MAC協(xié)議在航空自組網(wǎng)中應(yīng)用綜述

摘 要： 航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議是分組報文在無線信道上發(fā)送和接收的直接控制者，因此，在航空自組網(wǎng)中，MAC協(xié)議能否高效、公平地利用有限的無線信道資源對航空自組網(wǎng)的性能起至關(guān)重要的作用。概述了MAC的功能作用、航空自組網(wǎng)對MAC協(xié)議的影響因素，并結(jié)合MAC在MANET中的應(yīng)用，分析了無線自組網(wǎng)MAC協(xié)議的特點和航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 航空自組網(wǎng)； MAC協(xié)議； MANET網(wǎng)絡(luò)； 無線自組網(wǎng)

中圖分類號： TN711?34； TP393 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0043?03

0 引 言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是由一組帶有無線發(fā)送、接收和轉(zhuǎn)發(fā)功能的移動節(jié)點組成的臨時性局域網(wǎng)絡(luò)[1]。近幾年來，隨著移動自組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多研究機構(gòu)和學(xué)者將其應(yīng)用于航空通信中，由此拓展了新的研究領(lǐng)域，即航空自組網(wǎng)[2?4]。其基本思想是：一定范圍內(nèi)的航空飛行器之間可以互相轉(zhuǎn)發(fā)控制指令信息，交換各自的飛行狀態(tài)、感知信息等數(shù)據(jù)，并自動地連接，建立起一個MANET[5]。

在航空自組網(wǎng)中，每個飛行器不僅是一個收發(fā)器，而且還是一個路由器，可采用多跳的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給更遠的飛行器，能夠滿足特定條件下軍、民航通信的需求，對提高航空通信的組網(wǎng)能力，減輕對地面臺站的依賴程度，滿足多機種協(xié)同作戰(zhàn)，適應(yīng)遠距、低空超視距、遠洋和非空管區(qū)航空通信導(dǎo)航的特殊需要，具有十分重要的現(xiàn)實意義和很高的軍事應(yīng)用價值[6?7]。

1 MAC的功能作用

參照OSI的經(jīng)典7層模型協(xié)議，可以將無線自組網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型劃分成5層，自下而上分別為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)鏈路層位于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，主要任務(wù)是控制對共享信道的接入、快速實現(xiàn)鏈路的建立及實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。該層包括介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和邏輯鏈路控制子層（LLC），主要功能包括接入控制、流量控制、差錯控制、分組發(fā)送與確認、優(yōu)先級排隊等。其中介質(zhì)訪問控制（Medium Access Control，MAC）子層通過物理層負責(zé)節(jié)點在合適時機接入無線信道并高效地使用無線信道的有限帶寬[3]。

2 MAC協(xié)議的分類

2.1 基于競爭接入機制的MAC協(xié)議

基于競爭機制的MAC協(xié)議采用競爭的方式來接入無線信道，并且通過隨機重傳來解決碰撞問題。目前己經(jīng)有大量基于競爭機制的MAC協(xié)議提出，其中具有代表性的有ALOHA協(xié)議、載波偵聽多址訪問（CSMA）協(xié)議、基于控制分組握手的訪問控制協(xié)議和忙音類多址訪問控制協(xié)議[8]。

由于基于競爭機制的MAC協(xié)議易于分布式應(yīng)用，每個節(jié)點都可以獨自決定何時競爭接入無線信道，因此該類MAC協(xié)議為無線自組網(wǎng)的接入問題提供了很好的解決方法。然而，競爭接入信道的特性決定了基于競爭機制的MAC協(xié)議只適用于在較輕網(wǎng)絡(luò)負載下使用，當(dāng)節(jié)點密度或網(wǎng)絡(luò)負載較大時存在性能惡化問題，這在一定程度上就限制了該類MAC協(xié)議的應(yīng)用范圍。

2.2 基于調(diào)度接入機制的MAC協(xié)議

基于調(diào)度機制的MAC協(xié)議是指按照不同方法劃分的信道資源以一定的調(diào)度機制分配給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點使用。在分配方式上，時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）作為一種有效的通信方式，發(fā)展至今已經(jīng)相當(dāng)成熟，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的無線通信技術(shù)之一。典型的TDMA協(xié)議按照網(wǎng)絡(luò)中的最大節(jié)點數(shù)來做出傳輸時間的安排，對于一個有[N]個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，TDMA協(xié)議使用幀的長度為[N]個時隙，每個節(jié)點分得惟一的時隙，由于每幀中每個節(jié)點能夠惟一的訪問一個時隙，所以對任何類型的分組都不存在碰撞的威脅。

一般來說，基于調(diào)度機制的MAC協(xié)議沒有競爭類MAC協(xié)議那么靈活，在低網(wǎng)絡(luò)負載條件下信道利用率較低。但是，調(diào)度類MAC協(xié)議可以在中等和重網(wǎng)絡(luò)負載條件下良好運行，可充分利用信道資源。

