遞情況。

4.1 仿真場景1

假設(shè)一架A320飛機有一名因消化道大出血導(dǎo)致失血性休克的患者，機組人員急需與地面基站取得聯(lián)系，此時飛行場景大小為1000km x 1000km，航線數(shù)目為6，飛機通信半徑300km，航線長度800km，飛機間安全距離40km，基站坐標(biāo)（450kin，250km）。航線參數(shù)信息如表1所示。

使用本文提出的多航線航空自組網(wǎng)連通概率計算方法，得出該場景下最大概率鏈路，如圖4所示。

如圖4所示，以黑色三角為飛機起始點，根據(jù)泊松分布計算第一跳概率，以此為圓心，通信范圍為半徑，得到與周圍航線相交的離散點。分別計算這些離散點轉(zhuǎn)移概率，其中點5連通概率最大，以此作為下一跳，最后直接接人地面基站，該路徑為最大概率鏈路。各鏈路概率值如表2所示。

根據(jù)概率值得出不同鏈路連通概率與時間的關(guān)系，如圖5所示。其中橫坐標(biāo)為連通時間，單位為s，縱坐標(biāo)為連通概率。

由圖5可以看出，A320發(fā)生緊急情況時，為實現(xiàn)快速與地面取得聯(lián)系，應(yīng)在周圍5條可連通的鏈路中，選擇最大概率的鏈路。

4.2 場景2

假設(shè)飛機1上乘客A正在通過航空自組網(wǎng)給另一架飛機5上的乘客B傳送視頻。視頻大小約50M，飛行場景大小為600km x 800km，航線數(shù)目3，飛機相互之間距離均在通訊半徑內(nèi)。分別根據(jù)表3的飛機參數(shù)和表4的鏈路參數(shù)，求出鏈路連通時間和信息連通時間，再進行對比，如表5所示。

通過表5可知，這3個鏈路中飛機鏈路1-2-5和飛機鏈路1-3-5的帶寬較大且連通時間大于信息傳遞時間，可以實現(xiàn)信息傳遞。其中飛機鏈路1-2-5本身連通時間較長，穩(wěn)定性更強，所以選擇飛機鏈路1-2-5。

綜合以上分析可得出該場景下飛機最長連通時間路徑，如圖6所示。

飛機l向飛機5傳送視頻時，因流量較大，需較長的連通時間鏈路，在周圍3條鏈路中，應(yīng)選擇鏈路1-2-5。

5 結(jié)語

本文針對不同業(yè)務(wù)有不同鏈路連通性的需求，結(jié)合航空自組網(wǎng)空地模型和空中航線模型，提出了節(jié)點到基站連通概率算法，并應(yīng)用Gauss-Markov移動模型，求出航空自組網(wǎng)飛機節(jié)點間的連通時間。不同業(yè)務(wù)根據(jù)計算結(jié)果選擇對應(yīng)鏈路可保證業(yè)務(wù)高效穩(wěn)定地完成。本文對于業(yè)務(wù)類型涉獵有限，因此下一步將使航空白組網(wǎng)與更多類型業(yè)務(wù)結(jié)合，為航空白組網(wǎng)連通性研究提供重要參考。