卓 琨，張衡陽(yáng)，鄭 博，，戚云軍，賈航川

(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077;2.解放軍94188 部隊(duì)，西安 710077;3.解放軍94162 部隊(duì)，西安 710614)

1 引言

近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，將地面ad hoc 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于航空通信中就產(chǎn)生了新的研究領(lǐng)域——機(jī)載網(wǎng)絡(luò)(Airborne Network，AN)［1］，也稱航空自組網(wǎng)(Aeronautical ad hoc Network)或機(jī)載自組網(wǎng)(Airborne ad hoc Network)。

由于傳統(tǒng)航空通信中超短波通信距離受限，目前廣泛使用的遠(yuǎn)程通信方案中，衛(wèi)星通信存在著固有時(shí)延大、通信費(fèi)用高昂、抗毀性差等缺點(diǎn)，短波通信信道質(zhì)量的時(shí)變特性造成傳輸?shù)母哒`碼率、低速率。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)能夠克服這兩種通信方式的不足，通過(guò)機(jī)載航電設(shè)備的無(wú)線收發(fā)裝置交換信息，借助其他節(jié)點(diǎn)中繼實(shí)現(xiàn)多跳通信，可確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通，有效拓展地面設(shè)施的通信保障范圍，共享空中飛行態(tài)勢(shì)信息，為飛行決策提供有益參考。

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)可由多類(lèi)飛行器節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)目標(biāo):在民航上通過(guò)空中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視數(shù)據(jù)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)包括空中交通管理、導(dǎo)航、緊急告警和自動(dòng)防碰撞、互聯(lián)網(wǎng)接入等多種服務(wù)在內(nèi)的自由飛行，可有效提升航空平臺(tái)的運(yùn)行安全性、空管運(yùn)行管控能力;軍航除了完成上述功能外，還需要在作戰(zhàn)飛機(jī)、無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)、預(yù)警機(jī)等軍用航空飛行器之間通過(guò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈完成戰(zhàn)斗任務(wù)管理，交換戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和敵我身份識(shí)別等數(shù)據(jù)，顯著提升不同作戰(zhàn)飛機(jī)之間的互操作性，可有效提高飛行安全性和效率，切實(shí)增強(qiáng)飛行員和武器操控者的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)連通性［2］、移動(dòng)模型［3］、鏈路動(dòng)態(tài)性［4］以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［5］等方面。而介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的重要組成部分，決定多用戶之間有限信道資源的共享方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能起著決定性作用，是機(jī)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的基礎(chǔ)性工作。

本文第2 節(jié)對(duì)航空環(huán)境中機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析總結(jié)，第3 節(jié)從不同信道接入方式對(duì)協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)綜述，第4 節(jié)簡(jiǎn)要總結(jié)對(duì)比主要協(xié)議的特點(diǎn)、性能和適用范圍，最后總結(jié)了當(dāng)前研究存在的問(wèn)題并展望下一步的研究重點(diǎn)。

2 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議應(yīng)用需求

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)是將一定空域內(nèi)的航空飛行器當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間能夠互相轉(zhuǎn)發(fā)處理信息，當(dāng)傳播距離受限、任務(wù)需要時(shí)可通過(guò)衛(wèi)星中繼傳輸或直接傳回到陸基處理中心的新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是地面移動(dòng)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)(Mobile ad hoc Network，MANET)思想延伸到航空領(lǐng)域的新應(yīng)用。相比于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的傳播媒介——航空信道和信息載體——網(wǎng)絡(luò)中的航空器節(jié)點(diǎn)均具有其獨(dú)特性，由此也衍生出MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)的額外挑戰(zhàn)和特殊性需求。

2.1 航空信道特點(diǎn)

自由空間中航空無(wú)線電波傳播的研究主要集中在視距傳播，但在某些情況下，反射、折射、地波/天波等其他傳播機(jī)制將會(huì)起作用。巡航場(chǎng)景符合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行情況，其航空信道具有以下特點(diǎn):

(1)多普勒頻移影響較大。航空器節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)會(huì)帶來(lái)多普勒效應(yīng)，即信號(hào)發(fā)送周期小于相關(guān)時(shí)間時(shí)多普勒擴(kuò)展將引起時(shí)間選擇性衰落，導(dǎo)致信號(hào)失真;

(2)航空信道誤碼率較高。航空信道傳播機(jī)制多樣，具有時(shí)空－頻率變化特性，多徑干擾因此較為突出。多徑傳播及外來(lái)噪聲會(huì)降低傳播信號(hào)質(zhì)量，增大了傳輸過(guò)程中的誤碼率;

