飛行區(qū)多協(xié)議異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方法研究

姬雨初，王 陽

（中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

0 引 言

機(jī)場飛行區(qū)內(nèi)，為了確保機(jī)場正常運(yùn)轉(zhuǎn)與航空器的地面保障，需要大量地面特種車輛與地面操作人員共同完成多項(xiàng)工作。特種車輛、地面操作人員、旅客以及航空器構(gòu)成了機(jī)場地面多種類且移動(dòng)特性各不相同的節(jié)點(diǎn)。上述節(jié)點(diǎn)的有序運(yùn)行關(guān)乎機(jī)場地面運(yùn)行安全，同時(shí)，有效的調(diào)度與管理可以提高機(jī)場地面運(yùn)行效率和航空器保障效率。對(duì)于上述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的管理，目前使用信息化管理手段，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

然而，受制于節(jié)點(diǎn)類型、傳輸需求與分步建設(shè)的限制，實(shí)際的機(jī)場移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息系統(tǒng)涵蓋多種傳輸協(xié)議、多個(gè)子網(wǎng)。以某大型國際機(jī)場的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)為例，不同類型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用的通信協(xié)議不同，例如，航空器通過機(jī)場移動(dòng)航空通信系統(tǒng)（Aeronautical Mobile Airport Communications System,AeroMACS）實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)接入，飛行區(qū)內(nèi)特種車輛、作業(yè)人員往往通過機(jī)場自建的生產(chǎn)網(wǎng)或無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與管理中心服務(wù)器的連接，連接方式通常為工作在1.8 GHz頻段，基于LTE協(xié)議的機(jī)場蜂窩專網(wǎng)、4G/5G公共基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、NBIoT/LoRa窄帶物聯(lián)網(wǎng)等。實(shí)際的飛行區(qū)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)多協(xié)議異構(gòu)重復(fù)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，不同類型的節(jié)點(diǎn)之間通信存在底層協(xié)議不相通現(xiàn)象，只能通過服務(wù)器端進(jìn)行上層通信實(shí)現(xiàn)有限的數(shù)據(jù)交互，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛行區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)互通，通常采用的方法：

（1）在服務(wù)器端建立傳輸連接，由服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，如文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]對(duì)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)資源交互平臺(tái)、互操作與服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。然而，此方案往往存在溝通與建設(shè)難度大、通信鏈路長、QoS難以保障的情況。

（2）設(shè)計(jì)了一種互通傳輸站（Data Interaction Station,DIS），以實(shí)現(xiàn)協(xié)議節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)層間互聯(lián)?；ネ▊鬏斦鞠鄬?duì)于服務(wù)器端連接具有低延時(shí)與高效的優(yōu)勢，但存在硬件實(shí)現(xiàn)成本高、潛在互通傳輸站數(shù)量需求大等問題。在車聯(lián)網(wǎng)中也有類似的方法應(yīng)用。

考慮到飛行區(qū)航空器保障過程、地面保障設(shè)備等待過程的特點(diǎn)為：大量節(jié)點(diǎn)密集存在于機(jī)坪這一有限范圍內(nèi)，空間范圍較小、持續(xù)時(shí)間較長、存在較大的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互需求。這一特點(diǎn)明確了飛行區(qū)內(nèi)使用互通傳輸站方案成本與數(shù)量均是非發(fā)散且可控的，即互通傳輸站方案具有可行性。本文給出了基于互通傳輸站的傳輸模型與先請(qǐng)求先發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)方案；在此基礎(chǔ)上，考慮到不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)存在不同的QoS需求，提出了重要數(shù)據(jù)優(yōu)先的改進(jìn)算法，以保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的有效性，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮一個(gè)互通傳輸站覆蓋范圍內(nèi)，存在若干個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)包傳輸請(qǐng)求，不同類型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用不同的無線協(xié)議。為了方便分析，作如下定義。

