MAC协议在航空自组网中应用综述
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摘 要： 航空自组网mac协议是分组报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，因此，在航空自组网中，MAC协议能否高效、公平地利用有限的无线信道资源对航空自组网的性能起至关重要的作用。概述了MAC的功能作用、航空自组网对MAC协议的影响因素，并结合MAC在MANET中的应用，分析了无线自组网MAC协议的特点和航空自组网MAC协议的关键技术。
关键词： 航空自组网； MAC协议； MANET网络； 无线自组网
中图分类号： TN711?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）11?0043?03
0 引 言
移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是由一组带有无线发送、接收和转发功能的移动节点组成的临时性局域网络[1]。近几年来，随着移动自组网技术的不断发展，许多研究机构和学者将其应用于航空通信中，由此拓展了新的研究领域，即航空自组网[2?4]。其基本思想是：一定范围内的航空飞行器之间可以互相转发控制指令信息，交换各自的飞行状态、感知信息等数据，并自动地连接，建立起一个MANET[5]。
在航空自组网中，每个飞行器不仅是一个收发器，而且还是一个路由器，可采用多跳的方式把数据转发给更远的飞行器，能够满足特定条件下军、民航通信的需求，对提高航空通信的组网能力，减轻对地面台站的依赖程度，满足多机种协同作战，适应远距、低空超视距、远洋和非空管区航空通信导航的特殊需要，具有十分重要的现实意义和很高的军事应用价值[6?7]。
1 MAC的功能作用
参照OSI的经典7层模型协议，可以将无线自组网络的协议模型划分成5层，自下而上分别为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层，如图1所示。
数据链路层位于物理层和网络层之间，主要任务是控制对共享信道的接入、快速实现链路的建立及实现可靠的数据传输。该层包括介质访问控制子层（MAC）和逻辑链路控制子层（LLC），主要功能包括接入控制、流量控制、差错控制、分组发送与确认、优先级排队等。其中介质访问控制（Medium Access Control，MAC）子层通过物理层负责节点在合适时机接入无线信道并高效地使用无线信道的有限带宽[3]。
2 MAC协议的分类
2.1 基于竞争接入机制的MAC协议
基于竞争机制的MAC协议采用竞争的方式来接入无线信道，并且通过随机重传来解决碰撞问题。目前己经有大量基于竞争机制的MAC协议提出，其中具有代表性的有ALOHA协议、载波侦听多址访问（CSMA）协议、基于控制分组握手的访问控制协议和忙音类多址访问控制协议[8]。
由于基于竞争机制的MAC协议易于分布式应用，每个节点都可以独自决定何时竞争接入无线信道，因此该类MAC协议为无线自组网的接入问题提供了很好的解决方法。然而，竞争接入信道的特性决定了基于竞争机制的MAC协议只适用于在较轻网络负载下使用，当节点密度或网络负载较大时存在性能恶化问题，这在一定程度上就限制了该类MAC协议的应用范围。
2.2 基于调度接入机制的MAC协议
基于调度机制的MAC协议是指按照不同方法划分的信道资源以一定的调度机制分配给网络中的节点使用。在分配方式上，时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）作为一种有效的通信方式，发展至今已经相当成熟，是目前世界上应用最广泛的无线通信技术之一。典型的TDMA协议按照网络中的最大节点数来做出传输时间的安排，对于一个有[N]个节点的网络，TDMA协议使用帧的长度为[N]个时隙，每个节点分得惟一的时隙，由于每帧中每个节点能够惟一的访问一个时隙，所以对任何类型的分组都不存在碰撞的威胁。
一般来说，基于调度机制的MAC协议没有竞争类MAC协议那么灵活，在低网络负载条件下信道利用率较低。但是，调度类MAC协议可以在中等和重网络负载条件下良好运行，可充分利用信道资源。
2.3 MAC的混合接入机制
MAC的混合协议是指把竞争协议要素和调度协议要素按照一定的规则进行组合。混合MAC协议能够保持各个访问协议的优点，同时又能避免所组合协议的缺陷，即混合类协议性能在传输载荷轻的时候近似表现为竞争协议的性能，而在传输载荷重的时候近似表现为分配协议的性能[9]。具有典型代表性的是HTDMA协议。
混合时分多址访问（Hybrid TDMA，HTDMA）协议是竞争协议（载波侦听多址访问与碰撞回避CSMA/CA协议、虚拟载波侦听RTS/CTS协议）和分配协议（TDMA）的混合协议[10]。HTDMA协议能够在网络结构和带宽需求发生变化的时候为节点分配TDMA时隙，并同时做出两个TDMA的时间安排，一是竞争时间的安排，将一个较长的时隙分为四个时间片：第一个时间片是随机等待时间，用于避免多个节点在同一时刻同时进行发送；第二个时间片是时隙请求时间，用于发送RTS时隙请求分组；第三个时间片是时隙应答时间，用于传输CTS时隙应答分组；第四个时间片用于数据分组的传输。二是用于传输的时间安排，由[N]个长度均等于Tslot的时隙组成。在用户信息安排中，节点能够按需地向其相邻节点中的单个、多个或所有目标发送信息而预留不等的带宽数量，且在网络拓扑和带宽需求发生变化时，这些时间安排相应的作出调整，以便维护没有碰撞的传输。