(3)傳播延遲不可忽視。巡航場(chǎng)景的信道屬于快衰落，其空空鏈路在相距300 km 時(shí)大尺度信道衰落的最大回波延遲為1 ms，最大繞射傳輸距離可近似為2 倍飛機(jī)高度。不可忽視的傳播延遲會(huì)對(duì)協(xié)議性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的成熟MAC 協(xié)議難以直接應(yīng)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是由各類(lèi)航空器所組成，因而網(wǎng)絡(luò)的基本特性將會(huì)由航空器的運(yùn)行特點(diǎn)所決定，多類(lèi)航空器節(jié)點(diǎn)組成的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)也將會(huì)表現(xiàn)出與地面MANET、車(chē)載自組網(wǎng)(Vehicular ad hoc Network，VANET)截然不同的特點(diǎn):

(1)節(jié)點(diǎn)的三維大尺度稀疏分布。首先，航空器節(jié)點(diǎn)在三維空間內(nèi)飛行具有不同航跡和姿態(tài)，其移動(dòng)模型有別于傳統(tǒng)地面MANET;其次，目前主要使用的U/V 頻段單跳通信距離可達(dá)數(shù)百公里，多跳通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶艽?再次，在實(shí)際廣闊的運(yùn)行場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)稀少、密度小，可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連通，因而網(wǎng)絡(luò)連通性將會(huì)是組網(wǎng)可行性的先決條件;

(2)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、臨時(shí)性顯著。因?yàn)楹娇掌黝?lèi)型和型號(hào)的不同，網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)在通信設(shè)備、半徑、功能上都可能存在差異，同時(shí)在群組飛行模式中節(jié)點(diǎn)的地位不同，因此網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)特性;另一方面，軍民航飛機(jī)在一定空域內(nèi)不同時(shí)段的飛行流量變化很大，因而節(jié)點(diǎn)構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)的臨時(shí)性較強(qiáng);

(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉?dòng)態(tài)變化。航空器節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉?dòng)態(tài)變化，對(duì)通信鏈路的通斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性造成影響。

2.3 MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)需求

MAC 層處于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中數(shù)據(jù)鏈路層的底層部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有限的通信資源，是保證網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的關(guān)鍵要素。在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到如下因素:

(1)組網(wǎng)方式靈活快速。航空節(jié)點(diǎn)頻繁地入退網(wǎng)，高速移動(dòng)會(huì)造成節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置的持續(xù)改變，從而帶來(lái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信鏈路通斷的高動(dòng)態(tài)變化。雖然ad hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備動(dòng)態(tài)性和靈活性，但MAC需要實(shí)現(xiàn)通信鏈路的快速建立、優(yōu)化信道接入控制便于實(shí)現(xiàn)相對(duì)公平的資源分配;

(2)多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)支持。在航空通信中不論是軍航、民航需求傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類(lèi)型都是多樣化的，不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型對(duì)信息產(chǎn)生間隔、傳輸時(shí)延要求不盡相同，因而機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)必須支持多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)類(lèi)型傳輸;

(3)在軍用航空通信中，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)也需要具備高速低時(shí)延、抗干擾低截獲的傳輸能力。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行中需要實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同信息的有效共享，在軍用領(lǐng)域需要及時(shí)獲取、傳遞攻擊目標(biāo)的相關(guān)信息，而移動(dòng)目標(biāo)打擊、武器控制類(lèi)信息的時(shí)延敏感度在ms 級(jí)，高傳輸速率也將是低時(shí)延的保證。軍事通信戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸對(duì)抗干擾、低截獲能力提出了更高的要求，但航空信道影響和敵對(duì)方的主動(dòng)入侵、被動(dòng)竊聽(tīng)、拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)攻擊都會(huì)對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性傳輸提出挑戰(zhàn)。因此，從軍航機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的角度來(lái)講，高數(shù)據(jù)傳輸速率是基礎(chǔ)，信道接入控制方面要確保高優(yōu)先級(jí)分組的一次接入成功傳輸概率;如果能以多信道跳頻機(jī)制和具備信道認(rèn)知能力的方式傳輸，就可避開(kāi)那些已占用或受干擾較重的信道，從而在確保分組接入時(shí)延的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升抗干擾、低截獲能力。

3 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用場(chǎng)景提出了多種MAC 協(xié)議，但還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法。依據(jù)信道訪問(wèn)策略的不同，可將MAC 協(xié)議分為基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議、基于調(diào)度類(lèi)MAC 協(xié)議、混合類(lèi)MAC 協(xié)議和跨層設(shè)計(jì)類(lèi)MAC 協(xié)議，其具體分類(lèi)情況如圖1 所示。

