下一代机载网络技术评述

李杰 宫二玲 孙志强 李麦亮 谢红卫

1.国防科学技术大学机电工程与自动化学院 湖南 长沙410073 2.空军装备研究院总体论证研究所北京100076

近年来,公共移动通信已经完成了第4代系统并计划向认知无线电发展,而航空通信在新技术、新体制的应用与部署上还处于落后状态.随着航空平台的更新换代并向着信息化、智能化的方向发展,地面与飞行器、飞行器与飞行器之间的数据交互需求将不断增加,而当前的航空通信系统却无法适应信息时代的航空通信需求.随着全球航空运输业的迅速发展,飞机种类和数量越来越多.基于航空电信网(Aeronautical Telecommunication Network,ATN)[1]的航空管理系统承受能力已经接近饱和,无法满足未来民航的发展要求[2].ATN以地面为中心的通信方式,不允许飞机之间直接进行通信.在没有基站覆盖的区域,飞机的通信只能依赖卫星,高昂的通信成本使得许多网络应用(如互联网接入,黑匣子数据传输等)难以在民航领域大规模使用.所以,为了满足未来民用航空业的发展,必须给出一种新的灵活的网络架构,来适应日益迅猛增长的航空通信数据流和空中交通管理数据信息.为了改进现有的航空通信系统,学术界近年来提出了将移动自组网(Mobile Ad hoc Network,MANET)技术应用于航空平台的思想,即航空平台之间以及航空平台和地面基站之间形成一个无中心、空地一体的航空自组织网络(Aeronautical Ad Hoc Network,AANET)[3−5].AANET技术的出现为ATN存在的问题提供了潜在的解决方案.学术界对AANET技术应用于民航领域进行了研究分析,并证明了其可行性.2006年,Sakhaee等人构想了AANET应用于民用航空运输的技术场景[4].随后,Medina等人根据北大西洋走廊的航班密度情况,分析了在北大西洋走廊应用AANET的可行性[6−7].国内学者根据国内航班的实际数据对国内航班AANET组网进行了可行性分析[8−9].为了避免AF447[10]和MH370[11]类似的航班失联事故,国际民航组织分析了利用AANET技术监控全球商业航班的可行性[12].由于AANET的自组织、无中心以及不依赖地面设施等特性,基于AANET技术的下一代机载网络(Next Generation Airborne Network,NGAN)可以大大提升航行效率和安全性.和传统的ATN相比,NGAN能够不依赖地面设施,通过多跳的通信方式,为航班提供低成本、低延时且高带宽的通信服务,并能够有效覆盖高山、沙漠和海洋等基站覆盖盲区,不受地域限制地为航班提供更多的航空通信服务(如互联网接入,黑匣子数据实时传输以及实时空情共享等).

1 NGAN的体系结构

根据文献[13],图1(a)给出了NGAN的体系结构图.可以看出,NGAN主要由AANET、中继平台和地面基站组成.各种航空平台通过无线链路组成高动态的AANET,为航空平台之间、航空平台和地面基站之间提供高速的航空通信服务.当AANET的网络连通性无法满足通信要求时,卫星等中继平台为网络节点提供临时的中继通信服务.因此,NGAN中的网络节点既可以通过AANET以多跳转发的方式进行通信,也可以通过卫星等中继平台进行中继通信.在复杂的航空通信环境中,NGAN的两种通信模式互为补充,为网络节点提供不间断的高质量数据通信服务.如图1(a)所示,NGAN包含了地面基站、中继平台和航空平台3种不同类型的网络节点(见表1).为了能够方便地与地面网络互联互通,NGAN基于IP协议.[13].网络中传递的是标准的IP数据包,这就为不同的网络提供了一个标准的互操作方式,实现异构网络之间的互联互通.文献[14]给出了NGAN中单个航空平台的通信架构,如图1(b)所示.机载网络设备根据用途不同分别工作于不同的机载局域网中.所有的机载局域网通过平台路由器接入NGAN中.平台路由器连接若干个IP电台系统,这些IP电台系统都有各自的网络路由器,并运行各自不同的路由协议.每个IP电台系统都可以为节点间提供独立的通信路径.因此,航空平台之间可以通过多电台系统同时建立多条相互独立的通信路径,如何利用机载网络的多路径特性来提高网络通信的可靠性和稳定性也是NGAN研究中的一个重要研究方向.

2 NGAN的特点与技术挑战

由于航空通信环境的特殊性,NGAN除了存在普通无线网络的一些固有问题之外还具有许多独有的特性,包括节点的高速运动、频繁的拓扑变化、无中心控制、严格的服务质量(Quality of Service,QoS)要求和恶劣的通信环境等.这些特性具体总结如表2所示.

