航空自組網(wǎng)的架構(gòu)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u24621航空自組網(wǎng)的架構(gòu)分析概述 15311.1一般航空自組網(wǎng)架構(gòu) 1163221.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 1193921.1.2鏈路特性 228401.2四層混合型航空自組網(wǎng)架構(gòu) 2194001.2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 2213761.2.2鏈路特性 31.1一般航空自組網(wǎng)架構(gòu)航空自組網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)，主要是從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、鏈路特性這三個(gè)角度進(jìn)行研究。而根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同，航空自組網(wǎng)主要分為三類：地面設(shè)施支持的航空網(wǎng)絡(luò)。航空器的通信服務(wù)主要依賴于網(wǎng)絡(luò)中的地面基站。在這個(gè)架構(gòu)下每個(gè)飛機(jī)節(jié)點(diǎn)至少被一個(gè)地面通信基站覆蓋。純航空自組網(wǎng)（AANET）。網(wǎng)絡(luò)只由一種類型的節(jié)點(diǎn)組成，那就是航空器。數(shù)據(jù)鏈將純AANET中的航空器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，形成高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞目罩蠱ANET。每個(gè)航空器即是主機(jī)也是路由，通過(guò)多跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)AANET任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信?；旌闲秃娇兆越M網(wǎng)。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是前兩種的混合，地面基站只覆蓋部分的區(qū)域，而剩余沒(méi)有地面基站覆蓋的區(qū)域通過(guò)飛機(jī)間多跳轉(zhuǎn)發(fā)通信。1.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)航空自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)類型多樣，包括有地面基站、航空平臺(tái)、中繼平臺(tái)。不同類型的節(jié)點(diǎn)的通信特點(diǎn)、重要程度也各有不同。航空平臺(tái)：這是最常見(jiàn)的航空自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，也是AANET的主要組成部分，飛行節(jié)點(diǎn)裝備有數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)，具備高移動(dòng)性、高傳輸距離、強(qiáng)計(jì)算能力等特點(diǎn)。航空平臺(tái)包括各種類型的飛行器，如各種民航飛機(jī)和各型號(hào)的戰(zhàn)斗機(jī)。大型客運(yùn)機(jī)需要大帶寬為乘客提供娛樂(lè)服務(wù)，小型飛機(jī)只需為駕駛員提供通信服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈將純AANET中的航空器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，形成高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞目罩蠱ANET。航空平臺(tái)之間的通信有兩種，一種是借助中繼平臺(tái)，另一種是借助航空器組成的MANET進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)通信。比較于衛(wèi)星的中繼通信，空中MANET通信時(shí)延低、速度快、接入Internet成本低、高帶寬。這將成為未來(lái)航空通信的主要途徑。地面基站：包括有中繼系統(tǒng)、地面通信基站、控制中心。地面基站于Internet相連接，可以為AANET提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。但是地面基站的移動(dòng)性相對(duì)較差、覆蓋范圍有限，航空器經(jīng)常沒(méi)有與地面節(jié)點(diǎn)的直接通路。比如跨洋飛行或?yàn)?zāi)害援助等地面基站難以架設(shè)或損壞場(chǎng)景，此時(shí)需要由中繼節(jié)點(diǎn)或其他飛行節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼。中繼節(jié)點(diǎn)：中繼節(jié)點(diǎn)包括高空平臺(tái)（HighAltitudePlatform,HAP）、衛(wèi)星。衛(wèi)星通信可以提供較大的通信覆蓋范圍,不會(huì)受到位置限制，在覆蓋范圍內(nèi)提供的通信服務(wù)較為穩(wěn)定。但是衛(wèi)星通信的帶寬有限、通信成本高昂、而且有較大的時(shí)延；此外，衛(wèi)星的通信鏈路容易被竊聽(tīng)、損毀、干擾，通信的可靠度得不到保證。高空平運(yùn)行的高度在航空器之上、在衛(wèi)星之下，HAP主要在平流層巡航（距地面17-30公里）。常見(jiàn)的高空平臺(tái)有太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)、熱氣球、飛艇。HAP可以固定在一定區(qū)域或進(jìn)行巡航，為一定區(qū)域的飛機(jī)節(jié)點(diǎn)提供中繼通信服務(wù)。HAP具有衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)，覆蓋范廣、不受位置限制、為覆蓋范圍提供穩(wěn)定通信服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也沒(méi)有衛(wèi)星通信時(shí)延大、花費(fèi)昂貴的缺點(diǎn)[2]。