圖1 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議分類(lèi)Fig.1 Classification of MAC protocol of AN

下面通過(guò)對(duì)當(dāng)前機(jī)載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點(diǎn)的研究，并基于上述MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)需求、分類(lèi)方法的考慮，按照MAC 協(xié)議的不同類(lèi)型，對(duì)其中較為代表性協(xié)議的核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行分析。

3.1 競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議

基于競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的基本思想是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)線信道，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)則按照某種退避機(jī)制執(zhí)行退避過(guò)程直到數(shù)據(jù)成功發(fā)送或延遲溢出。競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議的基本類(lèi)型是ALOHA 和CSMA。雖然隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，具有時(shí)延特性的優(yōu)勢(shì)，但碰撞概率會(huì)隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載呈指數(shù)增長(zhǎng)，造成網(wǎng)絡(luò)性能?chē)?yán)重下降。依據(jù)不同的沖突避免方式，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議主要可分為兩類(lèi):一類(lèi)是在CSMA 原理基礎(chǔ)上加入網(wǎng)絡(luò)接入權(quán)限來(lái)限制分組接入的沖突避免;另一類(lèi)是采用控制幀握手方式的信道預(yù)約機(jī)制，通過(guò)預(yù)約方式申請(qǐng)信道，典型代表是802.11 DCF。

3.1.1 統(tǒng)計(jì)優(yōu)先級(jí)的多址接入?yún)f(xié)議

典型代表系統(tǒng)是美軍TTNT 數(shù)據(jù)鏈，100 n mile距離的信息延遲時(shí)間要控制在2 ms 內(nèi)。由于TDMA 協(xié)議時(shí)隙結(jié)構(gòu)的限制無(wú)法滿足如此低時(shí)延要求，為此美軍設(shè)計(jì)了SPMA［6－7］(Statistical Priority－Based Multiple Access)協(xié)議。該協(xié)議基于CSMA 和異步跳頻機(jī)制，通過(guò)統(tǒng)計(jì)信道占用情況實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)分組的接入控制來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)性能。SPMA 協(xié)議大大降低了分組接入信道前的等待時(shí)間，提供了對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的區(qū)分服務(wù)，并保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的一次傳輸成功率和低時(shí)延接入，非常適合于軍事航空通信領(lǐng)域應(yīng)用。但由于美軍技術(shù)封鎖的原因，只能了解協(xié)議基本原理，諸多具體技術(shù)環(huán)節(jié)的選擇、參數(shù)設(shè)置情況還不得而知。

王葉群等［8］利用排隊(duì)模型、組合理論和離散Laplace 變換等理論對(duì)基于多信道、異步跳頻、Turbo編碼的航空自組網(wǎng)MAC 協(xié)議進(jìn)行了分析驗(yàn)證，其性能要全面優(yōu)于802.11 DCF，并在犧牲少許分組傳輸成功率、系統(tǒng)吞吐量的代價(jià)下獲得了比TDMA 更優(yōu)異的時(shí)延性能。在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)［9］提出了吞吐量自適應(yīng)AFH－MAC 協(xié)議，探討了分組到達(dá)率與系統(tǒng)吞吐量的關(guān)系，并將獲得最大吞吐量的分組到達(dá)率數(shù)值設(shè)置為分組接入的網(wǎng)絡(luò)忙閑程度閾值，相比于其他基本協(xié)議獲得了最大的系統(tǒng)吞吐量;同時(shí)業(yè)務(wù)負(fù)載大于閾值時(shí)，在平均時(shí)延增加的情況下仍優(yōu)于其他協(xié)議。文獻(xiàn)［10］中提出了優(yōu)先級(jí)區(qū)分的PFH－MAC 協(xié)議，主要目標(biāo)是在確保高優(yōu)先級(jí)分組的實(shí)時(shí)性、可靠性基礎(chǔ)上最大化系統(tǒng)吞吐量，在不同分組到達(dá)率情況下以分組傳輸成功率為網(wǎng)絡(luò)忙閑程度門(mén)限接入值，以犧牲低優(yōu)先級(jí)分組的性能為代價(jià)滿足高優(yōu)先級(jí)分組的傳輸成功率需求。

