航空自组网MAC协议综述

朱　庆　张衡阳　毛玉泉

(空军工程大学信息与导航学院　陕西 西安 710077)



航空自组网MAC协议综述

朱庆张衡阳毛玉泉

(空军工程大学信息与导航学院陕西 西安 710077)

摘要媒体接入控制协议MAC(Media access control protocol)是航空自组网的关键技术之一，主要解决多个飞行器如何高效共享通信信道的问题，直接影响着网络的吞吐量、传输时延、网络规模和组网灵活性。由于航空自组网网络拓扑高速动态变化，节点分布尺度较大，高空无线信道质量较差等特殊性，其MAC协议和传统地面移动自组网MAC协议有着较大的区别。对航空自组网发展进行了介绍，概述了航空自组网对MAC协议的要求，并深入分析比较了当前几类主要的航空自组网MAC协议，最后进行了总结和展望。该综述为航空自组网MAC协议的研发和应用提供了一定的理论和技术基础。

关键词航空自组网媒体接入控制协议服务质量(Quality of Service, Qos)

0引言

航空自组网(见图1)把移动自组网MANET(Mobile Ad Hoc Network)技术创造性地应用于航空通信，使一定范围内的航空飞行器自动连接、快速组建一个MANET，各飞行器是主机和路由器的统一体，通过多跳路由转发实现超视距通信。应用在军事航空通信领域可以快速建立一个多跳、抗毁能力强的作战信息共享网络，网络中各航空飞行器可以相互交换指挥控制指令、战场态势信息、飞行状态等，及时的信息共享可以大幅提高作战效率。应用于民航领域可以克服目前航空电信网中飞机之间无法相互通信、不能共享环境感知信息、存在通信盲区、网络结构复杂、不能满足自由飞行的缺陷[1],为空中交通管制提供了新的手段[2]，保障了航班通信[3,4]。还能使飞行航班通过地面网关接入互联网[5]，共享资源给网络中其他航班，使乘客在旅途中方便快捷地使用互联网资源[6]。

MAC协议一直是航空自组网领域研究的热点，主要为了解决多个用户如何高效共享物理链路资源，将有限的资源分配给网络中多个用户，在众多用户之间实现公平、高效地共享带宽[7]，其性能直接影响着网络吞吐量、端到端时延和组网灵活性，很大程度上决定了网络的通信质量。

图1　航空自组网体系结构图

1航空自组网发展现状

由于航空自组网在军事应用上的巨大价值以及给民航领域带来实际的经济效益，美国国防部、美国联邦航空管理局和欧洲空管等机构在全球范围发起了众多的相关研究项目，同时国内的一些院校和研究所也对航空自组网展开了研究。1999年美国国防部提出了全球信息栅格GIG[8](Global Information Grid),该系统的目标是建立覆盖全球的军事行动信息采集和发布网络,实现全球任意地点之间的信息交互,而不受空间、地域和时间的限制[9]，如图2所示，其空中通信系统拟建为“航空网络”，提供无缝的空中战术移动网[10]。

图2　全球信息栅格GIG

战术网络瞄准技术TTNT[11,12](Tactical Targeting Network Technology)是由美国防高级研究计划局与洛克韦尔公司于2001年开始研发的一种新型高速、宽带、动态灵活、低时延的战术数据链。TTNT以IP协议为基础，是一种机载环境下的空地一体化MANET,使美军能迅速定位、瞄准移动及时敏目标，旨在实现空—空和空—地武器协同网络通信，缩短C4KISR系统从“传感器”到“射手”的时间，其体系结构如图3所示。还有Minuteman[13,14](multimedia intelligent network of unattended mobile agents)，iNET[15-17](integrated network enhanced telemetry)，AANET[6,18](Aeronautical Ad Hoc Network)，NEWSKY[19,20](Networking the Sky for Aeronautical Communication)，ATENNA[1](advanced technologies for networking in avionic application)等航空自组网项目。

