周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 2 6 6 0 4 1）

基于航空自组网的MA C接入协议研究设计

周洪霞，李洪烈，王倩，王茹意

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 2 6 6 0 4 1）

航空自组网是未来下一代军事通信网络的发展方向，M A C接入技术是航空自组网的关键技术之一。本文介绍了航空自组网的特点，研究了传统的M A C接入技术，并给出了基于航空自组网的M A C接入协议考虑设计思路，对研究航空自组网的网络架构，探讨实现其在军事上的应用具有一定的参考意义。

航空自组网；M A C接入技术；研究设计

1 航空自组网简介

航空自组网（a e r o n a u t i c a l A d Ho c n e t w o r k，A A NE T）是一种能在空中迅速展开使用并可以及时响应网络拓扑结构的通信网络，在其有效的通信范围内，航空飞行器（飞机）之间可以利用网络进行数据传输、共享战场态势信息、实时转发指控信息并且允许节点在不同的时间、地点动态地、频繁地退出或接入网络，建立起一个空中MA NE T。在航空自组网中，每个节点也是双重身份，即终端和路由，当目的节点不在源节点的直接通讯范围之内时，就需要中继续节点把分组以多跳的方式传给直接通信范围之外的飞行器，从而提供更优质的航空通信保障，在军事应用方面有很大的意义，目前各国军方都开展了航空自组网的研究。

在航空自组网网络中，数据链路层的MA C接入协议控制着信道中数据分组的发送和接收，其效能的发挥直接体现着网络对有限的无线带宽资源的利用程度。因此，MA C接入技术对航空自组网的整体性能有着很大的影响，这也成为近年来业内研究的热点之一。

2 传统MA C接入技术

介质访问控制（MA C）子层作为数据链路层的主要部分，主要负责给节点提供一个合适的接入无线信道的时机，实现数据分组在网络中的可靠传输，它也是数据分组在无线信道上接收和发送的直接控制者。无线自组网MA C协议可分为三类：基于竞争机制的MA C协议、基于调度机制的MA C协议和混合接入机制的MA C协议。

在基于竞争机制的MA C协议中，网络节点通过相互竞争的方式接入信道，并以分组的随机重传来减小分组碰撞的概率，该类协议有A L OHA、C S MA协议、基于握手机制的访问控制协议和忙音类多址访问协议等。

基于调度机制的MA C协议中把信道资源按照某个固定的算法划分成多份，然后以一定的调度机制分配给节点，例如时分多址(T D MA)、码分多址、频分多址、空分多址等。

混合接入协议是把前两种协议有机地结合起来，因此该类协议一般情况下都能够保持各个访问协议的部分优点，同时又能避免原协议的主要缺陷，相对而言就有良好的协议性能。

3 基于航空自组网的MA C接入协议研究设计

由于航空自组网（A A NE T）相对于其他无线网络的特殊性，它对MA C接入协议有着更高要求。如何将现有的MA NE T中已成熟的MA C协议，针对A A NE T的网络特点加以改进，使其适应航空自组网的需要，并保证其有良好的通信质量，是一个亟待解决的问题。

基于航空自组网的MA C接入协议应重点从以下方面进行考虑设计。

3.1 快速建链能力

A A NE T中航空节点的高速运动使得节点间的相对位置在不断变化，致使通信链路和网络的拓扑结构也在不断地发生变化。此时，快速建链能力就显得相当重要。网络拓扑结构是指网络中节点的分布及其内在的逻辑链路，显然链路建立是拓扑结构形成的基础。在航空自组网中，MA C协议决定链路，而链路的建立与节点所在域的环境密切相连。每个节点均拥有一个广播域，在域内各节点共享时间、空间、频率和码字等信道资源，域的大小与节点的移动性、干扰、噪声以及发射功率、编码调制、天线方向等因素有关，因此，综合控制这些因素可影响链路的建立。

