朱　慶　張衡陽　毛玉泉

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院　陜西 西安 710077)

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航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議綜述

朱慶張衡陽毛玉泉

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西 西安 710077)

摘要媒體接入控制協(xié)議MAC(Media access control protocol)是航空自組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要解決多個飛行器如何高效共享通信信道的問題，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和組網(wǎng)靈活性。由于航空自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚賱討B(tài)變化，節(jié)點分布尺度較大，高空無線信道質(zhì)量較差等特殊性，其MAC協(xié)議和傳統(tǒng)地面移動自組網(wǎng)MAC協(xié)議有著較大的區(qū)別。對航空自組網(wǎng)發(fā)展進行了介紹，概述了航空自組網(wǎng)對MAC協(xié)議的要求，并深入分析比較了當(dāng)前幾類主要的航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議，最后進行了總結(jié)和展望。該綜述為航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研發(fā)和應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞航空自組網(wǎng)媒體接入控制協(xié)議服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, Qos)

0引言

航空自組網(wǎng)(見圖1)把移動自組網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)技術(shù)創(chuàng)造性地應(yīng)用于航空通信，使一定范圍內(nèi)的航空飛行器自動連接、快速組建一個MANET，各飛行器是主機和路由器的統(tǒng)一體，通過多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)超視距通信。應(yīng)用在軍事航空通信領(lǐng)域可以快速建立一個多跳、抗毀能力強的作戰(zhàn)信息共享網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各航空飛行器可以相互交換指揮控制指令、戰(zhàn)場態(tài)勢信息、飛行狀態(tài)等，及時的信息共享可以大幅提高作戰(zhàn)效率。應(yīng)用于民航領(lǐng)域可以克服目前航空電信網(wǎng)中飛機之間無法相互通信、不能共享環(huán)境感知信息、存在通信盲區(qū)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能滿足自由飛行的缺陷[1],為空中交通管制提供了新的手段[2]，保障了航班通信[3,4]。還能使飛行航班通過地面網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)[5]，共享資源給網(wǎng)絡(luò)中其他航班，使乘客在旅途中方便快捷地使用互聯(lián)網(wǎng)資源[6]。

MAC協(xié)議一直是航空自組網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點，主要為了解決多個用戶如何高效共享物理鏈路資源，將有限的資源分配給網(wǎng)絡(luò)中多個用戶，在眾多用戶之間實現(xiàn)公平、高效地共享帶寬[7]，其性能直接影響著網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端時延和組網(wǎng)靈活性，很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

圖1　航空自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖

1航空自組網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

由于航空自組網(wǎng)在軍事應(yīng)用上的巨大價值以及給民航領(lǐng)域帶來實際的經(jīng)濟效益，美國國防部、美國聯(lián)邦航空管理局和歐洲空管等機構(gòu)在全球范圍發(fā)起了眾多的相關(guān)研究項目，同時國內(nèi)的一些院校和研究所也對航空自組網(wǎng)展開了研究。1999年美國國防部提出了全球信息柵格GIG[8](Global Information Grid),該系統(tǒng)的目標(biāo)是建立覆蓋全球的軍事行動信息采集和發(fā)布網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)全球任意地點之間的信息交互,而不受空間、地域和時間的限制[9]，如圖2所示，其空中通信系統(tǒng)擬建為“航空網(wǎng)絡(luò)”，提供無縫的空中戰(zhàn)術(shù)移動網(wǎng)[10]。

圖2　全球信息柵格GIG

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)技術(shù)TTNT[11,12](Tactical Targeting Network Technology)是由美國防高級研究計劃局與洛克韋爾公司于2001年開始研發(fā)的一種新型高速、寬帶、動態(tài)靈活、低時延的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈。TTNT以IP協(xié)議為基礎(chǔ)，是一種機載環(huán)境下的空地一體化MANET,使美軍能迅速定位、瞄準(zhǔn)移動及時敏目標(biāo)，旨在實現(xiàn)空—空和空—地武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信，縮短C4KISR系統(tǒng)從“傳感器”到“射手”的時間，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。還有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)等航空自組網(wǎng)項目。