文獻(xiàn)［11－13］在S－ALOHA 機(jī)制基礎(chǔ)上引入了多信道優(yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)機(jī)制(Multi－ channel Priority Satistics，MPSC)，并對(duì)協(xié)議棧下層進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)以配合相應(yīng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［11］探討了信道資源的分配機(jī)制;文獻(xiàn)［12］對(duì)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)描述;文獻(xiàn)［13］對(duì)時(shí)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體描述，仿真結(jié)果表明相比于其他基本協(xié)議，獲得了更好的網(wǎng)絡(luò)性能，但關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置仍需進(jìn)一步優(yōu)化研究。

文獻(xiàn)［14］針對(duì)SPMA 低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)延較大的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的多信道低時(shí)延高負(fù)載均衡機(jī)制(Priority Balancing based on Low Latency under High Load，PBLL/HL)，其主要改進(jìn)機(jī)制體現(xiàn)在接入閾值設(shè)定浮動(dòng)窗口、退避算法中競(jìng)爭(zhēng)窗口依據(jù)發(fā)送成功、失敗而變化來(lái)確保增大低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接入成功概率，仿真驗(yàn)證了算法性能、公平性的提高，但對(duì)統(tǒng)計(jì)預(yù)定周期的最優(yōu)化問(wèn)題需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3.1.2 預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議

預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)多采用IEEE 802.11DCF 協(xié)議，其核心機(jī)制是CSMA/CA，也是大多數(shù)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究所采用的默認(rèn)MAC 協(xié)議，通過(guò)使用控制幀握手機(jī)制能夠有效解決隱藏終端問(wèn)題，但航空環(huán)境中不可忽視的傳播時(shí)延會(huì)對(duì)信息時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)性能造成嚴(yán)重影響，因此并不適合在航空環(huán)境中直接應(yīng)用。

文獻(xiàn)［15］針對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的協(xié)作控制系統(tǒng)，在編隊(duì)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)固定數(shù)據(jù)速率條件下，通過(guò)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)建模為M/M/1 排隊(duì)系統(tǒng)得到了通信業(yè)務(wù)清閑條件下的平均單跳時(shí)延，仿真結(jié)果顯示平均單跳時(shí)延將會(huì)隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的增大而增加，重負(fù)載條件下平均單跳時(shí)延的理論推導(dǎo)相比于輕負(fù)載情況下明顯偏高。文獻(xiàn)［16］統(tǒng)計(jì)分析了單跳無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在衰落信道條件下非飽和流量的數(shù)據(jù)包時(shí)延性能，其MAC 層是以802.11 DCF 為基礎(chǔ)，通過(guò)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)建模成排隊(duì)系統(tǒng)得到了平均時(shí)延，理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果表明M/M/1 更符合實(shí)際情況;同時(shí)利用分布擬合工具分析了誤包率為0 情況下的概率分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包時(shí)延可近似為確定性時(shí)延之和而隨機(jī)時(shí)延則服從于Gamma 分布函數(shù)。

文獻(xiàn)［17］針對(duì)集群狀態(tài)的UAV 在采用分簇結(jié)構(gòu)情況下利用Bellman－Ford 算法同時(shí)優(yōu)化了中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間和能量消耗，提出了一種協(xié)作中繼的802.11 DCF 協(xié)議，在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)數(shù)量下對(duì)比分析了網(wǎng)絡(luò)性能，聯(lián)合優(yōu)化能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間、能量消耗，但會(huì)隨節(jié)點(diǎn)距離、數(shù)目增大的影響而變大。

針對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)分布式協(xié)同，文獻(xiàn)［18］改進(jìn)了傳統(tǒng)802.11 DCF 中的BEB 算法，直接給定節(jié)點(diǎn)一個(gè)隨機(jī)常數(shù)競(jìng)爭(zhēng)窗口值CCW 來(lái)進(jìn)行退避時(shí)隙數(shù)的選擇，對(duì)比分析了不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下競(jìng)爭(zhēng)窗口與吞吐量、系統(tǒng)時(shí)延間的關(guān)系;文獻(xiàn)［19］利用最優(yōu)最小競(jìng)爭(zhēng)窗口機(jī)制，并通過(guò)所提的站點(diǎn)數(shù)目估計(jì)算法(Statistic－DCF，S－DCF)來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)的數(shù)目，仿真結(jié)果顯示了S－DCF 算法估計(jì)的準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