1.1.2鏈路特性每個(gè)航空自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路連接，支持的鏈路連接種類較多，包括有：Ka波段數(shù)據(jù)鏈路、外層光鏈路、甚高頻（VHF）數(shù)據(jù)鏈路。甚高頻（VHF）數(shù)據(jù)鏈路層：是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、最可靠的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)；但VHF提供的帶寬有限，不能提供各種航空服務(wù)，但它可以用于傳遞對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的應(yīng)用數(shù)據(jù)。VHF采用全相天線，可以為航空器的各個(gè)階段（如爬升、巡航等）提供可靠通信服務(wù)。（2）Ka波段數(shù)據(jù)鏈路：由于波段數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂孟嗫仃囂炀€，因此能夠在毫秒級(jí)別快速獲得目標(biāo)移動(dòng)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)通信范圍內(nèi)的快速重定向節(jié)點(diǎn)。Ka波段數(shù)據(jù)鏈路很適合用于建立實(shí)時(shí)的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接。由于使用相控天線，比起使用全相天線的VHF，Ka波段數(shù)據(jù)鏈路提供的帶寬更大。但Ka波段數(shù)據(jù)鏈路容易受氣象環(huán)境的影響，當(dāng)氣象條件不好時(shí)，Ka波段數(shù)據(jù)鏈的通信性能會(huì)受到很大的影響[2]。（3）外層光鏈路（OOL）：OOL可以提供大容量長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的通信連接，并且有無(wú)電磁干擾、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。但是OOL需要有較長(zhǎng)的捕獲時(shí)間，因此，OOL不適合用于高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中，一般用于飛機(jī)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的主干網(wǎng)連接。加上光信號(hào)容易受到大氣擾動(dòng)的影響，因此只適用于飛機(jī)的巡航階段[2]。1.2四層混合型航空自組網(wǎng)架構(gòu)本課題所提出的航空網(wǎng)絡(luò)是4層結(jié)構(gòu)的混合型航空自組網(wǎng)，如圖所示，自上而下4層分別為：①衛(wèi)星層、②平流層、③飛行層、④地面層。1.2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（1）衛(wèi)星層主要由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。有廣闊覆蓋范圍、可作為中繼節(jié)點(diǎn)；但花費(fèi)昂貴、通信可靠性不能保證、時(shí)延大。（2）平流層主要由高空平臺(tái)（HAP）節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。HAP具備了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了衛(wèi)星的時(shí)延大，費(fèi)用高等缺點(diǎn)。（3）飛行層主要由高動(dòng)態(tài)的飛行節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。飛行節(jié)點(diǎn)裝備有數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)，具備高移動(dòng)性、高傳輸距離、強(qiáng)計(jì)算能力等特點(diǎn)。飛行層是本文研究的重點(diǎn)和核心，飛機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的空中MANET通信也是航空通信的很重要的發(fā)展方向。（4）地面層主要由地面基站節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。可以為飛行節(jié)點(diǎn)提供Internet接入服務(wù)，但受限于地面節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和覆蓋范圍。圖3-1：四層混合型航空自組網(wǎng)架構(gòu)航空網(wǎng)絡(luò)的鏈路連接主要是：①航空平臺(tái)與航空平臺(tái)、②航空平臺(tái)與地面基站、③航空平臺(tái)與衛(wèi)星、④航空平臺(tái)與HAP、⑤地面基站與衛(wèi)星、⑥地面基站與HAP。四層混合型航空自組網(wǎng)架構(gòu)支持以下多種無(wú)線鏈路：①甚高頻（VHF）數(shù)據(jù)鏈路、②Ka波段數(shù)據(jù)鏈路、③外層光鏈路（OOL）。1.2.2鏈路特性（1）甚高頻（VHF）數(shù)據(jù)鏈路支持的帶寬有限，是最可靠的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，可以用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的應(yīng)用數(shù)據(jù)。因此，在四層混合型航空組網(wǎng)架構(gòu)中，用于航空平臺(tái)與航空平臺(tái)、航空平臺(tái)與地面基站的通信。（2）Ka波段數(shù)據(jù)鏈路使用的是相控陣天線，能實(shí)現(xiàn)快速定向到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且可以提供較大的帶寬。因此，在本節(jié)所提出的四層混合型航空自組網(wǎng)架構(gòu)中，Ka波段數(shù)據(jù)鏈路幾乎可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中的任