2.3 MAC的混合接入機制

MAC的混合協(xié)議是指把競爭協(xié)議要素和調(diào)度協(xié)議要素按照一定的規(guī)則進行組合。混合MAC協(xié)議能夠保持各個訪問協(xié)議的優(yōu)點，同時又能避免所組合協(xié)議的缺陷，即混合類協(xié)議性能在傳輸載荷輕的時候近似表現(xiàn)為競爭協(xié)議的性能，而在傳輸載荷重的時候近似表現(xiàn)為分配協(xié)議的性能[9]。具有典型代表性的是HTDMA協(xié)議。

混合時分多址訪問（Hybrid TDMA，HTDMA）協(xié)議是競爭協(xié)議（載波偵聽多址訪問與碰撞回避CSMA/CA協(xié)議、虛擬載波偵聽RTS/CTS協(xié)議）和分配協(xié)議（TDMA）的混合協(xié)議[10]。HTDMA協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和帶寬需求發(fā)生變化的時候為節(jié)點分配TDMA時隙，并同時做出兩個TDMA的時間安排，一是競爭時間的安排，將一個較長的時隙分為四個時間片：第一個時間片是隨機等待時間，用于避免多個節(jié)點在同一時刻同時進行發(fā)送；第二個時間片是時隙請求時間，用于發(fā)送RTS時隙請求分組；第三個時間片是時隙應(yīng)答時間，用于傳輸CTS時隙應(yīng)答分組；第四個時間片用于數(shù)據(jù)分組的傳輸。二是用于傳輸?shù)臅r間安排，由[N]個長度均等于Tslot的時隙組成。在用戶信息安排中，節(jié)點能夠按需地向其相鄰節(jié)點中的單個、多個或所有目標(biāo)發(fā)送信息而預(yù)留不等的帶寬數(shù)量，且在網(wǎng)絡(luò)拓撲和帶寬需求發(fā)生變化時，這些時間安排相應(yīng)的作出調(diào)整，以便維護沒有碰撞的傳輸。

3 影響航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的因素

航空自組網(wǎng)（AANET）是一類特殊的MANET，具有一般MANET所固有的特點，如多跳、自組織、無中心等，而且也具有自身的特殊性[11]。航空自組網(wǎng)對MAC的影響因素如下：

（1）航空節(jié)點的高速運動，使節(jié)點的相對位置持續(xù)改變，節(jié)點動態(tài)的加入或不斷地退出網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)中通信鏈路分布和拓撲結(jié)構(gòu)的不斷變化，要求MAC能夠快速實現(xiàn)鏈路的建立。

（2）飛行空域的無限性和無線媒質(zhì)的復(fù)雜性及節(jié)點接入方式的競爭性會造成一些節(jié)點比其他節(jié)點占用更多的信道資源，導(dǎo)致不公平性的加劇，要求MAC協(xié)議能夠優(yōu)化對節(jié)點接入信道的控制，最大限度的實現(xiàn)資源分配的公平性。

（3）航空節(jié)點任務(wù)和業(yè)務(wù)種類的多樣性，造成不同的業(yè)務(wù)對傳輸時延、帶寬等性能提出不同的需求，要求MAC對這些不同的業(yè)務(wù)能夠提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）支持。

（4）軍用航空通信對信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊螅捎脽o線信道和分布控制技術(shù)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)攻擊，這就要求MAC具有一定的抗干擾功能并能實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

4 航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)

移動自組網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計需要考慮的主要有隱藏終端、暴露終端、退避機制、傳播時延等問題，而航空自組網(wǎng)的設(shè)計不僅需要考慮這些問題，而且需要結(jié)合航空自組網(wǎng)對MAC協(xié)議的影響因素，實現(xiàn)航空自組網(wǎng)的快速建鏈、公平接入和質(zhì)量保證[12]，具體如下：

4.1 鏈路建立

在航空自組網(wǎng)中，航空節(jié)點的高速運動使網(wǎng)絡(luò)中鏈路分布和拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，要求MAC能夠?qū)崿F(xiàn)鏈路的快速建立[13]。在航空自組網(wǎng)中，MAC協(xié)議決定鏈路，而鏈路的建立與節(jié)點所在域的環(huán)境密切相關(guān)。每個節(jié)點均擁有一個廣播域，在域內(nèi)各節(jié)點共享時間、空間、頻率和碼字等信道資源，域的大小與節(jié)點的移動性、干擾、噪聲以及發(fā)射功率、編碼調(diào)制、天線方向性等因素有關(guān)，因此，綜合控制這些因素可影響鏈路的建立。研究航空自組網(wǎng)MAC的快速建鏈可從兩個方面入手：一是采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)，確保在鏈路發(fā)生變化或信道狀態(tài)變差時能夠自動降低傳輸效率以提高接入和糾錯能力，在鏈路連接正常、信道狀態(tài)變好時自動提高傳輸效率。在時域，鏈路自適應(yīng)技術(shù)通常根據(jù)信道狀態(tài)動態(tài)調(diào)整調(diào)制方式、編碼方式等時域參數(shù)。二是通過跨層設(shè)計技術(shù)，使MAC協(xié)議借助物理層技術(shù)的發(fā)展進行重新設(shè)計。目前，基于正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）和方向性天線的MAC協(xié)議研究正處于實驗階段。