3.2 調(diào)度類(lèi)MAC 協(xié)議

調(diào)度類(lèi)MAC 協(xié)議根據(jù)通信資源的不同分配機(jī)制可分為輪替接入和固定接入兩類(lèi)。輪替接入主要包括輪詢多址和令牌環(huán)兩種方式。輪詢多址方式中節(jié)點(diǎn)只能在輪詢周期內(nèi)才能與中心節(jié)點(diǎn)通信，所承載的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、抗毀性差;而令牌傳遞的實(shí)質(zhì)就是一種分布式輪詢，將網(wǎng)絡(luò)中的工作節(jié)點(diǎn)組成環(huán)狀拓?fù)浜髠鬟f令牌，所傳信息隨著令牌的傳遞直至目的節(jié)點(diǎn)。輪替接入在一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模時(shí)可確保節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。固定接入的基本思想是:采用某種分配算法將特定數(shù)量的時(shí)隙/頻率/正交碼映射到某節(jié)點(diǎn)，這種映射導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)只能使用其特定的通信資源，雖然有效避免了沖突，但也限制了節(jié)點(diǎn)在特定時(shí)刻突發(fā)業(yè)務(wù)的直接傳送。在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中固定接入通常以TDMA 為主，考慮到頻譜資源的稀缺性和計(jì)算復(fù)雜度，F(xiàn)DMA 和CDMA 應(yīng)用較少。

3.2.1 輪替接入類(lèi)MAC 協(xié)議

采用輪詢多址的典型代表系統(tǒng)是美軍的Link－11 數(shù)據(jù)鏈。在現(xiàn)有集中式輪詢的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［20］提出了一種自適應(yīng)輪詢MAC 協(xié)議，通過(guò)對(duì)報(bào)文數(shù)量的貝葉斯估計(jì)，高概率選擇高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)先進(jìn)行輪詢，一定程度上解決了不同優(yōu)先級(jí)的時(shí)延上限保證、拓?fù)渥兓斐傻目蛰喸儐?wèn)題，提供了更高的信道利用率、區(qū)分服務(wù)的能力。針對(duì)直升機(jī)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的通信需求，文獻(xiàn)［21］提出了一種多鏈路輪詢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了“主站、長(zhǎng)機(jī)、僚機(jī)”三級(jí)輪詢方式，并規(guī)定了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的不同通信方式，相比于多網(wǎng)級(jí)聯(lián)輪詢方式獲得了更好的網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)［22］結(jié)合UAV 的Markov 飛行狀態(tài)、Gilbert－Elliot信道模型和分組優(yōu)先級(jí)，提出了UAV 數(shù)據(jù)鏈的多鏈路協(xié)作輪詢策略(Multi－ link Cooperative Polling Scheme，MCPS)，依據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)動(dòng)態(tài)選擇通信鏈路和進(jìn)行時(shí)隙分配，仿真驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

令牌傳遞的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是一種分布式輪詢。文獻(xiàn)［23］提出了一種基于全雙工和多包接收的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)MAC 層令牌(token－based)協(xié)議，通過(guò)信道狀態(tài)信息的更新和基于令牌結(jié)構(gòu)可有效消除傳輸碰撞，在不完全信道狀態(tài)信息的條件下仿真驗(yàn)證了MAC 協(xié)議的有效性。

3.2.2 固定接入類(lèi)MAC 協(xié)議

固定接入通常以TDMA 為主，典型代表系統(tǒng)是美軍的Link－16、Link－22 數(shù)據(jù)鏈，其基本原理是通過(guò)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時(shí)隙，可有效避免競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制中的碰撞重傳、控制包開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題。

文獻(xiàn)［24］針對(duì)遠(yuǎn)洋地區(qū)航空交通中飛機(jī)位置、氣象信息的傳輸需求中保護(hù)間隔的劃分必須要適應(yīng)航空環(huán)境中傳播延遲的問(wèn)題，在TDMA 協(xié)議基礎(chǔ)上提出了ACK 的延遲機(jī)制，即發(fā)送方在下一幀保護(hù)間隔中利用捎帶機(jī)制接收ACK，有效提高了網(wǎng)絡(luò)性能，并在文獻(xiàn)［25］中利用位置信息解決ACK 保護(hù)間隔問(wèn)題，所提出的LBTM(Protocol Termed Location－Based TDMA)協(xié)議能有效支持各類(lèi)廣播模式，接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)位置信息計(jì)算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延，可有效減少ACK 的保護(hù)間隔實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞傳輸，從而獲得更好的時(shí)延性能。