（1）飛行區(qū)中存在種調(diào)制方式，定義為 {,,...,M}?；ネ▊鬏斦驹O(shè)備中包含上述種調(diào)制方式的收發(fā)單元，工作在半雙工模式。假設(shè)DSI的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，可以實(shí)現(xiàn)任意兩種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部具有足夠的多線程信號(hào)處理與運(yùn)算資源，可以同時(shí)處理不同調(diào)制方式接收器所接收的信號(hào)，不同的調(diào)制方式收發(fā)模塊可以同時(shí)工作。

（2）在DSI覆蓋范圍內(nèi)，定義某一時(shí)間段內(nèi)，存在個(gè)接入節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的集合為 {,,...,S}。對(duì)于節(jié)點(diǎn)S，考慮其移動(dòng)性，定義()為該節(jié)點(diǎn)預(yù)期離開當(dāng)前DSI工作范圍的時(shí)刻，即節(jié)點(diǎn)在()時(shí)刻后無法繼續(xù)通信。

（3）定義傳輸?shù)淖钚r(shí)間單元為時(shí)隙，每一次上行或下行傳輸，至少占用1個(gè)時(shí)隙的時(shí)長，時(shí)隙的長度為毫秒級(jí)。為了衡量互通傳輸站的互聯(lián)效果，設(shè)置一個(gè)觀測周期，記為。考慮到傳輸時(shí)隙的特征與機(jī)場移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度特征，觀測周期的時(shí)間長度為5～10 s。觀測周期并不代表實(shí)際的傳輸功能周期劃分。

（4）一個(gè)觀測周期內(nèi)，互通傳輸站存在個(gè)傳輸請(qǐng)求。定義其中某一傳輸請(qǐng)求為()，包含參數(shù) {,,,,,,}，其中，為所發(fā)送信息塊的長度，和分別為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，和分別為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)所使用調(diào)制方式的帶寬，為該數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)。定義信息大小、帶寬、時(shí)隙之間的關(guān)系滿足：

式中，N()和N'()分別為傳輸請(qǐng)求I上行、下行所占用的時(shí)隙數(shù)。

（5）結(jié)合飛行區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)，定義數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)包含4級(jí)，分別為：

=4：突發(fā)應(yīng)急通知消息，優(yōu)先QoS傳輸，保證在一定時(shí)間內(nèi)覆蓋所有節(jié)點(diǎn)；

=3：調(diào)度與重要通知消息，QoS傳輸，保證在一定時(shí)間內(nèi)覆蓋相關(guān)節(jié)點(diǎn)；

=2：一般通知消息，在帶寬允許的情況下使用QoS傳輸，覆蓋相關(guān)節(jié)點(diǎn)；

=1：其他信息，包括旅客請(qǐng)求數(shù)據(jù)與娛樂數(shù)據(jù)等，不保證傳輸質(zhì)量。

2 互通傳輸站轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則

2.1 先請(qǐng)求先發(fā)送模式

當(dāng)有傳輸請(qǐng)求時(shí)，首先將傳輸請(qǐng)求發(fā)送給互通傳輸站，對(duì)其分配供上下行的頻譜資源，基本的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則遵循先請(qǐng)求先發(fā)送（First Require First Transmit, FRFT）規(guī)則，即傳輸請(qǐng)求后，查找最近的空閑傳輸資源，并不對(duì)已被占用的傳輸資源進(jìn)行調(diào)整。為了方便管理傳輸資源，定義資源分配表為：

式中，s表示第個(gè)調(diào)制方式中第個(gè)時(shí)隙的資源分配情況表，取值為：

式中，I()為I的優(yōu)先級(jí)。

為了衡量一個(gè)觀察周期內(nèi)的傳輸請(qǐng)求完成率，定義傳輸達(dá)成向量為：

式中，q的取值為：

先請(qǐng)求先發(fā)送的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如下：

算法1：FRFT轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則

Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()

Output：，

Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。

Step 2 ：計(jì)算I的N,N'

Step 3：分配上行鏈路時(shí)隙：自開始在中查找上行調(diào)制方式下連續(xù)N()個(gè)0，標(biāo)記為I()，并將最后的時(shí)隙標(biāo)號(hào)記錄為()，即上行傳輸結(jié)束時(shí)刻。