在采用天線技術(shù)的MAC協(xié)議中，當(dāng)前對于MAC協(xié)議的研究大多是針對傳統(tǒng)全向天線的IEEE 802.11DCF進行局部改進[14]，隨著MIMO及OFDM技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，為MAC層鏈路的快速建立提供了廣闊的發(fā)展空間，MIMO的空時接入技術(shù)是快速建立鏈路和支持高速率傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，多用戶OFDM技術(shù)的使用使網(wǎng)絡(luò)取得更大的容量[15]。

4.2 公平接入

航空自組網(wǎng)臨時性、稀疏性和多質(zhì)異構(gòu)性對MAC的接入公平性提出了更高的要求。多個節(jié)點同時共享信道，時常會造成一些節(jié)點比其他節(jié)點占用更多信道資源的情況，導(dǎo)致節(jié)點間不公平現(xiàn)象的產(chǎn)生[16]。MANET網(wǎng)中產(chǎn)生不公平現(xiàn)象的原因主要源于兩種情況：一是在MANET網(wǎng)中，MAC的大多數(shù)退避算法的基本原理都是當(dāng)節(jié)點成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組之后其競爭窗口減小，而當(dāng)節(jié)點發(fā)送不成功時重發(fā)競爭窗口較大，使發(fā)送成功節(jié)點處于競爭優(yōu)勢地位，從而導(dǎo)致短期不公平性（隱藏終端的存在將加劇這種不公平性）。二是暴露終端現(xiàn)象的存在將導(dǎo)致某些節(jié)點長期占有資源，而另一些節(jié)點可能長期競爭不到信道，造成長期不公平性。在航空自組網(wǎng)中，由于節(jié)點移動速度較快，使每個節(jié)點域內(nèi)其他節(jié)點的進出頻繁，又由于每個節(jié)點的種類或業(yè)務(wù)功能不同，使各節(jié)點廣播域的大小及參數(shù)區(qū)別較大，而節(jié)點的稀疏性使網(wǎng)中隱藏終端和暴露終端問題顯現(xiàn)出新的特點。因此在航空自組網(wǎng)中，如何在避免報文沖突的前提下實現(xiàn)公平接入是MAC協(xié)議研究的重要內(nèi)容[17]。研究的思路：一是采用多信道方法解決隱藏終端和暴露終端的問題。在多信道方法中，將信道專門劃分為分別傳輸控制分組、數(shù)據(jù)分組和忙音分組的獨立信道，控制分組作用是用來探測接收節(jié)點能否接收數(shù)據(jù)分組，而不再擔(dān)負信道預(yù)約作用，信道預(yù)約判斷完全依賴于對忙音信號的探測。二是依據(jù)退避階段的不同將沖突分為同級沖突和交叉沖突，同級沖突指處于同一退避階段的沖突，而交叉沖突指沖突雙方處于不同退避階段，并據(jù)此建立分布窗口離散性的沖突分類解析算法，重點解決競爭成功節(jié)點與阻塞節(jié)點共同競爭信道的問題，從而獲得更多的公平性。三是采用多接入優(yōu)先級退避算法使節(jié)點根據(jù)需要形成多個發(fā)送隊列來緩存不同優(yōu)先級的報文。通過對不同隊列采取不同的退避參數(shù)達成對不同節(jié)點業(yè)務(wù)內(nèi)容的區(qū)分，進而實現(xiàn)依據(jù)業(yè)務(wù)權(quán)重排序的公平接入。

4.3 質(zhì)量保證

針對航空自組網(wǎng)的特殊性和所支持的業(yè)務(wù)類型，最大限度地同時滿足MAC協(xié)議的高效性和穩(wěn)定性，進一步增強質(zhì)量服務(wù)（QoS）保證技術(shù)，達到全網(wǎng)MAC性能的合理優(yōu)化是航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的又一個研究熱點[18]。QoS涉及到網(wǎng)絡(luò)的所有協(xié)議棧，每個協(xié)議層相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置都會影響到用戶業(yè)務(wù)，由于航空自組網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)種類較多，且不同業(yè)務(wù)要求提供不同的服務(wù)質(zhì)量保障。對MAC層而言，如何依據(jù)用戶對QoS的需求映射為QoS指標(biāo)，并通過指標(biāo)的合理選擇和設(shè)定確保全網(wǎng)QoS最優(yōu)化是MAC協(xié)議必須考慮的問題。

5 結(jié) 語

在過去的十幾年里、尤其是近幾年隨著無線自組網(wǎng)技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了許多改進型的MAC層協(xié)議，其中，MAC協(xié)議在航空自組網(wǎng)中的應(yīng)用研究也越來越受到關(guān)注。MAC協(xié)議作為無線自組網(wǎng)協(xié)議棧中的重要組成部分，加強對航空自組網(wǎng)MAC協(xié)議的改進和創(chuàng)新研究，是充分發(fā)揮航空自組網(wǎng)優(yōu)勢，提高航空通信保障能力的必然舉措。

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