針對(duì)航空武器數(shù)據(jù)鏈的實(shí)時(shí)性傳輸需求，文獻(xiàn)［26］提出了一種TDMA 協(xié)議改進(jìn)型ODTFMA(Orthogonal Domain Time and Frequency Multiple Access)，該協(xié)議在依據(jù)網(wǎng)內(nèi)武器平臺(tái)數(shù)分配時(shí)隙的基礎(chǔ)上分頻傳輸，有效提升了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［27］加入了CDMA 思想提出了ODTCFMA 協(xié)議，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的超幀結(jié)構(gòu)，獲得了較高的時(shí)延性能;但這類(lèi)協(xié)議實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較差。文獻(xiàn)［28］針對(duì)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)，從編隊(duì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了分布式自主定位，并分析了錨定節(jié)點(diǎn)比例與定位誤差之間的關(guān)系;同時(shí)對(duì)固定TDMA 協(xié)議加入業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制;仿真驗(yàn)證了所提協(xié)議在分組發(fā)送成功率和端到端平均時(shí)延等性能上的提高，但定位精度與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間還需進(jìn)一步優(yōu)化。

針對(duì)航空自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、鏈路狀態(tài)存在頻繁變化的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［29］提出了一種基于干擾的分布式TDMA 算法(Interference－ based Distributed TDMA Algorithm，IDTA)，其主要特點(diǎn)是在收發(fā)節(jié)點(diǎn)同時(shí)考慮鏈路干擾情況。該文獻(xiàn)對(duì)鏈路干擾程度、時(shí)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義，本地節(jié)點(diǎn)通過(guò)建立自身、鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路干擾、時(shí)隙分配情況，并結(jié)合業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行通信鏈路的選擇，仿真驗(yàn)證了IDTA 隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加相比STDMA 獲得了更高的時(shí)延性能。文獻(xiàn)［30］建立了面向連接的時(shí)隙分配數(shù)學(xué)模型，并以最小化網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)分布式計(jì)算機(jī)制綜合考慮優(yōu)先級(jí)、時(shí)隙占用、鏈路干擾等情況，獲得了更高的系統(tǒng)吞吐量和時(shí)延性能，但時(shí)隙分配仍可從動(dòng)態(tài)分配機(jī)制、不同優(yōu)先級(jí)可變幀長(zhǎng)等進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 混合類(lèi)MAC 協(xié)議

混合協(xié)議包括競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議和調(diào)度類(lèi)協(xié)議的設(shè)計(jì)要素，能帶來(lái)協(xié)議組合后的優(yōu)點(diǎn)和避免各自的不足，有利于網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化，但也會(huì)帶來(lái)復(fù)雜度高、難于實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。如上文的部分動(dòng)態(tài)TDMA 協(xié)議也可劃分到混合協(xié)議的范疇，表現(xiàn)出了總體以TDMA 協(xié)議為主，其他競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議輔助的特性。

文獻(xiàn)［31］提出了一種基于TDMA 的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)令牌環(huán)協(xié)議(Token Cycle Scheduling，TCS)，各節(jié)點(diǎn)能以自由競(jìng)爭(zhēng)方式交互控制信息，并對(duì)協(xié)議的時(shí)幀結(jié)構(gòu)、令牌傳輸機(jī)制、入/退網(wǎng)流程做了詳細(xì)的描述，仿真驗(yàn)證了相比EDCA 獲得了網(wǎng)絡(luò)性能的提升，但對(duì)時(shí)隙分配算法還有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。

文獻(xiàn)［32］針對(duì)基于CDMA 的協(xié)作軍用平臺(tái)自組網(wǎng)，在假設(shè)節(jié)點(diǎn)具有多用戶檢測(cè)技術(shù)條件下，通過(guò)令牌幀的循環(huán)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的流量信息，收發(fā)方可協(xié)作決定數(shù)據(jù)包的發(fā)送，且該協(xié)作MAC 機(jī)制允許多節(jié)點(diǎn)同時(shí)給單節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包;仿真結(jié)果表明協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)重負(fù)載和多用戶情況下仍然適用，但時(shí)延將會(huì)隨業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)而顯著增加。文獻(xiàn)［33］假設(shè)基于CDMA 的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，其節(jié)點(diǎn)具有多用戶檢測(cè)能力，并提出了一種收方前置模塊的令牌循環(huán)方案，能夠近乎實(shí)時(shí)地探測(cè)隱藏鄰居節(jié)點(diǎn)，給碼元無(wú)沖突分配空分復(fù)用的編碼信道，實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸，支持多對(duì)一傳輸模式，理論分析和仿真結(jié)果表明該方案在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)仍適用于網(wǎng)內(nèi)大量節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，但會(huì)隨網(wǎng)內(nèi)流量的增加帶來(lái)時(shí)延快速增長(zhǎng)。

