機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議研究綜述*

卓 琨，張衡陽，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，西安 710077;3.解放軍94162 部隊，西安 710614)

1 引言

近年來，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延大、通信費用高昂、抗毀性差等缺點，短波通信信道質(zhì)量的時變特性造成傳輸?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，通過機(jī)載航電設(shè)備的無線收發(fā)裝置交換信息，借助其他節(jié)點中繼實現(xiàn)多跳通信，可確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(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)勢信息，為飛行決策提供有益參考。

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)可由多類飛行器節(jié)點組成，根據(jù)不同應(yīng)用場景實現(xiàn)不同的任務(wù)目標(biāo):在民航上通過空中無線網(wǎng)絡(luò)承載通信、導(dǎo)航、監(jiān)視數(shù)據(jù)，計劃實現(xiàn)包括空中交通管理、導(dǎo)航、緊急告警和自動防碰撞、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的運行安全性、空管運行管控能力;軍航除了完成上述功能外，還需要在作戰(zhàn)飛機(jī)、無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)、預(yù)警機(jī)等軍用航空飛行器之間通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈完成戰(zhàn)斗任務(wù)管理，交換戰(zhàn)場態(tài)勢感知和敵我身份識別等數(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，切實增強飛行員和武器操控者的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

目前，國內(nèi)外對于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)連通性［2］、移動模型［3］、鏈路動態(tài)性［4］以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［5］等方面。而介質(zhì)訪問控制(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)對航空環(huán)境中機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議的設(shè)計需求進(jìn)行分析總結(jié)，第3 節(jié)從不同信道接入方式對協(xié)議進(jìn)行分類綜述，第4 節(jié)簡要總結(jié)對比主要協(xié)議的特點、性能和適用范圍，最后總結(jié)了當(dāng)前研究存在的問題并展望下一步的研究重點。

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，節(jié)點間能夠互相轉(zhuǎn)發(fā)處理信息，當(dāng)傳播距離受限、任務(wù)需要時可通過衛(wèi)星中繼傳輸或直接傳回到陸基處理中心的新型移動通信網(wǎng)絡(luò)，是地面移動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)點均具有其獨特性，由此也衍生出MAC 協(xié)議設(shè)計的額外挑戰(zhàn)和特殊性需求。

2.1 航空信道特點

自由空間中航空無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)制將會起作用。巡航場景符合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的實際運行情況，其航空信道具有以下特點:

(1)多普勒頻移影響較大。航空器節(jié)點的高速移動會帶來多普勒效應(yīng)，即信號發(fā)送周期小于相關(guān)時間時多普勒擴(kuò)展將引起時間選擇性衰落，導(dǎo)致信號失真;

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

(3)傳播延遲不可忽視。巡航場景的信道屬于快衰落，其空空鏈路在相距300 km 時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對協(xié)議性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此地面移動通信網(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)點特點

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

(1)節(jié)點的三維大尺度稀疏分布。首先，航空器節(jié)點在三維空間內(nèi)飛行具有不同航跡和姿態(tài)，其移動模型有別于傳統(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，在實際廣闊的運行場景中節(jié)點稀少、密度小，可能會造成網(wǎng)絡(luò)無法連通，因而網(wǎng)絡(luò)連通性將會是組網(wǎng)可行性的先決條件;

(2)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、臨時性顯著。因為航空器類型和型號的不同，網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點在通信設(shè)備、半徑、功能上都可能存在差異，同時在群組飛行模式中節(jié)點的地位不同，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)不同時段的飛行流量變化很大，因而節(jié)點構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)的臨時性較強;

(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉討B(tài)變化。航空器節(jié)點的高速移動會造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉討B(tài)變化，對通信鏈路的通斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性造成影響。

2.3 MAC 協(xié)議設(shè)計需求

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)各個節(jié)點分配有限的通信資源，是保證網(wǎng)絡(luò)高效運行的關(guān)鍵要素。在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的設(shè)計中應(yīng)該考慮到如下因素:

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

(2)多優(yōu)先級業(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)類型都是多樣化的，不同的業(yè)務(wù)類型對信息產(chǎn)生間隔、傳輸時延要求不盡相同，因而機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的設(shè)計必須支持多優(yōu)先級業(yè)務(wù)類型傳輸;

(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延、抗干擾低截獲的傳輸能力。機(jī)載網(wǎng)絡(luò)實際運行中需要實現(xiàn)多機(jī)協(xié)同信息的有效共享，在軍用領(lǐng)域需要及時獲取、傳遞攻擊目標(biāo)的相關(guān)信息，而移動目標(biāo)打擊、武器控制類信息的時延敏感度在ms 級，高傳輸速率也將是低時延的保證。軍事通信戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸對抗干擾、低截獲能力提出了更高的要求，但航空信道影響和敵對方的主動入侵、被動竊聽、拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)攻擊都會對機(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，就可避開那些已占用或受干擾較重的信道，從而在確保分組接入時延的基礎(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

目前國內(nèi)外研究人員針對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用場景提出了多種MAC 協(xié)議，但還沒有統(tǒng)一的分類方法。依據(jù)信道訪問策略的不同，可將MAC 協(xié)議分為基于競爭類MAC 協(xié)議、基于調(diào)度類MAC 協(xié)議、混合類MAC 協(xié)議和跨層設(shè)計類MAC 協(xié)議，其具體分類情況如圖1 所示。

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

下面通過對當(dāng)前機(jī)載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點的研究，并基于上述MAC 協(xié)議的設(shè)計需求、分類方法的考慮，按照MAC 協(xié)議的不同類型，對其中較為代表性協(xié)議的核心實現(xiàn)機(jī)制、特點及優(yōu)缺點等進(jìn)行分析。

3.1 競爭類MAC 協(xié)議

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

3.1.1 統(tǒng)計優(yōu)先級的多址接入?yún)f(xié)議

典型代表系統(tǒng)是美軍TTNT 數(shù)據(jù)鏈，100 n mile距離的信息延遲時間要控制在2 ms 內(nèi)。由于TDMA 協(xié)議時隙結(jié)構(gòu)的限制無法滿足如此低時延要求，為此美軍設(shè)計了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，通過統(tǒng)計信道占用情況實現(xiàn)不同優(yōu)先級分組的接入控制來確保網(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間，提供了對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的區(qū)分服務(wù)，并保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的一次傳輸成功率和低時延接入，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］利用排隊模型、組合理論和離散Laplace 變換等理論對基于多信道、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)吞吐量的代價下獲得了比TDMA 更優(yōu)異的時延性能。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;同時業(yè)務(wù)負(fù)載大于閾值時，在平均時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)先級區(qū)分的PFH－MAC 協(xié)議，主要目標(biāo)是在確保高優(yōu)先級分組的實時性、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)忙閑程度門限接入值，以犧牲低優(yōu)先級分組的性能為代價滿足高優(yōu)先級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)先級統(tǒng)計機(jī)制(Multi－ channel Priority Satistics，MPSC)，并對協(xié)議棧下層進(jìn)行了重新設(shè)計以配合相應(yīng)機(jī)制的實現(xiàn)。文獻(xiàn)［11］探討了信道資源的分配機(jī)制;文獻(xiàn)［12］對協(xié)議的實現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)描述;文獻(xiàn)［13］對時幀結(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SPMA 低優(yōu)先級業(yè)務(wù)時延較大的問題，提出了一種改進(jìn)的多信道低時延高負(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)定浮動窗口、退避算法中競爭窗口依據(jù)發(fā)送成功、失敗而變化來確保增大低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接入成功概率，仿真驗證了算法性能、公平性的提高，但對統(tǒng)計預(yù)定周期的最優(yōu)化問題需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3.1.2 預(yù)約競爭類MAC 協(xié)議