圖3　TTNT體系結(jié)構(gòu)

國內(nèi)北京航空航天大學(xué)針對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)提出了一種自組織時分多址協(xié)議；西安電子科技大學(xué)針對航空通信的高實時性，不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對QoS的要求不同，提出了基于定向天線和Ad Hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)初始化方案、節(jié)點退網(wǎng)入網(wǎng)方案、基于時分多址協(xié)議TDMA(Time Multiple Access)的動態(tài)時隙分配算法以及同步方案；國防科技大學(xué)研究了在高誤碼率和高度干擾的大氣環(huán)境下，機載通信網(wǎng)絡(luò)收到嚴(yán)重影響的問題，對現(xiàn)有TDMA算法進行了改進，設(shè)計了動態(tài)協(xié)議幀結(jié)構(gòu)、接入策略和預(yù)留機制。此外還有北京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位對航空自組網(wǎng)展開了相關(guān)研究。

2航空自組網(wǎng)對MAC協(xié)議的要求

參考OSI分層協(xié)議體系，自組網(wǎng)可以分為五層，MAC子層控制節(jié)點接入無線信道，為上層提供快速、可靠的分組報文傳送支持，MAC協(xié)議性能好壞對網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，是自組網(wǎng)進入實際應(yīng)用階段必須要解決的重難點問題[21]。航空自組網(wǎng)是在特殊環(huán)境下建立起來的MANET，它具有傳統(tǒng)MANET多跳、自組織、自修復(fù)的特點和臨時快速組網(wǎng)的優(yōu)勢，也存在暴露終端，隱藏終端，無線帶寬有限，鏈路脆弱，QoS很難保證等問題，由于其特殊的應(yīng)用場合，在設(shè)計MAC協(xié)議時，需要考慮更多的問題[22]：

(1) 飛行器節(jié)點分布的大尺度性和稀疏性。在航空自組網(wǎng)中，飛行器節(jié)點分布范圍十分廣闊，可能導(dǎo)致信道質(zhì)量分布的不均勻；節(jié)點之間距離較遠(yuǎn)，單跳通信半徑可達數(shù)百公里，傳播時延較大；節(jié)點分布稀疏，密度較小，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法連通[23-25]。

(2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母咚賱討B(tài)變化。民航客機的飛行速度一般在500～1000 km/h,而戰(zhàn)機的飛行速度最高能達3.5馬赫,節(jié)點的高速運動，飛行器不斷高速地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ沛溌房焖賱討B(tài)變化，可能使得網(wǎng)絡(luò)連通受限，在設(shè)計MAC協(xié)議時，需要考慮使用更多的通信資源來傳輸控制信息，快速建立通信鏈路。

(3) 無線信道不穩(wěn)定[26]和不均勻。航空自組網(wǎng)主要采用VHF頻段進行視距通信，電磁波繞射能力較弱，信號傳輸容易受飛機機身和地形的影響，空空通信中，飛機的高速運動，信道質(zhì)量受多普勒頻移[27]影響較大，地空通信中由于直射波和地面的反射波的疊加，還存在顯著的多徑衰落[28,29]。

(4) 節(jié)點差異性。航空自組網(wǎng)中存在多種不同類型的節(jié)點，如在軍事航空網(wǎng)絡(luò)中，可能存在預(yù)警機、戰(zhàn)斗機、無人機等航空飛行器，以及衛(wèi)星和地面網(wǎng)關(guān)等各種節(jié)點。這些節(jié)點在發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸速率、處理能力、可靠性等方面有著不同的特點，因此在設(shè)計MAC協(xié)議時也應(yīng)該考慮這些節(jié)點的差異性。