3.4 跨層設(shè)計(jì)類(lèi)MAC 協(xié)議

當(dāng)前大部分機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的研究仍然沿著有線網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)的思想，雖然具有穩(wěn)定性強(qiáng)、兼容性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但協(xié)議棧各層關(guān)心的指標(biāo)不同從而造成層間交互、共享信息的不足，實(shí)際上某層單一性能的改善并不一定能帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)全局性能的提升，因而跨層協(xié)議優(yōu)化將是改善MAC 協(xié)議性能的一個(gè)重要研究方向。

針對(duì)航空骨干網(wǎng)的高移動(dòng)性特點(diǎn)、低時(shí)延需求，文獻(xiàn)［34］設(shè)計(jì)了一種跨層協(xié)議機(jī)制，物理層采用定向天線和GPS 設(shè)備，MAC 層采用了分布式STDMA機(jī)制實(shí)現(xiàn)鏈路分配策略，網(wǎng)絡(luò)層采用了一種網(wǎng)狀樹(shù)(其中包含了簇首的構(gòu)造、簇內(nèi)反應(yīng)路由、簇間先應(yīng)路由)混合路由，仿真對(duì)比驗(yàn)證了報(bào)文、數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)性能，但網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)主要集中在MAC 層，因而仍有優(yōu)化必要。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［35］詳細(xì)描述了網(wǎng)狀樹(shù)算法推選簇首的流程以及時(shí)隙結(jié)構(gòu)(包括控制幀、數(shù)據(jù)幀、臨時(shí)幀)的構(gòu)造，仿真驗(yàn)證了不同節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下的網(wǎng)絡(luò)性能，但網(wǎng)絡(luò)性能將會(huì)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而下降。

文獻(xiàn)［36］針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信、航空遙測(cè)等應(yīng)用的高動(dòng)態(tài)無(wú)線環(huán)境，提出了一種特定領(lǐng)域應(yīng)用結(jié)構(gòu)(在應(yīng)用層上增加了任務(wù)層)，包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的跨層優(yōu)化方案。在物理層、鏈路層采用了iNET 項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)了一種基于地理位置的高動(dòng)態(tài)路由算法AeroRP、與IP 協(xié)議兼容的AeroNP 協(xié)議，傳輸層提出了TCP－ Friendly 的AeroTP 傳輸協(xié)議。鏈路層TDMA 參數(shù)優(yōu)化、時(shí)隙分配基于傳輸層參數(shù)和QoS 要求，仿真驗(yàn)證了所提協(xié)議在端到端性能上的提升，但需要在節(jié)點(diǎn)密度、移動(dòng)模型、多徑編碼機(jī)制上參考現(xiàn)實(shí)情況加以改進(jìn)。

4 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議比較分析

對(duì)于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中MAC 協(xié)議的不同應(yīng)用，不同類(lèi)型的協(xié)議具有各自的特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)性能和適合場(chǎng)景，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)不同協(xié)議相對(duì)性能比較情況如表1所示。

表1 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議比較Table 1 Comparison among MAC protocols for AN

從表1 中可以看出:

(1)競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)協(xié)議在需要網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)才進(jìn)行申請(qǐng)，新節(jié)點(diǎn)的加入只需等待當(dāng)前傳輸完成，具有對(duì)高動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓萑绦詮?qiáng)的優(yōu)勢(shì)?；趦?yōu)先級(jí)統(tǒng)計(jì)類(lèi)協(xié)議能夠滿足軍事航空通信需求，但從當(dāng)前的研究進(jìn)展來(lái)看，其關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)置、門(mén)限參數(shù)的選取仍然受限于特定網(wǎng)絡(luò)條件下，且以某類(lèi)參數(shù)作為閾值的選擇標(biāo)準(zhǔn)不一定能帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)整體性能的提升，具有普遍一般性的研究結(jié)論較少，值得在未來(lái)進(jìn)一步研究明確。而基于預(yù)約競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC 協(xié)議由于航空環(huán)境的特殊性而不能直接應(yīng)用，適用于戰(zhàn)術(shù)編隊(duì)內(nèi)部(節(jié)點(diǎn)間距離較近)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，且在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)、流量較大時(shí)性能下降嚴(yán)重，因此該協(xié)議的應(yīng)用背景局限性較大;