預(yù)約競爭類多采用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，通過使用控制幀握手機(jī)制能夠有效解決隱藏終端問題，但航空環(huán)境中不可忽視的傳播時延會對信息時延、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］針對無人機(jī)編隊的協(xié)作控制系統(tǒng)，在編隊內(nèi)網(wǎng)絡(luò)固定數(shù)據(jù)速率條件下，通過將每個節(jié)點建模為M/M/1 排隊系統(tǒng)得到了通信業(yè)務(wù)清閑條件下的平均單跳時延，仿真結(jié)果顯示平均單跳時延將會隨網(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)計分析了單跳無人機(jī)自組網(wǎng)在衰落信道條件下非飽和流量的數(shù)據(jù)包時延性能，其MAC 層是以802.11 DCF 為基礎(chǔ)，通過將每個節(jié)點建模成排隊系統(tǒng)得到了平均時延，理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果表明M/M/1 更符合實際情況;同時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)包時延可近似為確定性時延之和而隨機(jī)時延則服從于Gamma 分布函數(shù)。

文獻(xiàn)［17］針對集群狀態(tài)的UAV 在采用分簇結(jié)構(gòu)情況下利用Bellman－Ford 算法同時優(yōu)化了中繼節(jié)點的傳輸時間和能量消耗，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)點數(shù)量下對比分析了網(wǎng)絡(luò)性能，聯(lián)合優(yōu)化能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時間、能量消耗，但會隨節(jié)點距離、數(shù)目增大的影響而變大。

針對無人機(jī)編隊分布式協(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)點一個隨機(jī)常數(shù)競爭窗口值CCW 來進(jìn)行退避時隙數(shù)的選擇，對比分析了不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下競爭窗口與吞吐量、系統(tǒng)時延間的關(guān)系;文獻(xiàn)［19］利用最優(yōu)最小競爭窗口機(jī)制，并通過所提的站點數(shù)目估計算法(Statistic－DCF，S－DCF)來實時估計網(wǎng)絡(luò)中競爭站點的數(shù)目，仿真結(jié)果顯示了S－DCF 算法估計的準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

3.2 調(diào)度類MAC 協(xié)議

調(diào)度類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。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)點只能在輪詢周期內(nèi)才能與中心節(jié)點通信，所承載的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、抗毀性差;而令牌傳遞的實質(zhì)就是一種分布式輪詢，將網(wǎng)絡(luò)中的工作節(jié)點組成環(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。輪替接入在一定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模時可確保節(jié)點信息傳輸?shù)膶崟r性。固定接入的基本思想是:采用某種分配算法將特定數(shù)量的時隙/頻率/正交碼映射到某節(jié)點，這種映射導(dǎo)致節(jié)點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)點在特定時刻突發(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算復(fù)雜度，F(xiàn)DMA 和CDMA 應(yīng)用較少。

3.2.1 輪替接入類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，通過對報文數(shù)量的貝葉斯估計，高概率選擇高優(yōu)先級站點先進(jìn)行輪詢，一定程度上解決了不同優(yōu)先級的時延上限保證、拓?fù)渥兓斐傻目蛰喸儐栴}，提供了更高的信道利用率、區(qū)分服務(wù)的能力。針對直升機(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、長機(jī)、僚機(jī)”三級輪詢方式，并規(guī)定了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的不同通信方式，相比于多網(wǎng)級聯(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，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)先級來動態(tài)選擇通信鏈路和進(jìn)行時隙分配，仿真驗證了網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

令牌傳遞的過程實質(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人機(jī)自組網(wǎng)MAC 層令牌(token－based)協(xié)議，通過信道狀態(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證了MAC 協(xié)議的有效性。

3.2.2 固定接入類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，其基本原理是通過為每個節(jié)點分配獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時隙，可有效避免競爭機(jī)制中的碰撞重傳、控制包開銷問題。

文獻(xiàn)［24］針對遠(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)間隔問題，所提出的LBTM(Protocol Termed Location－Based TDMA)協(xié)議能有效支持各類廣播模式，接收節(jié)點通過位置信息計算與發(fā)送節(jié)點的傳播時延，可有效減少ACK 的保護(hù)間隔實現(xiàn)無碰撞傳輸，從而獲得更好的時延性能。