航空自组网MA C的快速建链可从两个方面入手：一是采用链路自适应技术，确保在链路发生变化或信道状态变差时能够自动降低传输效率以提高接入和纠错能力，在链路连接正常、信道状态变好时自动提高传输效率。在时域，链路自适应技术通常根据信道状态动态调整调制方式、编码方式等时域参数；二是通过跨层设计技术，使MA C协议借助物理层技术的发展进行重新设计。目前，基于正交频分复用（OF D M）、多输入多输出技术（MI MO）和方向性天线的MA C协议研究正处于实验阶段。

在采用天线技术的MA C协议中，当前对于MA C协议的研究大多是针对传统采用全向天线的I E E E 8 0 2.1 1 D C F进行局部改进，随着MI MO及OF D M技术应用的不断深入，为MA C层链路的快速建立提供了广阔的发展空间，MI MO的空时接入技术是快速建立链路和支持高速率传输的关键因素，多用户OF D M技术的使用使网络取得更大的容量。

3.2 资源公平分配

在无线网络中节点竞争公平性影响网络的整体性能，因此在航空自组网中更要求MA C尽可能实现资源分配的公平性。航空自组网临时性、稀疏性和多质异构性对MA C的接入公平性提出了更高的要求，多个节点同时共享信道，时常会造成一些节点比其他节点占用更多信道资源的情况，导致节点间不公平现象的产生。

研究的思路：

一是采用多信道方法解决隐藏终端和暴露终端的问题。在多信道方法中，将信道专门划分为分别传输控制分组、数据分组和忙音分组的独立信道，控制分组作用是用来探测接收节点能否接收数据分组，而不再担负信道预约作用，信道预约判断完全依赖于对忙音信号的探测。

二是依据退避阶段的不同将冲突分为同级冲突和交叉冲突，同级冲突指处于同一退避阶段的冲突，而交叉冲突指冲突双方处于不同退避阶段，并据此建立分布窗口离散性的冲突分类解析算法，重点解决竞争成功节点与阻塞节点共同竞争信道的问题，从而获得更多的公平性。

三是采用多接入优先级退避算法使节点根据需要形成多个发送队列来缓存不同优先级的报文。通过对不同队列采取不同的退避参数达成对不同节点业务内容区分，进而实现依据业务权重排序的公平接入。

3.3 多种业务的高质量服务

由于航空节点在特定战场环境下的作战需求，其任务和作业种类是多种多样的，传输量也会相当的大，势必会引起较大的分组碰撞、传输时延、带宽不够等问题。针对航空自组网的特殊性和所支持的业务类型，最大限度地同时满足MA C协议的高效性和稳定性，进一步增强质量服务（Qo S）保证技术，达到全网MA C性能的合理优化是航空自组网MA C协议的又一个研究热点，Qo S涉及到网络的所有协议栈，每个协议层相应参数的设置都会影响到用户业务。

由于航空自组网支持的业务种类较多，且不同业务要求提供不同的服务质量保障。对MA C层而言，如何依据用户对Qo S的需求映射为Qo S指标，并通过指标的合理选择和设定确保全网Qo S最优化是MA C协议必须考虑的问题。航空自组网MA C层协议的量化指标主要有冲突率（C R）、吞吐量（NT）、分组延迟（D L）、公平性（F I）和抖动延迟（D J）等。

3.4 较强的抗干扰能力

在无线信道和分布式控制的环境下，A A NE T更易受到敌方或第三方的窃听、入侵等，网内的网络服务的安全性和可靠性也受到了挑战。军用航空通信对信息传输的安全性和可靠性提出了更高的要求，而采用无线信道和分布控制技术的航空自组网更易受到传输媒质的影响和被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击，这就要求MA C具有一定的抗干扰功能并能实现可靠的数据传输。

4 结语

现代战争已经发展为信息化条件下的局部战争，在航空部队，建立一个结构灵活、具有较强的抗干扰能力、数据传输性能良好的航空通信网络是很有必要的。

研究基于航空自组网的MA C接入技术，对提高信道中数据分组的发送和接收效能，充分实现网络对有限的无线带宽资源的利用，进而提高航空自组织网络在军事通信的发展应用具有重要意义。

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