3 影响航空自组网MAC协议的因素
航空自组网（AANET）是一类特殊的MANET，具有一般MANET所固有的特点，如多跳、自组织、无中心等，而且也具有自身的特殊性[11]。航空自组网对MAC的影响因素如下：
（1）航空节点的高速运动，使节点的相对位置持续改变，节点动态的加入或不断地退出网络，造成网络中通信链路分布和拓扑结构的不断变化，要求MAC能够快速实现链路的建立。
（2）飞行空域的无限性和无线媒质的复杂性及节点接入方式的竞争性会造成一些节点比其他节点占用更多的信道资源，导致不公平性的加剧，要求MAC协议能够优化对节点接入信道的控制，最大限度的实现资源分配的公平性。
（3）航空节点任务和业务种类的多样性，造成不同的业务对传输时延、带宽等性能提出不同的需求，要求MAC对这些不同的业务能够提供相应的服务质量（QoS）支持。
（4）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MAC具有一定的抗干扰功能并能实现可靠的数据传输。
4 航空自组网MAC协议的关键技术
移动自组网络MAC协议设计需要考虑的主要有隐藏终端、暴露终端、退避机制、传播时延等问题，而航空自组网的设计不仅需要考虑这些问题，而且需要结合航空自组网对MAC协议的影响因素，实现航空自组网的快速建链、公平接入和质量保证[12]，具体如下：
4.1 链路建立
在航空自组网中，航空节点的高速运动使网络中链路分布和拓扑结构不断变化，要求MAC能够实现链路的快速建立[13]。在航空自组网中，MAC协议决定链路，而链路的建立与节点所在域的环境密切相关。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、天线方向性等因素有关，因此，综合控制这些因素可影响链路的建立。研究航空自组网MAC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MAC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（OFDM）、多输入多输出技术（MIMO）和方向性天线的MAC协议研究正处于实验阶段。
在采用天线技术的MAC协议中，当前对于MAC协议的研究大多是针对传统全向天线的IEEE 802.11DCF进行局部改进[14]，随着MIMO及OFDM技术应用的不断深入，为MAC层链路的快速建立提供了广阔的发展空间，MIMO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OFDM技术的使用使网络取得更大的容量[15]。
4.2 公平接入
航空自组网临时性、稀疏性和多质异构性对MAC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[16]。MANET网中产生不公平现象的原因主要源于两种情况：一是在MANET网中，MAC的大多数退避算法的基本原理都是当节点成功发送一个数据分组之后其竞争窗口减小，而当节点发送不成功时重发竞争窗口较大，使发送成功节点处于竞争优势地位，从而导致短期不公平性（隐藏终端的存在将加剧这种不公平性）。二是暴露终端现象的存在将导致某些节点长期占有资源，而另一些节点可能长期竞争不到信道，造成长期不公平性。在航空自组网中，由于节点移动速度较快，使每个节点域内其他节点的进出频繁，又由于每个节点的种类或业务功能不同，使各节点广播域的大小及参数区别较大，而节点的稀疏性使网中隐藏终端和暴露终端问题显现出新的特点。因此在航空自组网中，如何在避免报文冲突的前提下实现公平接入是MAC协议研究的重要内容[17]。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的区分，进而实现依据业务权重排序的公平接入。
4.3 质量保证
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MAC协议的高效性和稳定性，进一步增强质量服务（QoS）保证技术，达到全网MAC性能的合理优化是航空自组网MAC协议的又一个研究热点[18]。QoS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MAC层而言，如何依据用户对QoS的需求映射为QoS指标，并通过指标的合理选择和设定确保全网QoS最优化是MAC协议必须考虑的问题。
5 结 语
在过去的十几年里、尤其是近几年随着无线自组网技术的成熟，出现了许多改进型的MAC层协议，其中，MAC协议在航空自组网中的应用研究也越来越受到关注。MAC协议作为无线自组网协议栈中的重要组成部分，加强对航空自组网MAC协议的改进和创新研究，是充分发挥航空自组网优势，提高航空通信保障能力的必然举措。
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