低空空域VHF 动态接入移动性管理*

严 雯

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

近年来，我国通用航空快速发展，对低空空域的需求与日俱增。2010年11月，我国发布了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》，正式开放千米以下低空空域［1］。

为了保障低空飞行的安全，低空空域应尽可能地为低空飞行器提供连续的地空通信。其中，超短波(VHF)通信是地空通信的重要手段之一。VHF通信属于视距通信，地面VHF 远端站的通信覆盖范围与低空飞行器的飞行高度紧密相关，根据理论分析计算，单个远端站的通信覆盖范围仅约100 km。因此，低空飞行器在飞行过程中会涉及跨越多个VHF 远端站的情况，存在低空飞行器无线接入、越区切换等移动性管理问题。

传统的地空组网技术［2］根据地面管制中心获得的飞机航迹、飞行趋势、当前链路通信范围和工作状态，新增成员对通信的影响等来决定链路切换，以保证不间断、跨区域的通信。但是，低空监视空域和报告空域无法获得飞机的航迹和飞行趋势信息，传统的地空组网技术无法应用。

本文针对上述问题，提出让飞机根据当前的位置信息和飞行趋势，结合低空空管地面通信网络拓扑结构及通信覆盖情况实时计算需要接入的地面远端站，决定越区切换的切换点，发起位置更新流程，让机载平台动态接入到低空空管通信网络中。

2 系统描述和模型抽象

2.1 系统总体架构

低空空管通信网络总体框架［3－4］如图1所示，包括VHF 地空话音通信和地面通信网络两部分。其中，地面通信网络由全国通航服务中心、区域通航服务中心、飞行服务站以及远端站构成统一的网络。全国通航服务中心、区域通航服务中心作为通航服务的管理者，分别负责全国范围和区域内不同通航飞行服务站数据与信息的汇集和服务移交。飞行服务站负责控制和管理远端站，为通用航空飞行器提供飞行服务。远端站配合飞行服务站工作，为通用航空飞行器提供地空通信接入点，负责地面通信与地空通信的转接。

图1 低空空管通信网络总体框架Fig.1 Framework of communication network for low－altitude airspace

2.2 移动性管理模型

低空飞行器在低空空管通信网络覆盖范围内航行，整个网络为其提供持续的VHF 话音通信服务，其本质是典型的移动性管理问题［5－7］，即用户(低空飞行器)在网络覆盖范围内移动，用户对VHF 话音通信的使用不受航行位置变化和接入点(远端站和飞行服务站)变化的影响。

目前，经典的移动性管理机制主要有GSM 和移动IPv6 网络，由表1的对比可知，低空空管VHF无线接入的网络组织形式更贴近GSM 的方式，因此，本文着重借鉴GSM 的移动性管理结构和设计思路。

借鉴GSM 设计思路，根据低空空管通信网络各设施之间的关系，在低空空管通信网络物理拓扑层和网络拓扑层的基础上设计移动管理层，引入归属位置寄存器/访问位置寄存器(Home Location Register/ Visitor Location Register，HLR/VLR)机制进行低空空管VHF 无线接入移动性管理，如图2所示。

表1 移动性管理需求分析表Table 1 Requirements of mobility management

图2 低空空管移动性管理模型Fig.2 Mobility management model of communication network for low－altitude airspace

下面具体描述本文设计的移动性管理模型。

(1)移动节点

每个低空飞行器为独立的移动节点(Mobile Node，MN)，分配唯一标识的低空飞行器识别号;移动节点的移动性管理活动用3 种不同的移动性管理状态来描述，分别是IDLE 状态、READY 状态和STANDBY 状态。

IDLE 状态:MN 处于不活动状态，HLR 和VLR不包含该用户的有效的位置及路由信息。

READY 状态:MN 登录到低空空管通信网络中，处于活动状态，HLR 和VLR 记录该移动节点的位置信息。

STANDBY 状态:MN 处于未知状态，VLR 和HLR 掌握的低空航空器位置信息超时。

(2)VLR

为每个飞行服务站设立VLR，用于记录临时移动到其服务范围内的MN 用户及其状态信息;本文中，VLR 使用＜nid，rsid，fssid，scid，hlrid，nstatus ＞描述一架低空飞行器在低空空管通信网络中的位置信息。其中:nid 是低空飞行器标识，唯一标识低空飞行器;rsid 标识当前接入的远端站，fssid 标识当前所属的飞行服务站，scid 标识当前所属的通航服务中心;hlrid 标识用户的归属HLR;nstatus 标识低空飞行器的移动性管理状态，有IDEL、STANDBY、READY 3 种状态。