图3　TTNT体系结构

国内北京航空航天大学针对数据链网络提出了一种自组织时分多址协议；西安电子科技大学针对航空通信的高实时性，不同数据业务对QoS的要求不同，提出了基于定向天线和Ad Hoc技术的网络初始化方案、节点退网入网方案、基于时分多址协议TDMA(Time Multiple Access)的动态时隙分配算法以及同步方案；国防科技大学研究了在高误码率和高度干扰的大气环境下，机载通信网络收到严重影响的问题，对现有TDMA算法进行了改进，设计了动态协议帧结构、接入策略和预留机制。此外还有北京邮电大学、西北工业大学等单位对航空自组网展开了相关研究。

2航空自组网对MAC协议的要求

参考OSI分层协议体系，自组网可以分为五层，MAC子层控制节点接入无线信道，为上层提供快速、可靠的分组报文传送支持，MAC协议性能好坏对网络的通信质量起着至关重要的作用，是自组网进入实际应用阶段必须要解决的重难点问题[21]。航空自组网是在特殊环境下建立起来的MANET，它具有传统MANET多跳、自组织、自修复的特点和临时快速组网的优势，也存在暴露终端，隐藏终端，无线带宽有限，链路脆弱，QoS很难保证等问题，由于其特殊的应用场合，在设计MAC协议时，需要考虑更多的问题[22]：

(1) 飞行器节点分布的大尺度性和稀疏性。在航空自组网中，飞行器节点分布范围十分广阔，可能导致信道质量分布的不均匀；节点之间距离较远，单跳通信半径可达数百公里，传播时延较大；节点分布稀疏，密度较小，可能导致网络无法连通[23-25]。

(2) 网络拓扑的高速动态变化。民航客机的飞行速度一般在500～1000 km/h,而战机的飞行速度最高能达3.5马赫,节点的高速运动，飞行器不断高速地加入或退出网络，导致网络拓扑和通信链路快速动态变化，可能使得网络连通受限，在设计MAC协议时，需要考虑使用更多的通信资源来传输控制信息，快速建立通信链路。

(3) 无线信道不稳定[26]和不均匀。航空自组网主要采用VHF频段进行视距通信，电磁波绕射能力较弱，信号传输容易受飞机机身和地形的影响，空空通信中，飞机的高速运动，信道质量受多普勒频移[27]影响较大，地空通信中由于直射波和地面的反射波的叠加，还存在显著的多径衰落[28,29]。

(4) 节点差异性。航空自组网中存在多种不同类型的节点，如在军事航空网络中，可能存在预警机、战斗机、无人机等航空飞行器，以及卫星和地面网关等各种节点。这些节点在发射功率、数据传输速率、处理能力、可靠性等方面有着不同的特点，因此在设计MAC协议时也应该考虑这些节点的差异性。

(5) 通信业务QoS保障。航空业务的多样性，不同的业务对传输时延、吞吐量等性能指标有着不同的要求，特别是军用航空通信中武器控制指令的传输对时延要求极高，而语音、视频类业务对吞吐量和时延有着较高的要求，在航空节点相距较远，无线链路不佳的情况下要求MAC协议对这些不同的业务能够提供相应的QoS支持。

(6) 安全性[30]。航空自组网采用分布式控制、无网络中心节点、具有很强的临时性，比一般无线网络更容易受安全方面的威胁。军事领域的航空自组网更易受到传输媒质的影响和被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络恶意攻击，这要求MAC协议具有一定的抗干扰功能以实现可靠的数据传输[31]。

航空自组网MAC协议在考虑上述众多问题的同时，还要求能处理较重的网络负载，保证端到端传输的服务质量[32]，因此不能直接使用地面移动自组网的MAC协议，航空自组网和传统地面自组网的特点对比如表1所示。