3 NGAN的关键技术分析

图1 NGAN体系结构

表1 NGAN网络节点

表2 NGAN特点

图2 NGAN技术分析

NGAN主要面临的技术挑战可以概括为:高动态的网络拓扑、频繁的网络分割、不可靠的无线信道、无中心控制、带宽受限以及严格的QoS要求.所以,在NGAN中提供有质量保证的航空通信服务将比一般的无线网络更具挑战性,也无法使用传统的网络设计思想来对NGAN进行设计.信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)的设计思想给我们提供了一个很好的解决问题方式.CPS是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统,是计算进程和物理进程的统一体,注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调[16].在CPS的框架下对NGAN进行优化设计,可以很好地解决NGAN所面临的技术挑战[17−18].图2(a)给出了NGAN的CPS模型,容易看出NGAN中的物理域元素(飞机的飞行模式,网络拓扑结构和电磁环境等)会对信息域的性能(吞吐量,时延,可靠性和安全性等)产生直接的影响.在对NGAN的协议设计中不能仅仅针对信息域的要素进行设计,而要综合考虑物理域和信息域.因此,NGAN中必须有可以对物理域进行全面感知的传感器系统,以及可以改变物理域性能的执行器系统.这样,NGAN就可以根据物理域的某些信息,优化运行信息域的网络协议,提高网络性能.另外,NGAN还可以根据信息域的性能要求,通过执行器对物理域的相关元素进行控制,物理域再反作用于信息域形成闭环控制系统,最终使NGAN的性能达到要求.例如,为了满足信息域网络通信的可靠性,物理域的网络拓扑就必须具备一定程度的容错能力,即任意一个节点或链路失效都不会影响节点之间的连通性.因此,NGAN必须能够实时获取网络的拓扑结构并主动地对网络拓扑进行控制使之具备容错能力,满足网络通信的可靠性要求.

为了实现不同系统间的互联互通,方便网络升级,使用模块化的思想对NGAN进行分层设计.近年来,智能天线、激光通信等物理层新技术的发展可以解决NGAN面临的部分问题,如利用智能天线技术可以有效提高频谱利用效率,增加系统容量,缓解NGAN中频谱资源有限的问题.然而,不可能在协议栈的某一层将所有问题都解决.因此,为了克服NGAN所面临的技术挑战,要基于CPS的设计思想,在协议栈各层针对NGAN的特点进行优化设计.针对每一个技术难题,可以采取图2(b)所示的解决思路.NGAN的路由协议和媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议要能适应网络拓扑高动态的变化.MAC协议要尽可能高效地利用有限的频谱资源增加网络容量来缓解带宽受限的问题,而且能根据物理域复杂的电磁环境和信息域的QoS要求合理地分配信道资源.NGAN中不可靠的无线信道导致了链路较高的误码率,在传输层也就体现在较高的丢包率.为了减少高丢包率网络环境中频繁的重传对网络性能的影响,可以在传输层加入前向纠错机制来减少重传次数,增加网络的有效吞吐量.在机载网络环境中,信道的不可靠性使得单路径通信协议的性能会受到信道环境的严重影响.当前的航空平台往往装备多个电台系统,即网络节点之间可以同时建立多条通信路径,这就可以同时利用多条路径进行通信来提高数据传输的稳定性和可靠性.不同于地面Internet中的应用,机载网络的应用产生的数据流大都属于非弹性流,而且这些非弹性流有着不同的带宽和可靠性需求.然而,MAC层和网络层只能提供有限的QoS保障,无法为非弹性数据流提供端到端的QoS保障,这就要求传输层协议还需具备按需分配带宽的能力.由于NGAN的无中心和自组织性,网络协议要采用分布式的控制方式.NGAN的稀疏性和高动态性导致了频繁的网络分割,为了不影响节点之间端到端的连通性,NGAN要能够主动地对网络拓扑进行控制(如加入中继节点增强网络的连通性).因此,只有根据NGAN的特点,优化设计MAC协议、路由协议和传输层协议,并对网络拓扑进行控制才能克服NGAN所面临的技术挑战.

4 NGAN的关键技术研究现状

近年来,学术界对NGAN的研究主要集中在路由协议,并给出了许多令人满意的解决方案[19−20].而对于拓扑控制、MAC协议和传输层协议的研究明显不足,还需要进一步地深入研究与探讨.因此,本节针对NGAN的拓扑控制、MAC协议和传输层协议3个方面的国内外研究现状进行简要介绍.