Step 4 ：若()＜()且()＜，則上行資源分配成功，跳轉(zhuǎn)至Step 5；否則，上行資源分配失敗，Step 3中賦值清0，跳轉(zhuǎn)至Step 1。

Step 5：分配下行鏈路時(shí)隙：自()開始在中查找下行調(diào)制方式下連續(xù)N'()個(gè)0元素，標(biāo)記為I()，并將最后的時(shí)隙標(biāo)號(hào)記作()，即下行傳輸結(jié)束時(shí)刻。

Step 6 ：若()＜()且()＜，則數(shù)據(jù)下行成功，q=1；否則，數(shù)據(jù)下行失敗，Step 3和Step 5中賦值清除。

Step 7 ：返回 Step 1，直至遍歷所有()。

Step 8 ：輸出，。

End

2.2 重要數(shù)據(jù)優(yōu)先模式

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下，傳輸資源往往被大量優(yōu)先級(jí)較低的用戶數(shù)據(jù)占據(jù)。為保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的有效傳輸，提出重要數(shù)據(jù)優(yōu)先（Important Packet First Transmit, IPFT）傳輸模式，該模式的思路為犧牲低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸資源以滿足高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的QoS傳輸。

定義()是優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)所能容忍的最大端到端延時(shí)，為簡化分析，定義相同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)具有相同的延時(shí)需求，且優(yōu)先級(jí)越高，延時(shí)要求越高，即()越小。對(duì)于=1的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，考慮其往往為旅客娛樂數(shù)據(jù)或其他非重要數(shù)據(jù)，()=∞。

基于FRFT算法，提出重要數(shù)據(jù)優(yōu)先的傳輸調(diào)度方法，以控制重要數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)，其基本思想：傳輸請(qǐng)求后，查找最近的空閑傳輸資源，若無法滿足()，則在已被占用的傳輸資源中查找出低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)資源并占用，推遲低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。

算法2：IPFT轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則

Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()

Output：，

Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。

Step 2 ：計(jì)算()的N、N'。

Step 3：執(zhí)行算法1中的Step3～Step6，為()分配傳輸資源，若無法分配，跳轉(zhuǎn)至Step 5。

Step 4 ：計(jì)算()傳輸延時(shí)()，其中()=min((),())-；若()≤()，跳轉(zhuǎn)至 Step 7，若()＞()，跳轉(zhuǎn)至 Step 5。

Step 5：查找()的潛在傳輸時(shí)隙，即自至()時(shí)隙滿足s＜I()，其含義是該時(shí)間段內(nèi)未分配或已分配且優(yōu)先級(jí)低于()的時(shí)隙，記其個(gè)數(shù)為()。

Step 6 ： 若()＜()+()，跳轉(zhuǎn)至Step 7，若()＞()+()，則從潛在傳輸時(shí)隙集合中依時(shí)間順序提取()+()個(gè)時(shí)隙，用于I的傳輸，原傳輸數(shù)據(jù)推遲至最近的空閑時(shí)隙發(fā)送。

Step 7 ：()不分配傳輸資源。

Step 8 ：返回 Step 1，直至遍歷所有()。

Step 9 ：，。

End

重要數(shù)據(jù)優(yōu)先算法在先請(qǐng)求先發(fā)送算法的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷，并在可控的時(shí)隙內(nèi)對(duì)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行插包?？紤]到大部分協(xié)議的控制字段中均有表示優(yōu)先級(jí)的字段，因此互通傳輸站可以不對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解析，設(shè)備硬件復(fù)雜度可控。另一方面，由于每次調(diào)整的時(shí)隙間隔有限，調(diào)整復(fù)雜度較低。