表1　航空自组网与地面自组网特点对比

3航空自组网MAC协议研究现状

3.1军事航空通信MAC协议发展过程

航空自组网的发展离不开未来军事航空通信的发展需求，早期的军事航空通信主要追求信息传输的可靠性和稳定性，对MAC协议的要求也是如此。Link4A和Link11数据链使用轮询接入机制，Link16数据链[33]使用TDMA接入方式，这几种接入方式本质上都是静态的时分复用；Link22针对Link16和Link11在使用过程中遇到的问题和存在的缺点，提出了固定分配和预约分配相结合的DTDMA协议，在一定程度上使网络能够适应拓扑的动态变化；美军TTNT网络使用了基于信道统计优先的多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA[11,12])协议，以色列的ACR-740数据链采用了基于改进型CSMA协议，这几种数据链MAC协议特征对比如表2所示。

表2　航空数据链MAC协议特征对比

3.2航空自组网MAC协议分类和基本原理

从航空数据链采用的MAC协议和组网方式的逐渐转变，我们可以看到航空通信的发展趋势，其网络结构从星型网逐渐向多跳分布式网络发展，接入方式不再只局限于时分复用模式。同时在确保网络稳定性和可靠性的基础上，对吞吐量、时延、灵活性的要求越来越高。目前航空自组网MAC协议的研究主要集中于两类：大多数项目采用的基于TDMA 的MAC协议，部分项目采用的基于随机竞争接入的MAC协议。

3.2.1基于TDMA的MAC协议特点和性能比较

TDMA[34]协议将时间分割为周期性的帧，每一帧再分为若干个时隙，根据一定的时隙分配原则，给每个用户分配一个或多个时隙，用户只能在指定时隙内发送数据[7]，分组不存在碰撞的威胁。根据不同的时隙分配策略，TDMA协议可分为固定分配TDMA和动态分配TDMA两种。

固定分配TDMA协议给每个节点分配固定的时隙，时隙的分配在航空网络设计阶段就已经确定，并且在网络运行过程中，时隙分配保持不变。协议预先确定了网络规模，保证了各节点数据发送的公平性，消除了各个节点分组的碰撞威胁，算法复杂度和控制开销较小,在节点业务量恒定的时候，协议性能表现较好。但在航空领域，飞行器需要高速动态地加入或退出网络，网络拓扑结构动态变化，飞行器的退出，使得预先分配好的时隙被空置，导致信道利用率降低，飞行器的加入也无法分配新的时隙，不能适应网络拓扑的动态变化，灵活性较差。

动态分配TDMA协议一般将时隙分为竞争段和信息段，竞争段和信息段各分为若干个时隙。在竞争时段，各个节点用一些短的预约分组提前预约信道，一旦预约成功，在信息时段相应的时隙可以无冲突地发送分组。相比于固定分配TDMA，动态TDMA协议对节点、业务量的变化具有良好的适应性，能够灵活地分配信道资源，具有更高的时隙利用率和实时性。但是预约信息属于管理信息，传输必然占用信道资源，网络负载较轻时或节点数变化导致预约控制信息的增多时，均会造成协议开销增大，信道利用率降低。

文献[35]提出一种动态分配TDMA协议PCC-TDMA，适用于含有多种不同类型节点的战术MANET。协议将一个时帧分为优先级分配阶段，竞争阶段，数据传输阶段，结合固定分配和动态接入的优势，在固定的时隙内发送控制信息。利用二进制逆序比较算法竞争发送顺序，大大减少分组碰撞和网络传输时延，可适应密度变化较大的网络；文献[36]提出一种机载网络动态TDMA协议，协议同时支持单播和广播方式，并通过RTS/CTS控制报文解决隐藏终端问题。协议将每帧分为控制时隙和数据时隙，节点通过微控制时隙来竞争对应的数据时隙，实现快速预留。同时还可以申请使用先前的空闲时隙或竞争失败时隙，充分提高时隙的利用率和空间复用；J.G在文献[37]中对Johnson等人提出STDMA协议性能进行了分析，研究了其算法和用于多跳网络的可行性。文献[38]认为STDMA协议不能给节点分配连续性的时隙以满足实时性高的业务，因此提出了“时隙块”的概念对协议进行了改进。Li等人在文献[32]中认为STDMA协议存在一些缺陷，如两个节点在通信过程中，发送节点只负责发送信息，而接收节点却要处理优先级、分组碰撞、本地信息分发等大量工作。在高动态变化的航空环境中接收节点将面临过高的计算量负荷，无法给节点分配连续时隙以满足高实时性业务，交互信息复杂难以实现，因此提出了IDTA协议。该协议运行在收发双方，减轻了接收节点的计算量负担，信道分配时耗费更少时间。此外，Guo Z H等人在文献[39]中提出了一种基于TDMA的令牌环MAC协议，该协议能够高效地交换控制信息，对新入网节点快速提供QoS支持。上述几种协议的性能比较如表3所示。