4.1 拓扑控制

在NGAN中,网络节点的通信主要依靠航空平台之间组成的AANET.而AANET网络拓扑的高动态变化导致了频繁的网络分割,网络的节点密度随着时间和空间的不同而剧烈变化,从而导致某一区域在某一时间节点过于密集,或者过于稀疏.在飞机节点稀疏区域,网络的连通性就会降低.另外,由于无线信道干扰等因素影响,飞机节点之间的最大通信距离会缩短,这也会影响网络的连通性.为了增强连通性,保证网络的通信需求,可以通过加入中继节点的方法对网络的连通性进行控制[21].文献[22]研究了无人飞行器网络中的拓扑控制问题,提出了中继节点的优化配置方法.然而,该方法假设所有的航空平台位置固定,从而在静态网络的状态下得到中继节点的最优配置位置,显然无法应用于高动态的网络环境.文献[23]研究了动态网络环境下的中继节点速度控制问题.根据网络在每一个采样时刻的状态得到所有中继节点在采样时刻的运动速度,从而中继节点可以根据网络的状态来实时调整自己的运动,使得网络的连通性达到要求.由于该方法使用的是集中式的计算方式(中心控制节点负责网络信息的收集与计算),应用于NGAN还有一定的局限性.

4.2 MAC协议

MAC协议控制节点如何接入无线信道,对网络性能起着至关重要的作用.目前对机载网络MAC层的研究方面大体采用了两类协议:TTNT所采用的基于统计优先级的多址接入(Statistical Priority Multiple Access,SPMA)协议[24]和其他多数项目所采用的时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)协议[25−26].SPMA是载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)协议的改进版,主要是增加了基于信道占用状态统计的优先级接入技术.相比CSMA协议,SPMA一方面降低了信息接入信道前的等待时间,另一方面提供了不同信息的优先级区分,保证了高优先级信息接入信道的高成功概率[24].对于CSMA等竞争类的MAC协议来说,网络节点数较多时,RTS/CTS的传输有较大时延,会严重影响网络性能,而TDMA协议则可有效地避免上述问题.当网络节点较多时,一般使用TDMA协议,飞机装备的GPS定位设备可以方便地为TDMA提供一个时间基准.iNET项目组针对航空遥测网络环境,为航空遥测网络设计了集中式的TDMA算法,相应标准已经制定完成[25].Medina等人在跨洋航班的组网设计中,使用了基于定向天线的TDMA协议,保证了飞机之间的高速数据传输[26].文献[27]根据航空信道的特点对空间复用的TDMA技术(Spatial Reuse TDMA,STDMA)进行了建模分析,证明了STDMA应用于机载网络环境的可行性.

4.3 传输层协议

常用的传输层协议TCP是针对地面网络而设计,并基于一些固有的假定,如包丢失是网络拥塞的结果和网络具有稳定的往返时间(Round Trip Time,RTT)等.由于航空无线信道所具有的高误码率、不稳定的传输时延、带宽不对称等特性,使得传统的TCP协议很难应用于机载网络中.卫星通信网络也具有类似机载网络的通信环境,为了克服卫星链路对TCP性能的影响,各国学者提出了许多TCP的改进方案[28−29],仔细研究这些方案有助于我们进行NGAN传输层的设计.虽然机载网络环境和卫星网络有部分相似,但二者还是有本质的区别,不能简单地将卫星网络的传输层协议应用到NGAN中.例如,对于已成为国际标准的SCPS-TP协议[29−30],可以利用SCPS-TP协议的相关机制解决机载网络中存在的部分问题,但是SCPS-TP要高度依赖信道状态信息,而这些状态信息需要通过多次的端对端连接逐渐得到,高动态的机载网络环境并不适应这种机制.一些学者借鉴卫星网络传输层协议的研究成果,对机载网络的传输层进行了研究并提出了一些传输层协议,如AeroTP[21]、MPLOT[31]和AeroMTP[32].AeroTP协议为了满足网络的兼容问题,采取TCP分裂连接方案TCP-Splitting[33],在各网络节点引入网关机制AeroGW[34],保证了和其他网络的互联互通.MPLOT和AeroMTP利用机载网络的多路径特性来提高数据传输的稳定性和可靠性,并采用分组级的前向纠错机制来减少重传次数,增加网络的有效吞吐量.然而,上述协议都无法为网络中的非弹性流提供端到端的带宽保证.文献[35]为分布式网络中的非弹性流提出了一种基于QoS的速率控制机制(QoS-Based Rate Control,QBRC).QBRC通过控制数据流的发送速率在数据发送端实现带宽的按需分配,而不需要中心控制节点.因此,可在传输层利用QBRC带宽分配机制为非弹性流提供端到端的QoS保障.

5 结论

基于AANET技术的下一代航空通信系统可以大大提高航行的效率和安全性,其诸多优点已经得到学术界和工业界越来越多的重视.本文较为系统地分析了NGAN的主要特征和技术需求,给出了网络的一般架构,并对需要攻克的关键技术进行了探讨.尽管我们已经尽可能全面地收集相关资料,对未来机载网络技术进行相对充分的评述,但无论如何总可能会有疏漏之处.本文的工作只是我们研究工作的一个起点,期望能够起到抛砖引玉的作用,期待着能够为下一代航空通信系统的研究工作添砖加瓦.