(3)HLR

根据用户数量，选择采用多个通航服务中心共用或者单个通航服务中心设立一个HLR 方式。HLR 主要存放两类信息:一是所属MN 的基本信息，包括低空飞行器识别号、用户接入等级等永久数据;二是所属活动MN 的当前位置信息，为临时数据。HLR 使用＜nid，nlevel，rsid，fssid，scid，nstatus ＞描述一架低空飞行器的移动性管理信息，其中nlevel 表示该低空飞行器的用户接入等级。

这样，整个低空通信网络可以抽象为典型的二级移动性管理模型，包括站内移动性管理和站间移动性管理。站内移动性管理主要负责在同一飞行服务站下不同远端站之间的移动性管理，主要由该飞行服务站下的VLR 更新MN 的位置信息即可，具体过程描述见3.3 节。站间移动性管理负责在不同飞行服务站之间的移动性管理，需要HLR 和VLR 配合工作，更新MN 的位置信息，具体过程描述见3.4 节。

3 低空空管VHF 无线接入移动性管理

低空空管VHF 无线接入移动性管理主要包括登记注册、入网和退网、站内移动性管理和站间移动性管理等内容。

3.1 登记注册

通航用户在购买低空飞行器时，会获得全国范围唯一标识的低空飞行器识别号，并作为移动用户在归属HLR 登记注册。当低空航空器不飞行时，归属HLR 标记该移动用户为IDEL，rsid、fssid、scid 项数据无效，移动用户描述为＜nid，nlevel，null，null，null，IDEL ＞。

3.2 入网和退网

根据飞行计划，低空飞行器在起飞前完成入网登记，在降落后自动执行退网工作。

入网登记过程为:起飞前，移动用户登录到网络中，其归属HLR 将其状态更改为READY 状态，起飞机场所属的VLR 记录该移动用户的位置信息。

退网过程为:降落后，移动用户将向网络发送退网消息，其归属HLR 将其状态更改为IDEL 状态，降落机场所属的VLR 删除该移动用户的位置信息。

3.3 站内移动性管理

站内移动性管理主要负责同一飞行服务站下，不同远端站之间的移动性管理。假设地面站A 和地面站C 接入到同一个飞行服务站A，飞行服务站A 归属于通航服务中心M，低空飞行器N(用户接入等级为1)从地面站A 覆盖区飞向地面站C 覆盖区，归属于HLR W。飞行服务站站内移动性管理更新流程图如图3所示，具体的流程为:

(1)低空飞行器N 实时计算机载平台需要接入的远端站，当发现飞行器在远端站A 和远端站C 的覆盖交叠区，并即将离开远端站A 的覆盖区域，进入远端站C 时，在切换点向地面发送位置更新请求(包含原远端站、原飞行服务站、更新类型=站内切换等)。远端站C 收到位置更新请求后，直接转发给飞行服务站A;

(2)飞行服务站A 收到位置更新请求后，根据低空飞行器N 请求得知本次切换是站内切换，更新VLR 中的用户信息＜N，C，A，M，W，READY ＞;

(3)飞行服务站A 向HLR 报告发生站内位置更新事件;

(4)HLR 收到站内位置更新报告后，更新用户信息＜N，1，A，A，M，READY ＞为＜N，1，C，A，M，READY ＞，并向飞行服务站返回更新确认信息;

(5)飞行服务站A 在向HLR 报告发生站内位置更新事件的同时，通过远端站C 向低空飞行器N回复位置更新请求确认;

(6)低空飞行器N 收到位置更新确认后，表明机载端完成位置更新。

图3 飞行服务站站内移动性管理流程图Fig.3 Flow chart of mobility management within one flight service station

3.4 站间移动性管理

站间移动性管理负责在不同飞行服务站之间的移动性管理，飞行服务站可以归属于相同的通航服务中心，也可以归属于不同的通航服务中心。假设地面站A 和地面站B 分别接入到不同飞行服务站A 和B，低空飞行器N(用户接入等级为1)从地面站A 覆盖区飞向地面站B 覆盖区，归属于HLR W，飞行服务站A 归属于通航服务中心M，飞行服务站B 归属于通航服务中心P。正常情况下，飞行服务站站间移动性管理更新流程图如图4所示，具体的流程为:

(1)低空飞行器N 实时计算机载平台需要接入的远端站，当发现飞行器在远端站A 和远端站B 的覆盖交叠区，并即将离开远端站A 的覆盖区域，进入远端站B 时，在切换点向地面发送位置更新请求。远端站B 收到位置更新请求(包含原远端站、原飞行服务站、更新类型=站间切换等)后，直接转发给飞行服务站B;

(2)飞行服务站B 收到位置更新请求信息后，根据低空飞行器N 请求得知本次切换是站间切换，如果是，立即向飞行服务站A 请求该用户的用户数据。当飞行服务站B 接收到飞行服务站A 返回的用户数据后，在本地VLR_B 中新增该用户信息＜N，B，B，P，W，READY ＞;

(3)飞行服务站B 向HLR 报告发生站间位置更新事件;

(4)HLR 收到站间位置更新报告后，在HLR 中更新该用户信息＜N，1，A，A，M，READY ＞为＜N，1，B，B，P，READY ＞，并向飞行服务站B 返回更新确认信息;

(5)HLR 向飞行服务站A 发送删除旧的位置登记消息，让飞行服务站A 删除该用户登记信息;

(6)飞行服务站A 删除该用户登记信息后，向HLR 回复删除确认信息;

(7)飞行服务站B 在向HLR 报告发生站间位置更新事件的同时，通过远端站B 向低空飞行器N回复位置更新请求确认;

(8)低空飞行器N 收到位置更新确认后，完成位置更新。

图4 飞行服务站站间移动性管理流程图Fig.4 Flow chart of mobility management between flight service stations

3.5 周期位置更新

低空飞行器在飞行过程中，因为地空通信链路质量很差，地面网络将无法知道移动台位置;低空飞行器飞出地面通信网络的覆盖范围，地面网络也无法获得移动台位置。为了及时获得飞行器的状态，要求低空飞行器周期地向地面网络报告位置信息，启动周期位置更新过程。当网络收不到消息，则当前VLR 和HLR 更改用户状态为STANDBY。

4 性能分析

在低空飞行器飞行过程中，站内和站间位置更新引入的切换延时将直接影响低空飞行器与地面通话的连续性。因此，本节分析低空空管VHF 无线接入移动性管理。为了方便数学分析，假设低空飞行器和远端站之间的无线链路传输延时为α，地面通信网络中一跳的数据传输时延为β，单个飞行服务站的处理时延为td，根据低空空管VHF 无线接入移动性管理机制，站内切换时延Tintra－FSS和站间切换时延Tinter－FSS分别为

其中，N 为新旧远端站之间的传输跳数。

因此，平均切换时延为

其中，pinter－FSS为站间切换的发生概率，pintra－FSS为站内切换的发生概率，为站间切换时新旧服务站之间的跳数。

从式(3)可以看到，低空空管VHF 无线接入切换延时与切换的发生概率、站间切换时新旧服务站之间的平均跳数以及单个飞行服务站的处理时延密切相关。

5 实验室实例

根据低空空管VHF 无线接入移动性管理机制，本文开发了VHF 无线接入仿真演示软件，如图5所示。仿真场景为:部署多个远端站和飞行服务站(由三角形标识)，保证区域内的VHF 通信覆盖，各个飞行服务站建立VLR，成都建立HLR;多架低空飞行器在覆盖区域下同时独立飞行。图中，粗线条为低空飞行器的飞行航迹，虚线条代表低空飞行器当前的归属飞行服务站。仿真表明，低空空管VHF无线接入移动性管理机制能支持多架低空飞行器的航行，如图所示，低空飞行器1 在沿航迹飞行过程中，在飞离成都站的覆盖范围时，会自动切换到乐山站。

图5 VHF 无线接入仿真演示图Fig.5 VHF dynamic access software

6 结束语

本文深入探讨了低空空管VHF 无线接入移动性管理技术，借鉴GSM 经典移动性管理模型的经验，结合我国低空空管通信网络自身的特点，创新性地提出了低空空管VHF 无线接入移动性管理机制。通过本课题的研究，积累了适用于低空空域的VHF无线接入、越区切换、位置管理等移动性管理技术，但是目前仅在仿真层面进行了演示和验证，缺乏实践方面的试验和验证。下一步将升级现有软件，提升其稳定性和可靠性，应用于低空空域典型区域的部署和试验。

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