表3　基于TDMA的MAC协议性能比较

3.2.2基于随机接入的MAC协议特点和性能比较

基于随机接入的MAC协议的基本思想是：节点有分组到达时，则立即发送分组，或先通过某种方式判断信道忙闲，若信道闲，则发送分组，信道忙则退避一段时间。随机接入[40]方式，不需要预先给各个节点分配时隙，能有效处理用户数量的可变性和通信业务的突发性，对高实时性业务传输有着天然的优势。

802.11采用的CSMA/CA是目前比较有代表性的随机接入协议。该协议能提供较低的端到端时延，但其并不能直接用于航空自组网。首先，其分组在接入信道前，需要对信道进行侦听，航空通信距离一般较远，节点侦听到的状态并不是当前的信道状态。而且在航空信道中，侦听时间为2 ms才能可靠接收和检测发送节点的信号，在此期间不能进行任何信号的传输，每次信息传输都有2 ms时间被空置，多次传输会导致信道利用率降低。同时CSMA/CA协议采用RTS,CTS,ACK的多次握手信号来保证信号传输的可靠性，而航空通信传播时延比较大，多次握手会导致端到端时延进一步增大，无法满足航空自组网中对时延的要求[41]。

TTNT是一种基于IP[42]的航空Ad hoc网络，MAC协议的设计紧紧围绕着打击“时敏目标”的要求而展开，旨在实现空—空和空—地武器协同网络通信，缩短C4KISR系统从“传感器”到“射手”的时间。TDMA协议由于其时隙结构的限制，信息共享的时延一般在秒级，无法满足对时敏性目标打击的时效性要求，因此美军设计了SPMA协议，协议运用了数据优先级排队、突发拆分技术、Turbo编码、信道状态统计、跳频跳时[43]等思想。具体做法是，采用滑动平均统计的方法统计信道忙闲程度，计算每个频点接收到的脉冲个数并求和，与不同优先级业务所设定的忙闲阈值相比较，确定信道忙闲程度，当信道的忙闲程度小于阈值时分组可以接入信道，否则执行退避算法。其状态转移图如图4所示。

图4　SPMA协议状态转移图

国内外对航空自组网随机接入类MAC协议的研究大多在一定程度上借鉴了SPMA的思想。文献[44]提出PSMC协议，该协议不对信道进行侦听，而是通过统计过去一段时间信道上接收到的脉冲数，来预测当前时段的忙闲，避免了对信道侦听而造成的时延。文献[45]提出Turbo_MAC协议，文献[46]提出BT-MAC协议，均在分组发送前对分组进行Turbo编码，增加一定的冗余信息，发送过程即使丢失部分数据，在接收端仍能进行纠错重建数据分组，协议在保证较高的可靠性和吞吐量的情况下完全避免了多次的握手信号造成的时延。文献[47]认为SPMA协议虽然在网络负载较高时对低优先级业务进行截流，保障了高优先级业务的低时延发送，但此时低优先级业务的时延较大，因此提出PBLL/HL协议，降低了低优先级业务由于截流而导致的时延，使网络不至迅速拥塞恶化。上述几种随机接入协议的性能比较如表4所示。

表4　基于随机接入的MAC协议比较

4航空自组网MAC协议分析对比

基于TDMA的MAC协议以某种方式动态或静态地为每个用户固定分配一定的信道时隙资源，用户可以不受干扰地独享已分配的时隙。这种方式可以保证用户接入信道的公平性和平均时延，网络规模确定后能保证较高的系统吞吐量，系统稳定。但其对同步的要求较高，不能有效应对网络规模的变化和通信业务的突发性，动态TDMA在灵活性方面有所改善，但其时分复用的机制很难适用于对时延要求较高的场合，且实现复杂度较大。