3 仿真與分析

本章中，對(duì)上述算法進(jìn)行仿真。首先假設(shè)飛行區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)場景如下：接入節(jié)點(diǎn)可以與基站、互通傳輸站建立連接；存在4種調(diào)制方式，其傳輸帶寬分別為5 Mb/s、1 Mb/s、10 Mb/s；每個(gè)時(shí)隙的長度為5 ms，僅分配給一個(gè)接入節(jié)點(diǎn)使用；定義觀測周期長度為5 s；考慮到接入節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，其進(jìn)入互通傳輸站、離開互通傳輸站的時(shí)刻隨機(jī)分布在觀測周期內(nèi)。

觀測周期內(nèi)，存在100～5 000個(gè)傳輸請(qǐng)求，記作(1),(2),...,(5 000)。每個(gè)傳輸請(qǐng)求的隨機(jī)分布在觀測周期內(nèi)且早于節(jié)點(diǎn)離開時(shí)間；數(shù)據(jù)包的最大長度分別被限制在20 Kb和100 Kb。傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)隨機(jī)定義為1、2、3或4級(jí)，相對(duì)應(yīng)的()被設(shè)置為不限制、100 ms、50 ms、20 ms。

當(dāng)數(shù)據(jù)包的最大長度限制在20 Kb和100 Kb時(shí)，根據(jù)傳輸達(dá)成向量統(tǒng)計(jì)本文給出的先請(qǐng)求先發(fā)送算法與重要數(shù)據(jù)優(yōu)先算法傳輸完成率，分別如圖2和圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸完成率（數(shù)據(jù)包最大長度20 Kb）

圖3 數(shù)據(jù)傳輸完成率（數(shù)據(jù)包最大長度100 Kb）

由仿真結(jié)果可以看出，使用FRFT方法，不同的優(yōu)先級(jí)完成概率相近。在5 s觀測周期內(nèi)，隨著傳輸請(qǐng)求數(shù)的增加，數(shù)據(jù)傳輸完成率逐漸下降。

使用IPFT算法，當(dāng)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為2 000時(shí)，對(duì)于20 Kb的短數(shù)據(jù)包和100 Kb的長數(shù)據(jù)包，IPFT算法相對(duì)于FRFT算法，優(yōu)先級(jí)為4的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成率分別可以提高50%和30%；優(yōu)先級(jí)為3的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成率分別可以提高15%和5%；較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完成率會(huì)低于FRFT算法，即：IPFT算法犧牲了較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)以提高高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的完成率，符合該算法的設(shè)計(jì)初衷。

仿真反映出節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)數(shù)據(jù)完成率影響較大，當(dāng)傳輸請(qǐng)求較為密集時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量傳輸請(qǐng)求堆積和順延，此時(shí)若節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較大，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)還未分配時(shí)隙便離開互通傳輸站的情況發(fā)生。實(shí)際系統(tǒng)部署中，可以通過限制整體傳輸請(qǐng)求、擴(kuò)大互通傳輸站范圍、降低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等手段加以改善。另一方面，結(jié)合高層傳輸協(xié)議的控制，可進(jìn)一步控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

4 結(jié) 語

針對(duì)飛行區(qū)多協(xié)議異構(gòu)重復(fù)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，本文利用互通傳輸站實(shí)現(xiàn)了不同子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)互通傳輸，在常規(guī)“先請(qǐng)求先發(fā)送”轉(zhuǎn)發(fā)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛行區(qū)交互數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了“重要數(shù)據(jù)優(yōu)先”轉(zhuǎn)發(fā)模式，犧牲部分低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸資源，以保障高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸。除了機(jī)場飛行區(qū)應(yīng)用場景，本方法也適用于環(huán)境相近場景，如工廠場區(qū)、校園、港口，以及具有固定運(yùn)行路線的移動(dòng)設(shè)備等。當(dāng)場景環(huán)境滿足空間受限、接入節(jié)點(diǎn)存在聚集行為兩個(gè)特點(diǎn)時(shí)，使用互通傳輸站方案成本可控；根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的具體需求劃分優(yōu)先級(jí)與最大容忍延時(shí)，結(jié)合高層協(xié)議可滿足相應(yīng)的傳輸需求。