針對航空武器數(shù)據(jù)鏈的實時性傳輸需求，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)武器平臺數(shù)分配時隙的基礎(chǔ)上分頻傳輸，有效提升了網(wǎng)絡(luò)時延性能。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)計了相應(yīng)的超幀結(jié)構(gòu)，獲得了較高的時延性能;但這類協(xié)議實現(xiàn)較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較差。文獻(xiàn)［28］針對ad hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無人機(jī)編隊，從編隊內(nèi)部實現(xiàn)了分布式自主定位，并分析了錨定節(jié)點比例與定位誤差之間的關(guān)系;同時對固定TDMA 協(xié)議加入業(yè)務(wù)優(yōu)先級和競爭機(jī)制;仿真驗證了所提協(xié)議在分組發(fā)送成功率和端到端平均時延等性能上的提高，但定位精度與競爭時間還需進(jìn)一步優(yōu)化。

針對航空自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、鏈路狀態(tài)存在頻繁變化的特點，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)，其主要特點是在收發(fā)節(jié)點同時考慮鏈路干擾情況。該文獻(xiàn)對鏈路干擾程度、時幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義，本地節(jié)點通過建立自身、鄰居節(jié)點的鏈路干擾、時隙分配情況，并結(jié)合業(yè)務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行通信鏈路的選擇，仿真驗證了IDTA 隨著節(jié)點移動速度的增加相比STDMA 獲得了更高的時延性能。文獻(xiàn)［30］建立了面向連接的時隙分配數(shù)學(xué)模型，并以最小化網(wǎng)絡(luò)時延為優(yōu)化目標(biāo)，通過分布式計算機(jī)制綜合考慮優(yōu)先級、時隙占用、鏈路干擾等情況，獲得了更高的系統(tǒng)吞吐量和時延性能，但時隙分配仍可從動態(tài)分配機(jī)制、不同優(yōu)先級可變幀長等進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 混合類MAC 協(xié)議

混合協(xié)議包括競爭類協(xié)議和調(diào)度類協(xié)議的設(shè)計要素，能帶來協(xié)議組合后的優(yōu)點和避免各自的不足，有利于網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化，但也會帶來復(fù)雜度高、難于實現(xiàn)的問題。如上文的部分動態(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，其他競爭類協(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)點能以自由競爭方式交互控制信息，并對協(xié)議的時幀結(jié)構(gòu)、令牌傳輸機(jī)制、入/退網(wǎng)流程做了詳細(xì)的描述，仿真驗證了相比EDCA 獲得了網(wǎng)絡(luò)性能的提升，但對時隙分配算法還有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。

文獻(xiàn)［32］針對基于CDMA 的協(xié)作軍用平臺自組網(wǎng)，在假設(shè)節(jié)點具有多用戶檢測技術(shù)條件下，通過令牌幀的循環(huán)獲取鄰居節(jié)點的流量信息，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)點同時給單節(jié)點發(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，但時延將會隨業(yè)務(wù)量的增長而顯著增加。文獻(xiàn)［33］假設(shè)基于CDMA 的無人機(jī)自組網(wǎng)執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，其節(jié)點具有多用戶檢測能力，并提出了一種收方前置模塊的令牌循環(huán)方案，能夠近乎實時地探測隱藏鄰居節(jié)點，給碼元無沖突分配空分復(fù)用的編碼信道，實現(xiàn)分布式協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸，支持多對一傳輸模式，理論分析和仿真結(jié)果表明該方案在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時仍適用于網(wǎng)內(nèi)大量節(jié)點應(yīng)用，但會隨網(wǎng)內(nèi)流量的增加帶來時延快速增長。

3.4 跨層設(shè)計類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)計的思想，雖然具有穩(wěn)定性強、兼容性好、設(shè)計簡單等優(yōu)勢，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，實際上某層單一性能的改善并不一定能帶來網(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)議性能的一個重要研究方向。

針對航空骨干網(wǎng)的高移動性特點、低時延需求，文獻(xiàn)［34］設(shè)計了一種跨層協(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)制實現(xiàn)鏈路分配策略，網(wǎng)絡(luò)層采用了一種網(wǎng)狀樹(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，仿真對比驗證了報文、數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)性能，但網(wǎng)絡(luò)開銷主要集中在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)狀樹算法推選簇首的流程以及時隙結(jié)構(gòu)(包括控制幀、數(shù)據(jù)幀、臨時幀)的構(gòu)造，仿真驗證了不同節(jié)點數(shù)條件下的網(wǎng)絡(luò)性能，但網(wǎng)絡(luò)性能將會隨節(jié)點數(shù)的增加而下降。