(5) 通信業(yè)務(wù)QoS保障。航空業(yè)務(wù)的多樣性，不同的業(yè)務(wù)對傳輸時延、吞吐量等性能指標(biāo)有著不同的要求，特別是軍用航空通信中武器控制指令的傳輸對時延要求極高，而語音、視頻類業(yè)務(wù)對吞吐量和時延有著較高的要求，在航空節(jié)點相距較遠(yuǎn)，無線鏈路不佳的情況下要求MAC協(xié)議對這些不同的業(yè)務(wù)能夠提供相應(yīng)的QoS支持。

(6) 安全性[30]。航空自組網(wǎng)采用分布式控制、無網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點、具有很強的臨時性，比一般無線網(wǎng)絡(luò)更容易受安全方面的威脅。軍事領(lǐng)域的航空自組網(wǎng)更易受到傳輸媒質(zhì)的影響和被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊，這要求MAC協(xié)議具有一定的抗干擾功能以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸[31]。

航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議在考慮上述眾多問題的同時，還要求能處理較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，保證端到端傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量[32]，因此不能直接使用地面移動自組網(wǎng)的MAC協(xié)議，航空自組網(wǎng)和傳統(tǒng)地面自組網(wǎng)的特點對比如表1所示。

表1　航空自組網(wǎng)與地面自組網(wǎng)特點對比

3航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀

3.1軍事航空通信MAC協(xié)議發(fā)展過程

航空自組網(wǎng)的發(fā)展離不開未來軍事航空通信的發(fā)展需求，早期的軍事航空通信主要追求信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，對MAC協(xié)議的要求也是如此。Link4A和Link11數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂幂喸兘尤霗C制，Link16數(shù)據(jù)鏈[33]使用TDMA接入方式，這幾種接入方式本質(zhì)上都是靜態(tài)的時分復(fù)用；Link22針對Link16和Link11在使用過程中遇到的問題和存在的缺點，提出了固定分配和預(yù)約分配相結(jié)合的DTDMA協(xié)議，在一定程度上使網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)拓?fù)涞膭討B(tài)變化；美軍TTNT網(wǎng)絡(luò)使用了基于信道統(tǒng)計優(yōu)先的多址接入(Statistical Priority-based Multiple Access, SPMA[11,12])協(xié)議，以色列的ACR-740數(shù)據(jù)鏈采用了基于改進型CSMA協(xié)議，這幾種數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議特征對比如表2所示。

表2　航空數(shù)據(jù)鏈MAC協(xié)議特征對比

3.2航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議分類和基本原理

從航空數(shù)據(jù)鏈采用的MAC協(xié)議和組網(wǎng)方式的逐漸轉(zhuǎn)變，我們可以看到航空通信的發(fā)展趨勢，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從星型網(wǎng)逐漸向多跳分布式網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，接入方式不再只局限于時分復(fù)用模式。同時在確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上，對吞吐量、時延、靈活性的要求越來越高。目前航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的研究主要集中于兩類：大多數(shù)項目采用的基于TDMA 的MAC協(xié)議，部分項目采用的基于隨機競爭接入的MAC協(xié)議。

3.2.1基于TDMA的MAC協(xié)議特點和性能比較

TDMA[34]協(xié)議將時間分割為周期性的幀，每一幀再分為若干個時隙，根據(jù)一定的時隙分配原則，給每個用戶分配一個或多個時隙，用戶只能在指定時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)[7]，分組不存在碰撞的威脅。根據(jù)不同的時隙分配策略，TDMA協(xié)議可分為固定分配TDMA和動態(tài)分配TDMA兩種。

固定分配TDMA協(xié)議給每個節(jié)點分配固定的時隙，時隙的分配在航空網(wǎng)絡(luò)設(shè)計階段就已經(jīng)確定，并且在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，時隙分配保持不變。協(xié)議預(yù)先確定了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，保證了各節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送的公平性，消除了各個節(jié)點分組的碰撞威脅，算法復(fù)雜度和控制開銷較小,在節(jié)點業(yè)務(wù)量恒定的時候，協(xié)議性能表現(xiàn)較好。但在航空領(lǐng)域，飛行器需要高速動態(tài)地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，飛行器的退出，使得預(yù)先分配好的時隙被空置，導(dǎo)致信道利用率降低，飛行器的加入也無法分配新的時隙，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，靈活性較差。