随机接入类的MAC协议由于其接入信道的“实时性”和“随机性”，能够高速动态灵活组网，同时提供极低的端到端时延。这些特点符合未来航空自组网的发展需求，但由于其分组发送的“随机性”，即使采用了多种冲突分解的方法，仍然无法完全避免分组产生的碰撞。这种信道接入方式很难提供QoS保证，在负载较重时难以保证系统稳定性，两种类型的MAC协议性能比较如表5所示。

表5　航空自组网两种类型MAC协议性能比较

5结语

由于发展体制原因，加上目前飞机配上GPS后，可以提供比较精确的全网时间同步和自身位置信息，所以基于TDMA的MAC协议组网方案发展的相对比较成熟。这类MAC协议侧重于传输的可靠性、公平性和稳定性，但分组接入等待时延大，组网不够灵活，动态TDMA的出现一定程度上改善了入网退网的灵活性，但工程实现难度较大。基于随机竞争接入的MAC协议能提供低的接入时延、维持较大的网络规模和具有动态组网能力，这些特征符合未来航空通信的需求，但在QoS保障、公平性和稳定性上有着天然的不足。目前一种可行的研究方法是提供区分优先级[48,49]的QoS保障，例如保障高优先级低的接入时延[50]和低优先级高的吞吐量, 也有一些研究尝试将两种类型协议融合[51]，协议运行时能快速在二者间切换。就未来军事航空通信[52]低时延、高速率、快速动态组网的需求而言，随机接入类型的MAC协议有着更好的发展前景。

航空自组网MAC协议的发展趋势：一是采用多信道和多天线机制[53]，多个信道同时进行通信，可以有效解决隐藏终端和暴露终端的问题，物理上消除控制分组和传输分组的碰撞。每个节点配置多个天线，可以和多个节点同时进行通信，提高网络吞吐量、传输效率和服务质量。二是引入认知无线电。研究发现，全球授权的频谱大部分利用率不足1%，即使传输特性较好，需求紧张的300 MHz～3 GHz频段,测试结果显示频谱利用率也不足6%[54]。因此加强对网络信道的认知，充分利用频谱漏洞，对提高信道利用率，减少分组碰撞，提高平均吞吐量具有十分重要的意义。三是改进随机竞争接入控制协议，开展冲突分解方法的研究，满足临时动态组网，系统容量、区分业务优先级服务保障QoS、传输时效性和可靠性的要求。

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REVIEW ON MAC PROTOCOLS FOR AERONAUTICAL AD HOC NETWORKS

Zhu QingZhang HengyangMao Yuquan

(College of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,Shaanxi,China)

AbstractAs one of the key techniques of aeronautical Ad hoc networks, media access control (MAC) protocol mainly solves the problem of how the aerocrafts efficiently share communication channels, and it affects the network throughput, transmission delay, network scale and networking flexibility as well. Since the special natures of network topology of aeronautical Ad hoc networks such as high-speed and dynamic change, wide distribution scale of nodes and poor quality of aerial wireless channel, their MAC protocols are very different from the MAC protocols of traditional ground mobile Ad hoc networks. In the paper we introduce the development of aeronautical Ad hoc networks, outline the requirement of aeronautical Ad hoc networks on MAC protocols, and analyse and compare in depth the main MAC protocols of aeronautical Ad hoc networks at present. Finally we give the summarisation and prospection. This review provides certain theoretical and technical foundation for the research and development as well as application of MAC protocol in aeronautical Ad hoc network.

KeywordsAeronautical Ad hoc networksMedia access control protocolQuality of Service

收稿日期：2015-02-17。国家自然科学基金项目(61202490)；航空科学基金项目(2013ZC15008)。朱庆，硕士生，主研领域：航空自组网。张衡阳，副教授。毛玉泉，教授。

中图分类号TP393

文献标识码A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.002