文獻(xiàn)［36］針對戰(zhàn)術(shù)通信、航空遙測等應(yīng)用的高動態(tài)無線環(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 項目標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計了一種基于地理位置的高動態(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、時隙分配基于傳輸層參數(shù)和QoS 要求，仿真驗證了所提協(xié)議在端到端性能上的提升，但需要在節(jié)點密度、移動模型、多徑編碼機(jī)制上參考現(xiàn)實情況加以改進(jìn)。

4 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議比較分析

對于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中MAC 協(xié)議的不同應(yīng)用，不同類型的協(xié)議具有各自的特點、網(wǎng)絡(luò)性能和適合場景，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時不同協(xié)議相對性能比較情況如表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)競爭類協(xié)議在需要網(wǎng)絡(luò)資源時才進(jìn)行申請，新節(jié)點的加入只需等待當(dāng)前傳輸完成，具有對高動態(tài)拓?fù)渥兓萑绦詮姷膬?yōu)勢?；趦?yōu)先級統(tǒng)計類協(xié)議能夠滿足軍事航空通信需求，但從當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，其關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)置、門限參數(shù)的選取仍然受限于特定網(wǎng)絡(luò)條件下，且以某類參數(shù)作為閾值的選擇標(biāo)準(zhǔn)不一定能帶來網(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，值得在未來進(jìn)一步研究明確。而基于預(yù)約競爭類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)編隊內(nèi)部(節(jié)點間距離較近)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，且在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)、流量較大時性能下降嚴(yán)重，因此該協(xié)議的應(yīng)用背景局限性較大;

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

(3)混合類、跨層設(shè)計類MAC 協(xié)議因為協(xié)議性能的優(yōu)越性將會是未來研究的熱點。由于這兩類協(xié)議融合了多類機(jī)制、信息，因此，在網(wǎng)絡(luò)性能上將會帶來優(yōu)勢，但需要注意的是實現(xiàn)中的復(fù)雜度、標(biāo)準(zhǔn)化推廣問題。

5 結(jié)束語

近年來，研究人員對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議新的應(yīng)用特點和需求開展了大量研究，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。實際上，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的研究發(fā)展趨勢并沒有呈現(xiàn)出收斂特性，不存在一種能夠解決所有問題、滿足所有需求的MAC 協(xié)議，原因在于:MAC 協(xié)議的設(shè)計思路主要由AN 的應(yīng)用場景來決定，應(yīng)用的不同使得MAC 協(xié)議側(cè)重不同的網(wǎng)絡(luò)性能，只能在多個性能指標(biāo)之間權(quán)衡折衷，而無法全面兼顧;MAC 協(xié)議受下層物理層、硬件平臺的影響較大，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，對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的理論實踐研究，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效性、可靠性是MAC 協(xié)議設(shè)計的首要目標(biāo)，但不應(yīng)只是唯一目標(biāo)。隨著未來常規(guī)化的應(yīng)用，不同優(yōu)先級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日益突出;

(2)現(xiàn)有業(yè)務(wù)優(yōu)先級的設(shè)置使得業(yè)務(wù)類型具有特殊性，對不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)需求性能的研究還存在片面性問題，未來需要在明確需求的基礎(chǔ)上，有針對性地進(jìn)行相關(guān)MAC 協(xié)議設(shè)計;

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

(4)現(xiàn)有MAC 協(xié)議對節(jié)點的動態(tài)加入、退出網(wǎng)絡(luò)、鏈路失效應(yīng)對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厔莸牡絹?，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、移動模型等假設(shè)條件過于理想簡化，極大妨礙了MAC 協(xié)議研究成果的轉(zhuǎn)化，因此，需要對更加符合現(xiàn)實的通信模型加以開發(fā)，且不能止步于仿真實驗，必須向原型系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)過渡，爭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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