動態(tài)分配TDMA協(xié)議一般將時隙分為競爭段和信息段，競爭段和信息段各分為若干個時隙。在競爭時段，各個節(jié)點用一些短的預(yù)約分組提前預(yù)約信道，一旦預(yù)約成功，在信息時段相應(yīng)的時隙可以無沖突地發(fā)送分組。相比于固定分配TDMA，動態(tài)TDMA協(xié)議對節(jié)點、業(yè)務(wù)量的變化具有良好的適應(yīng)性，能夠靈活地分配信道資源，具有更高的時隙利用率和實時性。但是預(yù)約信息屬于管理信息，傳輸必然占用信道資源，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時或節(jié)點數(shù)變化導(dǎo)致預(yù)約控制信息的增多時，均會造成協(xié)議開銷增大，信道利用率降低。

文獻[35]提出一種動態(tài)分配TDMA協(xié)議PCC-TDMA，適用于含有多種不同類型節(jié)點的戰(zhàn)術(shù)MANET。協(xié)議將一個時幀分為優(yōu)先級分配階段，競爭階段，數(shù)據(jù)傳輸階段，結(jié)合固定分配和動態(tài)接入的優(yōu)勢，在固定的時隙內(nèi)發(fā)送控制信息。利用二進制逆序比較算法競爭發(fā)送順序，大大減少分組碰撞和網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，可適應(yīng)密度變化較大的網(wǎng)絡(luò)；文獻[36]提出一種機載網(wǎng)絡(luò)動態(tài)TDMA協(xié)議，協(xié)議同時支持單播和廣播方式，并通過RTS/CTS控制報文解決隱藏終端問題。協(xié)議將每幀分為控制時隙和數(shù)據(jù)時隙，節(jié)點通過微控制時隙來競爭對應(yīng)的數(shù)據(jù)時隙，實現(xiàn)快速預(yù)留。同時還可以申請使用先前的空閑時隙或競爭失敗時隙，充分提高時隙的利用率和空間復(fù)用；J.G在文獻[37]中對Johnson等人提出STDMA協(xié)議性能進行了分析，研究了其算法和用于多跳網(wǎng)絡(luò)的可行性。文獻[38]認(rèn)為STDMA協(xié)議不能給節(jié)點分配連續(xù)性的時隙以滿足實時性高的業(yè)務(wù)，因此提出了“時隙塊”的概念對協(xié)議進行了改進。Li等人在文獻[32]中認(rèn)為STDMA協(xié)議存在一些缺陷，如兩個節(jié)點在通信過程中，發(fā)送節(jié)點只負(fù)責(zé)發(fā)送信息，而接收節(jié)點卻要處理優(yōu)先級、分組碰撞、本地信息分發(fā)等大量工作。在高動態(tài)變化的航空環(huán)境中接收節(jié)點將面臨過高的計算量負(fù)荷，無法給節(jié)點分配連續(xù)時隙以滿足高實時性業(yè)務(wù)，交互信息復(fù)雜難以實現(xiàn)，因此提出了IDTA協(xié)議。該協(xié)議運行在收發(fā)雙方，減輕了接收節(jié)點的計算量負(fù)擔(dān)，信道分配時耗費更少時間。此外，Guo Z H等人在文獻[39]中提出了一種基于TDMA的令牌環(huán)MAC協(xié)議，該協(xié)議能夠高效地交換控制信息，對新入網(wǎng)節(jié)點快速提供QoS支持。上述幾種協(xié)議的性能比較如表3所示。