(2)調(diào)度類(lèi)協(xié)議在系統(tǒng)運(yùn)行初期就需將資源規(guī)劃分配好，新節(jié)點(diǎn)的加入會(huì)帶來(lái)資源的重新分配，因而該類(lèi)協(xié)議的可擴(kuò)展性相對(duì)較差。輪替接入類(lèi)協(xié)議因其信道利用率高的優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用于信道資源較少的場(chǎng)合，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)、分組數(shù)較大時(shí)將會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重下降。固定接入類(lèi)(主要是TDMA)協(xié)議多被民航、航管科研項(xiàng)目所采用，其優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)沖突小，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)仍能保持可觀的網(wǎng)絡(luò)性能，適用于節(jié)點(diǎn)航跡相對(duì)固定、時(shí)延要求不是特別高的場(chǎng)合。調(diào)度類(lèi)協(xié)議雖然有效避免了競(jìng)爭(zhēng)沖突，但在負(fù)載較重時(shí)某節(jié)點(diǎn)的突發(fā)類(lèi)業(yè)務(wù)的低時(shí)延傳輸需求無(wú)法保證，因而不太適用于軍事航空通信場(chǎng)合;

(3)混合類(lèi)、跨層設(shè)計(jì)類(lèi)MAC 協(xié)議因?yàn)閰f(xié)議性能的優(yōu)越性將會(huì)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。由于這兩類(lèi)協(xié)議融合了多類(lèi)機(jī)制、信息，因此，在網(wǎng)絡(luò)性能上將會(huì)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，但需要注意的是實(shí)現(xiàn)中的復(fù)雜度、標(biāo)準(zhǔn)化推廣問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，研究人員對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議新的應(yīng)用特點(diǎn)和需求開(kāi)展了大量研究，但由于面向的具體應(yīng)用不同，因而在采用的技術(shù)手段、關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)性能、具體優(yōu)化指標(biāo)、協(xié)議交互處理范圍等方面都不盡相同，具體應(yīng)用效果差異性較大。實(shí)際上，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的研究發(fā)展趨勢(shì)并沒(méi)有呈現(xiàn)出收斂特性，不存在一種能夠解決所有問(wèn)題、滿足所有需求的MAC 協(xié)議，原因在于:MAC 協(xié)議的設(shè)計(jì)思路主要由AN 的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)決定，應(yīng)用的不同使得MAC 協(xié)議側(cè)重不同的網(wǎng)絡(luò)性能，只能在多個(gè)性能指標(biāo)之間權(quán)衡折衷，而無(wú)法全面兼顧;MAC 協(xié)議受下層物理層、硬件平臺(tái)的影響較大，而作為協(xié)議?；A(chǔ)架構(gòu)的物理層目前尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

比較分析機(jī)載網(wǎng)絡(luò)不同MAC 協(xié)議，對(duì)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的理論實(shí)踐研究，在滿足應(yīng)用需求、網(wǎng)絡(luò)性能提升上都具有一定的參考作用。在下一步的實(shí)際化部署應(yīng)用中，MAC 協(xié)議仍需在穩(wěn)定性、魯棒性、安全性和擴(kuò)展性等方面的基礎(chǔ)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究解決:

(1)提高信息傳輸?shù)臅r(shí)效性、可靠性是MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，但不應(yīng)只是唯一目標(biāo)。隨著未來(lái)常規(guī)化的應(yīng)用，不同優(yōu)先級(jí)分組的成功傳輸概率、系統(tǒng)吞吐量等性能的重要程度將會(huì)日益突出;

(2)現(xiàn)有業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置使得業(yè)務(wù)類(lèi)型具有特殊性，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)需求性能的研究還存在片面性問(wèn)題，未來(lái)需要在明確需求的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)MAC 協(xié)議設(shè)計(jì);

(3)目前MAC 協(xié)議的安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻。盡管還沒(méi)有有效的手段去徹底解決安全隱患，但做到防止竊聽(tīng)、惡意攻擊還是非常有必要的;

(4)現(xiàn)有MAC 協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入、退出網(wǎng)絡(luò)、鏈路失效應(yīng)對(duì)措施的支持明顯不足，限制了網(wǎng)絡(luò)的可用性、擴(kuò)展性。隨著面向?qū)嵱没厔?shì)的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)支撐能力研究的緊迫性日益明顯;

(5)當(dāng)前理論研究的通信鏈路、移動(dòng)模型等假設(shè)條件過(guò)于理想簡(jiǎn)化，極大妨礙了MAC 協(xié)議研究成果的轉(zhuǎn)化，因此，需要對(duì)更加符合現(xiàn)實(shí)的通信模型加以開(kāi)發(fā)，且不能止步于仿真實(shí)驗(yàn)，必須向原型系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過(guò)渡，爭(zhēng)取早日將理論研究成果轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

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