表3　基于TDMA的MAC協(xié)議性能比較

3.2.2基于隨機接入的MAC協(xié)議特點和性能比較

基于隨機接入的MAC協(xié)議的基本思想是：節(jié)點有分組到達時，則立即發(fā)送分組，或先通過某種方式判斷信道忙閑，若信道閑，則發(fā)送分組，信道忙則退避一段時間。隨機接入[40]方式，不需要預(yù)先給各個節(jié)點分配時隙，能有效處理用戶數(shù)量的可變性和通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性，對高實時性業(yè)務(wù)傳輸有著天然的優(yōu)勢。

802.11采用的CSMA/CA是目前比較有代表性的隨機接入?yún)f(xié)議。該協(xié)議能提供較低的端到端時延，但其并不能直接用于航空自組網(wǎng)。首先，其分組在接入信道前，需要對信道進行偵聽，航空通信距離一般較遠(yuǎn)，節(jié)點偵聽到的狀態(tài)并不是當(dāng)前的信道狀態(tài)。而且在航空信道中，偵聽時間為2 ms才能可靠接收和檢測發(fā)送節(jié)點的信號，在此期間不能進行任何信號的傳輸，每次信息傳輸都有2 ms時間被空置，多次傳輸會導(dǎo)致信道利用率降低。同時CSMA/CA協(xié)議采用RTS,CTS,ACK的多次握手信號來保證信號傳輸?shù)目煽啃?，而航空通信傳播時延比較大，多次握手會導(dǎo)致端到端時延進一步增大，無法滿足航空自組網(wǎng)中對時延的要求[41]。

TTNT是一種基于IP[42]的航空Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，MAC協(xié)議的設(shè)計緊緊圍繞著打擊“時敏目標(biāo)”的要求而展開，旨在實現(xiàn)空—空和空—地武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)通信，縮短C4KISR系統(tǒng)從“傳感器”到“射手”的時間。TDMA協(xié)議由于其時隙結(jié)構(gòu)的限制，信息共享的時延一般在秒級，無法滿足對時敏性目標(biāo)打擊的時效性要求，因此美軍設(shè)計了SPMA協(xié)議，協(xié)議運用了數(shù)據(jù)優(yōu)先級排隊、突發(fā)拆分技術(shù)、Turbo編碼、信道狀態(tài)統(tǒng)計、跳頻跳時[43]等思想。具體做法是，采用滑動平均統(tǒng)計的方法統(tǒng)計信道忙閑程度，計算每個頻點接收到的脈沖個數(shù)并求和，與不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)所設(shè)定的忙閑閾值相比較，確定信道忙閑程度，當(dāng)信道的忙閑程度小于閾值時分組可以接入信道，否則執(zhí)行退避算法。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4　SPMA協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

國內(nèi)外對航空自組網(wǎng)隨機接入類MAC協(xié)議的研究大多在一定程度上借鑒了SPMA的思想。文獻[44]提出PSMC協(xié)議，該協(xié)議不對信道進行偵聽，而是通過統(tǒng)計過去一段時間信道上接收到的脈沖數(shù)，來預(yù)測當(dāng)前時段的忙閑，避免了對信道偵聽而造成的時延。文獻[45]提出Turbo_MAC協(xié)議，文獻[46]提出BT-MAC協(xié)議，均在分組發(fā)送前對分組進行Turbo編碼，增加一定的冗余信息，發(fā)送過程即使丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，在接收端仍能進行糾錯重建數(shù)據(jù)分組，協(xié)議在保證較高的可靠性和吞吐量的情況下完全避免了多次的握手信號造成的時延。文獻[47]認(rèn)為SPMA協(xié)議雖然在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時對低優(yōu)先級業(yè)務(wù)進行截流，保障了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的低時延發(fā)送，但此時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延較大，因此提出PBLL/HL協(xié)議，降低了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)由于截流而導(dǎo)致的時延，使網(wǎng)絡(luò)不至迅速擁塞惡化。上述幾種隨機接入?yún)f(xié)議的性能比較如表4所示。

表4　基于隨機接入的MAC協(xié)議比較

4航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議分析對比

基于TDMA的MAC協(xié)議以某種方式動態(tài)或靜態(tài)地為每個用戶固定分配一定的信道時隙資源，用戶可以不受干擾地獨享已分配的時隙。這種方式可以保證用戶接入信道的公平性和平均時延，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模確定后能保證較高的系統(tǒng)吞吐量，系統(tǒng)穩(wěn)定。但其對同步的要求較高，不能有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變化和通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性，動態(tài)TDMA在靈活性方面有所改善，但其時分復(fù)用的機制很難適用于對時延要求較高的場合，且實現(xiàn)復(fù)雜度較大。

隨機接入類的MAC協(xié)議由于其接入信道的“實時性”和“隨機性”，能夠高速動態(tài)靈活組網(wǎng)，同時提供極低的端到端時延。這些特點符合未來航空自組網(wǎng)的發(fā)展需求，但由于其分組發(fā)送的“隨機性”，即使采用了多種沖突分解的方法，仍然無法完全避免分組產(chǎn)生的碰撞。這種信道接入方式很難提供QoS保證，在負(fù)載較重時難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，兩種類型的MAC協(xié)議性能比較如表5所示。

表5　航空自組網(wǎng)兩種類型MAC協(xié)議性能比較

5結(jié)語

由于發(fā)展體制原因，加上目前飛機配上GPS后，可以提供比較精確的全網(wǎng)時間同步和自身位置信息，所以基于TDMA的MAC協(xié)議組網(wǎng)方案發(fā)展的相對比較成熟。這類MAC協(xié)議側(cè)重于傳輸?shù)目煽啃?、公平性和穩(wěn)定性，但分組接入等待時延大，組網(wǎng)不夠靈活，動態(tài)TDMA的出現(xiàn)一定程度上改善了入網(wǎng)退網(wǎng)的靈活性，但工程實現(xiàn)難度較大。基于隨機競爭接入的MAC協(xié)議能提供低的接入時延、維持較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和具有動態(tài)組網(wǎng)能力，這些特征符合未來航空通信的需求，但在QoS保障、公平性和穩(wěn)定性上有著天然的不足。目前一種可行的研究方法是提供區(qū)分優(yōu)先級[48,49]的QoS保障，例如保障高優(yōu)先級低的接入時延[50]和低優(yōu)先級高的吞吐量, 也有一些研究嘗試將兩種類型協(xié)議融合[51]，協(xié)議運行時能快速在二者間切換。就未來軍事航空通信[52]低時延、高速率、快速動態(tài)組網(wǎng)的需求而言，隨機接入類型的MAC協(xié)議有著更好的發(fā)展前景。

航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的發(fā)展趨勢：一是采用多信道和多天線機制[53]，多個信道同時進行通信，可以有效解決隱藏終端和暴露終端的問題，物理上消除控制分組和傳輸分組的碰撞。每個節(jié)點配置多個天線，可以和多個節(jié)點同時進行通信，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸效率和服務(wù)質(zhì)量。二是引入認(rèn)知無線電。研究發(fā)現(xiàn)，全球授權(quán)的頻譜大部分利用率不足1%，即使傳輸特性較好，需求緊張的300 MHz～3 GHz頻段,測試結(jié)果顯示頻譜利用率也不足6%[54]。因此加強對網(wǎng)絡(luò)信道的認(rèn)知，充分利用頻譜漏洞，對提高信道利用率，減少分組碰撞，提高平均吞吐量具有十分重要的意義。三是改進隨機競爭接入控制協(xié)議，開展沖突分解方法的研究，滿足臨時動態(tài)組網(wǎng)，系統(tǒng)容量、區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級服務(wù)保障QoS、傳輸時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。國家自然科學(xué)基金項目(61202490)；航空科學(xué)基金項目(2013ZC15008)。朱慶，碩士生，主研領(lǐng)域：航空自組網(wǎng)。張衡陽，副教授。毛玉泉，教授。

中圖分類號TP393

文獻標(biāo)識碼A

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